“Въпреки че изобретателни личности са постигнали много през годините в областта на пренасянето на енергия за домашни цели, трябва да се признае, че само в един или два случая те са успели да постигнат траен резултат или да направят така, че техните изобретения да се ползват толкова широко, че да могат да се считат за “обществени машини”.
Този цитат от труда на Уолтър Бърнан, посветен на историята на отоплението (публикуван през 1845 г.), резюмира предизвикателството, пред което са били изправени нашите предци. Нашите прадеди полагат много усилия да решат проблема, свързан с нуждата от отоплителни системи, които да постигат “траен резултат”. Уверено може да заявим, че постоянно работещият екип, съставен от инженери, производители, търговци, изпълнители и обслужващ персонал, е успял в това да направи отоплението толкова надеждно, че въобще да не се замисляме за него.
Тук ще ви представим историята на тяхната ранна дейност. Това по никакъв начин не е пълна история – това би отнело цяла книга, ако не и енциклопедия. Настоящата статия единствено ще посочи някои важни ключови моменти и ще предостави информация, която иначе не се намира лесно. За тези от вас, които искат да се задълбочат в тематиката, единствените ограничения са колко време и пари можете да отделите.
Ние, заетите в областта на отоплението, вентилацията, хладилните технологии и климатизацията, не се замисляме често за това колко древен е нашия занаят. Най-ранните хуманоиди започват да използват лагерни огньове преди цели 1,5 милиона години. Ние можем само да предполагаме защо и как е ставало това, но знаем от археологическите данни, че Homo erectus и Австралопитеците са използвали огън през тази епоха като практически инструмент. В даден момент лагерният огън е внесен в пещерите и колибите. Най-старият начин на използване е огън в центъра на помещението и отвор в центъра на покрива, през който да излиза пушека.
По-късно огънят бива преместен в различни части от жилището и биват опитани различни схеми за подобряване на въздушния поток от огъня посредством камъни. Но и най-добрият открит огън има ефективност от 20%, понеже повечето от топлината се отделя навън с пушека.
Отопление на помещения през древността
Най-ранните системи за централно отопление изглежда са били разработени в няколко направления, които включват огнища и камини, печки и системи, разположени под пода. Централни огнища с постоянно разположение се използват от 2500 г. пр.н.е. Те са открити при археологически разкопки в Гърция.
Примитивни версии на отопление чрез камини се използват още от 800 г. пр.н.е., а то става широко разпространено в Европа през 13-и век. Замъците, построени по това време, имат камини с къс димоотвод, водещ вън от сградата, който е примитивна форма на комин. Всички тези ранни камини са били направени изцяло от камък, но подобренията в леярната технология водят до появата на чугунени вътрешни стени на камината, чиято цел е да защитават камъка от пряката топлина от огъня.
Луи Саво от Франция изобретява вдигнатата решетка за камина и проектира циркулационна камина през първите десетилетия на 17-и век. Саво използва кухи задна и долна част за камината, направени от желязо, чрез които студеният въздух, който влиза отдолу, се затопля, и влиза в стаята през отвори над полицата на камината.
Друго подобрение, използвано в Англия, е вкарване на въздух за захранване на горенето през тръба, водеща извън сградата. Френски свещеник (всъщност кардинал) написва Mechanique du Feu, първото подробно ръководство на тема проектиране на камини, през 1713 г. Науката в областта на строежа на камини достига своя зенит с Бенджамин Томпсън, граф Ръмфорд, който публикува ” Камини с комини (Chimney Fireplaces)” през 1796 г.
Също като камините печките се появяват за пръв път през 9-и век като примитивни устройства, направени от глинени тухли. Печките, направени от зидани тухли, стават широко разпространени в северна Европа през 16-и век. Тези печки, наричани руски или шведски печки, са много големи. По-късно появилите се версии са с множество декорации и покрити с плочки.
Най-ранните метални печки, появили се след 1400 г., са били направени от чугунени вътрешни стени на камини, свързани заедно. В годините след това биват проектирани чугунени отделения, които са специално предназначени за изграждане на печки, и Холандия и Германия стават водещите центрове в производството на печки от желязо.
Лъчисто отопление през древността
Системите за подподово отопление, които са най-ранните системи с лъчисти панели, изглежда са се появили за пръв път в Близкия изток. Крал Арзава монтира такава система в своя дворец в Бейджесултан, Турция, около 1300 г. пр.н.е. Древните римляни усъвършенстват технологията до нивото на изкуство, като първите такива системи се появяват около 80 г. пр.н.е. и са проектирани от Сергий Ората. Първите римски системи нагряват само пода, но по-късните системи използват и нагряти стени, а някои са проектирани като ранни системи за отопление с топъл въздух, който се вкарва през отвори в пода.
При най-ранните системи подът е качен върху колони и се намира над камера, в единия край на която гори огън. Отделените при горенето газове преминават под пода, за да достигнат до другата страна. Кухото пространство под пода се е наричало хипокауст и това име се използва за всички видове древноримски отоплителни системи, в които се използва камера под пода.
По-късните системи използват димоотводи, облицовани с плочки, или кухи стени от плочки, за преминаване на отделените при горенето газове до вентилационните отвори в стрехите. Огънят е преместен в отделна пещна камера. В още по-късните системи хипокауст камерата е премахната и е заменена от тръби в пода, водещи от пещта до димоотводите в стените.
Древноримските отоплителни системи тип хипокауст са били използват за отопление на къщите на висшата класа римляни в цялата империя, но са най-известни с използването си за отоплителни системи в обществени бани. Между 10 г. пр.н.е. и 324 г. с.н.е. биват изградени поне 17 големи обществени бани, които използват хипокауст системата.
