Мировая история развития теплоснабжения и теплофикации

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.  
Мировая история развития теплоснабжения и теплофикации. 
Глава «История централизованного теплоснабжения 
и комбинированного производства теплоты 
и энергии*»

*По материалам  Международной Ассоциации Euroheat & Power: «Начиная с Древнего Рима до наших дней — история и будущее теплофикации и централизованного теплоснабжения». Март 2002 г (From the Roman Empire to today — the history and future of CHP/DHC, March 2002).

Для того чтобы человек существовал, ему необходимо не только есть, пить и спать, но также нужны нормальные внешние условия, т.е. надо обеспечить человека теплом. Тепло всегда было и остается одним из основных потребностей человека. Хотя, казалось бы, люди, живущие на территориях с низкотемпературным климатом, должны были быть разработчиками систем отопления и эффективных систем теплоснабжения, но на самом деле разработчиками этих систем были греки и римляне. Они всегда уделяли большое внимание своему здоровью и красоте, именно это и послужило толчком для создания систем центрального теплоснабжения.

Древний мир

Первая, так называемая, система централизованного отопления (ЦО) «хюпокаустум», появилась в Ш-IV вв. до н.э. Эта система была впервые применена в общественных банях, которые были широко распространены в римской и греческой империях.Только в одном Риме, в IV в. н.э. было более 850 общественных бань и 11 больших учреждений. Однако, многие гимназии, отели, малые дворцы и виллы также имели центральное отопление. Китайцы также, почти одновременно с римлянами, разрабатывали свою систему ЦО «Kang», которая была аналогична римской. В то время китайцы и римляне регулярно торговали (первый Шелковый путь), это является доказательством того, что между этими великими империями был обмен различными техническими разработками. Эти достижения в области теплоснабжения в большинстве своем были забыты из-за падения Римской Империи в Ш-IV вв. н.э.

Римские бани

Принятие ванны для римлян было частью их ежедневной и социальной жизни. Бани были везде, где селились римляне. Они были быстро приняты местным населением. Любое большое поселение или город имел, по крайней мере, одну общественную баню. Большие городские дома часто имели частные бани, и почти каждое поместье имело свою собственную.

Считалось, что римляне изобрели общественные бани, однако, их изобретателями были греки, и раскопки в Олимпии и Аркадии, (Греция), показали, что греки были разработчиками большей части системы ЦО. Система отопления в банях в Гортисе (Gortys) имела воздушные подземные трубопроводы в П-Ш вв. до н.э. 

 

Римское отопление

Термы (бани) имели в своей структуре несколько отделений и нагревались из задней (самой горячей) части - камеры купания или кальдарий (caldarium) от печи (praefurnium). Дополнительная печь часто размещалась рядом с теплым помещением - тепидарием (tepidarium) и парной.

Над печью, за кальдарием бани, обычно устанавливали водяной котел, сделанный из бронзовых склепанных пластин. Нижняя часть котла была замурована в стенку, для обеспечения лучшей изоляции. Этот котел снабжал горячей водой кальдарий. Холодная вода подавалась в нижнюю часть котла из напорной цистерны, в которую вода поступала из скважины. Она нагревалась и направлялась в баню. В случае необходимости, горячая вода из котла могла быть смешана с холодной водой из другого канала перед подачей в баню.

Котел представлял из себя бронзовую полукруглую шахту, известную как «черепашья» (testudo) из-за своей формы, он находился над печью, за счет чего вода в «панцире» нагревалась.

Необходимо было обеспечивать адекватную подачу горячей и холодной воды, также нужно было обеспечивать дренаж. Водопроводные трубы были сделаны из свинца. Краны, управляющие притоком воды через них, и ответвления были сделаны из бронзы. В больших банях свежая вода подавалась через длинную сеть трубопроводов, которая позволяла транспортировать воду на достаточно большие расстояния. Использованная вода из городских бань сливалась в общественные сточные трубы.

Воздух нагревался горящим углем или древесным углем во внешне обслуживаемой подогревательной камере (praefurnium) и перекачивался через пустоты между малыми опорами (столбов), сделанными из черепицы. Высота этих столбов «хюпокаустум» изменялась от 0,4 м до 1,2 м. Горячий воздух нагревал пол, и затем поднимался вверх через столбцы, которые обычно располагались в углах камер.

Конструкции терм (бань) посвящена 10 глава V книги труда Витрувия Об архитектуре (I в. до н.э.). Витрувий, архитектор и инженер, посвятивший свой трактат Августу, дает здесь практические рекомендации относительно последовательности банных помещений, а также нагревательной системы терм с ее весьма примечательной особенностью - «подвесными полами». Вся последующая литература по архитектуре неизменно пользуется терминологией Витрувия (аподитерий - помещение для раздевания, кальдарий - горячее помещение в термах, тепидарий - теплое, фригидарий - холодное и т.д.).

