Centralne ogrzewanie

Przejawem nowoczesnej myśli technicznej w ogrzewnictwie były próby stosowania pośredniego czynnika grzewczego, a rozpoczęto je od eksperymentów z parą. Polegały one na użyciu przykrytego naczynia z podgrzewaną wodą, z którego następnie wyprowadzano rury połączone z grzejnikami. 

 

W pierwszych systemach skroplona woda wracała do kotła tymi samymi rurami, którymi doprowadzano parę do grzejników. Argumentem przemawiającym za wykorzystaniem pary była powszechna dostępność kotłów oraz – już w okresie rewolucji przemysłowej – maszyn parowych. Należało przy tym zapewnić możliwość powrotu kondensatu. 

 

W 1594 roku sir Hugh Platt – angielski pisarz i wynalazca – zaproponował, aby wykorzystać parę, pochodzącą z podgrzewania wody, do ogrzewania upraw, jednak idea ta doczekała się realizacji dopiero w 1788 roku w Liverpoolu. James Watt ogrzewał parą swoje biura już w roku 1784, stosując do tego grzejnik z cienkich, ocynkowanych żelaznych blach. Ciśnienie pary stosowanej w instalacjach w początkowym okresie wynosiło 1-2 bary. Grzejniki wykonywano w postaci rur: gładkich lub żebrowych oraz wężownic. W późniejszych latach powstały instalacje niskociśnieniowego ogrzewania parowego, jednak ich wadami były wysokie koszty budowy i brak możliwości dokładnej regulacji (odbywała się ona przez zmianę ciśnienia). Para wodna, jako czynnik grzewczy, dominowała w czasach tzw. „ery bezpompowej”, zanim zastosowano wodę jako nośnik ciepła.

 

Około roku 1700 rosyjscy inżynierowie zaczęli projektować systemy centralnego ogrzewania na bazie wody. Na początku XVIII wieku rozpoczęto użytkowanie instalacji wodnych w Pałacu Letnim w Sankt-Petersburgu (1710-1714), gdzie zainstalowano centralny zbiornik wraz z systemem porcelanowych, zdobionych rur rozprowadzających ogrzaną wodę. W 1713 roku we Francji i w Niderlandach zaczęto instalować urządzenia, uchodzące za prototypy współczesnego systemu centralnego ogrzewania. Podobne konstrukcje powstawały w Szwecji i Anglii, gdzie w 1716 roku uruchomiono pierwsze instalacje centralnego ogrzewania ciepłą wodą. 

 

 

Około roku 1820 architekt, William Atkinson, opracował efektywną metodę ogrzewania cieplarni wodą gorącą. Termin „woda ciepła” odnosi się do temperatury poniżej 100°C – są to instalacje „otwarte”, połączone z atmosferą, natomiast pojęcie „woda gorąca” oznacza ciecz o temperaturze powyżej 100°C w instalacji „zamkniętej”, pod ciśnieniem. Urządzenia te nie miały pomp, a cyrkulacja wody odbywała się – jak to błędnie określano – „grawitacyjnie”. W rzeczywistości oparta była na zjawisku konwekcji w cieczach i gazach, czyli różnicy gęstości.

 

Zjawisko to nosi nazwę termosyfonu (lewaru cieplnego) i jest wywołane przez „ciśnienie termodynamiczne”, zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki. Wzrost energii wewnętrznej charakteryzuje się wzrostem temperatury, a praca (ciepło x masa) jest określona iloczynem ciśnienia i współczynnika rozszerzania się materiału. A zatem układ obiegu wody podgrzewanej w kotle i ochładzającej się w grzejnikach, które oddają ciepło do pomieszczenia, ilustrujący pierwszą zasadę termodynamiki, jest maszyną cieplną wykonującą pracę zużywaną na podtrzymanie przepływu. Od 1818 do 1841 roku ogrzewanie wodne niskiego ciśnienia (t<100°C) wykonywane było bez żadnych obliczeń. Zależności teoretyczne pierwszy podał Hood, wyjaśniając przyczyny powstawania obiegu wody. Badania Francuza Pécleta (autora popularnego wzóru na współczynnik K) oraz Niemca Grashoffa przyczyniły się w XIX wieku do rozwoju nauki o cieple w zastosowaniu do ogrzewnictwa.

 

Wykorzystanie siły innej niż efekt różnicy gęstości wody, wskutek różnic temperatur, pobudzającej obieg wody w wodnych instalacjach niskiego ciśnienia – lecz nie pompy – jest zasługą duńskiego inżyniera Recka. Podobne systemy ogrzewania o „przyspieszonym obiegu wody” opracowali: Brückner, Körtin czy Krell. W ogrzewaniach o przyspieszonym obiegu wody, do przewodów zasilających była doprowadzana para lub powietrze, a więc substancje lekkie, które wywoływały jej szybszy przepływ. 