Тестът, извършен в добре запазените Бани на Константин в град Трир, построени около 300 г., доказа, че тези системи са били много ефективни. Хипокаустът, предназначен за залата за посетители на банята, е действал при подова температура от 25 до 35 °C и стенни температури от 19 до 30 °C и е изразходвал 140 кг дърва на час при ефективност от около 90%. Разбира се, системата не е била автоматична и се е управлявала трудно. Предварителното затопляне е отнемало два дни.
Изкуството и науката на хипокауст системите са изгубени след падането на Римската империя. Науката за отопление в западните страни отбелязва съвсем минимален напредък през Тъмните векове.
Модерните начала: Комини и печки
Следващата значима стъпка напред в отоплението е изобретяването на комина. Коминният димоотвод вероятно първо се е появил при норманците, които започват да използват странични димоотводни отвори вместо използваните дотогава централни покривни вентилационни отвори. Много от страничните димоотводи са били изграждани така, че да са наклонени и сочещи нагоре, с което започва прехода към изграждането на вертикални комини.
Комините се появяват в писмените източници след 14-и век. Но тяхното използване изглежда се е увеличавало с много бавни темпове. Комините са толкова редки 200 години по-късно, че когато английски архитект вижда действащи комини в замъка Болтън, той възкликва: “Трябва да отбележа, че в залата на Болтън има комини, свързани с тунели, направени отстрани в стените, чрез които пушекът от огнището в залата бива пренасян по този странен начин”.
Ранните комини са били много големи, за да може коминочистачите да влизат в тях. Но тези размери предизвиквали толкова силни течения, че понякога се е налагало да се слагат паравани за предпазване на живеещите там.
Първоначалните примитивни отопляващи печки бързо биват заместени от по-усъвършенствани варианти. Първата печка, способна да стои изправена без подпори и произвеждаща топъл въздух е вероятно “Furnus Acapnos” или “бездимна печка”, изобретена от Далесме в Франция през последните десетилетия на 17-и век. Печката е проектирана от Далесме така, че новото гориво се вкарва през същия отвор като въздуха, захранващ горенето, и по този начин всички продукти от горенето се насочват над вече горящото гориво. Този дизайн осигурява пълно изгаряне.
Въпреки че бездимната печка е сериозна стъпка напред, тя и други иновации в отоплението биват прието доста бавно, понеже “…малко икономи са в достатъчна степен философи, че да желаят да се заемат с управлението на машина, изискваща сериозни умствени усилия при положение, че предимствата ѝ не са директно видими за сетивата”.
Първата печка в Северна Америка вероятно е чугунена печка с камера за огъня, изобретена от д-р Джон Кларк от колонията Масачузетс Бей някъде около 1652 г. Този вид печки първо се появяват в Холандия и биват внесени в Англия след 1600 г. Към средата на 18-и век чугунени печки с камери се произвеждат от редица леярни в източните северноамерикански колонии.
Печките продължават да се развиват през 19-и век. Значимите подобрения включват изобретяването на печката с горелка, изобретена от Елифалет Нот през 1833 г., и на херметичната печка, изобретена от Айзък Ор през 1836 г.
През 1849 г. Ф. П. Оливър изобретява печка, чиято тяга се контролира от термостат. Към началото на Американската гражданска война производството на чугунени печки е голяма и добре развита индустрия, особено в североизточната част на САЩ. До 1900 г. са произведени хиляди различни модели (много от които на външен вид са почти произведения на изкуството) от десетки производители.
Отопление с топъл въздух
Отоплението с топъл въздух в сегашната му форма вероятно датира от 200 г., когато император Хелиогабал според историческите източници има дворец, отопляван с въздух. Една печка е поставена в изградена от тухли камера под стаите. Въздух идва отвън през тръба в камерата под печката, а нагрятият въздух след това протича през отвори в стаите, разположени отгоре.
Първите случаи на добре документирани системи за отопление с топъл въздух са от 13-и век. Тези писмени източници сочат, че кметството в град Лунеберг, Германия, е имало система за централно отопление с топъл въздух, която е използвала три пещи. Отопляващата камера е била свързана с стаите над нея чрез кръгли тръби, излизащи под местата за сядане. Температурата се е настройвала индивидуално посредством железни капаци, поставени на отворите на тръбите. Подобна система е била конструирана по същото време в замъка Марбург в Германия.
Индустриалната революция е катализатора, довел до по-усъвършенствани системи за отопление с топъл въздух. В Англия Уилям Страт изобретява около 1805 г. пещ за топъл въздух, състояща се от занитена камера от ковано желязо, облицована с тухли. Наличието на няколко инча разстояние между тухлите и желязото позволява на въздуха да циркулира.
Голямо пространство извън тухлите е разделено на две части, по-долната за студен въздух, а по-горната за нагорещен въздух. Множество отвори с размер от по 2 квадратни инча са направени в тухлената облицовка. Студеният въздух излиза от долната камера през отворите, затопля се в желязната пещ и преминава през горните отвори в камерата за топъл въздух.
Вентилационни тръби водят въздуха до стаите, а отворите във всяка стая са с сложени регулиращи клапани “за да се регулира приемането на топъл въздух по желание”. Пещите за горещ въздух на Страт са били наричани “cockle”, “Belper” или “Derby” печки.
Приблизително по същото време газотръбните пещи за горещ въздух са изобретени в Франция. Тези “калорифери” са проектирани с редица железни тръби, поставени под лек ъгъл през тухлената страни на огневата камера. Студеният въздух влиза през едната страна, бива нагорещен в тръбите, които са директно изложени на огъня, и излиза от другата страна.
