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

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].

Системы отопления можно разделить[5]:

• По типу источника нагрева — газовые, геотермальные, дровяные, пиролизные, мазутные, солнечные, угольные, торфяные, пеллетные, электрические (кабельная), отопление с помощью теплового насоса и пр.
  См. Отопительный котёл
• По типу теплоносителя — водяные (жидкостные), воздушные, паровые, комбинированные;
• По типу применяемых приборов — лучистые, конвективно-лучистые, конвективные;
• По виду циркуляции теплоносителя — с естественной и искусственной (механической, с использованием насосов);

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, встречные и попутные;

Для водяного отопления:

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

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 употребленіе испытанныхъ каминовъ и печей», где есть раздел «О духовыхъ печахъ верхнія или соседственные комнаты нагревающіхъ». 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].

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.

В период 1855-57 гг. российский промышленник Франц Карлович Сан-Галли изобрёл принципиально новое для того времени обогревательное устройство — радиатор водяного отопления[14]. Первые экземпляры радиаторов отопления представляли собой толстые трубы с вертикальными дисками. Сан-Галли назвал свое изобретение «хайцкёрпер» (горячая коробка), а позже придумал для него русское название «батарея». Батареи, производимые на чугунолитейном заводе Сан-Галли, быстро завоевали популярность в Петербурге, а затем и по всему миру.

В 1901 году немецкий инженер Альберта Тихельмана предложил свою систему подключения отопительных радиаторов, при которой вода в трубах подачи и возврата движется в одном направлении по кольцевому маршруту. При этом автоматически обеспечивается равномерный и одновременный прогрев всех радиаторов отопления без необходимости балансировки системы.

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

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[15].

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». На фабриках применялось отопление отработанным паром, который использовался для работы паровых машин. 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.

Принципиальная схема центрального отопления

При создании и обсуждении плана ГОЭЛРО в 1920 году была выдвинута идея создания систем центрального отопления на основе теплофикации  — совместной выработки электрической и тепловой энергии, реализуемой на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Распространенными видами топлива в то время были каменный и бурый уголь, торф, мазут и дрова. Центральное отопление и теплофикация позволяли повысить эффективность использования топлива, улучшить экологическую обстановку в городах и избавить население от заботы об отоплении жилищ.

Днем рождения советской теплофикации считается 25 ноября 1924 года. В этот день к государственной электростанции № 3 (ТЭЦ-3), расположенной в Ленинграде, была подключен дом № 96 на набережной Фонтанки[16]. В 1925 году к ТЭЦ-3 были подключены Егорьевские бани и Обуховская больница. В 1926 году в Ярославле было запущено центральное отопление от Ляпинской ГРЭС. В Москве с 1928 года началась подача пара от ТЭЦ на предприятия, а водяное центральное отопление появилось в 1931 году[17].

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.

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.

В 1980-е планировалось внедрение отопления с использованием атомной энергии: атомные теплоснабжающие станции (АСТ) в Воронеже и Горьком, атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) в Минске, Харькове и Одессе. Однако после Чернобыльской аварии все проекты были остановлены. Наибольшее распространение получил отбор тепла от обычных АЭС, работающих по конденсационному циклу.

Современный алюминиевый радиатор центрального отопления из 8 секций

Россия унаследовала советскую модель центрального теплоснабжения: 65% помещений в России отапливаются централизованно[18]. Крупнейшая система центрального отопления в мире находится в Москве. Более 90% московских потребителей получают тепло и горячую воду от теплоэлектроцентралей Мосэнерго[17].

В крупных городах большая часть тепловой энергии вырабатывается на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) совместно с электроэнергией. В качестве топлива преимущественно используется природный газ, а в негазифицированных городах — уголь. На газовых ТЭЦ постепенно внедряется парогазовый цикл, более эффективный по выработке электроэнергии. Впервые в России парогазовый цикл был реализован на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге.

В малых и средних городах централизованное производство тепла также осуществляется на водогрейных котельных, использующих природный газ, а в малых городах и посёлках — уголь и мазут.

Отопление индивидуальных жилых домов преимущественно децентрализованное. При наличии магистрального природного газа используются газовые котлы. Во многих населенных пунктах  — преимущественно сельских — частные дома по-прежнему отапливаются печами на дровах и иных видах твердого топлива. Причинами являются низкая скорость газификации регионов и высокая стоимость подключения к газовым сетям.

