HVAC – как это делалось раньше

С. Михненко

Как улучшали микроклимат в зданиях в прежние времена? Как уменьшали и стабилизировали температуру внутри помещений жарким летом? Как защищались от избытка солнечного тепла? Как регулировали влажность?

Слишком опрометчиво считать, что HVAC (системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) появились только сейчас, а в прошлые века ничего подобного не было. Давайте кратко рассмотрим некоторые подходы к климатическому оборудованию зданий, когда еще не было механических систем HVAC.

Древний опыт

Дом, здание, жилище понадобились человеку именно для защиты от неблагоприятной окружающей среды и создания достижимого комфортного микроклимата для обитания человека. Главный способ строительства в древности – использование природных строительных материалов, доступных в данной местности. Основой метод климат-контроля – большая тепловая масса, которая, будучи нагретой до определенного уровня, способна сгладить суточные и даже сезонные колебания температуры наружного воздуха. Древние строения из камня с массивными стенами – лучшая демонстрация такого подхода.

Деревянные строения использовали другой подход – хорошая теплоизоляционная способность массивной древесины и высокий уровень саморегуляции избыточной влажности внутри помещений позволяли добиться в целом здоровой атмосферы внутри жилья.

Отопление зданий в прежние времена в рамках современной терминологии почти всецело можно отнести к воздушному типу. Крупные здания оснащались системой воздушных каналов, по которым воздух, нагретый от источника тепла, как правило, с открытым сгоранием, поступал в помещения за счет естественной (гравитационной) разницы в плотности нагретого воздуха. Эти же каналы использовались и для естественной вентиляции, когда источник тепла (очаг) не работал. Большая тепловая масса, прилегающая к воздушным каналам, способствовала сглаживанию температурных колебаний, вплоть до некоторой способности нивелировать сезонные погодные различия.

Третий тип строений сочетает оба подхода – большую тепловую массу и высокую теплоизоляционную способность. Это присуще глинобитным и саманным зданиям, построенных из местных материалов по всему миру и на всех континентах. Несмотря на кажущуюся недолговечность, такие строения могут иметь возраст в несколько столетий. В них глина, обладающая хорошей теплоемкостью, помимо связующего для наполнителей из природных материалов с хорошей теплоизолирующей способностью (солома, камыш, листва некоторых местных растений и т. д.), выполняла роль теплового аккумулятора. Одновременно с этим саманные или глинобитные стены обладали высокой степенью влагопоглощения и эффективно регулировали влажность внутри помещений. Испарение влаги из глинобитных стен происходит как наружу, так и внутрь, то есть при испарении внутрь эффективно снижается температура. Если местные климатические условия отличались повышенной влажностью, то в строениях из глины применялись устройства естественного осушения, выводящие избыток влаги изнутри наружу и доводя ее уровень внутри помещения до комфортных показателей для человека. Например, это могли быть деревянные брусья, заделанные в стены глинобитного строения, см. рис. 1, где показаны фото традиционных общественных зданий в Мали, Африка. Подобный подход применялся также в постройках из кирпича-сырца и глинобитных строениях в Средней Азии и в Латинской Америке. В зимнее время влага из стен, наоборот, компенсирует сезонную сухость воздуха.

Рис. 1. Глинобитная мечеть и университет в Мали, Африка

На рис. 2 и 3 показаны древние сооружения Самарканда и Бухары. Достаточно большой вылет некоторых брусьев из стен был сделан отнюдь не для устрашения неверных, а чтобы вода, порой стекавшая из торцов брусьев сплошным потоком, не размывала стены. Брусья устанавливались комлевой частью внутрь здания, чтобы направить поток влаги по капиллярам древесины в наружном направлении. Влага снаружи – наоборот, очень трудно проникает в помещение с улицы хоть зимой, хоть летом. На солнечной стороне, где влага, выступавшая на концах брусьев, эффективно испарялась и не стекала на стены, большой вылет был не нужен. Для целей влагоотведения служили и деревянные «пояса». Помимо конструкционной функции они тоже эффективно регулировали влажность. Они не заделывались снаружи глиной, а намеренно оставлялись открытыми или белились известью.

Рис. 2. Влагоотводящие элементы древних строений из глины, Самарканд

Также известно, что в летний период избыток влаги в небольших глинобитных зданиях компенсировали за счет особых «влагопоглотителей» – мешков с песком, смешанного с морской солью или с гашеной известью, которые подобно силикагелю восстанавливали свою влагопоглощающую способность, будучи просушенными в благоприятное время года.