Формално погледнато пещите тип “cockle” и калорифер са важни стъпки напред, но техните създадели са знаели много малко повече неща за истинските принципи на отоплението с горещ въздух, отколкото техните предшественици през древността.
Професор д-р Паул Майснер от Виенската Политехнически Институт в Австрия поставя началото на по-научния подход с публикуването на своята книга на тема отоплението с горещ въздух през 1821 г., в която обяснява законите на отоплението с топъл въздух. Той е първия, който забелязва, че трябва да се взимат мерки за изтеглянето на студения въздух от стаята; че този студен въздух може да бъде върнат в пещта за повторно затопляне, и дори предлага използването на смесителни регулиращи клапани.
Майснер е атакуван настървено от производителите на печки по негово време. Той им отговаря със следните думи, които и днес звучат правдиво: “Колкото повече дадено изобретение навлиза в ежедневния ни живот и допринася повече за благосъстоянието на обществото и колкото по-прости са принципите, на които се базира, толкова по-голяма е съпротивата срещу него, защото от самото начало то неизбежно нарушава определени частни интереси на лица, които си изкарват прехраната със своя интелект, и обижда гордостта и егоизма на други, които не са производители, като и двата вида лица са под контрола на завистта и са неспособни да мислят в перспектива, понеже нещо полезно е било изобретено от ума на трето лице. Макар да се мразят взаимно, двете групи лица, които са против изобретението, ще се съюзят, за да оплюят изобретението и да смажат изобретателя”.
Майснер е вярвал, че хората не само ще направят пътека до вратата на дома ви, ако изобретите по-добър капан за мишки, но и ще избият вратата ви от пантите и след това ще ви пребият! Въпреки опозицията срещу неговите възгледи по негово време, професор Майснер се оказва прав и неговите принципи лежат в основата на всички модерни системи за отопление с топъл въздух.
В САЩ през 1795 г. Оливър Еванс публикува “Наръчник на младия машинен техник и мелничар (The Young Millwright And Miller’s Guide)”, в който е показана централна система за отопление с горещ въздух с въздуховоди, водещи до отделните стаи.
Други системи за горещ въздух са създадени в САЩ преди 1820 г. и са използвани в големи институционални сгради. Първата сграда в САЩ с централно отопление вероятно е Масачузетския медицински колеж през 1816 г. Системата в нея използва гравитачна система с горещ въздух, в която има пещ в мазето и въздуховоди, свързващи пещта със стаите. Счита се, че през 1835 г. в Уорчестър, щата Масачузетс е била изградена пещ за гравитачно централно отопление от вида, който по-късно става често срещан. Ранните пещи се произвеждат от местни лица за дадена специфична задача – тогава не съществува същинска индустрия за производство на пещи. Първият производител на пещи в САЩ е компанията Richardson & Boynton, която започва масово производство на пещи около 1837 г. Компанията просъществува до 1942 г.
Когато започва Американската гражданска война, вече съществуват няколко производителя, но златната епоха на пещите с топъл въздух е след тази война. От 1866 до 1900 г. десетки производители навлизат в бизнеса с пещи. През този ранен период пещите се считат за безопасни и лесни за употреба, което им осигурява по-голяма популярност в сравнение с системите за парно отопление, които изискват умело обслужване, иначе експлодират!
Ранните пещи са били оценявани по размера на тигела за огъня и/или по обема въздух, който могат да отопляват в сградата. Нямало е стандарти за оценяване и едни и същи пещи са имали различни рейтингови оценки в зависимост кой е производителя. Изявленията на производителите относно продуктите им често са силно преувеличени и към 1900 г. много от тях са преустановили дейността си или са участвали в сливане поради разгорялата се ценова война. Ценовата война води до повече рекламации за евтино направените продукти, а към началото на следващите век отоплението с топъл въздух вече е придобило лоша репутация като индустрия, в която производителите не ги е грижа за клиентите.
отоплението с гореща вода започва да пробива на пазар, който доскоро е изглеждал изцяло контролиран от техните конкуренти, произвеждащи пещи за топъл въздух. Уплашените производители създават Федералната лига на производителите на пещи (Federal Furnace League) през 1905 г., за да “въздигнат отоплението с топъл въздух до позицията, която то заслужава по право”. За първи път бива направен опит за стандартизиране на рейтингите на различните производители. Тези усилия водят до създаването на Националната асоциация за отопление с топъл въздух и вентилация на САЩ (National Warm Air Heating and Ventilating Association) през 1914 г. В Университета на Илинойс се извършват програми за разработка и изпитване. По-късно асоциацията изготвя редица ръководства относно оразмеряването и монтирането на системи за отопление с топъл въздух.
При тези системи е била използвана връзката между температура/плътност за създаване на циркулация, но идеята за използване на електрически вентилатор за подобряване на циркулацията бива изказана скоро след като вентилаторите за маса стават широко достъпни през 80-те години на 19-и век. Има данни за една такава инсталация в къща в град Манингтън, щата Западна Вирджиния, през последните години на 19-и век. В нея вентилатор е бил свързан с домашно изработена газова пещ. Изглежда, че член на училищното настоятелство е искал да копира системата с голям вентилатор, монтирана в училището му, затова е копирал идеята в по-малък мащаб в дома си.
През 1910 г. General Electric рекламира точно такъв усилващ вентилатор, проектиран точно за използване при пещи. През 1896 г. пред Американското общество на вентилационните инженери е представен научен труд на тема използването на нагнетателни вентилатори заедно с пещи. През 1908 г. Emerson Electric рекламира и продава дисковиден нагнетателeн вентилатор, предназначен за поставяне на страната на пещта, където се връща въздуха.