Россия лидирует по использованию тепла, получаемого на атомных электростанциях, для отопления и горячего водоснабжения населенных пунктов. Современные проекты энергоблоков АЭС-2006 с реактором ВВЭР-1200 предусматривают отбор ~9% мощности реакторов, что достаточно для отопления города с населением несколько сотен тысяч человек. Однако вклад российских АЭС в теплоснабжение остается незначительным (~0,5% от общего потребления)[19], преимущественно ограничиваясь городами-спутниками атомных станций. Основной причиной является удаленность АЭС от крупных населенных пунктов-потребителей на 50-100 км, что делает транспортировку тепла нерентабельной. Единственной существующей атомной теплоэлектроцентралью является Билибинская АЭС, постепенно выводимая из эксплуатации. В 2020 году была сдана в эксплуатацию первая плавучая атомная теплоэлектростанция «Академик Ломоносов», обеспечивающая теплом г. Певек.

Российские системы центрального отопления развиваются в направлении снижения тепловых потерь при транспортировке тепла, учета расхода тепловой энергии и ее экономии. Законодательство РФ предписывает оборудование строящихся и реконструируемых зданий приборами учета тепловой энергии, а также оснащение существующих многоквартирных домов приборами учета тепловой энергии до 1 января 2019 года[20]. Во вновь построенных многоквартирных домах все чаще используется горизонтальная разводка отопления с индивидуальными счетчиками тепла на каждую квартиру и терморегуляторами, которые обеспечивают комфортную температуру в квартире и позволяют экономить дорожающую тепловую энергию.

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, 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.

В индивидуальной жилой застройке продолжается газификация магистральным природным газом и внедрение газовых отопительных котлов. В качестве альтернативы отоплению дровяными и угольными печами, требующему постоянного ручного управления процессом, распространяется отопление при помощи котлов с автоматизированной подачей топлива, использующих топливные гранулы (пеллеты), а также автономная газификация. В отдельных негазифицированных регионах осуществляется подключение частных жилых домов к системам центрального отопления[21].

Наиболее развитой системой центрального отопления в Европе обладает Швеция, в которой 55% страны отапливается централизованно. В Швеции применяется одновременная выработка тепловой и электрической энергии на ТЭЦ (когенерация), а также тригенерация и централизованное холодоснабжение. Около 40% топлива, сжигаемого на шведских ТЭЦ — это бытовые отходы, затем идут отходы деревообрабатывающей промышленности и биотопливо, и только 3% топлива составляют нефтепродукты[18].

Другой страной с преобладанием центрального отопления является Исландия, но оно использует геотермальную энергию[22].

У большинства жителей стран Европы центрального отопления нет. В Германии, Австрии, Финляндии, Франции, Норвегии центральное отопление есть, но пользуются им всего 3-10% жителей, проживающих в крупных городах. При этом для экономии в Дании отопление отключают с 9 до 17 часов, в Бельгии — с 23 до 6 часов. Обычно же для отопления используются автономные бойлеры. Для отопления и горячего водоснабжения домов используют также солнечные батареи и геотермальные насосы. Государство обычно компенсирует владельцам 15 и более процентов затрат на покупку такого экологичного отопительного оборудования[23].

В Норвегии центральное отопление имеют лишь 3% бытовых потребителей по всей стране и 10% в ее столице Осло. При этом 49% энергии для центрального отопления дают различные виды отходов, которые сжигаются на специальных заводах.

В США отопительные системы преимущественно децентрализованны. В многоквартирных домах для отопления в основном используют электроприборы — фанкойлы и кондиционеры, а в загородных коттеджах — отопительные приборы, работающие на газе. Часть многоквартирных домов имеет свои котельные[22][23].

Исключением является система центрального парового отопления Нью-Йорка, которая функционирует с 1882 года и является крупнейшей системой пароподачи в мире. Около 80% жилых зданий Нью-Йорка обогреваются паром. Основная часть системы принадлежит компании Consolidated Edison[24].

В Канаде отопительные системы также преимущественно децентрализованны. Там используют электрические нагреватели воздуха (кондиционеры) и газовые бойлеры[22][23].

В Китае централизованное отопление используется только в нескольких регионах к северу от реки Янцзы, где климат более суровый. В остальных регионах для отопления в основном используют электричество (кондиционеры, электрообогреватели). В бедных районах используют печки, которые топят дровами или углем[22].