Рис. 3. Деревянные «осушители» на башнях и купольных сооружениях, Бухара

«Серебряный» век

В зданиях, построенных в XVII-XIX веке в Европе, а также переселенцами из Европы в Северную Америку и в другие регионы планеты, внимание к теплоизоляции конструкционной оболочки было весьма условным. Ясно, что при отсутствии достоверных методов строительного расчета, здания обладали просто невероятным запасом прочности. В результате стены имели порой громадную толщину, что косвенно положительно сказывалось на теплоизолирующих свойствах ограждающих конструкций. Словом, теплоизоляция была в зачаточном состоянии – повсеместно применялись фахверк с глинобитными стенами с внутренним переплетением из кустарниковых прутьев, обожженный и необожженный кирпич, брусья и бревна, деревянная обшивка… Кстати, существовал «тренд» на здания с вьющимися растениями – декоративными плющом и виноградом, смысл которого заключался в поддержания стабильности микроклимата внутри зданий. В зимнее и осеннее время стены строений даже с опавшей листвой вьющихся растений менее увлажнялись от намокания из-за снега и ветра, а летом плотная листва уберегала стены от перегревания.

В прохладном и холодном климате строители создавали отопление и вентиляцию, опираясь на здравый смысл. Они специально располагали дома так, чтобы туда попадало как можно больше низкого «зимнего» солнца и преобладало поступление воздуха с направлений от тех летних ветров, которые приносили летом прохладу, а не зной. Расположение и размеры окон, дверей, подъездов и самого плана этажа часто менялись для обеспечения максимальной вентиляции.

В основном в те времена отопление было от каминов или печей, и, следовательно, поступлению воздуха уделялось особое внимание – с одной стороны нужно было обезопасить жильцов от скопления угарного газа, с другой – нельзя было расточительно вместе с дымом удалять тепло или запускать в жилище слишком много морозного воздуха. Было популярно пропускать приточный воздух через подвальные помещения или размещать сами топочные в подвале.

Тогда же были сделаны и очень интересные решения. Например, в 1744 г. Бенджамин Франклин (да, тот самый, который изображен на стодолларовой купюре США) разработал свою знаменитую чугунную «пенсильванскую печь» с отдельным притоком наружного воздуха в камеру сгорания, чтобы максимизировать тепло, излучаемое в комнату, и минимизировать попадание дыма и других продуктов сгорания в помещение. Это устройство, сочетающее в себе и камин, и радиатор, и полку для разогрева и приготовления пищи, рис. 4, используется во многих странах до сих пор, а сама печь Франклина считается теперь «общественным достоянием». Уровень комфорта для обитателей был невысоким, а относительно небольшая разница между внутренней и внешней температурой, а также относительной влажностью позволяла строительным материалам расширяться и сокращаться в зависимости от сезона, что во многом определяло конструкцию и наличие зазоров, которые, в итоге, были «мостиками холода» зимой. Бесполезная на первый взгляд «затейливость» европейской архитектуры во многом объяснялась именно стремлением обеспечить отопление, охлаждение и вентиляцию (т. е. HVAC) естественными и пассивными методами (хотя такие понятия появились намного позже). В зданиях XVIII-XIХ-го веков в Европе, а затем и в США (см. рис. 5) широко использовались башенки, крыльцо, купола и навесы, чтобы сделать здания более комфортными летом. Потоки воздуха в домах с такими внешними атрибутами на самом деле организовывались внутри так, чтобы создать наилучшие условия для естественной вентиляции и солнцезащиты.

Рис. 4. «Пенсильванская» печь-камин Б. Франклина

Башенки с куполами как правило были коллекторами теплого воздуха со своеобразными отражателями тепла назад, внутрь здания. «Фальшивые» балюстрады, расположенные на первый взгляд под бесполезными арками, успешно маскировали решетки для выпуска воздуха из дома, рис. 6.

Рис. 5. Здание в «колониальном» стиле, XVIII век, США

По мере проникновения европейских архитектурных традиций в страны с более жарким климатом появился т. н. «колониальный» стиль. Региональные стили и их архитектурные особенности отражают локальный климат.

В теплом, сухом и солнечном климате толстые сырцовые стены защищали от солнца и сохраняли температуру в помещении прохладной. Веранды, дворы, крытые подъезды и высокие потолки также уменьшали воздействие солнца.