Нагнетателните или дисковидни вентилатори са понякога слагани на пещи, предназначени за жилищни сгради, до през 20-те години на 20-и век, след което производителите започват сериозно да се замислят за това дали да продават в пакет пещите и вентилаторите. Но до 30-те години на 20-и век такива устройства, в които заедно с пещта се предлага и нагнетателен вентилатор, не се предлагат широко.
Отопление с пара
Уилям Кук изглежда е първия, предложил идеята за отопление с пара, като това става през 1745 г. в Англия. През последното десетилетие на 18-и век пионерите в изграждането на парни машини Матю Болтън и Джеймс Уат вече са монтирали системи за отопление с пара в своите жилища. Уат се опитва да използва примитивен радиатор, направен от заварени листове мед. В началото отоплението с пара отбелязва напредък само в Англия, защото там вече са свикнали с отоплението на мелници и фабрики. Всъщност, първият наръчник в областта на отоплението с пара се нарича “Есе на тема отоплението на мелници и други сгради с пара (Essay on the Warming of Mills and Other Buildings by Steam)” и е издадено в Глазгоу, Шотландия, от строителния инженер Робъртсън Бюканън.
Според Бюканън предимството на отоплението с пара, е че се избягват “прекомерните разходи за застраховки, породени от това, че материалите са запалителни, особено при производството на памучни изделия; изключително трудното поправяне на повреди, водещо до добре развит бизнес, занимаващ се с резултатите от случайното разрушаване на машини и съоръжения; и честите сигнали за пожарна тревога в нашите барутни заводи, арсенали и корабостроителници…” Бюканън по-късно добавя нов материал към този от наръчника и през 1810 г. издава цялостно ръководство, посветено на отоплението с пара. Неговият “Трактат на тема икономията на гориво и управлението на топлината (Treatise on the Economy of Fuel and the Management of Heat)” е първата книга в областта на отоплителното инженерство.
Европейците обаче се колебаят доста преди да започнат да използват отопление с пара, в някои случаи по политически причини. В Германия архитектът Лудвиг Кател публикува през 1817 г. наръчник на тема отоплението с пара “с цел да помогне на хората да избегнат харченето на сериозни суми за внасяне на устройства за отопление с пара от Англия”. Изградени са няколко инсталации, но като цяло през следващото десетилетие и дори повече парата не бива приета в Европа.
В САЩ няма такава съпротива срещу парата поради значителния внос на идеи и оборудване в страната от Англия. След 1810 г. там биват монтирани редица системи за отопление с пара, като една от най-ранните от тях е в фабрика в Мидълтаун, щата Кънектикът, през 1811 г. Системата използва излишната пара, отделяна от парна машина, работеща под високо налягане, и затова в случая отоплението излиза практически безплатно. Джоузеф Нейсън и Джеймс Уолуърт монтират системи за отопление с пара след 1840 г., които използват тръби от ковано желязо с малък диаметър. Нейсън и Уолуърт монтират множество системи за отопление с пара в големи сгради през следващите няколко десетилетия, включително в Белия дом и Капитолия
Един от най-ранните пионери в областта на отоплението на жилища с парни системи е Стивън Голд, производител на печки от Кънектикът, който започва да експериментира с парни устройства през втората част на 40-те години на 19-и век. Парните системи през този период са били считани за твърде сложни и опасни за използване в домове. От друга страна, пещите и печките са били считани за прости и безопасни, но много хора са се чувствали неуютно в сгради, отоплявани с въздух, поради “твърде горещия въздух” и липсата на влага в него. Голд се опитва да преодолее тези проблеми и през 1854 г. получава патент за “Подобрение на отоплението на къщи чрез пара”.
Системата на Голд е уникална за времето си. Големите системи за отопление с пара по това време използват серпентини или редици от тръби за отопление на стаите, докато Голд използва първия радиатор, а именно устройство, състоящо се от два релефни железни листа, които са занитени заедно от релефната страна. Ръбовете са покрити с парче от въже, което служи като уплътнител. Радиаторът, създаден от Голд, става популярен под името “дюшечният радиатор” поради своя външен вид, и остава в производство поне 50 години.
Котелът, създаден от Голд, е от ковано желязо и има автоматичен регулатор на тягата и автоматичен воден вентил. Системата действа при много ниско налягане и използва една тръба за пренасяне на парата. Радиаторите на Голд имат вентил за регулиране на притока и ръчно оперирани отдушници. Системата се произвежда от компанията Connecticut Steam Heating след 1854 г.
отоплението с пара, също като това с топъл въздух, процъфтява след Американската гражданска война. Редица производители започва да произвеждат котли и радиатори с различни дизайни. Също като печките през тази ера, много от тях могат да се считат за произведения на изкуството. Системите за отопление с пара, изработени през 19-и век, действат при ниско налягане и използват една или две тръби и котел или отходна тръба на парна машина за източник на парата.
С увеличаването на размерите и сложността на конструкцията на сградите в САЩ по-ранните системи за отопление с пара започват да се затрудняват с ефективното разпределение на парата и кондензираните пари (конденз). Тези проблеми са преодолени през 90-те години на 19-и век с изобретяването на системата за отопление с пара, използващи вакуум във връщащата тръба, усъвършенствана от Уорън Уебстър на базата на патенти на Дьо Бюмонт и Уилямс. Системата на Уебстър поддържа вакуум в тръба за връщане на конденза и по този начин тегли пара в цялата система независимо от размера. Системите с вакуум във връщащата тръба скоро стават предпочитаните за по-големи сгради.
