Отопление

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

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].

По источнику тепла

• Печное
• Динамическое

По теплоносителю

• Воздушное
• Паровое
• Водяное
• Инфракрасное

По топливу

• Жидкотопливное;
• Твердотопливное;
• Газовое
• Электрическое

Система отопления — это совокупность технических элементов, предназначенных для компенсации температурных потерь через внешние ограждающие конструкции (стены, пол, крыша), методом получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения необходимого количества теплоты, достаточного для поддержания температуры на заданном уровне согласно нормам.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

• Районная котельная (при индивидуальном теплоснабжении котел отопления) — место где вырабатывается теплота;
• Тепловые магистрали (теплотрассы) — элементы для транспортировки теплоты от источника теплоты к потребителям (объектам инфраструктуры);
• Отопительные приборы — элементы для передачи тепловой энергии от теплоносителя воздушным массам в помещении (батареи, теплый пол).

Перенос по теплотрассам теплоты может осуществляться с помощью разных рабочих сред (жидкой или газообразной). Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость — антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем. Наиболее часто применяется в виде рабочей среды вода, объясняется это ее дешевизной и приемлемыми теплотехническими показателями. Пар как теплоноситель для обогрева общественных и жилых объектов не применяется, так как потенциально опасен для здоровья людей (в случае деформации и выхода из строя трубопроводов), его применяют для технологических нужд на предприятиях.

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]. Благодаря внедрению систем автоматического регулирования для нужд отопления, достигается значительная экономия энергоресурсов.

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

В данном типе отопления теплоносителем является воздух.

Изначально воздушное отопление возникло как огневоздушное отопление. «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 существовала развитая отопительная система гипокауст, где помещение первого этажа получало теплоту от полов и стен, нагреваемых печным дымом и горячим воздухом, которые циркулировали в полостях под полом и в трубах внутри стен. Такая система позволяла получать «чистую» теплоту, без контакта человека с продуктами сгорания. Кроме того, каменный пол, обладая большой тепловой инерцией, ещё долго после потухания огня в печи отдавал теплоту помещению. Гипокауст описывается Марком Витрувием Поллионом в трактате «Десять книг об архитектуре».

Схожая корейская система, ондоль, появившаяся предположительно в I в. до н. э. — VII в. н. э., в модернизированном виде используется до сих пор в Корее. Аналогичная система обогреваемого пола характерна и для северных районов Китая, где она известна как «дикан» (буквально «пол-кан»). Впрочем, более распространённый тип китайского кана (печи) обогревал не весь пол, а лишь широкую лежанку, где люди спали, сидели, сушили вещи.

В Древнем Риме также принял свой современный облик камин. Термин происходит от латинского caminus — «открытый очаг». Он устанавливался в центре помещения и максимально окружался теплоаккумулирующими материалами: каменным порталом, каменным дымоходом, каменной противоположной стеной. Таким образом удавалось избежать перегрева во время топки (камень «впитывал» теплоту) и резкого охлаждения после потухания огня (теперь камень «отдавал» тепло). Кроме того, камин осуществлял вентиляцию, создавая тягу в дымоходе.

В Центральной Европе, судя по археологическим раскопкам, даже в IX веке жилища всё ещё отапливались печами-каменками и курными печами. Печь-каменка представляла собой очаг, сложенный из булыжников и валунов, а курная печь — вырытую в земле яму с глиняным сводом. Это было большим шагом после костра: такие печи аккумулировали теплоту и продолжали 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 или даже через дверь.

В XV веке существовали печи с дымоходными трубами, на тот момент деревянными — «дымницами»^[6][7].

В тех частях Европы, где при римлянах была распространена система гипокауста, она была к этому времени практически утрачена (за исключением Испании, где изменённая версия, называемая глорией, существовала до начала XX века).

Появление огневоздушной системы, называемой «русской системой», произвело небольшую революцию. Впервые «русской системой» в 1487—1491 годах была оборудована Грановитая палата в Кремле^[8]; так воздушное отопление стало одной из первых систем центрального отопления на территории России. После этого «русская система» получила широкое распространение в Европе, и именно там ей было дано её наименование.

Устройство отопления было следующим: 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.

Печи в России 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 бывает различных конструкций — К. Я. Буслаева, Г. Резника, В. А. Потапова, но всегда, 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, а в 1742 году их уже успешно вытесняла печь с «колодцами» — вертикальным змеевиком.

Российский инженер и архитектор Николай Львов в 1795 году издал первую оригинальную русскую работу по отоплению — книгу «Русская пиростатика». Он с резкой критикой отозвался о модном увлечении иностранными фигурными печами, которые были крайне неэффективны, представил изобретённые им усовершенствования отопительных установок, а также основы конструирования и расчёты систем огневоздушного отопления. В 1799 году Львов опубликовал свою вторую книгу «Русская пиростатика, или Употребленіе испытанныхъ каминовъ и печей», где был раздел «О духовыхъ печахъ верхнія или соседственные комнаты нагревающіхъ». Там он предложил конструкцию наподобие калорифера, однако малоэффективную.