Рис. 6. Декоративная балюстрада маскирует решетку для отточного воздуха

Чтобы способствовать циркуляции воздуха в жарком и влажном климате требовалась повышенная этажность для жилых домов, веранды с солнечной стороны или даже веранды, «опоясывающие» дом с трех сторон, широко применялись жалюзийные решетки и оконные жалюзи, тканевые маркизы над окнами, различные навесы, балконы и внутренних дворики и т. д. Ярким примером опыта, накопленного строителями XVII-XIХ-го веков, стал знаменитый отель люкс-класса «Тадж Махал Палас» в г. Мумбай, Индия, заложенный в самом конце XIХ-го века, рис. 7. Его вычурная архитектура на самом деле создавала для обитателей максимально возможные на то время условия по комфортности микроклимата.

Рис. 7. Тадж Махал Палас, год закладки 1898, г. Мумбай, Индия

Новшества промышленной революции

Промышленная революция впервые предоставила технологические средства для управления микроклиматом. С одной стороны массовая промышленная добыча угля, с другой – развитие массового механического и сталелитейного производства привели к появлению первых систем центрального отопления с распределением нагретого воздуха или пара с использованием металлических воздуховодов или труб. Первые кованые и клепаные котлы были усовершенствованы, а к концу XIХ столетия уже широко использовались паровые и водяные радиаторы низкого давления как в офисах, так и в жилых домах. В некоторых крупных общественных зданиях нагревали воздух в печах и распределяли его по всему зданию через кирпичные дымоходы, а с помощью сети металлических труб распределяли горячий воздух в отдельные помещения. Жилые проекты этого периода часто использовали гравитационные системы распределения горячего воздуха (за счет разности в плотности между горячим и более холодным воздухом), используя декоративные напольные и потолочные решетки.

Вентиляция стала более научно обоснованной прикладной отраслью, и организация притока свежего воздуха в здания стала важным компонентом отопления и охлаждения. Появилась первая принудительная воздушная вентиляция, что в середине XIХ столетия стало возможным благодаря внедрению вентиляторов с механическим приводом. Архитектурные особенности, такие как крытые подъезды, навесы, заглубленные оконные и дверные проемы, большие ажурные железные стропильные фермы, перекрывающие большие пролеты, светоаэрационные фонари на крышах, купола, «слуховые» окна в крыше и окна верхнего света (световые фонари), помогали рассеивать избыточное тепло и обеспечивать здоровую вентиляцию в сочетании с естественным помещением. Появились первые здания с застекленными крышами на стальных широкопролетных фермах – вокзалы, театры, торговые пассажи, выставочные залы и т. д.

В это же время появилась конструкция каменной кладки с полыми стенами, популярная и доныне. Она улучшила теплоизоляционные свойства здания, а также обеспечила естественную полость для рассеивания влаги, образующейся внутри здания. В некоторых зданиях теплоизоляцию и противопожарную защиту обеспечивали шлакоблоки и колотый заполнитель кладки между железобетонными балками и несущими балками сводами. В итоге это позволило отвести точку росы от внутренних стен. Тогда же минеральная вата и пробка стали новыми материалами для легкой теплоизоляции стен, они были предшественниками современной пористой теплоизоляции и средств местного утепления.

Технологии того времени, однако, были недостаточно развиты, чтобы строить «плотные» здания с минимумом тепловых утечек и внешних сквозняков. Разница между внешней температурой и достигнутой внутренней и все еще оставалась незначительной. В целом это объясняется недостаточными теплоизолирующими свойствами тогдашних утеплителей, крайне редким использованием стеклопакетов (хотя первые стеклопакеты появились именно в XIX веке) и невозможностью достичь ощутимой герметичности конструкции. Появление воздушных вентиляторов и опора на архитектурные особенности, таких как окна, купола и появление широких горизонтальных нижних и верхних фрамуг, позволяли достаточно хорошо способствовать созданию принудительного движения воздуха и поддерживать достаточно хорошую вентиляцию зданий.

Новое время

Начало XX-го века стало началом интенсивного развития новых технологий и концепций оборудования здания механическими инженерными системами, объединенными в единую систему HVAC. Угольные, мазутные и газовые отопительные печи, разработанные еще в девятнадцатом веке, теперь были усовершенствованы и стали более эффективными. Постепенно и параллельно происходила электрификация зданий, и во второй половине прошлого столетия электричество стало важнейшим источником энергии для зданий и его инженерных систем. Стали популярными системы принудительного воздушного отопления с воздуховодами и регулирующими регистрами для всех типов зданий, что позволило архитекторам экспериментировать с архитектурными формами, свободными от внешних «излишеств». Относительно дешевые и доступные углеводородные энергоносители в начале века не вынуждали слишком заботиться об общей энергоэффективности зданий. Стремление сэкономить тепло и уменьшить затраты на охлаждение проявилось ближе к концу столетия.