По времето на избухването на Първата световна война се използват множество различни патентовани дизайни на системи за отопление с пара. Но отоплението с пара никога не става популярно за ползване в жилища, понеже се счита за твърде сложно и шумно, а хората се боят от вероятността от експлозии. Затова предпочитаният избор за “мокри” системи за отопление в жилища и малки търговски обекти стават системите, използващи гореща вода, по-късно наречени “хидронични”.
Хидронични (водни) системи
Най-ранният документиран случай на отопление с гореща вода вероятно е манастир в Гренландия, който през 14-и век използва вода от горещи извори за отопление на сградите си. В Англия сър Хю Плат предлага през 1653 г. да се използва гореща вода за изсушаване на барут, а сър Мартин Тривалд предлага да се отопляват оранжерии с гореща вода.
През последните десетилетия на 18-и век М. Бонемен създава в Франция същинска система за отопление с гореща вода, която използва котел. Френската идея бива усъвършенствана и представена в Англия от маркиз дьо Шабан през 1816 г. Чарлз Худ от Лондон написва първото ръководство за инженери на тема отопление с гореща вода през 1837 г. и в последствие това ръководство се издава многократно в различни обновени издания в продължение на 50 години.
Всички тези ранни системи с гореща вода разчитат на принципа на термосифона за циркулацията и в последствие стават известни под името гравитачни системи. Направени са няколко опита за ускоряване на циркулация с примитивни помпи, но идеята за използване на циркулационна помпа е почти непозната до началото на 20-и век.
Ранните системи за отопление с гореща вода използват много големи тръби, защото се е считало, че това е необходимо за осигуряването на достатъчна циркулация и задържане на топлината. Анжие Пъркинс осъзнава недостатъците на тези обемисти системи. Той проектира система, използваща гореща вода под високо налягане, в която тръбите са с малък диаметър и дебели стени, и я патентова през 1831 г. Неговата система нагрява водата в серпантинни тръби, поставени в пещ, след това циркулира горещата вода до серпантинни тръби или цокълни отоплителни тела в стаите, които трябва да се отопляват.
Системата на Пъркинс използва много високи температури и налягания, за да принуди водата да циркулира през едноинчови тръби. Тръбите са свързани с винтови съединения, за да могат да издържат на високите налягания. Системите на Пъркинс са проектирани да работят при температура от 200 °C и налягане от около 1400 kPa. Но често се използват и при по-високи температури – до 290 °C и 7500 kPa. След няколко пожара и експлозии
Пъркинс променя системата си, като добавя към нея устройство за ограничаване на температурата и тя започва да се ползва при по-ниски температури и налягания. Системата на Пъркинс е много популярна в Англия до 50-те години на 19-и век, но след това бива изместена от други. Идеята за системи с много гореща вода останала пренебрегната дълго време, докато през 20-те години на 20-и век бива съживена отново.
В САЩ Робърт Бригс започва да проектира и монтира системи за отопление с гореща вода след 1840 г.
Споменатите вече Джоузеф Нейсън и Джеймс Уолуърт са първите, внесли системата за отопление с гореща вода под високо налягане на Пъркинс в САЩ през 1842 г., но тя бива малко използвана. Използването на водни системи изглежда е било доста ограничено до 80-те години на 19-и век когато те внезапно стават много популярни. Отоплението на жилища с пара, което и без това вече е в сериозни затруднения поради конкуренцията от страна на производителите на печки, бързо запада, и системите, използващи гореща вода, стават доминиращи при жилищата, особено в източната част на САЩ.
Вентилационни решетки с подвижни елементи, котли, радиатори и консолидацията на бранша.
Производителите на вентилационни решетки с подвижни елементи за отоплителни системи започват тяхното масово производство по същото време, когато производителите на пещи се установяват на пазара. През 1845 г. в Бруклин е основана фирмата Tuttle & Brother, която произвежда вентилационни решетки за отоплителни системи с и без подвижни елементи. Името бива променено на Tuttle & Bailey (T&B) през 1848 г. Фирмата William Highton & Sons е основана в Провидънс, щата Роуд Айлънд, през 1850 г., а през 1928 г. става част от Hart & Cooley.
В каталог на T&B от 1851 г. са включени чугунени решетки с подвижни елементи, които имат черно или бяло “японско” покритие, както и такива, които са позлатени, поцинковани или никелирани. Те се транспортират в дървени бъчви, уплътнени с слама. Опаковъчните материали са стрували скъпо и е било обичайно за клиента да плати и за опаковката, а не само за вентилационната решетка. През 1895 г. Чарлз Фостър от Сейнт Луис, щата Мисури, патентова вентилационна решетка с подвижни елементи, която функционира като регулиращ клапан. През 1899 г. Novelty Manufacturing от Джаксън, щата Мисисипи, е първата фирма, която започва да произвежда стоманени вентилационни решетки с подвижни елементи.
Креативността и артистичността, демонстрирани в дизайна на вентилационните решетки с подвижни елементи за отоплителни системи, са почти неограничени. Някои от тях включват подложки за крака или тавички за повишаване влажността на въздуха, или дори са проектирани да изглежда като решетки на камини.
Междувременно дизайнът на котлите продължава да бъде непрекъснато усъвършенстван. Секционните чугунени котли се появяват около 1850 г. Джон Милс изобретява успешен водотръбен котел през 70-те години на 19-и век. Ранните котли (и пещи) са облицовани с тухли, но около 1900 г. се появяват облицовани със стомана пещи и самостоятелно стоящи чугунени котли.
