Краткая история вентиляции

Начало истории вентиляции было положено настолько давно, что, в сравнении со средней продолжительностью человеческой жизни, жизнь вентиляции как науки организации микроклимата покажется просто громадной. Пионеры вентиляционных систем использовались при сооружении царских палат, ритуальных культовых сооружений и прочих весьма серьезных объектов. При этом следует всегда делать скидку на то, что не всякое культурное сообщество могло позволить себе построить систему, обеспечивающую на все 100 % возложенные на нее задачи. Причина банальна — не было необходимого количества опыта и наработок в этой области. Вместе с тем, наши предки делать это пытались и данные попытки постепенно способствовали усовершенствованию вентиляционных систем.

Древний Египет

Наиболее монументальный пример из тех, которые можно привести — пирамида Хеопса. Посредством предусмотренных древними строителями воздуховодов в толще камня в сооружении, возможно, осуществлялся воздухообмен (рис. 1).

Устроена система вентиляции следующим образом. Со стороны «Камеры царя» и «Камеры царицы» на юг и на север отходят наклонные шахты, по ширине колеблющиеся от 20 до 25 см. Но тут есть некоторые нюансы. Каналы, идущие от «Камеры царя», имеют выход наружу на склонах в верхних и нижних частях пирамиды. Они были довольно хорошо изучены и о них, в принципе, всё известно не одно столетие. В то же самое время, завершения шахт, идущих от «Камеры царицы», не доходят до

Следует всегда делать скидку на то, что ещё совсем недавно не всякое человеческое культурное сообщество могло позволить себе построить систему вентиляции, полностью обеспечивающую возложенные на нее задачи, — не хватало знаний, опыта и наработок

«улицы». При этом они перекрыты специальными дверками, каждая из которых снабжена двумя ручками из меди. В южном вентиляционном канале такая каменная преграда была найдена благодаря привлечению в начале 1990-х годов к исследованиям египетских пирамид робота, дистанционно управляемого и передающего видеоизображение в реальном режиме времени. Вследствие наличия поворота в северном канале исследовать его до конца не удалось.

В начале XXI века модернизированный робот смог просверлить дырку в южной дверце, за которой обнаружилась свободное пространство, где нашлась еще одна небольшая дверь из камня. Буквально несколько лет назад ученые с помощью очередной модификации робота с дополнительным телезондом выяснили, что на другой стороне дверки имеются петли, а на дне вентиляционного канала нарисованы некие символы. Перечисленные находки способствовали появлению версии, что это вовсе не вентиляционные каналы, а тоннели для перемещения душ умерших царственных особ. А дверки в завершении шахт — не что иное, как входы в царство Анубиса.

Вне зависимости от истинного предназначения каналов внутри пирамиды, приходится признать — за столетия «стандарты» изменились, и по теперешним меркам такая система не обеспечит должного воздухообмена. Тем более что приток и отток воздуха нужен уже теперь не только египетским жрецам, а толпам туристов, которые привыкли к совсем другой вентиляции. Кроме того, строению уже очень много лет и достаточно остро стоит вопрос о сохранении его как части мирового культурного наследия. Потому сегодня в пирамиде Хеопса применяются дополнительные вентиляционные агрегаты, задача которых — ликвидировать излишки влажности внутри сооружения.

Знания об основах и пользе вентиляции более понятной и практической направленности зарождались и углублялись за пределами культовых сооружений. Те же египтяне занимались обработкой камня, и обратили внимание на то, что есть существенная разница, где работать — на открытом воздухе или в закрытом помещении. Во втором случае мастер обточки рано или поздно приобретал болезни органов дыхания, а любители «уличного творчества» чувствовали себе весьма хорошо и на кашель не жаловались. Это наблюдение позволило сделать древним египтянам вывод, что необходимо отводить каменную пыль от места работ, после чего камнеобработчики- домоседы стали работать на улице, а другие сооружали стены, которые не мешали движению воздуха сквозь помещения.