Так как настил держался только на столбах и не соединялся со стенкой, это позволяло легко компенсировать тепловые напряжения, возникающие в результате нагрева от их сторон, таким образом, избегая разрушения под напряжением.

Позднее, в I в. н.э., эта система отопления была усовершенствована дополнительным использованием полости стеновых плиток, колонны устанавливались вертикально в стенку, обеспечивая значительно лучший нагрев. Горячий воздух мог нагревать не только настил, но также и стенки, и после этого выходил наружу через верхний отопительный канал.

Окна остеклялись так, чтобы предотвратить высокие тепловые потери в индивидуальных комнатах-отделениях. Если стекло было известно уже в середине П в. до н.э., то оконное стекло было изобретено намного позже, к концу I в. н.э., возможно, причиной этого было многочисленное строительство бань в Римской империи. Окна с двойным остеклением часто использовались, чтобы улучшить изоляцию, особенно в банях.

Отопительные эксперименты проводились в восстановленных римских банях в Салбурге (Saalburg), в римском лагере недалеко от Бэд Хомбурга (Bad Homburg) (к северу от Франкфурта), чтобы воспроизвести детали практической работы и проиллюстрировать эффективность римских систем отопления «хюпокаустум». Температура внутреннего воздуха в помещении достигала приблизительно 18-30 °С, в зависимости от типа отопления и интенсивности горения.

В холодных северных провинциях Римской Империи люди предпочитали использовать упрощенную форму системы «хюпокаустум» - канальное отопление, особенно со П в. н.э. Канальная система отопления была более рентабельной, имела низкую себестоимость, могла широко использоваться в жилищной конструкции, но тепловой эффект был ниже, чем у системы «хюпокаустум», и это делало канальную систему неподходящей для нагрева бань.  

 

Средневековье

Система ЦО, с точки зрения римской исторической разработки, была в значительной степени забыта в Центральной Европе в течение средневековья (VI-XV вв. н.э.). Появляются новые исследования, но в средневековье уделяется малое значение разработкам систем ЦО. Системы ЦО в основном использовались в крепостях, замках, монастырях и официальных зданиях, таких как ратуши и церкви по всей Европе. Наиболее широко была распространена система воздуховодов. Самая большая система была построена в Х||| в. н.э. немецкими рыцарями в замке Мальборк (Malbork), недалеко от Балтийского побережья Польши.  

 

Идея Леонардо

В 1480 г. Леонардо Да Винчи нарисовал первые эскизы, которые он назвал «вытяжной дымоход» (или «гнездо дыма»), устройство служило для удаления горячих газов из каминов, механически с помощью вентилятора. Так появилось первое устройство комбинированной выработки тепла и энергии (последняя как механическая энергия).

В XV||| и XIX вв. технология ЦО сделала следующий шаг, был разработан первый паровой подогреватель (1745 г.), система теплоснабжения (1777 г.) и система горячего водоснабжения (1831 г.) для домов в Европе. Разработка применялась преимущественно во Франции, Великобритании и Германии.  

 

Все началось в Локпорте (Lockport)

Однако самый большой прогресс был сделан в 1876 г., в Локпорте (Lockport), Нью-Йорк, США, с разработки первой системы централизованного теплоснабжения в мире. Бертсилл Холли (Birdsill Holly) получил патент и снабдил жилые местные постройки и производственные помещения паровым отоплением. В течение года все больше и больше домов присоединяются к отопительной установке. Первыми вложениями в централизованное теплоснабжение были инвестиции в размере 25 тыс. долл. США в компанию Холли Стим Комбинэйшен (Holly Steam Combination). В 1880 г. Холли дали патент на систему комбинированной выработки тепла и энергии, в то время использовался острый пар.

В 1878 г. были созданы первые системы централизованного теплоснабжения в Европе, они снабжали больницы в Германии (госпиталь недалеко от г. Бонн (Bonn)) и в Швеции (больница в Стокгольме). Новая система позволила избавиться от индивидуальных каминов.  

 

Первые шаги в Европе

Первый шаг в развитии систем теплоснабжения в Европе был сделан в Германии, вследствие интенсивного развития электропромышленности. Выработка электричества (блочные электростанции и электростанции общего пользования) была основой для снабжения потребителя от централизованного теплоснабжения.

Одна из первых электростанций была построена в Европе, По-страссе (Postrasse), Гамбург в 1888 г. В 1893 г. новая ратуша также снабжалась теплом от этого завода в целях безопасности. Таким образом, была создана первая ТЭЦ в Европе. В 1898 г. были открыты новые ТЭЦ. Первая Саксонская ТЭЦ была построена в Бэд Элстер (Bad Elster), чтобы снабжать Албербад (Alberbad) и вторая в Берлине, для обеспечения теплом технического университета, однако каждая из этих ТЭЦ обеспечивала теплом только одно здание. 