 

 

Pierwszy rurkowy kocioł wodny został zbudowany przez Johna Blakeya i opatentowany w 1766 roku. Składał się z kilkunastu rurek ułożonych skośnie, których sąsiadujące końce były ze sobą połączone. Pierwszeństwo w wynalezieniu urządzenia tego typu przypisuje się Jamesowi Rumseyowi, amerykańskiemu odkrywcy. W 1788 roku opatentował on w Anglii kilkanaście projektów kotłów, a rozwiązania w nich zastosowane wykorzystywane są do dzisiaj. Pierwszym kotłem zbudowanym z połączenia rur podłączonych do wspólnego zbiornika była konstrukcja Johna Stevensa z 1805 roku. Kocioł składał się z 12 poziomych rur ułożonych w okrąg i połączonych u dole ze zbiornikiem wody, a u góry – zbiornikiem pary. W kolejnych latach pojawiały się nowe rozwiązania, ale przełom przyniósł wynalazek Stephena Wilcoxa z 1856 roku, w którym po raz pierwszy zastosowano nachylone rury, łączące zbiornik wodny z przodu kotła ze zbiornikiem pary na jego końcu. Rozwiązanie to, w kotle o konstrukcji sekcyjnej, wykorzystał dziewięć lat później Joseph Twibill.

 

Na początku rozwoju systemów grzewczych budowano kotły stalowe z obmurowaniem. Żeliwo do wyrobu kotłów pierwsi zastosowali Amerykanie, wychodząc z założenia, że pracują one przy bardzo niskich ciśnieniach. Do powszechnego użycia wszedł więc typ kotła, który:

 

• nie potrzebował obmurowania;

• składał się z jednakowych członów, a więc mógł być zestawiany dowolnie;

• mógł być wytwarzany masowo;

• ewentualne usterki łatwo dawało się usunąć przez wymianę segmentu.

 

Zasady te wprowadził w Europie niemiecki inżynier, J. Strebel, który po podróży do USA opatentował, w 1892 roku, kocioł żeliwny na koks i węgiel. Charakterystyczną cechą konstrukcji tego kotła była półokrągła część górna. Jednocześnie rozwinięto dziesiątki innych odmian kotłów – ponad kilkaset typów. Niektóre kotły, zrealizowane na licencji Strebla (Strebel ALFA, TERTIA, B2), pracowały jeszcze w latach 80. XX wieku. Konstrukcja była tak rozpowszechniona, że nazwa Strebel stała się synonimem kotła grzewczego. W Polsce historia produkcji kotłów parowych wiąże się ściśle z produkcją pomp wodnych i sięga pierwszej połowy XIX wieku. W utworzonej w 1817 roku w Białogonie pod Kielcami, z inicjatywy Stanisława Staszica, „Hucie Aleksandra” (w 1827 r. przekształconej w „Fabrykę Machin”) pojawiły się w produkcji – obok maszyn rolniczych – „pompy różnego gatunku”, a następnie kotły parowe. W 1880 roku na terenach ówczesnego zaboru pruskiego, na pograniczu Środuli i Konstantynowa, z inicjatywy siemianowickiego fabrykanta – Wilhelma Fitznera i Szwajcara – Konrada Gampera, zbudowano zakład przemysłu metalowego.

 

 

Historia grzejnika

 

W 1831 roku Angier Marsh Perkins, amerykański inżynier pracujący w Anglii, opatentował kocioł oraz zawór rozprężny, które stanowiły podstawę nowego systemu ogrzewania parowego. Wynalazca zastosował rury z kutego żelaza o średnicy 25 mm i grubości ścianki 6 mm (część z nich była wykonana z nadwyżek produkcji luf karabinowych), w których ciśnienie pary dochodziło do 50 barów, a temperatura do 200°C. W następnych latach Perkins, zamiast pary, zaczął stosować wodę, której użycie było bezpieczniejsze. Jak sam stwierdził: nie ma żadnej pewności, że najlepiej wykonany kocioł nie rozgrzeje się nagle zbyt mocno i nie wybuchnie z powodu nadmiernej produkcji pary. My natomiast mamy kocioł, który nie może eksplodować, ponieważ czynnik grzejny jest całkowicie odseparowany od ognia…. Była to wczesna wersja systemu, z pośrednim czynnikiem grzewczym, który jest stosowany w instalacjach współczesnych. Niestety, wynalazek miał też swoje wady. W listopadzie 1841 roku w The Time opublikowano listę 23 obiektów, z których w 7 wybuchły pożary, spowodowane bezpośrednim kontaktem przedmiotów z gorącymi grzejnikami, a w 16 doszło do wybuchu instalacji. Perkins na bieżąco wprowadzał poprawki i modyfikacje, a opatentowany w 1841 roku, system ogrzewania gorącą wodą (ang. Perkins’ Hot Water Apparatus) był montowany w wielu obiektach, m.in. w budynku Królewskiego Towarzystwa Sztuk, Londyńskim Urzędzie Patentowym oraz kilku oddziałach British Museum. Co ciekawe, instalacje z połowy XIX wieku działają współcześnie w pewnej liczbie kościołów w Anglii i południowej Walii.