Древний Рим

В I веке до н. э. в Древнем Риме в процессе решения задачи отопления строений пришли к идее брать тепло у отработанного дыма. То есть, дым шел не сразу в дымоход, а сначала проходил по особым проходам, смонтированным в каменных полах жилищ богатых и титулованных особ. Здесь, конечно, речь идет не о вентиляции в чистом виде, но для того времени сам факт управления газами для обеспечения микроклимата был технологическим прорывом. И, в отличие прямого обогрева помещений путем сжигания топлива прямо в обогреваемом помещении, данный подход позволял при отоплении сохранять в доме воздух чистым и свежим, и при этом находиться в тепле. Такой же способ обогрева применялся в тогдашних римских банях.

Средневековье

В Средние века народ стал сопоставлять факты заболевания большого количества людей и особенности воздухопользования в местах их скопления. Вследствие такого анализа люди пришли к выводу, что недостаточный воздухообмен приводит к повышению заболеваемости. Кроме того, люди тогда вплотную принялись за борьбу с угарным газом, который тогда так не назывался, но о нем передовая часть общества уже знала и пыталась уменьшить статистику отравления простолюдинов, пользующихся огнем внутри жилищ.

Знания об основах и пользе вентиляции более понятной и практической направленности зарождались и углублялись за пределами культовых сооружений

Одним из таких прогрессивных деятелей того времени был английский монарх Карл I. Именно он в начале XVII века выпустил указ, согласно которому запрещалось возводить строения жилого предназначения с расстоянием от пола до потолка менее 3 м. В том же документе предписывалось снабжать здания оконными проемами, обязательно большими в высоту, нежели в ширину. Идея была проста — увеличить объем помещения в целях снижения концентрации ядовитого продукта частичного сгорания топлива.

В XVII веке люди пошли и дальше и стали экспериментировать, ставить опыты над животными. Небольших особей накрывали стеклянными колпаками, зажигая рядом с ними свечу. При этом ее гасили до того, как зверек погибал от удушья. Ряд экспериментов показал, что в данной ситуации погибал примерно каждый второй зверек, из чего последовал вывод, что под колпаком появляется особый газ, который и оказывает смертельное отравляющее действие на живой организм. И лишь по прошествии целого века французский химик Антуан Лоран Лавуазье впервые назвал это вещество углекислым газом и написал его формулу. Кроме того, он начал утверждать, что самочувствие человека ухудшается не от того, что в воздухе падает процент содержания кислорода, а от того, что в помещении случается переизбыток углекислого газа. Идея была столь революционна, что уже прошло более 200 лет с того времени, а специалисты так и не пришли к единому мнению о соотношении компонентов воздуха, при котором человек себя чувствует «в своей тарелке».

Борьба подходов и нормы

Шли годы, и по мере развития вентиляции как системы инженерного обустройства определялись разные подходы к ее организации, в том числе — в зависимости от преследуемых целей. Например, с врачебной точки зрения основная задача вентиляции — обеспечить отсутствие микроорганизмов, вызывающих те или иные болезни. Инженерные работники, а также люди, проектирующие здания, ставят во главу угла несколько иные вещи — ликвидация неприятных запахов, приток кислорода и снижение уровня CO2. И чтобы при этом всё было эстетично, и коммуникации не «съедали» много места. Все это неизменно приводило к «разброду и шатаниям» в деле решения задач воздухообеспечения — разного рода требования, рекомендации и указания часто противоречили друг другу и приводили к среднему, подчас сомнительному, результату. Однако, к счастью, человеческое сообщество и существует до сих пор потому, что в нужные моменты возвышают свой голос «светлые головы», и это в той или иной степени способствует разрешению, казалось бы, тупиковых ситуаций. Стремясь унифицировать подходы к организацию вентиляции, в первой половине XIX века инженер Томас Тредгольд, занимавшийся горным делом, впервые вынес на суд общества стандарты, в которых, на основе своих подсчетов и наблюдений, предложил считать для каждого человека минимально приемлимым объем помещения, равный 7,2 м³. На его взгляд, именно такой объем воздуха смог бы обеспечить более или менее нормальную жизнедеятельность среднестатистического индивидуума.

