Hypokaustum 

Starożytni Rzymianie, znani z zamiłowania do piękna i zbytku, urozmaicali wolny czas pobytem w łaźniach, zwanych termami, co przejęli od Greków około III wieku p.n.e. W I wieku p.n.e., jeden z największych architektów i inżynierów starożytności, Marek Witruwiusz Polio (70-20 rok p.n.e.), w traktacie o architekturze poświęcił wiele miejsca tematowi projektowania term – ich budowie i ogrzewaniu. Łaźnie przedstawione były jako zespoły pomieszczeń, zgrupowanych w określonym porządku, zgodnie z zasadą ekonomicznego wykorzystywania ciepła.

 

Antyczne hypokaustum

 

Najbliżej jego źródła lokalizowano caldaria, czyli sale z gorącą kąpielą, i laconica – parnie lub w dzisiejszym znaczeniu sauny. Nieco dalej znajdowały się sale oferujące kąpiel w letniej wodzie, tzw. tepidaria, a najdalej umiejscowiono frigidaria, czyli sale zimnych kąpieli. Na obrzeżach takiego kompleksu łaźni usytuowane były izby pomocnicze (vestibulum, apoditerium, unctorium) oraz liczne galerie, sklepy i boiska. Gorące łaźnie nazywano wówczas balneae pensiles, czyli wiszące łaźnie, a system ich ogrzania – suspensurae. Uważa się, że Caius Sergius Orata z Neapolu, przedsiębiorczy hodowca dorad, poszukiwanych wówczas ze względu na walory smakowe, jednocześnie przyjaciel Cicerona, wykorzystał do celów hodowlanych i  spopularyzował sztuczne baseny, podgrzewane systemem suspensurowym, znajdujące się w okolicach Bajów, modnego wówczas kurortu. 

 

 

Witruwiuszowi natomiast przypisuje się zasługi udoskonalenia systemu grzewczego w termach przez zastosowanie regulatora temperatury, w postaci tarczy z brązu, zwanej żółwiem, którą opuszczano i podnoszono za pomocą łańcucha.

 

Archaiczną formę tego systemu znamy z antycznej Grecji, między innymi z parni i potni w kompleksach łaźni w Olimpii (IV/III wiek p.n.e.) i Gortys w Arkadii (II wiek p.n.e.). Miały one zasuwany otwór w posadzce, pod którą znajdowała się piwnica hypokaustyczna. Przez ten otwór regulowano dopływ ciepła do pomieszczenia. Najwspanialsze zespoły łaźni starorzymskich powstały w okresie od I do IV wieku n.e. Były to termy Nerona, Karakalli, Dioklecjana w Rzymie czy termy Stabiańskie, Rynkowe i Centralne w Pompejach. Rozbudowane termy rzymskie, w porównaniu z greckimi, sportowymi, stały się swoistymi kompleksami rekreacyjnymi. Najważniejszym ich elementem były łaźnie, ale znajdowały się tam również sale odnowy, biblioteki, boiska i bufety.

 

 

Antyczne centralne ogrzewanie ciepłym powietrzem, zwane hypokaustum, to w klasycznej formie radiacyjny system ogrzewania pomieszczeń. Radiacja w ogrzewaniu polega na wypromieniowywaniu ciepła z ogrzanych płaszczyzn. Hypokaustum zbudowane było ze sklepionej komory paleniska (praefurnium), połączonej niewielkim kanałem z piwnicą hypokaustyczną na filarkach (suspensurae) oraz pionowymi przewodami (tubuli), które pierwotnie odprowadzały dymy na zewnątrz. Generalnie zasada działania systemu hypokaustum polegała na ogrzaniu pomieszczenia od dołu przez wypromieniowanie, radiację ciepła z ogrzanych uprzednio powierzchni podłogi, a w późniejszym okresie także ścian. Rozwiązanie było wykorzystywane do ogrzewania sal lub basenu z wodą przede wszystkim w antycznych łaźniach. Obok term także niektóre budynki mieszkalne i siedziby urzędów, zwłaszcza w starożytnym Rzymie i jego północnych prowincjach, miały ogrzewanie hypokaustyczne.

 

Do tej pory zastosowanie tubulatio we wszystkich ścianach ogrzewanej sali uważano za tzw. odmianę kanałową. Badania archeologiczne udowodniły istnienie odrębnej odmiany ogrzewania kanałowego – bez piwnicy hypokaustycznej i często bez użycia tubuli, zwłaszcza w ścianach. Wskazały również wiele przykładów odmiany mieszanej, najczęściej z wykorzystaniem wymurowanych, szerokich, przesklepionych kanałów, promieniście rozchodzących się od centralnie umieszczonej, niewielkiej piwnicy hypokaustycznej na filarkach.

