В этой статье рассмотрим очень важный вопрос отопления каменных и кирпичных зданий в прежние времена.

Во время написания этих строк за моим окном температура -36гр. За городом -48гр. Последний раз на моей памяти такие морозы были 12 лет назад. Погода эти годы баловала и южные районы Восточной Сибири.
При таких низких температурах очень остро стоит вопрос надежного и эффективного отопления. В наш технический век в большинстве случаев это водяное отопление от ТЭЦ (в городах), или различного рода топливные котлы (если это частный дом). В деревнях все по-старинке: кирпичная печь с выходом частей печи во все комнаты, топка дровами.
Но как отапливали огромные кирпичные дворцы в старые времена?

Интерьеры старых зданий с большими комнатами и залами:

Изразцовая печь в летнем дворце Петра I. Впечатление такое, что эта печь не на своем месте, либо не предусмотрена проектом дворца.

Для эффективного обогрева здания подобные печи необходимо иметь в каждой комнате.

В деревенском доме из дерева все проще, ставят печь в центр строения:

Печь отапливает, греет все помещения.

Либо все еще проще, в доме одна комната так же с русской печкой по центру:

Есть версия, что печи для таких дворцов и залов вообще не были предназначены. Их установили позже, от безвыходности, когда поменялся климат на резко-континентальный с низкими зимними температурами. И в самом деле, многие печи в дворцах выглядят странно, не к месту. Если и был перед стройкой такого здания проект, то проектом отопления явно никто не занимался.
Официальная версия про многие дворцы говорит, что их большая часть была летними дворцами, куда переезжали только в теплое время года.

Рассмотрим прогресс отопления на примере Зимнего дворца

Гербовый зал Зимнего дворца. Даже сейчас отапливать такие залы – та еще задача для проектировщиков.

Сначала отопление Зимнего дворца было, очевидно, печным. Жилые покои обогревались каминами и печками-голландками, в кровати ставили грелки - закрытые жаровни-сковородки с углями.

На нижнем этаже Зимнего дворца были установлены большие печи, теплый воздух от которых был должен обогревать помещения второго этажа. Многоярусные печи с декором устанавливались и в парадных двухсветных залах, но для большущих помещений такая отопительная система оказалась неэффективной.

В одном из писем, написанных зимой 1787 года, граф П.Б. Шереметьев делится своими впечатлениями: «а холод всюду несносный... все комельки, а печи только для виду и не запираются неколи». Тепла не хватало даже для расположенных на втором этаже покоев королевской семьи, не говоря уже о 3-ем, где жили фрейлины. «По случаю величавой стужи» время от времени даже приходилось отменять балы и приемы — в двухсветных парадных залах температура зимой не подымалась выше 10–12°С.

Большущее печное хозяйство Зимнего дворца потребляло массу дров (зимой топку производили два раза в день) и представляло суровую опасность в смысле пожара. Хотя дымопроводы и прочищались «с установленной периодичностью и особенной тщательностью», катастрофы избежать не удалось.
Вечером 17 декабря 1837 г. в Зимнем дворце начался пожар, и потушить его удалось только к 20-му числу. По мемуарам свидетелей, зарево было видно за несколько верст.

В процессе восстановления дворца печное отопление решили поменять на воздушное (либо как его тогда называли «пневматическое»), разработанное военным инженером Н.А. Аммосовым. К тому времени печи его конструкции уже были опробованы в других зданиях, где отлично себя проявили.

В аммосовской печи топливник со всеми дымооборотами из железных труб был расположен в кирпичной камере с проходами, в нижней части которых предусмотрены отверстия для поступления в камеру свежайшего внешнего воздуха либо же рециркуляционного воздуха из отапливаемых помещений. В высшей части камеры печи предусмотрены отверстия-душники для отвода нагретого воздуха в отапливаемые помещения.

«Одна пневматическая печь, глядя по величине собственной и удобству размещения жилища, может нагревать от 100 до 600 куб. саженей вместимости, заменяя собой от 5 до 30 голландских печей»

Очередное принципиальное отличие аммосовской системы — попытка дополнить отопление вентиляцией. Для нагрева в вентиляционных камерах употреблялся свежайший воздух, забираемый с улицы, а для удаления из помещений отработанного воздуха в стенках были устроены отверстия, соединенные с каналами вентиляции, которые «служат для вытягивания из помещения духоты и сырости». Кроме этого, в стенках были изготовлены еще запасные либо запасные каналы — на перспективу. Отметим, что в 1987 году при обследовании всего комплекса построек Муниципального Эрмитажа было найдено около 1000 каналов различного предназначения общей протяженностью около 40 км (!).

