Отопление

Отопле́ние — искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта и/или требованиям технологического процесса[1]. Под отоплением понимают также устройства и системы, выполняющие эту функцию[2].

Содержание

Характеристики отопления

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым.

Конвективное отопление

Вид отопления, при котором тепло передается благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии

Лучистое отопление

Вид отопления, когда тепло передается в основном излучением и в меньшей степени — конвекцией. Приборы для отопления размещаются непосредственно под или над обогреваемой зоной (вмонтированы в пол или потолок, также могут крепиться на стены или под потолком)[3][4].

Виды отопления

По источнику тепла
По теплоносителю
По топливу

Системы отопления

Система отопления — это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость — антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.

Современные системы отопления обладают также и функцией поддержания микроклимата, что предусматривает наличие автоматизации и соответствующего усложнения самой системы. При этом гидравлический режим часто меняется в процессе эксплуатации, что отличает такие системы от «классических», которые единожды настраиваются при пуске в работу[5].

Классификация

Системы отопления можно разделить[5]:

А также:

  • По радиусу действия — местные и центральные;
  • По режиму работы — постоянно работающие на протяжении отопительного периода и периодические (в том числе и аккумуляционные) системы отопления.
  • По гидравлическим режимам — с постоянным и изменяемым режимом;
  • По ходу движения теплоносителя в магистральных трубопроводах — тупиковые и попутные;

Для водяного отопления:

  • По способу разводки — с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной;
  • По способу присоединения приборов — однотрубные, двухтрубные;

История и эволюция систем отопления

Воздушное отопление

Основная статья: Воздушное отопление.
 
Древнеримский гипокауст

Огневоздушное — означает, что нагрев теплоносителя (воздуха) осуществляется с помощью огня.

Первой огневоздушной, да и вообще первой отопительной установкой считается костёр, разведённый внутри жилища.

В Древнем Риме в I веке до н. э. уже существовало развитое отопительное устройство гипокауст, где воздух в помещении получал теплоту от полов, которые нагревались печными дымовыми газами, проходящими в подпольных полостях. Такая система позволяла получать «чистую» теплоту, без контакта человека с продуктами сгорания. Кроме этого, каменный пол, обладая большой тепловой инерцией, долго ещё после потухания огня отдавал теплоту помещению. Гипокауст описывается Марком Витрувием Поллионом в трактате «Об архитектуре». Схожая система, ондоль, появившаяся предположительно в I в. до н. э. — VII в. н. э., используется до сих пор в Корее. Аналогичная система обогреваемого пола известна и в северных районах Китая, где она известна как «дикан» (буквально пол-кан). Впрочем, более распространённый тип китайского кана обогревал лишь широкую лежанку, где люди спали, сидели, сушили вещи и т. д.

 
Площадка системы ондоль (реконструкция), Южная Корея

Также ещё в Древнем Риме принял свой современный облик камин. Термин и происходит от латинского caminus — открытый очаг. Он устанавливался в центре помещения и максимально окружался теплоаккумулирующими материалами — каменный портал, каменный дымоход, каменная противоложная стена. Таким образом удавалось избежать перегрева во время топки (камень «впитывал» теплоту) и резкого охлаждения после потухания огня (теперь камень «отдавал» тепло). Камин также осуществлял вентиляцию, создавая тягу в дымоходе.

А в средней Европе, судя по археологическим раскопкам, и в IX веке жилища отапливались печами-каменками и курными печами. Печь-каменка представляла собой очаг, сложенный из булыжников и валунов, курная печь — вырытую в земле яму с глиняным сводом. Это было уже большим шагом после костра — такая печь аккумулировала теплоту и продолжала отдавать её долгое время после прогорания топлива, что позволяло тратить меньше дров и сил. Но всё равно эти печи ещё топились «по чёрному» — продукты сгорания выходили сперва прямо в жилище и уже после в атмосферу через специальное отверстие в потолке, а то и вовсе через дверь. В XV веке существовали печи с дымоходными трубами, тогда деревянными — «дымницами»[6][7].

