Эволюция систем отопления и водоснабжения

Вряд ли можно отыскать что-то более значимое для развития человеческой цивилизации, чем водоснабжение и отопление. Более того, историки уверены в том, что степень развития этих важнейших для удовлетворения человеческих потребностей технологий и определяет уровень цивилизации.

Теплое, уютное жилище видимо стало насущной потребностью с того времени, как люди научились пользоваться огнем. Очаг, служивший для приготовления пищи, в то же время, пусть и весьма неэффективно, обогревал доисторический дом. Довольно рано древний человек эмпирическим путем убедился в безвредности сжигания древесного угля в жилище и с той поры широко распространились древесно-угольные жаровни. Позже ученые определили, что, при равномерном притоке воздуха к тонкому слою тлеющих, хорошо предварительно выжженных древесных углей продуктом сгорания является только относительно безвредный и не обладающий запахом угольный ангидрид (углекислота, СО₂). Любопытно, что КПД этого самого древнего способа отопления был равен единице, подобная эффективность современным системам и не снилась. Древесно-угольные жаровни были весьма широко распространены на всем европейском континенте, в Китае и Японии. Забавно то, что этот способ отопления оказался весьма живучим и даже в восемнадцатом веке залы английского парламента отапливались жаровнями, при этом в той же Великобритании уже существовали паровые централизованные системы отопления.

Водоснабжение в этот период развития цивилизации получило куда большое развитие, своим расцветом многие древние государства в значительной степени были обязаны умению использовать поверхностные и подземные воды для нужд земледелия и водоснабжения городов. Первоначально водоводы сооружались по принципу самотека. Уже с четвертого тысячелетия до нашейэры в долине Нила и в междуречье Евфрата и Тигра постепенно усложняется ирригационная система: проводятся каналы, создаются плотины, регулируется режим рек. Тогда же начали применяться водоподъемные механизмы, древнейшим из них был шадуф (прототип хорошо всем известного колодезного журавля), изображения которого встречаются в гробницах египетских фараонов. Позже появились более эффективные водоподъемные колеса, использующие мускульную силу сотен рабов. В Египте было известно искусство сооружения копаных колодцев глубиной до 100 метров и применение для водоводов гончарных и свинцовых труб. В третьем тысячелетии до нашей эры китайцы достигли большого мастерства в устройстве сооружений для подъема воды, в рытье колодцев огромной глубины - до 500 метров. Тогда же в Китае началось строительство трубчатых артезианских колодцев и бамбуковых водопроводов, для подачи воды на поля использовалось водоподъемное колесо. Синноры, или туннели для воды, были известны в Палестине во втором тысячелетии до нашей эры. Города строили на вершинах холмов, а источники воды зачастую находились за городскими стенами. При осаде неприятель легко лишал осажденный город источника питьевой воды. Для того, чтобы этого избежать строили подземные туннели с потайным выходом к источнику. Позднее в этих туннелях стали прокладывать водоводы. В Иерусалиме сохранился синнор, построенный около 700 года до нашей эры - Силоамская купель длиной более 600 метров.

 

Более поздние культуры оставили свой значительный след в развитии водоснабжения. В финикийском Тире вода из ключей поднималась на 4-6 метров над поверхностью земли, приводила в движение несколько мельниц, а затем отводилась сетью открытых и подземных галерей и трубопроводов к городским домам. Один из трубопроводов был даже проведен на остров по дну морского пролива. Древние греки создали разнообразную гидротехнику для использования ключей, подземные цистерны и галереи с вентиляционными и смотровыми колодцами, гончарные и свинцовые трубчатые водопроводы, фонтаны, первую канализацию. Архимед Сиракузский придумал новый водоподъемник, так называемый «архимедов винт», а Ктезибий изобрел водяной насос. В Афинах в период наибольшего расцвета было 18 водопроводов, доставлявших горожанам речную и подземную воду.

 

В Древнем Риме водоснабжение стало государственным делом, там существовала должность императорского начальника водопроводов. Впервые в истории здесь была создана сложная централизованная система водоснабжения, включавшая надземные водоводы – акведуки и огромные накопительные резервуары – цистерны. В течение только одного года было построено 130 резервуаров, 700 водоразборных колодцев и 150 фонтанов. До наших дней сохранилась знаменитая римская Cloaca Maxima - огромный главный канализационный коллектор, в котором можно плавать на лодке. Во времена правления императора Цезаря Августа Нервы (96 – 98 г.г. н.э.) в Риме насчитывалось около двух миллионов жителей. Ежедневно по трубопроводам, снабжавшим город водой, подавалось около миллиарда литров, то есть в сутки на каждого жителя приходилось 500 литров воды. Столько же потребляет житель современного города с миллионным населением.

 

Строительство гидротехнических сооружений велось по всей огромной империи. Падение Рима привело к долгому забвению большой части культурного наследия великой древней империи, в том числе и достижений в водоснабжении. Очень показателен пример построенной в столице Византии Константинополе Цистерны Базилика. Уникальный подземный резервуар размерами 145 на 65 метров, ёмкостью 80 000 кубических метров воды, сводчатый потолок которого поддерживают 336 колонн восьмиметровой высоты. В средние века Цистерна Базилика была заброшена и прочно забыта. Обнаружили её вновь лишь в двадцатом веке и только потому, что власти Стамбула заинтересовались тем, как некоторым жителям города удается ловить рыбу не выходя из дома, прямо через отверстия в полу.

