Centralne ogrzewanie rozumiane jest dziś przede wszystkim jako dostarczanie ciepła za pomocą gorącej wody do elementów grzewczych rozlokowanych w wybranych pomieszczeniach. W praktyce jednak pojęcie centralnego ogrzewania rozciąga się dużo dalej i oznacza dystrybucję ciepła po budynku, które uzyskuje się z przemiany określonego paliwa (może być to paliwo stałe, gaz ziemny etc.) w jednym, dedykowanym podobnym działaniom pomieszczeniu (kotłowni). Innymi słowy, centralne ogrzewanie nie musi ograniczać się do jednego domu, a może rozciągać na budynek, zespół budynków, a nawet całe miasto.
Historia centralnego ogrzewania, czyli wszystko zaczęło się od pary
Utrzymanie ciepła to jedno z ważniejszych zadań wpisujących się w przetrwanie jednostki. Nic więc dziwnego, że przez wieki podejmowano różnorodne kroki w kierunku zwiększenia efektywności produkcji ciepła. Już w II wieku p.n.e. Grecy i Rzymianie korzystali z hypocaustu (termin ten można byłoby przełożyć na język polski jako „ciepło od spodu”), czyli rodzaju ogrzewania podłogowego. Podobne instalacje znaleziono zresztą w innych rejonach świata. W Europie takie prymitywne ogrzewanie podłogowe stwierdzono chociażby na zamku w Malborku (chociaż to już projekt zdecydowanie późniejszy, bo z około XII-XIII wieku).
Przełomem, jeżeli chodzi o centralne ogrzewanie, były jednak dopiero próby zastosowania pośredniego czynnika grzewczego. Ponieważ w pewnym momencie świat zwariował wręcz na punkcie mocy pary, w pierwszej kolejności zaplanowano wykorzystanie w celach grzewczych właśnie pary wodnej. Pomysł był stosunkowo prosty – przykryć naczynie z wodą, podgrzać je i pozwolić, by uzyskana w ten sposób para siecią rur docierała do grzejników. W tym projekcie skroplona woda wracała do instalacji tą samą drogą, którą wcześniej dostawała się do kaloryferów para.
Wizja instalacji centralnego ogrzewania i jego wykorzystania w różnych aspektach przemysłu oraz codziennym życiu nie od razu przyciągnęła zainteresowanych. Już w 1594 roku sir Hugh Platt – brytyjski pisarz i wynalazca – proponował, by za pomocą pary podgrzewać uprawy, zwiększając efektywność rolnictwa. Niestety, za jego życia idea ta nie została wdrożona w życie. Skuszono się nań dopiero w 1788 roku w Liverpoolu.
To właśnie XVIII okazał się zresztą przełomowy dla centralnego ogrzewania. Z jednej strony zaczęto wdrażać instalacje oparte na parze. Pionierem na szerszą skalę był tutaj James Watt – szkocki inżynier i wynalazca, pamiętany dzisiaj przede wszystkim jako autor udoskonaleń dla maszyn parowych, które doprowadziły do rewolucji przemysłowej. Inwentor już w 1784 roku ogrzewał swoje biura parowymi grzejnikami wykonanymi z cienkiej, ocynkowanej żelaznej blachy. Niestety, instalacja centralnego ogrzewania oparta na parze miała poważne mankamenty. Jednym z nich były koszty, drugim zaś fakt, że całość działała na podstawie ciśnienia, więc nie istniała możliwość dokładnego regulowania instalacji.