К этому времени в Европе система гипокауста была практически утрачена (за исключением Испании, где изменённая версия, называемая «глорией», существовала до начала XX века), а потому появление огневоздушной системы, называемой «русской системой», произвело небольшую революцию. Устройство отопления было такое: холодный воздух через воздухозаборную шахту подводился к установленной на первом или цокольном этаже печи, где, касаясь её раскалённой поверхности, нагревался, а после по горизонтальным и вертикальным кирпичным воздухораспределяющим каналам подводился в обогреваемые помещения. Оттуда через вытяжные каналы отдавший теплоту воздух выводился обратно в атмосферу. Циркуляция воздуха была естественной, за счёт разности плотностей горячего и холодного.

Такая система не только обеспечивала жильё «чистой» теплотой, но и осуществляла вентиляцию. «Русской системой» была оборудована, к примеру, Грановитая палата в Кремле[8].

Печи в XV—XVIII веках были глиняные, кирпичные или даже изразцовые, что было большой роскошью — изразцовую печь можно было встретить только в богато украшенных дворцовых помещениях и изредка у зажиточных горожан. Также на Тульском заводе выпускались чугунные и стальные нетеплоёмкие печи. В 1709 году по указу Петра первого были созданы первые десять «шведских» печей с более дешёвыми изразцами (синяя роспись по гладкому белому основанию). «Шведская» печь популярна и до сих пор, бывает различных конструкций — К. Я. Буслаева, Г. Резника, В. А. Потапова, но по сути представляет собой печь с оснащённой вытяжкой варочной камерой в «теле» печи и «кухонной плитой» на ней. В 1736 году в Петербурге были широко распространены «дровосберегающие» печи, оснащённые горизонтальным змеевиком дымохода, в 1742 её уже успешно вытесняла печь с «колодцами» — вертикальным змеевиком.

Российский инженер и архитектор Н. А. Львов в 1795 году издал первую оригинальную русскую работу по отоплению, свою книгу «Русская пиростатика». В издании Львов с резкой критикой отозвался о модном увлечении иностранными фигурными печами, которые были крайне неэффективны, а также представил изобретённые им усовершенствования отопительных установок, а также основы конструирования и расчёты систем огневоздушного отопления.

 
Схема «русской» системы отопления

В это время всё больше распространялись многоэтажные здания, поэтому появляется тенденция к централизованному отоплению. Тут и пригодится «русская система», выполняемая раньше в основном для двухэтажных зданий. Тогда же в 1799 году Николай Львов опубликовал свою вторую книгу «Русская пиростатика, или употребленiе испытанныхъ каминовъ и печей», где есть раздел «О духовыхъ печахъ верхнiя или соседственные комнаты нагревающiхъ». Там он предложил конструкцию наподобие калорифера, но малоэффективную.

В 1821 году в Вене была издана книга немецкого профессора Мейснера «Руководство к отоплению зданий гретым воздухом» — также сделавшая значительный вклад в развитие огневоздушного отопления[9].

В 1820-х годах быстро приобрели и потеряли популярность т. н. печи Уттермарка. Оригинальная печь Ивана[10] Уттермарка была круглой и выкладывалась очень плотно особым кирпичом, сделанным по лекалам. Также она имела в своей конструкции изогнутые медные трубы с коленами, проходя через которые, нагревался комнатный воздух[11]. То есть набор деталей был не из общедоступных. Поэтому только упрощённый вариант, где печь была из обычного кирпича и снабжалась металлической «рубашкой», и получил популярность, которая быстро схлынула из-за плохих санитарно-гигиенических характеристик (при контакте с раскалённой печью воздушная пыль пригорала, издавая неприятный запах).

 
Изразец голландской печи XVIII века

В 1835 году Николай Аммосов, обобщив идеи Львова и Мейснера, представил первый в мире эффективный калорифер — свою систему «пневматического» отопления, позже и названную «аммосовской печью». Работала система вполне аналогично «русской» — нагретый печью воздух под действием разности плотностей поднимался по «жаровым» металлическим каналам в парадные залы и жилые комнаты. Представление печи было не простое — её впервые установили в помещениях Императорской Академии художеств, где система хорошо себя показала. В 1838 году, после трёхдневного пожара в Зимнем дворце, печное отопление заменили на аммосовские пневмопечи[12]. К 1841 году «аммосовские печи» были установлены в зданиях Эрмитажа, Придворном Манеже — в общей сложности в 100 крупных зданиях в Санкт-Петербурге и других крупных городах России насчитывалось в общей сложности свыше 420 «больших и малых пневматических печей».

