Потребление энергии в нашей стране, как и во всем ми­ре, неуклонно возрастает и прежде всего для теплообеспе - чения зданий и сооружений. Известно, что на теплоснабже­ние гражданских и производственных зданий расходуется более одной трети всего добываемого органического топлива. Между тем добыча топлива обходится все дороже в связи с освоением глубоких месторождений в новых отдаленных районах. Поэтому при дальнейшем развитии народного хозяйства страны необходима экономия топлива.

Для экономии топлива прежде всего предусмотрено, как генеральное направление, дальнейшее развитие централи­зованного теплоснабжения на базе совместной выработки тепловой и электрической энергии (от ТЭЦ). В отдельных больших городах предусматривается централизованное теп­лоснабжение от атомных теплостанций (от ACT).

Распространено теплоснабжение зданий и сооружений от небольших теплогенерирующих установок (местных котель­ных, печей), которые иногда работают с перерасходом топ­лива и вызывают загрязнение окружающей среды. На ос­нове действующей Энергетической программы страны несо­вершенные установки постепенно заменяются более со­вершенными, а также крупными тепловыми станциями (ТС), что, в связи с повышением КПД, способствует сокра­щению дополнительной добычи топлива для мелких тепло­источников.

Основными среди теплозатрат на коммунально-бытовые нужды в зданиях (отопление, вентиляция, кондициониро­вание воздуха, горячее водоснабжение) являются затраты на отопление. Это объясняется условиями эксплуатации зданий в холодное время года на большей части территории страны, когда теплопотери через ограждающие конструкции зданий значительно превышают внутренние тепловыделе­ния. Приходится для поддержания необходимой темпера­туры внутреннего воздуха оборудовать здания отопитель­ными установками.

Следовательно, отоплением называется искусственное обогревание помещений здания с возмещением теплопотерь для поддержания в них температуры на заданном уровне, определяемом условиями теплового комфорта для находя­щихся людей и требованиями протекающего технологиче­ского процесса. Для этого предусматривают отопительную установку.

Отопление является отраслью строительной техники. Монтаж стационарной отопительной установки проводится в процессе возведения здания, ее элементы при проектиро­вании увязываются со строительными конструкциями и сочетаются с планировкой и интерьером помещений. Вме­сте с тем отопление — один из видов технологического оборудования зданий.

Функционирование отопления характеризуется опре­деленной периодичностью в течение года и изменчивостью использования мощности установки, зависящей, прежде всего, от метеорологических условий в холодное время года.

При понижении температуры наружного воздуха и уси­лении ветра должна увеличиваться, а при повышении тем­пературы наружного воздуха, воздействии солнечной ра­диации уменьшаться теплопередача от отопительных уста­новок в помещения, т. е. теплопередача от отопительных установок должна постоянно регулироваться. Изменение внешних воздействий сочетается с неравномерными тепло - поступлениями от внутренних производственных и бытовых источников, что также вызывает необходимость регулиро­вания действия отопительных устанозок.

Для создания и поддержания теплового комфорта в по­мещениях зданий требуются технически совершенные и надежные отопительные установки. И чем суровее климат местности и выше требования к обеспечению благоприятных тепловых условий в здании, тем более мощными и гибкими должны быть эти установки.

Климат большей часги территории нашей страны отли­чается суровой зимой, схожей лишь с зимой в северо-за­падных провинциях Канады и на Аляске. В табл. 1 срав­ниваются климатические условия в январе в Москве с усло­виями в крупных городах северного полушария Земли.

Средняя температура января в зарубежных городах, приведенная в табл. 1, характерна лишь для самых южных городов Советского Союза, отличающихся мягкой и корот­кой зимой.