Woda w instalacji centralnego ogrzewania
Poszukiwanie alternatywnego dla pary rozwiązania stanowiło drugi z elementów przełomowych dla centralnego ogrzewania, który zapoczątkowany został na początku XVIII wieku (a właściwie jeszcze w XVII). Już w 1700 roku rosyjscy wynalazcy obmyślali sposoby na ogrzewanie z wykorzystaniem wody w instalacji. Pierwsza tego typu konstrukcja pojawiła się nigdzie indziej jak w Pałacu Letnim w Sankt-Petersburgu. Ogrzaną wodę, którą dostarczał centralny zbiornik, rozprowadzano tam systemem porcelanowych, ozdobnych rur. Podobne instalacje zaczęły się wkrótce pojawiać nie tylko w Rosji, ale też we Francji, Niderlandach, Szwecji oraz Anglii.
Stopniowo pojawiały się różne pomysły na to, jak uczynić centralne ogrzewanie bardziej efektywnym. Zastanawiano się, między innymi, jak przyspieszyć cyrkulację wody. Jedną z ważniejszych postaci dla tego tematu był architekt, William Atkins. Pomysłodawca nowego sposobu ogrzewania cieplarni wodą gorącą może i nie do końca pojmował sposób działania swojego wynalazku, twierdząc, że opiera się na grawitacji, podczas gdy wykorzystywał zjawisko konwekcji w cieczach i gazach (różnicy ich gęstości), niemniej Atkins i tak przysłużył się rozwojowi centralnego ogrzewania.
Wykorzystane przez Atkinsa zjawisko nazywane jest termosyfonem lub lewarem cieplnym. To zamknięty układ, w którym dochodzi samoczynnego krążenia płynu na skutek różnicy gęstości cieczy wynikającej z jej odmiennych temperatur. Podgrzana w kotle woda ochładza się w grzejnikach, oddając ciepło do pomieszczenia. Mamy więc dwa „typy” wody – gorącą w kotle i nieco chłodniejszą w grzejnikach. Gorącą wodę charakteryzuje mniejsza gęstość, w związku z czym w sposób naturalny będzie dążyła znalezienia się wyżej (w grzejnikach). Chłodniejsza woda zaś o większej gęstości podejmie przeciwny kierunek, czyli opadnie. By termosyfon był maksymalnie skuteczny potrzeba jeszcze małego oporu hydraulicznego, by woda mogła zmieniać kierunki nawet pod niskim ciśnieniem, wykorzystując przede wszystkim zjawisko konwekcji.
Atkins wykorzystał system oparty na konwekcji w 1820 roku. Co ciekawe, aż do 1841 instalacje niskociśnieniowe używano bez stosowania jakichkolwiek obliczeń. Teoretyczną wykładnię zaproponował dopiero niejaki Hood, a po nim swoje badania przeprowadzili Péclet oraz Grashoff.
Po opracowaniu metody konwekcji, a przed wprowadzeniem pomp, pojawił się jeszcze jeden system pobudzający obieg wody w instalacjach o niskim ciśnieniu. Inżynierowie tacy, jak Reck Brückner, Körtin czy Krell przyspieszali go poprzez wprowadzenie do instalacji pary lub powietrza, które przyspieszały przepływ płynu.
W 1766 John Blakey opatentował pierwszy rurkowy kocioł wodny, jakkolwiek za odkrywcę podobnego rozwiązania uznaje się Jamesa Rumseya. W konstrukcie tym kilkanaście ułożonych skośnie rurek było połączonych ze sobą sąsiadującymi końcami. W 1805 zaś John Stevens poszedł o kolejny krok dalej i kocioł złożony z 12 poziomych rur połączył jednocześnie ze zbiornikiem wody (na dole) oraz zbiornikiem pary (u góry). Przełomowy z perspektywy dzisiejszych rozwiązań okazał się jednak dopiero wynalazek Stephena Wilcoxa z 1856 roku, w którym po raz pierwszy opracowano nachylone rury łączące zbiornik wodny na przedzie kotła ze zbiornikiem pary na jego końcu.