В 1920-х годах в крупных театрах и зрительных залах было введено центральное кондиционирование, а к середине столетия начали широко применяться системы принудительной приточно-отточной вентиляции, которые смогли объединить отопление и кондиционирование в одном воздуховоде. Этим в строительстве был установлен новый промышленный стандарт теплового комфорта и удобства.

В высотных зданиях, построенных после WW2, объединились различные системы, которые работали комбинировано и скоординировано. Появились первые интегрированные комплексные системы отопления и кондиционирования воздуха, электрические лифты, эскалаторы, вентиляционные воздуходувки, управляемое электрическое освещение, водоснабжение, системы противопожарной безопасности, системы отопления и ГВС, которые управлялись из единого центра управления инженерными системами всего здания. Научно-технический прогресс и компьютеризация способствовала процессу появления доступного оптимального автоматизированного управления всеми инженерными системами в здании.

По мере удорожания энергоносителей улучшались теплоизоляционные качества строительных материалов. Широко известная теперь синтетическая теплоизоляция из стекловолокна (стекловата) была разработана к середине XX-го века. Немногим позже появились первые образцы теплоизолированных стеклопакетов, еще чуть позже появились первые металлопластиковые рамы для окон и дверей, которые первоначально создавались отнюдь не для теплоизоляции, а для замены деревянных деталей – чтобы поставить производство «столярки» на максимально унифицированные рельсы массового производства из полимерного профиля и (!) сократить вырубку лесов. Однако, по мере осознания важности предотвращения утечек тепла из зданий, сначала было внедрено уплотнение для воздуха по периметру деталей оконных и дверных проемов, что впоследствии стало стандартными элементами этих светопрозрачных конструкций.

В последней четверти двадцатого века системы HVAC стали более энергоэффективными и полнее интегрированными в общую инженерную систему зданий. Начали использовать пароизоляцию для контроля влагопереноса, максимально термоизолированные и энергосберегающие окна, с уплотнением стыков и швов. Законопачивание неплотностей и щелей саморасширяющейся теплоизоляцией стало стандартной практикой. Новые интегрированные системы HVAC теперь сочетают в себе индивидуальный климат-контроль в помещениях, часто вместе с общей централизованной вентиляционной системой принудительной вентиляции, погодозависимого отопления, контроля температуры и влажности, фильтрации воздуха и удаления токсичных летучих веществ, обеспечения других параметров безопасности атмосферы внутри здания и его отдельных помещений. Компьютеры теперь регулируют производительность этих интегрированных систем в зависимости от времени суток, дня недели и температуры наружного воздуха, планирования загрузки и потребления…

У архитекторов и строителей появилось чувство, что за счет применения автоматизированных и компьютеризированных систем HVAC, которые теперь часто управляются искусственным интеллектом, можно достичь все. Однако требования по энергосбережению и минимизации энергопотребления, особенно от углеводородных источников, которые выдвигает жизнь и изменения окружающей среды, в том числе и надвигающийся всеобщий дефицит ископаемого топлива, заставляют действовать в новых и очень противоречивых условиях. С одной стороны, применение методов, материалов и способов достижения хорошей теплоизоляции и герметичности оболочки здания хотя бы до верхней границы параметров пассивного дома само по себе весьма удорожает строительство. С другой стороны, применение развитых инженерных систем HVAC увеличивает энергопотребление, причем чем «умнее» управление и интегрованнее между собой системы, с целью снижения энергопотребление, тем они дороже. Дорогие или необоснованно мощные системы как правило имеют большой «углеродный след», который сопровождает эти изделия от момента добычи и переработки сырья для получения материалов для них, энергозатраты при их производстве, повышенное потребление энергии при эксплуатации, затраты при утилизации токсичных составляющих по окончании жизненного цикла компонентов этих систем и т. д.

Разорвать «порочный круг» противоречий позволит тщательное внимание к опыту предыдущих поколений. «Разгаданные» и ставшие вновь доступными решения «старых мастеров» по обеспечению комфортной среды обитания – неоценимый резерв подсказок и примеров для нынешних архитекторов, проектировщиков и строителей недорогих энергоэффективных пассивных и активных зданий, которые будут использовать минимальное количество внешней энергии и устройств для ее преобразования в устойчивый благоприятный микроклимат для их обитателей.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 4 248