Отопление зданий начинают при устойчивом (в течение 3 сут) понижении среднесуточной температуры наружного воздуха до 8 °С и ниже, заканчивают отопление при устойчи­вом повышении температуры наружного воздуха до 8 °С. Период отопления зданий в течение года называют отопи­тельным сезоном. Длительность отопительного сезона уста-

Навлнвают на основании многолетних наблюдений как сред­нее число дней в году с устойчивой среднесуточной тем­пературой воздуха

Таблица 1. Средняя температура наружного воздуха в крупных городах северного полушария в течение наиболее холодного месяца Гороч 4 I еографическая широта Средняя температура января, °С Москва 55°50' — 10,2 Ныо-Йорк 40°40' —0,8 Берлин 52°30' —0,3 Париж 48°50' +2,3 Лондон 5!°30' +4,0

Для характеристики изменения температуры наружного воздуха в течение отопительного сезона рассмотрим график (рис, 1) продолжительности стояния одинаковой среднесу­точной температуры в Москве, где отопительный сезон длится 7 мес (213 сут). Как видно, наибольшая продолжи­тельность стояния температуры в Москве относится к сред­ней температуре отопительного сезона (—3,6 °С). Эта зако­номерность характерна для большинства районов страны.

Продолжительность отопительного сезона невелика лишь на крайнем юге (3—4 мес), а на большей части СССР она составляет 6—8 мес, доходя до 9 (в Архангельской, Мурман­ской и других областях) и даже до 11—12 мес (в Магадан­ской обл. и Якутской республике).

Суровость или мягкость зимы полнее выражается не дли­тельностью отопления зданий, а значением градусо-суток — произведением числа суток действия отопления на разность внутренней и наружной температуры, средней в течение этого периода времени. В Туркмении это число градусо - суток равно 850, в Москве — 4600, а на севере Краснояр­ского края доходит до 12800. Приведенные данные свиде­тельствуют о большом разнообразии местных климатиче­ских условий на территории Советского Союза.

Необходимо также отметить важность отопления для пашей страны, где почти каждое здание должно иметь ото­пительную установку.

Состояние воздушной среды в помещениях в холодное время года определяется действием не только отопления, но и вентиляции. Отопление и вентиляция предназначены для поддержания в помещениях помимо необходимой тем­пературы определенных влажности, подвижности, давле­ния, газового состава и чистоты воздуха. Во многих про­изводственных и гражданских зданиях отопление и венти­ляция неотделимы, они совместно создают требуемые сани­тарно-гигиенические условия, что способствует снижению числа заболеваний людей, улучшению их самочувствия, повышению производительности труда и качества продук­ции.

В сооружениях агропромышленного комплекса средст­вами отопления и вентиляции поддерживаются климати­ческие условия, обеспечивающие максимальную продуктив­ность животных, птиц и растений, сохранность овощей и фруктов.

Рабочие помещения и здания, а также продукты труда требуют для сохранения своего нормальною состояния надлежащих температурных условий. Недостаточно отапли­ваемые здания быстрее разрушаются вследствие нарушения необходимого температурно-влажностного режима их кон­струкций. Технологические процессы получения и хране­ния ряда продуктов, изделии и веществ (точных приборов и ламп, пряжи и тканей, кинопленки и стекла, муки и бу­маги и т. д.) требуют строгого поддержания заданной тем­пературы помещений.

Состояние отопительной техники, как и любой другой отрасли техники, определяется уровнем развития произво­дительных сил и характером производственных отношений в обществе.

Процесс перехода от очагов для отопления помещений к жаровням, печам, каминам, конвекторам, излучателям и другим отопительным приборам сопровождался улучше­нием способа сжигания топлива и совершенствованием их конструкции. Вместе с тем различные способы отопления помещений трудно отнести к определенным этапам истори­ческого общественного развития.

В одно и то же время встречались технические устройст­ва отопления, стоящие и на самом низком и на достаточно высоком уровнях. Самый простой и древний способ отопле­ния путем сжигания топлива внутри помещения соседство­вал с центральными установками водяного и воздушного отопления. Так, в г. Эфесе, основанном в X в. до н. э. на территории современной Турции, для отопления уже в то время использовались системы трубок, в которые подава­лась горячая вода из закрытых котлов, находящихся в под­валах домов. Система воздушного отопления «Хюпокаустум» («снизу согретый»), созданная в Римской империи, подроб­но описана Витрувием (конец I в. до н. э.). Наружный воздух нагревался в подпольных каналах, предварительно прогретых горячими газами, и поступал в отапливаемые помещения. По такому же принципу обогревались помеще­ния замков в Германии в средние века.