Ранните системи за отопление с пара и с гореща вода използват серпентини, поставени на стени или разположени в различни места в стаята. Тези тръби често са в формата на серпантини и са поставяни в украсени шкафове, наричани “кутии за серпантини”. Поставянето на отопляващата повърхност в стаята започва да се нарича “пряко” излъчване на топлина.
Серпантините също така са вграждани в стени, зад решетки, или поставяни под пода в отделение, свързано със стаята с къс въздуховод и вентилационна решетка. Този втори подход започва да се нарича “непряко” излъчване на топлина. Всички видове радиатори биват класифицирани по размер според площта в квадратни футове.
Радиаторите в сегашния им вид се появяват за пръв път през 1863 г., когато Джоузеф Нейсън и Робърт Бригс патентоват нов дизайн, в който има вертикални тръби от ковано желязо, завинтени към основа от чугун. Всяка тръба е с такъв размер, че да има повърхност от точно 1 квадратен фут когато бъде завинтена към основата, което позволява да се произвеждат множество стандартни размери радиатори. Нелсън Бънди изобретява чугуненият радиатор през 1874 г. През 80-те години на 19-и век чугунените радиатори с ребра става много популярни.
Конкуренцията между производителите на котли е ожесточена. Също както в бизнеса с пещи, и тук фалитите и сливанията са често явление. Последните десетилетия на 19-и век са времето на възхода на бизнес тръстовете и отоплителната индустрия бързо започва да използва тази форма на бизнес организация за подобряване на своята конкурентоспособност. Най-успешният от тези тръстове е компанията American Radiator, която е основана в резултат на сливане на редица от водещите производители на котли и радиатори през 1891 г. Нейните реклами прокламират, че тя е: “Най-големият производител на радиатори в света.”
За времето си компанията е била това, което е “Майкрософт” днес. Нейният успех в заемането на по-голямата част от пазара на радиатора е виден, когато се проучват сгради, в които има стари радиатори – повечето от тях са произведени от American Radiator. Фирмата съществува и днес под името American Standard.
Вентилаторната система
По същото време когато се разработват статичните системи за отопление с пара, гореща вода или топъл въздух, се извършват разработки и в друга насока, а именно използването на принудителна циркулация на въздуха.
Всички ранни разработки в областта на системите с принудителна циркулация на въздуха са с цел приложение в големи сгради и фабрики. Тези големи комбинации от вентилатор и отоплително тяло са се наричали нагнетателни системи или системи с вдухване на горещ въздух. При тях рядко са били използвани пещи, които да са директно в пътя на въздушния поток, а вместо това се е разчитало на непреки отоплителни устройства, използващи пара или, в някои редки случаи, гореща вода. Всички тези ранни системи използват 100% въздух, идващ отвън. Използването на повторно циркулиран въздух не се прилага преди последното десетилетие на 19-и век.
Джон Десагулие проектира първото модерно отоплително устройство с центробежен вентилатор, който е ръчно задвижван от оператор. Устройството бива монтирано в парламента на Великобритания през 1735 г. Дизайнът на центробежните вентилатори бива непрекъснато подобряван през последните десетилетия на 18-и и през 19 век в Англия и Европа. Тези ранни вентилатори основно са задвижвани с парни машини.
Маркиз дьо Шабан е привърженик на идеята за използване на центробежен вентилатор, който да вкарва затоплен или охладен въздух в стаи през въздуховоди. През декември 1815 г. той получава британски патент за “метод или методи за насочване на въздуха и регулиране на температурата в къщи или други сгради, и отопление и охлаждане на въздух или течности по много по-бърз и оттам много по-евтин начин от досега използваните…”
През 1846 г. Нейсън и Уолуърт монтират първата система от вентилаторен тип в САЩ в сградата на митниците в Бостън. “Използваният вентилатор e от тип лопатков, подобно на системите при параходите…Въздухът e нагряван чрез серпантини, направени от тръба с диаметър 3/4 инч…в котелът има достатъчно налягане за задвижване на малката парна машина, която задвижва вентилатора, а отделяната пара се използва за загряване на една от серпантините.”
През 1855 г. генерал Монтгомъри Мейгс планира много по-голяма система за крилата на Камарата на представителите и на Сената в Капитолия. “Препоръчаната и приложена система е тази с принудителна циркулация на въздуха, като влизащият отвън въздух е задвижван от два големи центробежни вентилатора, единият с диаметър 16 фута, а другия 12 фута, като задвижващата мощност идва от вертикални (парни) машини, чиито колянови валове са свързани с основната ос на вентилаторите. Тези изградени вентилатори…се състоят от кръгли железни дискове…като на периферията на едната от страните им са закрепени с болтове чугунени четиристранни перки. Тези перки са извити и поставени в крива с формата на логаритмична спирала от 45 градуса. Вентилаторите са обградени с пръстен от тухли…”
Най-ранните вентилаторни системи биват конструирани изцяло на място. Но скоро става ясно, че тук има възможност за промишлено производство. През 1869 г. производителят на обувки Бенджамин Ф. Стюртевант патентова комбинирано устройство, състоящо се от вентилатор и топлообменник, служещо за охлаждане или отопляване. Скоро след това той основава фирма за производство и продажба на вентилатори и отоплителни системи. Скоро биват основани и други такива фирми, като Buffalo Forge и American Blower.
Когато настъпва последното десетилетие на 19-и век методът, при който се използва вентилатора за продухване на въздух над повърхност, нагрята посредством пара или вода, и след това разнасяне на въздуха до помещенията в големи сгради, е вече добре установен. Този род системи с вдухване на горещ въздух лесно покриват нуждите както от вентилация, така и от отопляване.