 

 

Hypokaustum a ogrzewanie kanałowe 

 

Hypokaustum, znane ze starożytnej Grecji i Rzymu, rozpowszechniło się daleko na północnych terenach cesarstwa zachodniorzymskiego. Uważa się, że ta klasyczna forma hypokaustum z suspensurą zanikła na dobre na terenie Europy pomiędzy VI a VII wiekiem n.e., ustępując miejsca ogrzewaniu kanałowemu. Miało to związek z nową religią – chrześcijaństwem – chodziło tu bowiem o podgrzewanie wody w pierwszych baptysteriach. Ogrzewanie kanałowe w epokach merowińskiej i karolińskiej zostało rozpowszechnione w Europie Zachodniej, zwłaszcza w imperium Karola Wielkiego, a obecnie w technice grzewczej uważane jest za unowocześnienie hypokaustum.

 

System ten charakteryzował się kanałami cieplnymi, wymurowanymi w trwałym materiale (kamień, cegła, glina). Odchodziły one od paleniska kubicznego lub zamkniętego kopułką. W rzucie kanały te układały się najczęściej na kształt liter: X, Y, L, T lub gwiaździście. Rozlokowane były tuż pod posadzką i niekiedy zaopatrzone w otwory z pokrywami. Właśnie dzięki tym elementom można je uznać za ogniwo pośrednie między antycznym hypokaustum a średniowiecznym centralnym ogrzewaniem akumulacyjnym. Najciekawsze przykłady innowacji tego systemu w odmianie kanałowej znamy z Saalburga, Weiersbach, Lalonquette, a w odmianie mieszanej także z Lalonquette, Monmaurin i Valentine.

 

W Europie swoisty renesans klasycznego systemu hypokaustum nastąpił w XIV wieku. Było to świadome wzorowanie się na termach rzymskich z I wieku n.e. w łaźniach parowych w zamkach i pałacach możnowładców we Francji i Flandrii, np. w siedzibie Małgorzaty Flandryjskiej w Dijon (XIV wiek).

 

 

Ogrzewanie w średniowieczu 

 

Rozpowszechnienie hypokaustum na ziemiach polskich przypisuje się zakonnikom (głównie cystersom), którzy zaczęli je wykorzystywać w swoich siedzibach. Zachowały się piece zbudowane na zamkach krzyżackich (kilkanaście pieców w Malborku) i stosowane w szpitalnictwie.

 

Późnogotyckie piece hypokaustyczne, obecne na ziemiach polskich od XIII wieku, funkcjonowały nawet do XVII stulecia. Wymurowane z cegieł, składały się z kilku części: paleniska, komory nadrusztowej (z żebrami z cegieł i kamieniami polnymi, kumulującymi ciepło), a także ze sklepienia kolebkowego z otworami wylotowymi ogrzanego powietrza. Obok pieca znajdował się przedsionek, z którego opalano piec i w którym składowano zapas drewna. Palenisko było dość długie i niskie, zakończone w tylnej części przewodem dymnym, wychodzącym do komina. Nad paleniskiem budowano poprzeczne, ceglane żebra, łączone gliną, między którymi pozostawiano niewielką wolną przestrzeń. Na żebrach układano luźno duże kamienie narzutowe i mniejsze otoczaki, wypełniając w ten sposób do 3/4 pojemności komory cieplnej. Wolna przestrzeń nad kamieniami służyła do gromadzenia gorącego powietrza. Całość konstrukcji zakrywano sklepieniem kolebkowym, w którym znajdowały się otwory kanałów cieplnych, zamykanych metalową lub kamienną pokrywą, umieszczoną w posadzce ogrzewanego pomieszczenia. Płomień, powstający podczas spalania drewna w długim palenisku, mógł równomiernie ogrzewać zgromadzone nad nim kamienie, a także, częściowo, główne ściany pieca, które również pełniły rolę zasobników ciepła. W czasie palenia w piecu, pokrywy w posadzkach ogrzewanych pomieszczeń były zamknięte, a powstające gazy i dym uchodziły przez komin. Podnoszenie temperatury w pomieszczeniach, znajdujących się bezpośrednio nad piecami, polegało na uwalnianiu ciepła, zgromadzonego w komorze akumulacyjnej przez unoszenie pokryw, aż do wystygnięcia kamieni.