Одновременное использование различных по совершен­ству отопительных установок отражало классовый харак­тер общества. Костры, очаги и примитивные печи исполь­зовались в жилищах бедняков, водяное и воздушное отоп­ление — в дворцах и банях знати. Это различие в отопи­тельных установках, имевшееся 2000—3000 лет назад, существовало и в средние века.

В течение нескольких тысячелетий для отопления жи­лищ применялись глинобитные печи, топившиеся «по-чер­ному» с отводом дыма в помещение и через него наружу. В дворцах устраивалось центральное огневоздушное под­польное отопление, обнаруженное при раскопках на терри­тории Хакассии в Сибири, Древних Китая и Греции.

В России лишь в XV—XVI вв. печи в жилых помещени­ях были дополнены трубами и стали называться «белыми» или «русскими». Появилось воздушное отопление. Извест­но, что в XV в. такое отопление было устроено в Грановч - той палате в Московском Кремле, а затем под названием «русская система» применялось в Германии и Австрии для отопления крупных зданий.

После опубликования в России в конце XVIII в. книг Н. А. Львова («Русская пиростачика», 1795 п 1799 гг.) появились системы воздушного отопления, совмещенные с вентиляцией.

Обобщающий печное отопление труд — «Теоретические основания печного дела» — был написан И. И. Свиязевым в 1867 г.

В XVIII в. в Англии и Франции были изобретены (хотя отдельные установки встречались и ранее) системы парового и водяного отопления. Они сначала применялись для отоп­ления оранжерей и теплиц, а потом с начала следующего столетия — и зданий. В России первая система парового отопления была осуществлена в Петербурге в 1816 г., водя­ного отопления — в 1834 г. (П. Г. Соболевский). В России паровое отопление высокого давления устраивалось исклю­чительно в производственных зданиях, что свидетельствует о понимании связанных с его применением недостатков. Позднее стали применять системы низкого давления. Водя­ное же отопление преимущественно распространялось в гражданском строительстве, в первую очередь — в боль­ницах.

Остановимся подробнее на истории водяного отопления, широко применяемого в настоящее время.

В XIX в. водяное отопление устраивалось с естествен­ной циркуляцией воды. В 50—60-х годах того века распро­странилось, как более дешевое, водяное отопление высокого давления по системе Перкинса (патент 1831 г.). Система составлялась из вертикальных толстостенных трубок (внут­ренний диаметр 15 мм, наружный 25 мм), со всех сторон замкнутых и заполненных водой. Вода нагревалась в зме­евике, помещенном в центральную печь. Такого же рода змеевики «(нагревательные спирали»), соединенные одной трубой (сейчас подобная связь отопительных приборов име­нуется однотрубной), размещались в обогреваемых помеще­ниях. В системе циркулировала вода под значительным дав­лением (до 7 МПа), нагреваемая до 260—300 °С.

В системе водяного отопления высокого давления кроме змеевиков в помещениях использовались гладкие трубы большого диаметра, а затем и ребристые трубы — первые специальные отопительные приборы. Применялось также водяное отопление повышенного давления (до 0,8 МПа) по системе Дювуара горизонтального типа с отопительными приборами в виде чугунных цилиндрических печей со сквоз­ным внутренним каналом (система подобного вида действует и сейчас в одном из зданий в г. Горьком).

С 70-х годов прошлого столетия с водяным отоплением высокого давления стачо успешно конкурировать водяное отопление низкого давления, выполняемое заводом Сан - Талли в Петербурге по горизонтальной схеме с отопитель­ными приборами из ребристых труб (фасонные части и арматура ввозились из Германии). В последней трети XIX в. водяное отопление низкого давления осуществлялось в различных городах России Петербургским металлическим заводом (О. Е. Крелль) в виде вертикальных и горизон­тальных однотрубных систем.

В 1875 г. К. Лешевич впервые устроил квартирное водя­ное отопление низкого давления с вертикальными плоскими стальными отопительными приборами, действующее само­стоятельно или во время топки кухонного очага.