И только теперь стали заметны существенные недостатки. То, что система издавала низкий гул при топке, пересушивала воздух, потрескивала во время грозы, было заметно сразу и терпимо (впрочем, именно поэтому Александр II в 1860-х добавил ей «в помощь» локальные системы водяного отопления[12], но главный недостаток заключался в раскалённых «жаровых» воздуховодах, которые перегревали оказавшиеся рядом стены, уничтожая драгоценные росписи, а пыль на них пригорала, издавая неприятный запах, или, хуже, взлетала и покрывала понемногу сажей стены, картины — словом, весь интерьер[13].

Сам Аммосов же ни в коем случае не соглашался с недостатками своего изобретения и приписывал их «лени и неряшеству истопников»[11].

Водяное отопление

Основная статья: Водяное отопление.
 
П. Г. Соболевский

В 1777 году французский инженер М. Боннеман изобрёл и применил для обогрева инкубаторов первую водную систему отопления с естественной циркуляцией, основные принципы и инженерные решения которой нашли применение в отоплении жилищ тогда и применяются до сих пор.

В 1834 первой в России системой водяного отопления с естественной циркуляцией стала система горного инженера, профессора П. Г. Соболевского. В 1875 году появилась первая не только в России, но и в Западной Европе квартира с отдельной системой водяного отопления с использованием плоских отопительных приборов, сделанных в виде пилястр. Подогрев воды происходил в небольшом нагревателе, установленном в кухонном очаге.

Паровое отопление

 
Отопление радием: камин XXI века. Французская карточка 1910 года

Грядущий XIX век дал широкое распространение водяным и паровым системам отопления. Собственно, толчок паровым системам отопления дало повсеместные применение паровых машин. Промышленные помещения были велики, и отапливать их было сложно, так что отработанный пар пришёлся кстати.

В 1802 году в Российской империи впервые появились статьи о возможности отопления паром, а в 1816 г. в Петербурге уже существовала теплица, отапливаемая таким способом.

Одна из крупнейших в мире систем центрального парового отопления была создана в Нью-Йорке в 1882 году и функционирует по сей день[14].

XX век дал начало системам отопления с принудительной циркуляцией, осуществляемой с помощью насосов. Это осуществилось с промышленным выпуском электродвигателей[7].

Отопление с начала XX века

К 1917 году в России многие доходные дома, в основном элитные, оснащались системами водяного и парового отопления. Подача тепла в дом осуществлялась от котельной, расположенной в подвале или пристройке. Судьба одного из таких домов после революции отражена в рассказе Михаила Булгакова «№ 13. Дом Эльпит-Рабкоммуна». В то же время, значительная часть городских зданий и все индивидуальные дома в городах, селах и деревнях отапливались печами на дровах или иных местных видах топлива.

Широкое внедрение систем центрального отопления началось в эпоху индустриализации СССР и сопутствующей ей урбанизации. В это время формируются основные черты систем центрального отопления, которые действуют в России по настоящее время. При вновь возводимых промышленных предприятиях строятся жилые районы («соцгородки») с многоквартирными домами, оснащенными радиаторами водяного отопления. Наиболее эффективным вариантом было признано центральное отопление от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), при котором реализуется совместная выработка тепла и электроэнергии (когенерация). Распространенными видами топлива в то время были каменный и бурый уголь, торф, мазут и дрова. Центральное отопление позволяло повысить эффективность использования топлива, улучшить экологическую обстановку в городах и избавить население от заботы об отоплении жилищ.

К началу 1950-х годов большинство сталинских домов были оснащены системами центрального водяного отопления, которые подключались к котельным промышленных предприятий, ТЭЦ или небольшим районным котельным. При невозможности подключения к центральному отоплению отдельные дома имели собственные котельные, а некоторые малоэтажные дома проектировались с вариантом печного отопления.

Окончательное внедрение центрального отопления многоквартирных домов произошло с началом массового жилищного строительства хрущёвок. Наряду с подключением домов к ТЭЦ и котельным предприятий, в новых жилых массивах возводились районные котельные. С середины 1960-х по начало 1990-х развитие систем отопления в СССР шло в направлении дальнейшей централизации. Небольшие котельные закрывались, а дома подключались к крупным котельным и ТЭЦ. Проводились закольцовывание систем отопления и внедрение закрытой системы теплоснабжения с тепловыми пунктами.