 

Муниципальное использование

Европейские системы централизованного теплоснабжения появились в Германии в 1900 г. 5-го декабря первая система централизованного теплоснабжения для муниципального использования была запущена в работу в Дрездене. 12 зданий снабжались теплом от ТЭЦ в Пакхофстрассе (Packhofstrasse) и еще 15 зданий снабжались только электричеством. Причинами для конструкции этого завода были, во-первых, общественная безопасность, лучшая защита окружающей среды и, во-вторых, то, что критерий «цена -эффективность» данной системы оказался в два раза ниже. До начала Первой Мировой Войны пять немецких городов последуют этому примеру.

Также в начале XX века в Дании в городе Фредериксберг (Frederiksberg) начинает развиваться система централизованного теплоснабжения. Установка для полного сжигания мусора (отходов) снабжала новый госпиталь теплом. В 1904 г. была введена в работу первая система централизованного теплоснабжения в Венгрии, она обеспечивала теплом парламент Будапешта.

В течение Первой Мировой Войны значительных разработок в области централизованного теплоснабжения не велось. 

 

Большая разработка

11 ноября 1918 г. закончилась  Первая Мировая Война, в результате большие ограничения были наложены на Германию. Трагедия Первой Мировой Войны также повлияла и на поставщиков тепла и электроэнергии в Германии. В 1921 г. экономическая база ТЭЦ и ЦТ была улучшена благодаря быстрому увеличению цен в результате инфляции, вызванной компенсациями союзникам и нехваткой топлива в Германии из-за забастовки, которая была проведена немецкими шахтерами против французских и бельгийских временных владельцев шахт. Последовало быстрое развитие этих систем ТЭЦ и ЦТ для более эффективного использования топлива.

К 1930 г. более 25 немецких городов последовали этому примеру, а также города: в 1923 г. Утрехт (Utrecht) в Нидерландах, в 1925 г. Копенгаген, Дания и Рейкьявик, Исландия и в 1930 г. Париж, Франция - все они последовали этому примеру.

В 1930 г. более 200 систем ЦТ работали в Европе, включая Ватикан. 

 

Экономический бум

Реконструкция разрушенных городов после Второй Мировой Войны дала возможность расширить системы ЦТ в Европе.

Разработки отличались друг от друга, в зависимости от части Европы. Экономическое чудо на западе и реконструкция энергетического сектора на востоке обеспечили огромный бум в области ЦТ и промышленности. Много городов в таких странах как Австрия, Дания, Финляндия, Германия, Венгрия, Нидерланды, Польша, Советский Союз и Швеция решили строить свои собственные ТЭЦ и муниципальные системы отопления, главным образом в 1950-х и 1960-х гг.

Ежегодная скорость роста присоединенной нагрузки с двузначным числом стала нормой. Например, более чем 200 независимых централизованных систем теплоснабжения были разработаны в Дании в период с 1955 до 1973 гг. 

 

Нефтяной кризис

Один из самых плохих дней для энергетики Европы и всего Мира был 6 октября 1973 г., когда Египет и Сирия атаковали Израиль. С 17 октября и в течение войны арабские страны сократили производство сырой нефти. Нефть, как сырой материал, таким образом, стал глобальным политическим оружием. Вскоре цена на нефть увеличилась более чем на 200%.

Ограничения на подачу энергии и повышение цен привели к тяжелому шоку в индустриальных странах и показали зависимость «большой» экономики от энергетики. В итоге, были найдены альтернативные варианты. В частности, общественные электростанции (общего пользования) смогли принять новую стратегию, чтобы уменьшить зависимость от импортируемого топлива. Внимание было сфокусировано на ядерной энергии и национальных источниках энергии для комбинированного производства электроэнергии и теплоты и централизованном теплоснабжении, с его возможностью быстро варьировать цены за счет рынка тепла. Ситуация была усилена вторым нефтяным кризисом в 1978 г.

43 новых ТЭЦ были  запущены в Западной Европе  между 1975 и 1980 гг. с суммарной установленной электрической мощностью 5210 МВт и с теплопроизводительностью в 5013 МВт. 

 

Преобразование

В конце 80-х и 90-х гг. XX в. происходят следующие события: падение Советского Союза, объединение Европы, новая либерализация, согласование рынка и новые всемирные стратегии по защите окружающей среды, созданы для уменьшения выбросов ТЭЦ и централизованное теплоснабжение с новыми возможностями и развивающим потенциалом.