 

Увы, прочно забытым оказалась и созданная в Древнем Риме система отопления жилища хюпокауст, что в переводе с греческого означает «снизу согретый». Хюпокауст - огневая система отопления подпольными камерами. Отапливаемое помещение имело подполье, которое служило дымоходом для очага, находившегося вне здания в углублении в грунте. Горячий дым обогрев перекрытия подполья, выходили наружу по встроенным в стены гончарным вертикальным дымоходам. Наружный воздух проходил по тому же пути, по которому раньше шли продукты горения, и согретым поступал в помещение. При археологических раскопках древнего города Геркуланума обнаружилось, что хюпокаусты применялись даже для отопления двухэтажных зданий. В Римской империи использовалась и модификация хюпокауста, при которой жилище отапливалось подпольными, уложенными в грунте каналами, обогревавшимися также продуктами сгорания древесного угля, сжигавшегося во вне домовых заглубленных в землю топках. Подпольно-канальное отопление стало прародителем печного. Римляне впервые использовали теплоотдачу внешней поверхности согретого дымохода. Для того, чтобы создать комнатные печи, в усовершенствованном виде сохранившиеся до сегодняшнего дня человечеству потребовалась ещё тысяча лет.

 

Падение Римской империи привело к всеобщему упадку культуры и техники. Победители римлян древние германцы отапливали свои жилища открытыми дровяными очагами без отводящего дымохода. Регресс особенно заметен в начале средних веков. Спустя почти полтора тысячелетия после постройки Cloaca Maxima в средневековой Европе нечистоты из домов выпускались прямо с фасадов зданий в открытые уличные сточные канавы. В позднем средневековье появляются огнекаменные печи примитивного воздушного отопления, по сути своей похожие на булыжную банную каменку. Печи эти отапливались дровами, после прогорания которых, дымоход закрывался, воздух продолжал поступать в топочное пространство и согретым выходил через отверстия в перекрытии печи в отапливаемое помещение. Широко применялось и отопление открытыми каминами.

 

Дальнейшее совершенствование систем отопления и водоснабжения было связано с бурным развитием промышленности и изобретением паровой машины. Первые централизованные системы отопления появились в Великобритании в восемнадцатом веке. Дымно – трубная; воздушная, которую в Европе называли «русской», так как эта система отопления горячим воздухом была ещё в пятнадцатом веке применена в московском Кремле; паровая; водяные системы высокого и низкого давления, и наконец, вентиляционная. Первая групповая система отопления появилась в 1818 году в Англии для нескольких оранжерей. Но первыми все экономические выгоды от укрупнения котельного хозяйства осознали в Соединенных Штатах Америки. Там, в городе Локпорт, в штате Нью-Йорк, уже в 1878 году возникла первая районная теплоцентраль городского масштаба, снабжавшая по подземным трубопроводам потребителей паром. Нужно отметить, что решающим условиям для широкого применения систем централизованного отопления стало изобретение русским инженером и промышленником Карлом Францевичем Сан – Галли отопительного радиатора. Следующим этапом эволюции стали конвективные системы отопления, получившие широкое применение после изобретения циркуляционного насоса. С развитием новых технологий в двадцатом веке появились системы кабельного и инфракрасного отопления.

 

В России до восемнадцатого века большинство жилищ отапливались курными печами без дымоходов. С началом реформ Петра Великого, изменивших все устои русского общества получили развитие системы водоснабжения и отопления. В новой Петровской столице прокладываются водопроводы для снабжения фонтанов и водяных каскадов, ставших любимой затеей русского монарха. Необходимо отметить, что первый русский водопровод, как свидетельствуют археологические раскопки, был построен к хоромам князя в Новгороде Великом ещё в одиннадцатом веке. Освоение производства огнеупорного кирпича привело к созданию уникальной по своей эффективности русской печи. В «Вестнике Российской академии наук» сообщается, что в "1736 г. начали строить в России кирпичные теперь употребляемые печи, изнутри топимые, которые под названием Русских распространились потом в Германии и Франции... Сии печи, в кои количество дров кладется вдруг, суть для северного климата самые лучшие". Любопытно, что в самой России эти печи сначала называли «голландками» потому, что их облицовывали голландскими изразцами. Первая система водяного отопления в России была сконструирована и реализована в 1834 году горным инженером П.Г.Соболевским, а первая система с использованием водяных насосов разработана инженером Н.П. Мельниковым в 1909 году для здания Михайловского театра в Петербурге. Первый теплопровод общего пользования был построен в Ленинграде в 1924 году и обогревал 72 комнаты одного из домов по набережной Фонтанки, при этом окончательно запрещено печное отопление жилых зданий в городе на Неве было лишь в 1963 году.

Современные тенденции развития систем отопления предполагают энергосбережение. Одним из актуальных решений признано использование индивидуальных автоматизированных котельных и индивидуальных тепловых пунктов (ИТП). Это современное оборудование, экологичное и безопасное, преимущество которого составляют компактность, широкий диапазон тепловых нагрузок, энергоэффективность, возможность выбора вида топлива, улучшение качества и уменьшение расхода горячей воды, снижение давления во внутренних сетях и уменьшение эксплуатационных затрат. Управление работой оборудования и регулирование режимов отпуска тепла и воды потребителю осуществляются автоматически, не требует постоянного присутствия человека. Экономический эффект применения индивидуальных котельных с автоматическим управлением весьма ощутим. Затраты быстро окупаются, а использование современного оборудования в сочетании с автоматикой позволяет достичь экономии: топлива до 14%; электрической энергии до 6%; холодной воды до 30%. Современные автоматизированные котельные рассчитаны на длительный срок службы. Их использование исключает гидравлические удары в системах отопления и ГВС и обеспечивает климатический комфорт в помещениях.

Василий Горлов