Към 1900 г. тези системи вече са станали доста сложни и някои от тях дори включват термостати и управление по зони. Системата, използваща нагнетателна камера, може да предоставя и охлаждане, ако има допълнителни серпантини, охлаждани през лятото посредством размразена солена вода. Тези системи, използващи вдухване на горещ въздух, също така към последното десетилетие на 19-и век вече биват оборудвани с въздухоочистители, служещи и за овлажняване на въздуха.
Популярността на системите с вдухване на горещ въздух стимулира производителите на радиатори да разработят чугунени топлообменници с увеличена повърхност, които да са способни да заменят редиците от тръби, използвани дотогава. Най-успешният от тях е Vento, който има чугунени ребра, разработен е от Джон Спиър през 1903 г, и се продава и произвежда от фирмата American Radiator.
Лорънс Сул, който е колега на Спиър, подобрява тази идея със своята отоплителна повърхност наречена Aerofin, която дебютира на пазара в началото на 20-те години на 20-и век. Aerofin използва спираловидно извити листове мед за направата на лек топлообменник с перки. Той бързо измества устройствата, направени от чугун.
Термостати
Широкото използване на различни видове системи за комфортно отопление през втората част на 19-и век дава стимул за създаване на ефективни методи за управление на системите в зависимост от необходимостта. Има спорадични опити преди този период, но повечето от тях се фокусират на прекия контрол на тягата на огъня. Тези схеми често са сложни за настройка, ако въобще позволяват настройка. Освен това са неудобни, понеже изискват ползвателят да отиде до мястото, където се намира отоплителното устройство. Повечето системи за отопление просто са разчитали на това инженера, отговарящ за сградата, или собственикът ѝ, да нагласят ръчно тягата, темпото на горене, вентилите и регулаторните клапани.
Модерното управление с термостати бива изобретено от няколко различни изобретателя по приблизително едно и също време. Андрю Юр изобретява биметалния термостат в Англия. Той получава британски патент през 1830 г., но устройството му не се използва много. Бързото развитие и използване на централното отопление в САЩ е стимула, който води до това, че няколко различни души в страната изобретяват методи за управление чрез термостат през последните десетилетия на 19-и век.
Професор Уорън Джонсън е преподавател в колеж в щата Уисконсин, в който единственият начин за контрол на температурата е да се каже на чистача да отиде в мазето и пренастрои парните вентили. През 1873 г. Джонсън разработва електрическа система за сигнализация, чрез която се подава сигнал на чистача когато има нужда от пренастройка на отоплението. Джонсън продължава да експериментира и през 1885 г. патентова термостат, който използва сгъстен въздух за задвижване на парни вентили. След това основава компанията Johnson Electric Service с цел да произвежда и монтира своята система. По-късно, и по точно през 1905 г., Джонсън изобретява и регулатор на влажността, предназначен за управление на влажността на въздуха в сградите
Фирмата съществува и до днес под името Johnson Controls.
Албърт Булц, партньор в фирмата “Ръчни гранати-пожарогасители Менделхол (Mendenhall Hand Grenade Fire Extinguisher)” (ръчните гранати-пожарогасители са били контейнери от тънко стъкло, съдържащи тетрахлорметан, които са се пръсвали при хвърляне в огън – тетрахлорметанът е действал като днешните халони и е угасял огъня) патентова регулиращ клапан, управляван от термостат, през 1886 г. Термостатът на Бац е електрически и използва напрежението от батерия за активиране на пружинно задвижващо устройство, което управлява регулиращ клапан в котела или пещта.
Фирмата Butz Thermoelectric Regulator от Минеаполис, щата Минесота, започва да произвежда и продава изобретението, но собствениците на домове купуват доста малко бройки от него. Фирмата преминава през няколко смени на името си и в крайна сметка става Minneapolis Heat Regulator. След Първата световна война фирмата се концентрира на системи за управление на нафтови горелки и през 1927 г. се слива с Honeywell Heating Specialties и така се формира Minneapolis-Honeywell Regulator, позната днес под името Honeywell Inc.
През 1887 г. Уилям Пауърс се е отнесъл в размишления по време на скучна неделна проповед в църква, когато му хрумва, че налягането на парата може да се използва за манипулация на регулиращи клапани на пещ. През 1890 г. той основава фирмата Powers Regulator в Чикаго, щата Илинойс, чиято дейност е да е произвежда и да извършва експерименти с термостатни управления. (По ирония на съдбата първата инсталация е била в църква, където термостатът се използва за контролиране на смесителни регулиращи клапани в система за отопление с нагнетателна камера.)
Първите термостати, произведени от фирмата Powers, са с диаметър около 15 инча и направени от чист месинг и с орнаменти по тях. Пауърс съсредоточава своите усилия в насока големи отоплителни системи, и неговата система е използвана в множество известни сгради, включително в небостъргачите Крайслер Билдинг и Емпайър Стейт Билдинг. Автоматичните управления Powers сега се предлагат от Siemens Building Technologies.
Автоматично отопляване
Преди Първата световна война повечето собственици на домове имат ръчно запалвани печки на въглища. Затова им се налага да слизат в избата и да понасят неудобства като пренасяне на въглищата с лопата, почистване на саждите и това, че единственият метод за температурен контрол е метода на Нагласьов. Макар че контролираните от термостат регулатори на тягата са се предлагали на пазара от няколко десетилетия, към този момент те почти не се използват в домовете
.
Автоматичното включване на отоплителните уреди е възпрепятствано от липсата на широка достъпност на електричеството и на надеждни електрически двигатели. Когато се появяват тези двигатели, на изобретателите се налага да открият как да ги използват за включването на отоплителни системи. Също така те е трябвало да разработят контролни механизми, които да позволяват на термостатите директно да управляват оборудването.
