Rozwój techniki grzewczej

W klimacie europejskim już człowiek pierwotny musiał stawić czoła problemowi niedostatku energetycznego energii wytwarzanej przez własny organizm. Szybko okazało się, że ograniczanie strat energetycznych poprzez wykorzystywanie skór zwierzęcych do ubioru jest niewystarczające, a racje żywnościowe można dostarczać bardzo nieregularnie, wobec czego, szczególnie zimą, należy dostarczyć organizmowi energii w postaci zewnętrznego ciepła.

Znakomicie nadawał się do tego ogień, wobec czego, stosunkowo szybko człowiek posiadł umiejętność wykorzystywania go do swoich potrzeb w sposób kontrolowany. Wobec tego można stwierdzić, że ogień od początku rozwoju rodzaju ludzkiego był nieodzownym elementem towarzyszącym życiu człowieka, a co za tym idzie było nim również ognisko domowe. Dla niektórych badaczy właśnie ten element egzystencji człowieka stanowi początek rozwoju cywilizacji, albowiem m.in. możliwość wspólnego przebywanie przy ognisku powodowała łączenie się ludzi w grupy. Można się tym poglądem zgodzić lub nie, ale palenisko, które służyło do ogrzania posiłków, a jednocześnie do ogrzania pomieszczeń, to nie tylko rozwój socjalizacji społeczeństwa, ale także początek ogrzewnictwa.

W wyniku rozwoju cywilizacji człowiek uczył się samodzielnie wnosić siedziby, w wyniku czego ludzie stopniowo zaczęli opuszczać jaskinie i przenosić się do samodzielnie wzniesionych obiektów. Otwarte palenisko, początkowo w niezmienionej formie, przeszło tam wraz z nimi, stanowiąc centralną część domostw. W tamtych czasach ogrzewanie pełniło wyłącznie funkcję miejscową, tzn. ogrzewano zaledwie pomieszczenie, w którym znajdowało się palenisko. Skutkowało to tym, że obiekty budowano przeważnie w formie pojedynczego dużego pomieszczenia. Wraz z rozwojem budownictwa i wznoszeniem domów wieloizbowych stało się to niewystarczające. Stosowano oczywiście wiele mniejszych miejscowych źródeł ciepła, ale myślano również o czymś wygodniejszym. Efektem tego były pierwsze próby realizacji ogrzewania centralnego, polegającego na wytwarzaniu ciepła w jednym punkcie domu, lub nawet poza nim i przekazywanie go systemem rur lub kanałów do pozostałych pomieszczeń.

Jak pokazują prace archeologiczne i historyczne systemy takie stosowano już w starożytnym Rzymie ok. 80 r. p.n.e. Odkryto, że był tam stosowany rodzaj centralnego ogrzewania o nazwie hypokaustum (wykorzystywany najczęściej w łaźniach publicznych lub prywatnych). Opierał się on na ogrzewaniu do wysokiej temperatury powietrza nad podłogą w pomieszczeniach. To prymitywne rozwiązanie bez przewodów spalinowych służyło ponadto ogrzewaniu ciepłej wody użytkowej, dzięki umieszczaniu nad komorami paleniskowymi zbiorników wodnych [1]. W średniowiecznej Polsce, znane także było centralne ogrzewanie typu powietrznego, świadczą o tym systemy stosowane w zamku w Malborku, w Bytowie, Grabinach – Zameczku i w Tylży. Twórcą lub współtwórcą tych systemów najprawdopodobniej był Nikolaus Fallentstein – średniowieczny budowniczy zamków krzyżackich. Zasada pracy takiego systemu była prosta, ogrzane w palenisku kamienie, po wygaszeniu ognia, oddawały ciepło powietrzu przepływającemu między nimi, w sposób grawitacyjny kanałami pionowymi do ogrzewanych pomieszczeń. Nie można jednak zapomnieć o tym, że w średniowiecznych zamkach nadal nadrzędną rolę pełniło ogrzewanie miejscowe w postaci kominków z otwartym paleniskiem.

Mając na uwadze powyżej przedstawione fakty można domniemywać, iż początki istnienia ogrzewania centralnego należały do systemów powietrznych. Dopiero w późniejszym okresie zaczęto wykorzystywać w systemach grzewczych inne czynniki robocze służące przenoszeniu ciepła (np. wodę). Pierwotnym paliwem wykorzystywanym do ogrzewania było oczywiście drewno i inne roślinne szczątki organiczne (stosowane przeważnie w mniejszym stopniu). Jest to zrozumiałe, z uwagi na łatwą dostępność i nieskomplikowany proces pozyskiwania energii (spalania). Z czasem drewno zastępowano innymi paliwami stałymi (przede wszystkim węglem), a później również płynnymi. Bardzo ważną kwestią, związaną z ogrzewaniem stała się potrzeba odprowadzania spalin. W pierwotnych rozwiązaniach wykorzystywano do tego otwory dachowe, w późniejszych natomiast zaczęto budować domy zaopatrzone w kominy, czyli konstrukcje w formie kanału przeznaczonego właśnie do tego celu.