Niełatwa droga kotła centralnego ogrzewania
Pierwsze systemy grzewcze posiadały stalowe kotły z obmurowaniem. Żeliwo do wytwarzania kotłów stanowiło pomysł amerykański, zainspirowany faktem, że urządzenia te pracowały przecież przy bardzo niskich ciśnieniach. Wkrótce upowszechnił się więc schemat produkcji kotła bez obmurowania. Złożony z jednakowych członków był łatwy w naprawie (wystarczyło wymienić określony segment) i pozwalała na tworzenie dowolnych zestawów. Względnie nieskomplikowana konstrukcja i powszechne materiały pozwoliły na jego wytwarzanie masowe. W 1892 roku J. Strebel opatentował kocioł na koks i węgiel. Odróżniał się on od wcześniejszych propozycji dostępnych na rynku półokrągłą częścią górną. Pod koniec XIX wieku powstały zresztą setki typów tych urządzeń. Co ciekawe, niektóre kotły oparte na schematach Strebela znajdowały się w użytku jeszcze w latach 80. XX wieku. Polska dołączyła do producentów urządzeń grzewczych dopiero w pierwszej połowie XIX wieku. W utworzonej w 1817 roku w Białogonie przez Stanisława Staszica hucie Aleksandra produkowano między innymi pompy, a później kotły parowe.
W 1831 roku Angier Marsh Perkins opatentował kocioł i zawór rozprężny, które dały światu parowe ogrzewanie centralne nowego typu. Inwentor używał żelaznych rur o średnicy 25 mm i grubości metalu 6 mm. Ciśnienie wewnątrz nich dochodziło do nawet 50 barów, a temperatura osiągała poziom 200 stopni Celsjusza. Powiedzieć, że rozwiązanie było ryzykowne, to jak nic nie powiedzieć. Zresztą sam Perkins dość szybko się w tej materii zorientował i postawił ostatecznie na używanie ciepłej wody zamiast pary. Jak sam powiedział: 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.
Cóż, bardzo szybko okazało się, że nadzieje Perkinsa nie mają pokrycia w rzeczywistości. W 1841 roku gazeta „The Time” opublikowała artykuł, w którym wymieniła aż 23 obiekty, które padły ofiarą instalacji Perkinsa. W 7 z nich doszło do zaprószenia ognia na skutek kontaktu przedmiotów z rozgrzanym grzejnikiem. W 16 zaś… wybuchła instalacja. Wynalazca nie zniechęcał się i wciąż ulepszał swój projekt. Wnosząc po tym, że jego system zainstalowano m.in. w budynku Królewskiego Towarzystwa Sztuk, Londyńskim Urzędzie Patentowym oraz kilku oddziałach British Museum, artykuł w gazecie raczej mu nie zaszkodził, a jego instalacja osiągnęła ostatecznie zadowalający poziom bezpieczeństwa. Trzeba też przyznać, że była niezwykle trwała, bo ogrzewanie Perkinsa działa w wybranych miejscach w Wielkiej Brytanii i Walii do dzisiaj.
Instalacja centralnego ogrzewania a historia grzejnika
Niezależnie od źródła ciepła danej instalacji (tego, czy była to para, czy woda), konieczność stanowiło opracowanie odpowiednich wymienników ciepła w poszczególnych pomieszczeniach; czegoś, co otrzyma i odda ciepło, ogrzewając przy tym pokoje. Dzisiaj wymienniki te noszą nazwę grzejników lub kaloryferów.
Początkowo źródło energii cieplnej w pomieszczeniach stanowiły nagie rury grzewcze. Nie trzeba chyba dodawać, że nie było to najbardziej estetyczne rozwiązanie. W 1824 roku Thomas Tredgold, świadomy negatywnego wpływu ogrzewania na wystrój, zaproponował, by jakoś te rury ukryć. Krokiem w tym kierunku było wymienienie potężnego żeliwa o średnicy 100 mm na wężownice – 2″ w przypadku instalacji parowych i 4″ w przypadku wodnych.