 

 

Stosowanie pary lub gorącej wody do ogrzewania wymagało opracowania odpowiednich wymienników ciepła, montowanych w pomieszczeniach – dziś nazywamy je grzejnikami. W 1824 roku Thomas Tredgold, pionier ogrzewania parowego, zaproponował, by rury grzewcze zostały jakoś „ukryte”, lub by wykorzystać inne, bardziej estetyczne rozwiązania. Stosowane wówczas grzejniki zbudowane były najczęściej z żeliwnych lub kutych, żelaznych rur, o średnicy 100 mm (podobnie jak w szklarniach). Jedną z możliwości było wykorzystanie żeliwnych wężownic o średnicach rur 2” dla instalacji parowych i 4” dla ogrzewania wodnego.

 

Jednak za twórcę grzejnika uważany jest Franz San Galli, który opatentował swój wynalazek w 1855 roku w Sankt Petersburgu. Z pochodzenia Włoch, urodził się w Kamieniu Pomorskim (lub Szczecinie), w zaborze pruskim. Skonstruował w połowie XIX wieku grzejnik, wykorzystujący krążącą w systemie rur sprężoną parę wodną. Swój wynalazek San Galli określał mianem „ciepłej skrzynki”, a kaloryfery wyprodukował pod nazwą „baterie”, co do dzisiaj w języku rosyjskim jest synonimem grzejników. Pierwszą „ciepłą skrzynkę” zamontowano w Sankt Petersburgu w 1855 roku. W Anglii dwaj wynalazcy: Joseph Nason i Robert Brigss zaprojektowali i wyprodukowali w 1863 roku grzejnik, wykonany w postaci pionowych rur z kutego żelaza przykręconych do żeliwnej podstawy. Dziewięć lat później Nelson H. Bundy wpadł na pomysł tzw. „Bundy Loop”, grzejnika zbudowanego z żeliwnej, zapętlonej rury. Początkowo konstrukcja przystosowana była do ogrzewania parowego, jednak wkrótce użyto ją w instalacjach wodnych.

 

Polska historia grzejników wodnych zaczyna się w Stąporkowie i związana jest z, działającą już od końca XV wieku, kuźnią. Od tego czasu osada słynęła z wyrobu żeliwnych grzejników i była jedyną w Królestwie. Pamiątką minionej świetności jest największy grzejnik świata, stojący przed Stąporkowskim Domem Kultury i mierzący ponad 2 metry wysokości.

 

Prawdziwie przełomowym momentem dla instalacji centralnego ogrzewania było zastosowanie w nich pomp obiegowych, co miało miejsce około 1925 roku. Dotychczasowe rozwiązania, bazujące na tzw. „obiegu grawitacyjnym”, miały znaczne ograniczenia. Woda, przemieszczając się w instalacji, musiała pokonać opory występujące w rurach, a jest to możliwe dopiero przy odpowiednio dużej ich średnicy. Przy stosowaniu tego systemu w większych obiektach, używanie rur o dużych średnicach znacznie podwyższało koszty instalacji.

 

Dzięki elektrycznym pompom obiegowym, wymuszającym ruch wody w instalacji, można było pokonywać duże opory hydrauliczne, powstające przy przepływie w rurach o dużo mniejszych średnicach niż w „ogrzewaniu grawitacyjnym”. Instalacje pompowe nie miały ograniczeń związanych z ich wielkością i rozległością. Podstawowym, najczęściej stosowanym systemem prowadzenia rur stał się system dwururowy. Każdy grzejnik podłączany był indywidualnie do pionów: zasilającego i powrotnego. Dzięki temu temperatura, panująca na dopływach do poszczególnych grzejników, była podobna. Regulacja temperatury grzejnika odbywała się za pomocą zaworu regulacyjnego, umieszczonego przy nim.

 

Rozwój technologii instalacji centralnego ogrzewania, w drugiej połowie XX wieku, dotyczył przede wszystkim urządzeń regulacyjnych, materiałów wykorzystywanych do ich budowy oraz stosowania coraz wydajniejszych źródeł ciepła. Początek XXI wieku w centralnym ogrzewaniu to w znacznej mierze realizacja postulatów ekologicznych. W instalacjach montuje się nowe, alternatywne źródła ciepła, jak np. pompy ciepła czy kolektory słoneczne.

 

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