 

 

Hypokausta, które były dość kosztowne w utrzymaniu, ponieważ pochłaniały duże ilości opału (czasem drewno zastępowano torfem), zaczęto stopniowo zastępować piecami kaflowymi, które ogrzewały tylko wydzieloną przestrzeń. Palenie w pojedynczych piecach pozwalało oszczędzać opał, który zużywano tylko w takiej ilości, jaka była potrzebna do nagrzania jednego pomieszczenia. W tym samym okresie funkcjonowały również inne, prymitywne formy urządzeń grzewczych, głównie w domach wiejskich.

 

Piec stanowił odwieczną cechę izby słowiańskiej (…). Klimat północny tego wymagał. Pozostaje wątpliwość, czy piec mieszkalny powstał ze złączenia otwartego ogniska z piecem chlebowym, czy też wprost z otwartego ogniska, zewsząd zakrywanego. Piec mieszkalny pierwotnie był wcale niski i napełniał izbę dymem. Kurne izby były niegdyś ogólne. Potem, gdy wprowadzono kominy dla ujścia dymu, zanikały, zachowując się w okolicach zapadłych. [A. Brückner, Encyklopedia staropolska, Warszawa 1939, s. 122]

 

W izbach kmiecych, o niewielkiej kubaturze, wystarczały początkowo otwarte paleniska, umiejscowione na środku, które z czasem okładano kamieniami. Dym uchodził przez otwory w dachu. Były to piece kopułowe lub kopulaste, które w pomieszczeniach mieszkalnych budowano znacznie rzadziej niż kominki. Ich genezę można wywieść z pierwotnego okładania ognisk kamieniami polnymi – ogniska z czasem zamykano kopułą z gliny, z otworem w najwyższym punkcie lub nawet z wyprowadzonym w górę kominem.

 

Rozwój ogrzewania ciepłym powietrzem

 

Rewolucja przemysłowa i dostępność nowych materiałów wpłynęły na rozwój technologii ogrzewania ciepłym powietrzem. Anglik, William Strutt, zaprojektował w 1805 roku kocioł, składający się z nitowanej, żeliwnej komory, otoczonej cegłami w odległości kilku cali, aby umożliwić cyrkulację powietrza. Zewnętrzną część urządzenia stanowiły dwie komory: dolna, do której napływało chłodne powietrze i górna, stanowiąca ujście dla powietrza gorącego. Kanały, doprowadzające powietrze do pomieszczeń, zostały wyposażone w klapy pozwalające na regulację ciepła.

 

W tym samym czasie we Francji powstawały kotły do podgrzewania powietrza. Nazywano je caloriferes, a zbudowane były z wielu żeliwnych rur, umieszczonych w ścianie okrywającej palenisko pieca. Powietrze, przepływając między rozgrzanymi, żeliwnymi rurami, samo się nagrzewało i wędrowało dalej, do kanałów prowadzących do pomieszczeń.

 

Zarówno kotły konstrukcji Strutta, jak i francuskie caloriferes były ważnymi wynalazkami, jednak technologicznie umocowanymi w starożytności. Bardziej naukowe podejście do tych zagadnień przedstawił profesor Paul Traugott Meissner w opublikowanej, w 1821 roku, pracy pt. System grzewczy z ogrzanego powietrza, w której przedstawił sposoby konstrukcji kotłów i dystrybucji powietrza w różnych typach budynków. Instalację grzewczą jego konstrukcji uruchomiono najpierw w cukrowni pod Wiedniem (1820 rok), a następnie w Górnym Belwederze w Wiedniu (1826 rok).

 

 

W 1840 roku w Białym Domu w Waszyngtonie rozpoczęto prace przy instalacji ogrzewania gorącym powietrzem. System składał się z niezależnego kotła, z żeliwnym paleniskiem, obudowanego otynkowanymi cegłami. Kanały, którymi powietrze docierało do ogrzewanych pokojów, poprowadzone były zarówno z samego kotła, jak i z pomieszczenia, gdzie był zamontowany. Kotłownię umieszczono w piwnicy, w centrum rezydencji wykonawczej, gdzie obecnie znajduje się recepcja dyplomatyczna. Początkowo ogrzewane były jedynie pomieszczenia parteru oraz hol, jednak pięć lat później prezydent James K. Polk nakazał przebudowę instalacji, aby objęła również tzw. piętro państwowe (ang. State Floor) oraz pomieszczenia mieszkalne pary prezydenckiej na drugiej kondygnacji. Kanały, doprowadzające ciepłe powietrze, zakończone były ozdobnymi kratami, w zależności od reprezentacyjności pomieszczenia: srebrnymi, mosiężnymi lub żelaznymi. W 1853 roku prezydentem USA został Franklin Pierce, który, wprowadzając kolejne unowocześnienia w Białym Domu, dokonał zmiany systemu grzewczego na zasilany gorącą wodą.