Pierwszy grzejnik opatentował w 1855 roku Franz San Galli. Jego wynalazek opierał się na krążeniu sprężonej pary wodnej w systemie rur. Inwentor nazywał swoje odkrycie „ciepłą skrzynką”, same zaś kaloryfery produkował pod nazwą „baterie”. Co ciekawe, w języku rosyjskim nomenklatura ta funkcjonuje do dzisiaj. W 1863 roku na arenę grzejników wkroczyli Joseph Nason i Robert Grigss. Ich propozycję stanowiły pionowe rury z kutego żelaza przykręcone do żeliwnej podstawy. W 1872 roku zaś Nelson H. Bundy pokazał światu tzw. Bundy Loop – kaloryfer w kształcie zapętlonej, żeliwnej rury. Najpierw krążyła w niej para, ale z czasem wynalazca dostosował swoje odkrycie również do instalacji wodnych.
W kontekście produkcji grzejników zdecydowanie warto wspomnieć o Polsce. Nasza lokalna historia wytwarzania kaloryferów jest nierozerwalnie związana z miejscowością Stąporków. Od końca XV wieku działała tu kuźnia. W 1738 roku jej miejsce zajęła Odlewnia Żeliwa Stąporków. Na początku XX wieku zaczęto w niej produkować grzejniki (oczywiście początkowo trafiały przede wszystkim do Rosji). W latach 60. i 70. fabryka przeżywała niezwykłą produktywność i w 1972 roku dokonano jej modernizacji. Niestety, gdy skończył się w Polsce PRL, znaczenie fabryki zdecydowanie zmalało, aż w końcu została zamknięta. Dla upamiętnienia tej historii w Stąporkowie postawiono największy kaloryfer (a właściwie pomnik kaloryfera) na świecie, który mierzy 2 metry.
Rewolucja w centralnym ogrzewaniu – pompa obiegowa
Tym, co przyczyniło się do powstania dzisiejszych instalacji c.o., było wprowadzenie do użytku pomp obiegowych w 1925 roku. Metoda „ogrzewania grawitacyjnego” czy „obiegu grawitacyjnego” posiadała swoje ograniczenia. By woda mogła się swobodnie przemieszczać, potrzebne były rury o dużej średnicy. W przypadku większych obiektów wyraźnie podnosiło to koszty całej instalacji, ograniczając jej upowszechnianie się.
Kiedy pojawił się elektryczne pompy obiegowe, stymulujące wodę do ruchu, nie trzeba już było wykorzystywać równie dużych rur. Brak odpowiednich warunków dla występowania naturalnego „obiegu grawitacyjnego” rekompensowały pompy. Co więcej, dzięki ich wprowadzeniu instalacje centralnego ogrzewania mogły się od tego momentu bardziej rozrastać. Zastosowanie nowego rozwiązania przyczyniło się do wyraźnego przemodelowania schematu instalacji grzewczych. Popularne stały się systemy dwururowe, w których jedna odpowiadała za zasilanie, a druga za powrót. Dzięki temu woda dopływająca do poszczególnych kaloryferów nie tylko miała zbliżoną temperaturę, ale też możliwe było manipulowanie nią poprzez specjalny zawór regulacyjny.
Od momentu wprowadzenia pomp rozwój technologii instalacji centralnego ogrzewania skupił się przede wszystkim na usprawnieniu metod regulacji temperatury, doborze i ulepszaniu materiałów wykorzystywanych do tworzenia instalacji grzewczych oraz zwiększaniu wydajności znanych systemów. Aktualnie producenci robią wszystko, by oferowana przez nich instalacja zawierała usprawnienia sprzyjające postulatom ekologicznym. Szczególną popularnością cieszą się więc alternatywne paliwa (biogaz, biomasa) i alternatywne rozwiązania grzewcze, jak pompy ciepła, dla których źródłem ciepła może być temperatura ziemi, wody albo powietrza; oraz kolektory słoneczne korzystające z energii Słońca.