Остатки аммосовской печи в Малом Эрмитаже. Топка и вход в воздушную камеру

Итак, основатель термохимии Г И. Гесс провел экспертизу печей Аммосова и отдал заключение, что те безобидны для здоровья. На «устройство пневматического отопления» выделили 258 000 руб. и процесс пошел. В подвалах дворца установили 86 огромных и малых пневматических печей. Нагреваемый воздух подымался по «жаровым» каналам в парадные залы и жилые комнаты. Места выхода отопительных каналов завершались медными решетками на душниках, выполненных по рисункам конструктора В.П. Стасова:

Для собственного времени предложенная генералом Амосовым система отопления была, непременно, прогрессивна, но не идеальна – она сушила воздух. Через неплотности труб в калориферах дымовые газы попадали в нагретый воздух. Не много того - совместно с приточным воздухом с улицы попадала пыль. Оседая на раскаленной поверхности железных теплообменников, пыль сгорала и в виде копоти попадала в помещения. От этого «побочного явления» новейшей системы отопления мучались не только лишь люди — продукты горения оседали на расписных плафонах, мраморных скульптурах, картинах... Прибавим сюда значимые колебания температуры во время и в промежутке меж топками: когда печи топятся, в помещениях очень горячо, а когда их перестают топить, воздух стремительно остывает.

В 1875 году очередной представитель военно-инженерного корпуса — инженер-полковник Г.С. Войницкий представил проект водовоздушного отопления. Новый тип отопления опробовали на маленьком участке Зимнего дворца (Кутузовская галерея, Малая церковь, Ротонда), а в 1890-х распространили на всю его северо-западную часть, установив в подвале в общей сложности 16 воздушных камер. Горячую воду подвели из котельной, устроенной в одном из «световых двориков» дворца. От котлов по железным трубам в калориферы поступала горячая вода, и подогретый воздух по уже существовавшим жаровым каналам шел в жилые покои (естественным образом - за счет того, что теплый воздух легче холодного).

Только к лету 1911 года появилась система отопления, наиболее похожая на современную. Техник Кабинета е.и.в. инженер Н.П. Мельников разработал новый проект. Он создал в Эрмитаже две дополняющие друг друга системы: систему водяного радиаторного отопления и систему вентиляции с элементами кондиционирования. Работы по переустройству отопления в Эрмитаже были закончены к осени 1912 года, вентиляцию смонтировали к 1914 году.[Источник]

Как видно, прогресс отопления подобных кирпичных и объемных помещений длился почти 200 лет. Слишком долго. Но сами многоэтажные кирпичные дома строились практически одинаковыми и в 18в. и в начале 20в. В самом деле, возникают мысли, что технологии отопления просто не успели подстроиться вслед за резким изменением климата. Возможно, изменения климата после катаклизма (сдвиг полюсов, потоп и т.д).
В Европе климат не стал таким суровым – в прошлом по большей части там остановились на каминах. По эффективности они хуже печей. Но, видимо, этой конструкции очага было достаточно.

Весь этот опыт отопления не мог не использоваться уже в строениях конца 19в., начала 20в.

Дом Вильнера в Минусинске (городок около Абакана). Показаны дымоходы в стенах. Думаю, поэтому многие стены в таких старых зданиях толщиной метр. В подвале топилась печь и горячий воздух грел стены.

Аналогично, эта конструкция отопления могла и была использована в других строениях 19-20 вв. в России.

А сейчас, на основании информации из прошлых статей про применение электростатики в древних строениях, попробуем хотя бы теоретически обосновать альтернативные источники отопления в те времена, про которые нет ни технических книг, ни других упоминаний. Но каменные города, судя по описаниям и картам - были точно.

Для тех, кто не знаком с темой - Использование атмосферного электричества в прошлом:

youtu.be/-VCDeb0-hDk

В физике существует множество эффектов, связанных со статическим электричеством.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает собственной частотой механических колебаний, то возможно явление резонанса, когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки. При этом получается максимальная амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента.