В это время всё больше распространялись многоэтажные здания, поэтому появляется тенденция к централизованному отоплению. Здесь пригодилась «русская система», применяемая раньше в основном для двухэтажных зданий.

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

В 1820-х годах быстро приобрели, а затем потеряли популярность т. н. печи Уттермарка. Оригинальная печь Ивана^[10] Уттермарка была круглой и выкладывалась очень плотно особым кирпичом, сделанным по лекалам. Также в её конструкцию входили изогнутые медные трубы с коленами: проходя через них, нагревался комнатный воздух^[11]. Так как набор деталей не был общедоступным, популярность получил только упрощённый вариант, который предполагал, что печь складывается из обычного кирпича и снабжается металлической «рубашкой». Популярность быстро схлынула из-за плохих санитарно-гигиенических характеристик таких печей (при контакте с раскалённой печью воздушная пыль пригорала, издавая неприятный запах).

В 1835 году Николай Аммосов, обобщив идеи Львова и Мейснера, представил первый в мире эффективный калорифер — свою систему «пневматического» отопления, позже названную «аммосовской печью». Система работала аналогично «русской системе» — нагретый печью воздух под действием разности плотностей поднимался по «жаровым» металлическим каналам в парадные залы и жилые комнаты. Печь впервые установили в помещениях Императорской Академии художеств, где эта 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, в Придворном манеже и пр. В 100 крупных зданиях в Санкт-Петербурге и других крупных городах России насчитывалось в общей сложности свыше 420 «больших и малых пневматических печей».

Данная система издавала низкий гул при топке, пересушивала воздух и потрескивала во время грозы. Это было заметно уже с самого начала, но терпимо (тем не менее именно поэтому Александр II в 1860-х добавил «аммосовской печи» «в помощь» локальные системы водяного отопления^[12]).

Но теперь стали заметны по-настоящему существенные недостатки. Главный из них заключался в раскалённых «жаровых» воздуховодах, которые перегревали оказавшиеся рядом стены, уничтожая драгоценные росписи, а пыль на них пригорала, издавая неприятный запах, или вообще взлетала и покрывала сажей интерьер^[13]. Сам Аммосов не соглашался с недостатками своего изобретения и приписывал их «лени и неряшеству истопников»^[11].

В целом же начиная с XVIII века воздушное отопление вытесняется системами водяного и парового отопления.

По состоянию на первую четверть XXI века воздушное отопление применяется для обогрева промышленных, торговых и складских помещений разного объёма, а также индивидуальных жилых домов, коттеджей и других строений. Современные технологии воздушного отопления заключаются в том, что источником тепла для нагрева служат электроэнергия, горячая вода или газ (природный или сжиженный). Основным достоинством при этом является непосредственное управление температурой воздуха и оперативное воздействие на него с целью поддержания заданного значения.

Основная статья: Водяное отопление.

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 Альберт Тихельман 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].

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.

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.

Использование атомной энергии для отопления началось после запуска второй в мире атомной электростанции — Сибирской АЭС. С 1961 года Сибирская АЭС снабжала теплом закрытый город Северск, а с 1973 года — Томск^[18]. В 1964 году было начато теплоснабжение Железногорска от реакторов Горно-химического комбината (ГХК). При этом, производимые Сибирской АЭС и Горно-химическим комбинатом тепло и электричество были полезными побочными продуктами от наработки оружейного плутония.

Во второй половине 1970-х в СССР прорабатывался вопрос о широком использовании атомной энергии для отопления и горячего водоснабжения крупных городов. Для систем с большим теплопотреблением предлагалось использовать атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) на основе энергетических реакторов ВВЭР-1000, для систем со средним энергопотреблением — атомные станции теплоснабжения (АСТ) на основе специализированных реакторов АСТ-500, производящих только тепло. В 1980-е годы было начато строительство АСТ в Воронеже и Горьком и атомных ТЭЦ 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.

Россия унаследовала советскую модель центрального теплоснабжения: 65 % помещений в России отапливаются централизованно^[19]. 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)^[20], 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^[21]. 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^[22].

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^[19].

Другой страной с преобладанием центрального отопления является Исландия, там используют геотермальную энергию^[23].

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^[24].

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^{[источник не указан 1173 дня]}.

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^[23][24].

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^[25].

В Канаде отопительные системы также преимущественно децентрализованны. Там используют электрические нагреватели воздуха (кондиционеры) и газовые бойлеры^[23][24].

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^[23].