 

Prototyp konstrukcji kotła do ogrzewania ciepłym powietrzem, który w drugiej połowie XIX wieku stał się bardzo popularny w Stanach Zjednoczonych, został zbudowany w 1835 roku w Worcester. O ile wcześniej nie istniał przemysł związany z produkcją kotłów (wykonywano je ad hoc dla konkretnych rozwiązań), to od momentu powstania, w 1837 roku, firmy Richardson & Boynton Co (przedsiębiorstwo działało do 1942 r.), można mówić o narodzinach rynku urządzeń ogrzewających gorącym powietrzem w USA. Prawdziwy boom branża przeżywała od zakończenia wojny secesyjnej, aż do początku nowego wieku. Instalacje na gorące powietrze uważane były za nowoczesne, wygodne i efektywne oraz bezpieczne. Były przy tym znacznie łatwiejsze w montażu i obsłudze od rozwiązań parowych czy wodnych, a nadto wiązało się z nimi znacznie mniejsze ryzyko wybuchu.

 

W 1895 roku Ernest Bryant i Ezra Smith, biznesmeni z Iowa, złożyli w firmie Dave’a Lennoxa zamówienie na wykonanie żeliwnych elementów do nowych kotłów stalowych własnej konstrukcji. Gdy, po wykonaniu zlecenia, okazało się, że przedsiębiorcy nie mają czym zapłacić za usługę, Lennox przejął ich patenty, a następnie przerobił oryginalne projekty według nowego pomysłu. Konstrukcja wykonana ze stalowych, nitowanych blach, pod marką Torrid Zone, odniosła znaczny sukces.

 

 

Kotły grzewcze na gorące powietrze, które masowo powstawały na przełomie wieków XIX i XX, nie były w żaden sposób standaryzowane. Ich parametry określano przez podanie wielkości paleniska lub powierzchni mieszkalnej, którą urządzenie mogło ogrzać. Często zdarzało się, że identyczne kotły różnych producentów oznaczano jako charakteryzujące się całkowicie odmiennymi parametrami. Daleko posunięta branżowa dowolność doprowadziła do wojny cenowej, która na początku XX wieku przyczyniła się do bankructwa niektórych producentów, z kolei wiele innych firm połączyła w większe przedsiębiorstwa.

 

Kłopoty w branży pogłębiły się, gdy popularność zaczęły zdobywać instalacje wodne, które dotąd pozostawały rozwiązaniem niszowym. W 1905 roku przedsiębiorcy w USA zawiązali Federalną Ligę Kotłową (ang. Federal Furnace League), która za zadanie postawiła sobie: wynieść ogrzewanie ciepłym powietrzem na pozycję, na którą zasługuje. Działania na rzecz standaryzacji i podniesienia jakości wyrobów były prowadzone przez następne lata, aż w 1914 roku utworzono Krajowe Stowarzyszenie Ogrzewania Ciepłym Powietrzem i Wentylacji (ang. National Warm Air Heating and Ventilating Association, NWAHVA). Jednocześnie na Uniwersytecie w Illinois przeprowadzono szereg badań i testów, których wyniki, publikowane przez NWAHVA, wyznaczały trendy rozwoju branży w następnych latach.

 

W pierwszej dekadzie XX wieku, w instalacjach grzewczych na ciepłe powietrze zaczęto używać wentylatorów. Dotychczas stosowano jedynie naturalną cyrkulację nagrzanego powietrza, co nie zawsze było odpowiednio efektywne. Pierwsze wentylatory, produkcji Emerson Electric, do montowania w kanałach powrotnych instalacji, pojawiły się już w 1908 roku. Jednak, w zasadzie do końca lat 20. XX wieku, nie były one szeroko stosowane.

 

Współczesne instalacje ogrzewania nadmuchowego działają w oparciu o różne źródła ciepła, którymi mogą być zarówno kotły na paliwo stałe lub gaz, jak i pompy ciepła. Oczyszczone przez filtr i podgrzane powietrze jest rozprowadzane do poszczególnych pomieszczeń układem przewodów nawiewnych i wdmuchiwane przez kratki nawiewne z regulacją przepływu. Równocześnie z pomieszczenia do przewodu powrotnego zasysane jest powietrze zużyte. Zanim ponownie trafi do pieca, jest mieszane ze świeżym powietrzem z zewnątrz i filtrowane. Producenci oferują szeroką gamę urządzeń, które, oprócz funkcji grzewczych, zapewniają także nawilżanie powietrza, a w gorącym sezonie letnim – chłodzenie.

 

Wersja do druku Wersja do druku | Mapa witryny
© Całość praw autorskich: Filip Wiśniewski