В 80-х годах стало распространяться центральное водяное отопление с вертикальной прокладкой труб по однотрубной схеме с отопительными приборами в виде вертикальных оребренных тумб (различной высоты) и обходными ветками вдоль них (в настоящее время их назы­вают замыкающими участками). Около каждого отопитель­ного прибора стали устанавливать регулирующие краны.

В 90-х годах появилось двухтрубное водяное отопление (под влиянием законодателя германской отопительной техники Г. Ритшеля), где по одной из параллельно прокла­дываемых двух вертикальных труб подавалась в отопитель­ные приборы нагретая вода, по другой — отеодилэсь ох­лажденная. Единственным, кто продолжал практиковать применение однотрубного водяного отопления, был Петер­бургский металлический завод (теперь JM3). На этом заводе осуществлялись изготовление по собственным проектам, предварительная заготовка и сборка отдельных элементов. Поэтому монтаж (также силами завода) отопительных уста­новок в зданиях проводился в сокращенные сроки.

Вертикальные трубы отопления прокладывались скрыто в стенах, ребристые трубы закрывались щитами и декора­тивными решетками.

Для начала XX в. характерно стремление к уменьше­нию первоначальной стоимости отопительных установок. Водяное отопление устраивается с открытой прокладкой вертикальных труб и открытой установкой отопительных приборов (около 1900 г. появились чугунные радиаторы). Применяются различные решения с целью повышения ско­рости движения воды для уменьшения диаметра труб. Побуждение циркуляции воды предлагалось осуществлять путем подмешивания к воде в подъемных трубах воздуха, пара, перегретой воды*. В. М. Чаплин разработал и в 1903 г. впервые применил в Москве паро-водо-водяное отопление с побуждением циркуляции воды пароструйным инжектором. Для отопления здания устанавливались два котла: паровой для получения пара под давлением 0,05— 0,3 МПа (в зависимости от высоты здания) и водогрейный для нагревания воды до температуры от/ 100 до 150 °С, которая, смешиваясь с охлажденной водой, поступала при пониженной температуре (не выше 90 °С) для отопления помещений.

Предложенное В. М. Чаплиным ** эжектирование ох­лажденной зоды при подаче снаружи высокотемпературной воды повсеместно используется до настоящего времени для центрального водяного отопления зданий.

В 1905 г. В. А. Яхимович предложил и внедрил «труб­чатые приборы с рубашкой из бетона» — паробетонные приборы панельно-лучистого отопления, основанного на заделке нагревательных элементов в толщу ограждающих конструкций помещений. В последующие 10 лет было выполнено свыше 100 таких отопительных установок.

В те же годы появилось районное отопление — несколь­ко зданий стали снабжаться тепловой энергией из одного

* Павловский А. К- Курс отопления и вентиляции, 1909 г.

** Чаплин В. М. Отопление н вентиляция. Вып. I. Отопле­ние.— М,: Госиздат, 1923.

Центра. При этом в качестве теплоносителя «дальнего дей­ствия» использовался пар, в зданиях устанавливались пароводяные теплообменники («бойлеры») и оборудовалось водяное отопление с естественной циркуляцией. HanpnMeps таким пароводяным отоплением в 1903 г. были оборудова­ны 13 корпусов Петербургской детской больницы (А. К. Пав­ловский).

Начало применения насосов в России для побуждения циркуляции воды с целью не только уменьшения диаметра труб, но и увеличения радиуса действия водяного отопле­ния относится к 1909 г. Осторожное отношение к использо­ванию насосов в водяном отоплении последовало после отри­цательного выступления Г. Ритшеля на третьем Герман­ском съезде по отоплению и вентиляции в 1901 г. Насосное водяное отопление впервые было осуществлено в Михайлов­ском театре в Петербурге (Н. П.Мельников). В двухтруб­ной системе отопления каждый радиатор снабжался обход­ной веткой с переключательным трехходовым краном для возможности использования ее при выключении радиатора.

В 1912 г. насосное водяное отопление было запроекти­ровано Н. П. Мельниковым в нескольких крупных зда­ниях, в том числе в корпусах Института инженеров путей сообщения, где устраивалось впервые районное водо-водя - ное отопление с радиусом действия около 400 м при дав­лении, создаваемом насосом, 100 кПа. В здании Эрмитажа пневматическое (воздушное) отопление системы Аммосова было заменено водяным, рассчитанным на поддержание температуры в помещениях с колебанием в пределах 0,5 °С.