Это была первая более менее вразумительная норма в области вентиляции. Но нормотворчество на этом не прекратилось. И способствовала этому, как ни странно, Крымская война (1853-1855). Именно в этот период наблюдательные санитары заметили, что раненые солдаты страдают от несвязанных с их ранениями болезней и заражают друг друга, если помещения, в которых они находятся, недостаточно просторны. Тогда и появился новый стандарт — 50 м³ на каждого бойца. Впоследствии, в 1914-м году, данная норма перешла в ранг закона при содействии американской организации American Society of Heating and Ventilating Engineers.

Эта 50-метровая норма была более чем прогрессивной, и потому продержалась достаточно долго. Но до тех пор, пока мир не столкнулся с энергетическим кризисом. Тогда нормотворцам, разработчикам стандартов пришлось взять себя в руки и подойти к вопросу более прагматично. В итоге датскими и американскими специалистами вновь были проведены исследования, и они приняли решение остановиться на минимальной цифре 27 м³ на человека. И уже в конце 1980-х годов был окончательно принят стандарт ASHRAE / ANSI 621989. Он получил одобрение большинства государств мира, в связи с чем полемика относительно того, сколько же нужно одному человеку воздуха, прекратилась.

Естественная вентиляция

От рассмотрения нормативных перипетий вновь перейдем к технологическим аспектам истории развития вентиляционных систем. Вследствие, так скажем, «небыстрого» научно-технического прогресса дело совершенствования вентиляции долго не шло далее обычного проветривания и простейших систем притока воздуха и его вытяжки. То есть, все вопросы, связанные с обеспечением людей свежим воздухом, базировались исключительно на использовании перепада давления и температуры между улицей и домом. Это сейчас всё объяснено и понятно всем и каждому — разница давлений плюс разная плотность теплого и холодного воздуха, за счет которых и происходит перемещение воздушных масс, и так далее... всё давно «обставлено» теоретически и практически. Однако полезно знать, что первым теоретиком естественного перемещения воздушных масс стал не кто иной, как наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. Именно он описал движение воздуха в трубах и каналах в своем трактате «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном». Он же придумал прибор для выяснения скорости и направления перемещения воздуха. Назвал Ломоносов этот прибор анемометром.

Не приуменьшая достижения нашего ученого предка, тем не менее стоит признать, что естественная вентиляция, как бы ее не описывали и не пытались использовать, не может ни теоретически, ни практически удовлетворить в полной мере потребностей, которые имеет человек. Во-первых, из-за низкой мощности, а во-вторых, из-за низкой подконтрольности и зависимости от факторов, человеку практически неподвластных, например, погоды. Всё это и способствовало развитию направления механических систем вентиляции.

Искусственная вентиляция

После долгих попыток «обуздать» воздушную стихию был создан осевой вентилятор, который впервые использовали в первой трети XVIII века в здании английского парламента. Вентилятор приводился в движение специальной паровой машиной. При этом устройство оказалось на зависть надежным и долговечным и проработало почти век (!). Вслед за созданием «парламентской вентиляции» появились модификации, использовавшие энергию воды, двигателей, работающих на керосине, спирте и др.

В 1754-м году швейцарский, немецкий и российский математик Леонард Эйлер представил публике труд, в котором изложил подходы к расчету вентиляции. Базовыми принципами, в ней изложенными, проектировщики пользуются и поныне. И вот, едва вступил в свои права XIX век, как в 1810-м году в Дерби, пригороде столицы Англии, заработала первая система немеханической вентиляции, в основу которой был положен настоящий расчет. А спустя пять лет после этого выдали первый в мире патент на «метод регулировки температуры, а также кондиционирования воздуха в жилых и прочих зданиях».