Podstawy naukowe techniki grzewczej powstały natomiast dopiero w 1885 r. n.e. w Berlinie, a ich twórcą był Herman Rietschel – który założył Katedrę Ogrzewnictwa i Wentylacji, co dało początek rozwojowi centralnego ogrzewania, takiego jak dziś jest powszechnie znane.

 W 1900 r. w Dreźnie powstała duża sieć ciepłownicza o długości 1040 m, a w 1925 r. w Niemczech postały pompy obiegowe, które bez wątpienia przyczyniły się do rozwoju centralnego ogrzewania.

 Dalszy rozwój ogrzewnictwa to już nie ogrzewanie jako całość, ale rozwój oraz badania dwóch grup ogrzewania tzn. miejscowego i centralnego.

 Rozwój techniki grzewczej to także dalsze prace i udoskonalanie elementów centralnego ogrzewania – takich jak chociażby grzejniki, czyli końcowe odbiorniki ciepła w systemie. Grzejniki jako urządzenia techniczne nie są zbyt skomplikowane. Zasada ich pracy polega na przekazywaniu ciepła dostarczanego za pośrednictwem czynnika grzewczego (roboczego) do pomieszczenia. Są to najczęściej przeponowe wymienniki ciepła.

 Równie ważnym elementem systemu ogrzewania centralnego jest źródło ciepła, stanowiące niejako jego „serce". W miarę rozwoju techniki grzewczej źródła ciepła w systemach centralnych ewoluowały, począwszy od otwartego paleniska, ogrzewającego powietrze, aż do, stosowanych obecnie, nowoczesnych systemów korzystających z odnawialnych źródeł energii. Zmieniało się również zasilające je paliwo.

Początek ogrzewania centralnego to oczywiście źródła ciepła w postaci otwartych palenisk, zasilanych przede wszystkim drewnem i szczątkami organicznymi (głównie roślinnymi). Warto zauważyć, że drewno spalano wtedy zarówno w postaci nieprzetworzonej (surowej), jak również specjalnie przetworzonej (przystosowanej do spalania w obiektach zamkniętych), czyli w postaci węgla drzewnego. Wypalanie węgla drzewnego zostało zapoczątkowane zapotrzebowaniem na paliwo, które da się użytkować bez wydzielania w procesie spalania dużych ilości dymu, który trafiałby do pomieszczeń, jak bywało w przypadku spalania drewna w formie nieprzetworzonej. Dymienie było bowiem zjawiskiem wysoce niepożądanym, ponieważ bardzo utrudniało przebywanie w pomieszczeniu w którym znajdowało się palenisko, a także w pomieszczeniach ogrzewanych, gdyż przedostawał się on wraz z zagrzanym powietrzem do pozostałych pomieszczeń w budynku. Kłopotów nastręczało również odprowadzanie dymu na zewnątrz obiektu, ponieważ wymagało budowy dodatkowych, kosztownych, kanałów odprowadzających. Węgiel drzewny spalano w specjalnych naczyniach, a problem dymu stracił na ważności. Z tego powodu węgiel drzewny zyskał dużą popularność we wczesnych systemach ogrzewania centralnego.

Następnym krokiem w dziedzinie ogrzewania było zamknięcie paleniska, co zaowocowało powstaniem pieców, służących jednocześnie podgrzewaniu posiłków i ogrzewaniu pomieszczeń, a także tzw. kotłów centralnego ogrzewania, a później również dużych kotłów ciepłowniczych. Różnica pomiędzy otwartym paleniskiem, a kotłem polega na tym, że proces spalania w tym drugim przypadku jest znacznie bardziej kontrolowany, co przekłada się korzystnie na wygodę stosowania, bezpieczeństwo i efektywność procesu. Kontrolę procesu umożliwia właśnie to, iż odbywa się on w naczyniu zamkniętym, a ściśle mówiąc umożliwiają to takie elementy jak: ściśle określona droga wlotu powietrza, dostarczania paliwa, wylotu spalin oraz droga wydostawania się ogrzanego medium roboczego- przenoszącego ciepło (gazu lub cieczy). Bardziej uniwersalnym rozwiązaniem okazały się piece, lokalizowane w kuchniach, które wykorzystywano do podgrzewania posiłków oraz jednocześnie, do ogrzewania mieszkania w systemie centralnym. Spalane w piecu paliwo (zwykle drewno lub węgiel) produkowało ciepło ogrzewające garnki umieszczone na płycie kuchennej, znajdującej się bezpośrednio nad komorą spalania (ściśle mówiąc na obręczach żeliwnych- potocznie nazywanych „fajerkami”). Z drugiej strony ciepło to służyło również podgrzewaniu wody opływającej palenisko w rurce. Woda ta krążyła w systemie zamkniętym pomiędzy wspomnianym piecem, a elementami oddającymi ciepło do pomieszczenia, czyli grzejnikami. Tym sposobem realizowano system ogrzewania centralnego. Oczywiście przepływ wody w piecu był regulowany, dzięki czemu można było decydować, czy ciepło ma służyć wyłącznie ogrzewaniu posiłków, wyłącznie ogrzewaniu pomieszczeń, czy tym dwóm rzeczom jednocześnie. Rozwiązanie to jest jednak obecnie bardzo rzadko stosowane.