С начала 1960-х котельные и ТЭЦ с местных видов топлива массово переходят на более удобное и экологичное — магистральный природный газ. С ходом газификации населенных пунктов индивидуальные жилые дома в городах и сельской местности также начинают переходить на водяное отопление с использованием газовых котлов. Этот процесс продолжается и сегодня.

В 1980-е планировалось внедрение отопления с использованием атомной энергии: атомные теплоснабжающие станции (АСТ) в Воронеже и Горьком, атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) в Харькове и Одессе. Однако после Чернобыльской аварии все проекты были остановлены.

После распада СССР, наряду с развитием центрального отопления, происходит и иной процесс — распространение местного отопления. Этому способствуют дешевизна и распространенность магистрального природного газа, появление недорогих автоматических газовых котлов и нестабильное функционирование систем центрального отопления. Во вновь возводимых многоквартирных жилых домах применяются домовые котельные, устанавливаемые на крыше или в пристройке. В домах малой и средней этажности также применяются поквартирные системы водяного отопления с помощью настенных газовых котлов.

Примечания

  1. Отопление // Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 1-е изд. — М. : Большая российская энциклопедия, 1991. — ISBN 5-85270-160-2.
  2. Отопление // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  3. Шипилов В. Н. К методике расчётов лучистого отопления помещений // Вестник Кыргызского национального аграрного университета им. К.И. Скрябина : журнал. — 2016. — № 4(40). — С. 163—169. — ISSN 1694-6286.
  4. ГОСТ Р 56778-2015 Системы передачи тепла для отопления помещений. Методика расчета энергопотребления и эффективности. — Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации справочных систем «Кодекс» и «Техэксперт»: docs.cntd.ru.
  5. 1 2 Зайцев О. Н., Любарец А. П. Проектирование систем водяного отопления. — Вена - Киев - Одесса, 2008. — С. 8. — 200 с.
  6. Белоусов В. В. Отопление и вентиляция, ч. 1 Отопление. — Москва : Издательство литературы по строительству, 1967. — С. 5—6. — 280 с.
  7. 1 2 Андреевский А. К. Отопление. — Минск : Высшая школа, 1982. — С. 5—6. — 364 с.
  8. Каменев П. Н. Отопление и вентиляция. Часть 1. Отопление. — Москва : Стройиздат, 1975. — С. 320.
  9. Виноградов В. П. Физические принципы устройства приборов отопления. — 1927.
  10. Леонид Большаков Комментарий к дневнику Т. Шевченко. — Оренбург: Ин-т Т. Шевченко, 1993. — 108 с., ил. — с. 54.
  11. 1 2 Голиков Н. В ТОПКУ. Теплоснабжение Москвы веками обогревало предприимчивых людей // На Варшавке. Чертаново северное. Районная газета ЮАО. : интернет-газета. — 2010. — Сентябрь (№ 9 (156)). Архивировано 18 февраля 2012 года.
  12. 1 2 Санкт-Петербургские ведомости - Наследие - Печи, очаги, камины (рус.). spbvedomosti.ru (22 января 2011). Проверено 22 января 2011. Архивировано 18 февраля 2012 года.
  13. История развития теплоснабжения и теплофикации в России. Глава "Русская отопительная техника" (рус.). rosteplo.ru (21 января 2011). Проверено 21 января 2011. Архивировано 18 февраля 2012 года.
  14. Melanie Burford and Greg Moyer. A City Shaped by Steam (англ.), The New York Times (24 May 2015). Проверено 4 декабря 2016.

Литература

  • СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
  • Сборник статей под редакцией В. Г. Семенова. Часть 3. Вклад русских инженеров в науку и технику отопления — Издательство «Новости теплоснабжения». Москва 2003.
  • Квартирное отопление // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. Том 1. — М.: Большая Советская энциклопедия, 1959. — С. 249—250.
  • Отопление // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. Том 2. — М.: Большая Советская энциклопедия, 1959. — С. 419—420. — 772 с.
  • Отопление // Большая российская энциклопедия. Том 24. — М., 2014. — С. 673.