Получателем английского документа стал выходец из Франции Ж. Шабаннес. Год получения этого патента стал моментом, с которого вентиляция и кондиционирование фактически стали неразделимыми понятиями, когда речь заходила о климатическом обустройстве зданий. Однако только спустя столетие, в 1902-м году, был изобретен настоящий кондиционер. Его отцом стал американский инженер Уиллис Карриер, назвавший свое изобретение «холодильной машиной», и второй раз после Филиппа Диеля с его «люстрой» (о нем речь пойдет далее) совершивший громадный шаг в микроклиматике.

Так вот, о «люстре Диеля». Спустя 150 лет после запуска в эксплуатацию вентилятора в здании английского парламента, в 1882-м году, немецко-американский инженер и изобретатель Филипп Диель придумал потолочный вентилятор, приводимый в движение электрическим двигателем. Кстати, этот изобретатель приложил руку и к созданию легендарных швейных машинок «Зингер», а сделанный им «швейный» двигатель он доработал для возможности использования в своем вентиляционном детище. Этим он способствовал фактически прорыву в «вентиляторостроении», и сделал вентиляторы товаром массового спроса, что неудивительно — если раньше для привода пропеллера требовались ремни, передачи и прочие неудобные аксессуары, то теперь каждое устройство стало автономным, что привело к ажиотажному спросу. Изобретение получило не только широкое распространение, но и собственное самобытное название, с которым и осталось в истории — «Люстра Диеля». Осевые вентиляторы продолжали развиваться и современный вид приобрели в начале XX века, когда опять же русский ученый Н. Е. Жуковский дал жизнь вихревой теории крыла.

Именно русский военный инженер А. А. Саблуков подарил человечеству центробежный вентилятор, который дебютировал как устройство для очистки воздуха на Чагирском руднике

Полувеком ранее появления «Люстры Диеля», в 1832-м году, русский военный инженер А. А. Саблуков подарил человечеству центробежный вентилятор. Сначала Саблуков собирался применять новое устройство в целях очистки воздуха в рудниках. И действительно, центробежный вентилятор дебютировал спустя три года — он был установлен для продувки Чагирского рудника на Алтае. Вентилятор в версии Саблукова выглядел кожухом, выполненным в форме цилиндра, в который воздух забирался принудительно с двух сторон. В кожухе находилось рабочее четырехлопастное колесо. Лопатки были прямыми. Вентилятор имел ручной привод, для работы которого требовались два человека, при активной работе которых можно было обеспечить подачу до 2000 м³ воздуха. Промышленники быстро оценили изобретение и внедрили новшество на сахарных и кожевенных производствах. Позднее «центро- бежник» нашел применение в корабельных трюмах кораблей и даже для интенсификации процессов высушивания.

Воздухоподготовка

1861-й год ознаменовался началом развития направления воздухоподготовки. А именно — опять же русский инженер И.И. Флавицкий ввел в обиход приточно-вытяжную вентиляцию, в которой поступающий снаружи воздух централизованно подогревался. Инженер не остановился на достигнутом и внес еще более существенный вклад в микроклиматику тем, что 23-мя годами позже, после проведения соответствующих исследований, выпустил в свет труды, где аргументированно изложил свое видение того, как изменяются ощущения комфорта в зависимости от давления, температуры, наличия влаги, и интенсивности перемещения воздушных масс внутри помещения, где находятся люди.

В 1870-м году увидело свет первое пособие, по которому можно было изучать не только вопросы вентиляции, но и отопления. Этот труд также принадлежал перу русского ученого, профессора Г С. Войницкого. А спустя еще 20 лет после издания учебника появилось настоящее, на сей раз уже совершенно фундаментальное произведение, посвященное тем же вопросам, но уже за авторством профессора С. Б. Лукашевича. Можно сказать, что первый и второй труд в каком-то смысле дополняли друг друга по той причине, что подводили серьезную систематизированную теоретическую основу под процессы вентиляции.

В заключение отметим еще один важный факт: спустя столетие после издания Лукашевича, в 1970-х годах, Ганс Остберг изобрел канальные вентиляторы, которые также оказали значительное влияние на мировую климатическую отрасль.