Wraz z powstawaniem pieców i kotłów zmieniały się również spalane paliwa. Naturalnym następstwem dostępności wielu nowych rodzajów paliw było unowocześnienie kotłów, w których były one spalane. Zarówno to, jak i postęp w pozostałych dziedzinach techniki zaowocowały rozwojem całych systemów ogrzewania centralnego. Najgwałtowniejszy ich rozkwit przypadł na XX wiek, co jest zrozumiałe, jeżeli wróci się do historii paliwa, przedstawionej powyżej. Z biegiem czasu kotły przede wszystkim zyskiwały na sprawności, dzięki czemu paliwa były wykorzystywane efektywniej. Ponadto pojawiły się nowoczesne rozwiązania tzw. kotłów dwufunkcyjnych, czyli służących do jednoczesnego przygotowywania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania pomieszczeń. Pojawiły się również urządzenia zasilane wyłącznie elektrycznością, gdzie nie korzysta się z procesu spalania.

Nowoczesne urządzenia i instalacje centralnego ogrzewania zaopatruje się w systemy sterowania i automatyzacji ich pracy, dzięki czemu czas i intensywność ich wykorzystania (moc z którą pracują) może być uzależniona przez różnorodne czynniki, takie jak temperatura pomieszczeń lub zewnętrzna. Można również w dokładny sposób sterować ilością ciepła którą wytwarzają, a więc temperaturą medium grzewczego lub ciepłej wody użytkowej. Stosuje się do tego urządzenia takie jak termostaty, czujniki temperatury, przekaźniki, sterowniki, itp. Przełom XX i XXI wieku przyniósł ze sobą dalszy rozwój systemów centralnego ogrzewania, przede wszystkim jeśli chodzi o elementy je zasilające oraz stosowane paliwa. W tym czasie, na dużą skalę, zaczęto wykorzystywać do zasilania systemów centralnego ogrzewania energię odnawialną w różnych postaciach. Obecnie korzysta się z następujących źródeł energii odnawialnej:

• Słońca- do produkcji ciepła w termicznych kolektorach słonecznych i elektryczności w panelach PV.
• Wody- do produkcji elektryczności w elektrowniach wodnych.
• Wiatru- do produkcji elektryczności w elektrowniach wiatrowych.
• Ziemi- do produkcji ciepła i elektryczności w elektrowniach geotermalnych, a także do produkcji ciepła w pompach ciepła, stosowanych przede wszystkim do zasilania domów jednorodzinnych.

W dzisiejszych czasach istnieje już możliwość ogrzania domu samodzielnie wyprodukowaną energią, pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Kłopotem mogą okazać się jedynie koszty takiej instalacji. Jest to bardzo poważny i warty chwili zastanowienia problem, dotykający ludzi podczas całej historii stosowania systemów ogrzewania centralnego. Problem ten wiąże się przede wszystkim z kosztami zakupu urządzeń i budowy systemów centralnego ogrzewania, a także zakupu paliw, zasilających te systemy. Najogólniej można powiedzieć, że wraz z rozwojem technologii ceny urządzeń malały, ponieważ pojawiały się ich nowocześniejsze odpowiedniki oraz rosła konkurencja wśród ich producentów. Inaczej ma się sprawa z cenami paliw, które rosły, z uwagi na ich coraz trudniejszą dostępność. W zależności od dostępności paliw w różnych krajach, systemy grzewcze tam stosowane ewoluowały w różnych kierunkach (np. w Polsce rozwinęły się przede wszystkim systemy węglowe, z uwagi na dużą dostępność tego surowca).

Opracowanie: mgr inż. Joanna Kopica, mgr inż. Radosław Turski.

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji.

Foto: Viessmann