В общем же в царской России установок центрального водяного отопления было мало и большинство их монтиро­валось в расчете на гравитационную (естественную) цирку­ляцию воды [1]. Основная масса зданий, даже в столице, имела печное отопление, что отражалось на структуре и содержании тогдашних учебников по отоплению: они начи­нались с крупного раздела — печное отопление.

После Октябрьской революции во всех районах нашей страны началось крупное строительство производственных и гражданских зданий. Расширялась область применения водяного отопления. Согласно выпущенному Народным Ко­миссариатом труда ОСТ предлагалось оборудовать цент­ральным отоплением все вновь возводимые жилые здания высотой более трех этажей (в последующем более двух этажей).

Сначала водяное отопление выполнялось на базе мест­ных отопительных котельных (в подвалах зданий), а затем с развитием теплофикации — при теплоснабжении от ТЭЦ. Повсеместно применялось искусственное (насосное) побуж­дение циркуляции воды. Паровое отопление сохранялось только в производственных зданиях при наличии пара, предназначенного для технологических нужд.

В области водяного отопления период до середины теку­щего столетия характерен широким (кроме Ленинграда) применением двухтрубного распределения теплоносителя воды по отопительным приборам зданий. С развитием мас­сового крупнопанельного строительства, в том числе бес­чердачного, предпочтение при отоплении многоэтажных зданий стало отдаваться вертикально-однотрубному соеди­нению отопительных приборов. При этом обеспечивалось повышение степени механизации заготовительных работ, сборности установок для снижения трудовых затрат при их монтаже.

В настоящее время направление и интенсивность совер­шенствования отопительной техники определяются общими задачами перестройки и ускорения социально-экономиче­ского развития страны. В связи с ростом культурного уров­ня и благосостояния народа предъявляются повышенные требования к тепловому режиму помещений, зависящему от действия отопления. Установлены, например, оптималь­ные температурные условия работы учащихся 22 °С и не­допустимость заметного отклонения от них (при понижении температуры до 15 °С усвоение слушателями излагаемого материала снижается на четверть, а при повышении тем­пературы до 30 °С — наполовину).

Для создания наиболее благоприятных условий труда и быта людей разрабатываются и внедряются технически совершенные, эффективные отопительные установки. Их отдельные элементы (узлы и детали) унифицируются для сокращения затрат труда. Это особенно важно при боль - i шом объеме промышленного и гражданского строительства.

Эффективность действия отопительных установок обес - печивается путем оптимизации проектных решений с при - >i

Менением ЭВМ, придания установкам надежности в эксплу­атации, автоматического поддержания необходимой тем­пературы теплоносителя. Исследуются режимы эксплуата­ции, изыскиваются способы управления отопительными установками для экономии тепловой энергии. Разрабаты­ваются отопительные установки, основанные не на сжига­нии традиционных видов органического топлива (твердого, жидкого, газообразного), а на использовании сбросной теплоты и возобновляемых теплоисточников, в том числе низкотемпературных.

Одним из возобновляемых теплоисточников для отопле­ния может являться солнечная энергия. Однако малая плотность лучистого потока на поверхности земли в боль­шинстве районов страны ограничивает мощность отопитель­ных гелиоустановок и их распространение. В отдельных районах для отопления потребляется геотермальная энер­гия (глубинная теплота Земли) в виде пара и горячей воды, используется теплота грунта.

Важным теплоисточником становится атомная энергия из-за известной ограниченности запасов органического топлива. Уже сейчас здания и сооружения, расположенные близ атомных электростанций или специальных атомных станций теплоснабжения, отапливаются водой, нагревае­мой при действии атомных реакторов.

Для отопления помещений используется также электри­ческая энергия, в частности в районах расположения гид­ростанций. Можно предположить, что развитие энергетики с использованием атомной энергии существенно повлияет на дальнейшее развитие отопительной техники, которая возможно расширит свое назначение вплоть до изменения местных зимних климатических условий на территории заводов и поселений.