Разработките и проучванията в тази област започват след 1900 г. и количеството им се увеличава постепенно през следващите две десетилетия. Недостигът на въглища и правителствената инициатива за спестяване на енергия през Първата световна война дават стимул на развитието на автоматичните системи.
Собствениците на домове по това време са свикнали да оставят огъня, поддържан от въглища, да тлее през нощта и рано сутрин да засилят огъня с добавяне на въглища и след това да чакат обемистите отоплителни системи да реагират. Количеството въглища, които използват за това, се определя с гадаене и на база опит, но очевидно този метод води до излишни разхищения. Първото електрическо устройство за подаване на въглища, способно да бъде управлявано с термостат, се появява на пазара през 1912 г., а към 1920 г. много производители вече продават такива автоматични системи за въглища.
Увеличава се търсенето на термостатите, автоматично свалящи температурата през нощта. През 1905 г. фирмата Jewell Thermostat създава такъв термостат, който използва часовник с пружина. Продажбите на тези устройства отбелязват голям растеж по време на войната.
“Понеделниците без въглища” биват въведени през 1917 г., което стимулира използването на нафта и газ. Някъде между 1905 и 1908 г. в Калифорния Милтън Феслер изобретява нафтова горелка за жилища. Преди войната в САЩ съществуват няколко производителя на нафтови горелки за използване в домове; Underwriters Laboratories получава удостоверение за нафтова горелка през 1912 г.
Първата нафтова горелка с електрическо запалване посредством високо напрежение, наречена Electrol, е представена през 1918 г. Към средата на 20-те години на 20-и век пазарът на нафтови горелки за жилища отбелязва огромен растеж. През 1924 г, Honeywell започва да продава първите управляващи устройства, предназначени единствено за нафтови горелки.
отоплението с газ също отбелязва напредък. През 1805 г. Фредерик Албърт Уинслоу е осмян в Лондон, когато предлага да се използва газ не само за осветление, но и за отопление, и едва през 1840 г. в САЩ започват първите опити за отопление с газ. Тези опити са спорадични и основно в западните щати, но липсва реален стимул за това до момента, в който фирмите, предоставящи газ по домовете, не започват да изпитват сериозни затруднения с приходите поради навлизането на електрическото осветление след 1880 г.
Те се стремят да открият начин да увеличат потреблението на газ и започват разработки в областта на отоплението с газ. През 1891 г. фирмата Ohio Gas Light експериментално монтира системи за отопление с газ в 50 жилища. След 1900 г. някои производители на котли и пещи добавят продукти, използващи за гориво газ, към своя асортимент, но този вид устройства стават популярни чак след края на Първата световна война.
По това време вече са разработени електрически газови вентили, което позволява отоплителната система да се управлява лесно чрез термостат. Необходимостта от унифицирано изпитване на продуктите води до създаване на изпитателната лаборатория A.G.A. Testing Laboratory в Кливланд, щата Охайо, от Американската газова асоциация (American Gas Association) през 1925 г.
В началото използването на природен газ е ограничено поради проблеми с кондензацията в димоотводите. Това явление за пръв път е отбелязано в браншовата литература още през 1901 г. и кондензацията е толкова често срещана по това време, че след като в Бъфало, щата Ню Йорк, биват монтирани редица газови инсталации, в местните медии е отбелязано, че “почти всеки е сложил желязна тръба в своя комин, през която да се оттича водата”. През 20-те години на 20-и век вече е постигнато по-добро разбиране как да се прави дизайна на устройства, използващи за гориво газ.
Модерно отопление за модерен свят
Към средата на 20-те години на 20-и век вече може спокойно да кажем, че отоплението е отбелязало такъв напредък, че е демокрация в чист вид: всеки има право да участва. Отоплителните устройства и системи по това време са станали сравнително евтини и почти напълно надеждни. Тяхната ефективност е отбелязала значително подобрение. Вече човек може да не ходи в мазето в продължение на седмици, а за получаването на безопасна и ефективна топлина е достатъчно да настрои най-близкия термостат. След този период отоплителният бранш напредва с още по-изумително темпо и в резултат нашите предшественици биха били изумени, ако можеха да видят какво е постигнато.
Към 1926 г., годината, през която започва да се издава вестник “Новини за електрическите хладилници (The Electric Refrigeration News)”, отоплението вече е еволюирало от лагерния огън до нещо толкова тихо, автоматизирано и надеждно, че ние просто го приемаме за даденост – ние просто “пускаме отоплението”. Нашата индустрия успя да преобразува отоплителните уреди и съоръжения в т. нар. от Уолтър Бърнан “обществени машини”.
Ние, които проектираме, произвеждаме, монтираме и извършваме маркетинг и сервизно обслужване на отоплителни системи, сме наследници на традиция, която обслужва една от най-важните нужди на обществото. Този преглед на нашето гордо минало може само да ни вдъхнови да продължаваме да работим все така добре!
Наненгаст е инженер-консултант от Сидни, щата Охайо, който проучва историята на отоплението, вентилацията, хладилните технологии и климатизацията от 30 години насам. Той е бивш председател на Американското общество на инженерите в областта на отоплението, вентилацията, хладилните технологии и климатизацията (ASHRAE) и съавтор на книгата “Топлина и хлад: Овладяването на вътрешното пространство, избрана история на отоплението, вентилацията, хладилните технологии и климатизацията (Heat & Cold: Mastering the Great Indoors, a Selective History of Heating, Ventilation, Refrigeration and Air Conditioning)”, публикувана от ASHRAE по случай неговия стогодишен юбилей през 1995 г.