Могут ли эти микроколебания диэлектрика его нагревать? Думаю, на определенной частоте колебаний – вполне. Другой вопрос – обожженный кирпич, керамика, может ли являться тем материалом, где возможен этот эффект?
Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Оказывается, существует электрокалорический эффект (эффект обратный пироэффекту) - увеличение температуры вещества при создании в нем электрического поля напряженностью E и соответствующего уменьшения температуры при выключении этого поля в адиабатических условиях.

Ученые, если и занимаются изучением этих эффектов, то только в сторону охлаждения:

Использование электрокалорического эффекта (эффект обратный пироэффекту) дает возможность получить низкие температуры в интервале температур от жидкого азота до фреоновых температур при использовании сегнетоэлектрических материалов. Рекордные величины электрокалорического эффекта (2,6гр.C) вблизи ФП наблюдались в антисегнетоэлектрической керамике системы цирконат–станнат–титанат свинца и в керамике скандониобата свинца. Не исключается вероятность разработки пироэлектрического многокаскадного преобразователя с КПД цикла порядка 10% при ожидаемом энергосъеме до 2 кВт/л энергоносителя, что в будущем создаст реальную конкурентоспособность классическим энергоустановкам. [Источник]

По прогнозам физиков, перед электрокалорическим открываются широкие возможности по созданию основанных на нем твердотельных охлаждающий систем, схожих с элементом Пельтье, но основанных не на протекании тока, а на изменении величины напряженности поля. В одном из наиболее перспективных материалов величина изменения температуры равнялась 0,48 Кельвин на вольт приложенного напряжения.

Всплеск активности научного сообщества в исследовании электрокалорического эффекта и попыток найти ему достойное применение пришелся на шестидесятые годы двадцатого века, однако в силу целого ряда технических и технологических возможностей не удалось создать опытных образцов с изменением температуры, превышающим доли градуса. Этого было явно недостаточно для практического применения, и исследования электрокалорического эффекта были практически полностью свернуты.

Еще один эффект:

Диэлектрический нагрев — метод нагрева диэлектрических материалов высокочастотным переменным электрическим полем (ТВЧ — токи высокой частоты; диапазон 0,3—300 Мгц). Отличительной особенностью диэлектрического нагрева является объёмность тепловыделения (не обязательно однородного) в нагреваемой среде. В случае ТВЧ нагрева, тепловыделение более однородно из-за большой глубины проникновения энергии в диэлектрик.

Диэлектрический материал (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора, на который подается напряжение высокой частоты от электронного генератора на радиолампах. Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает материал.

Достоинства метода: высокая скорость нагрева; чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т. п.; равномерный нагрев материалов с низкой теплопроводностью; осуществление местного и избирательного нагрева и др.
Как ни странно, этот метод применялся в конце 19в. в медицине для терапевтического прогрева тканей.

Все эти эффекты основаны на возможном получении мощности, преобразующейся в тепло через основной параметр – высокого напряжения. Токи в электростатике очень малы. Тогда как вся наша современная электротехника – силовая. В ней строгий параметр напряжения (возьмем наш стандарт 220В, в некоторых странах иное напряжение в сети), а мощность прибора зависит от потребляемых токов.

Думаю, десятки тысячи вольт от установки получения электричества из атмосферы и установленные как разность потенциалов на стены, могут заменить через диэлектрический нагрев наши современные электрообогреватели, конвекторы. Просто в эту тему никто в прикладном значении исследований не погружался. Со времен Н.Теслы современной физике не интересна электростатика. Но везде есть места подвигу. Казалось бы, чего нового можно придумать в схемах обмоток электродвигателей? Оказалось – можно. Даюнов создал такой электродвигатель, совместив схемы обмоток асинхронного двигателя «звезда» и «треугольник», назвав свою схему обмотки «славянка».

Увеличились КПД эл.двигателя и его тяговые характеристики. Разработку решил оставить в России, пошел по пути поиска частных инвесторов. У каждого изобретателя свой путь и взгляд на его детище…

Возвращаясь к выше написанному предположу, что почти все новое – это хорошо забытое старое… И если что-то есть в теории, то это может быть осуществлено и на практике!