Как пар согревает Нью-Йорк

Если вас спросить, что для вас значит Нью-Йорк, у каждого будет свой ответ. Для тех, кто хорошо знает этот город, «город, который никогда не спит» связан с множеством ярких воспоминаний. Его культурное разнообразие и непрерывный ритм делают впечатление незабываемым. Но даже для тех, кто никогда не бывал на Манхэттене, его силуэт узнаваем мгновенно. Небоскрёбы, устремлённые в небо, стали символом амбиций, оптимизма и решимости: американская мечта, воплощённая в бетоне, стали и камне.

#От земли к небу: происхождение небоскрёба

Привычный нам сегодня силуэт Нью-Йорка сформировался не сразу. Для того чтобы строить всё выше, потребовалось сочетание нескольких факторов. Первое высотное здание в США появилось вовсе не в Нью-Йорке: в 1884 году Чикаго опередил всех с 12-этажным зданием Home Insurance. Но именно технологические достижения конца XIX века превратили мечту о высотном строительстве в реальность.

Бессемеровская сталь, выпускавшаяся в более длинных элементах, позволила создавать более высокие и гибкие каркасы, чем старый чугун. Появление спринклерных систем сняло часть ограничений по пожарной безопасности, и прежний лимит высоты около 23 метров был смягчён. Патентование переменного тока привело к развитию лифтов, способных поднимать людей на новые высоты.

А ответ на вопрос, как обеспечить комфорт в этих огромных зданиях в суровый зимний холод, нашёлся в паре.

#История Sarco в Нью-Йорке

Когда почти завершилось строительство характерной башни здания Singer, возвышавшейся на 40 этажей над улицами города, Нью-Йорк уже стал символом американского прогресса. Когда Льюис Сандерс в 1907 году после почти недельного путешествия из Великобритании входил в гавань, эта башня в стиле боз-ар из красного кирпича и синего камня вскоре должна была стать самым высоким зданием в мире, пусть и всего на один год.

Он был не единственным, кто видел, как меняется городской горизонт. В 1907 году остров Эллис, через который проходили иммигранты, пережил рекордный наплыв: через него прошли 1,25 миллиона человек.

Но в отличие от большинства прибывших, у Сандерса была конкретная цель: открыть американское подразделение компании своего британского работодателя. В том же году Sarco Fuel Saving and Engineering Company открыла офис в Нижнем Манхэттене. Спустя несколько лет, в 1915 году, компания стала называться просто Sarco Co. Inc. В фирменном бланке перечислялись её ключевые продукты: регистраторы CO₂, паромеры, калориметры для топлива и газа, тягонапоромеры, конденсатоотводчики и термостатические регуляторы.

Конденсатоотводчики стали одной из основ роста бизнеса, а быстрое развитие города обеспечило высокий спрос на качественные решения и укрепило репутацию Sarco. Позже вице-президент Рут Гринфилд вспоминала:

С уверенностью могу сказать: в Нью-Йорке практически нет жилого дома, построенного в 1921-1932 годах, который не был бы оснащён радиаторными конденсатоотводчиками Sarco.

#Почему Нью-Йорк сделал ставку на пар

Ответ кроется в уникальных свойствах пара как теплоносителя. Он переносит значительно больше тепла, чем вода, и при этом не требует циркуляционных насосов для доставки энергии туда, где она нужна. Это снижает не только капитальные и эксплуатационные затраты на насосы, но и сложность управления потоком тепла.

Когда речь зашла о подаче тепла к радиаторам по всему высотному зданию, преимущества пара стали очевидны. При использовании вакуума воздух из системы не просто вытесняется паром, а быстро удаляется за счёт разрежения, что позволяет пару распространяться по системе со скоростью до 150 миль в час. Это обеспечивает быстрый и равномерный прогрев здания.

Хороший пример — система отопления Empire State Building. После завершения строительства в 1931 году, когда здание насчитывало 102 этажа, оно стало самым высоким в мире. Сегодня, спустя более девяти десятилетий и после масштабного проекта по повышению энергоэффективности, оно по-прежнему использует пар для отопления. Всё это работает при давлении всего 1,5 psi и с 6600 конденсатоотводчиками. В результате модернизации потребление энергии сократилось более чем на 40%, а выбросы углерода — на 54%.

#Пар за пределами небоскрёбов

Использование пара для отопления зданий не было новым открытием. Джозеф Нейсон, сыгравший роль в развитии чугунного радиатора, применил такую систему ещё в 1855 году в Белом доме президента Пирса. К 1882 году компания New York Steam Company, предшественник Con Edison, уже снабжала паром почти 1600 потребителей от Battery Park до 96-й улицы.

И хотя большинство новых высотных зданий строилось ради максимального использования площади и коммерческой выгоды, пар постепенно пришёл и в жилые дома Нью-Йорка.

Можно подумать, что с тех времён всё изменилось и что за пределами очевидных преимуществ для самых высоких зданий города пар давно уступил место другим решениям. Но это не так.

Как отмечает Urban Green, влияние парового отопления было революционным: оно заменило камины и печи, обеспечив лучшее качество воздуха в помещении, больший комфорт и более высокую эффективность. Когда в первые десятилетия XX века строилась значительная часть современного Нью-Йорка, у людей были серьёзные опасения насчёт пребывания внутри помещений без вентиляции. Массовая иммиграция привела к перенаселённым домам, страху болезней и боязни «испорченного воздуха», то есть воздуха, которым уже дышали другие. Опасения перед туберкулёзом и пандемиями вроде испанского гриппа 1918 года только усиливали эти настроения.

Решение было простым: держать окна открытыми даже в самый разгар зимы. Этот совет, по сути, не изменился и спустя столетие. Достаточно вспомнить рекомендации времён пандемии COVID-19, когда людям советовали проветривать помещения при совместном пребывании.

С точки зрения общественного здравоохранения такой подход был оправдан, но именно он во многом породил современные заблуждения о паровом отоплении.

#Слишком жарко? Место пара сегодня

Зимой в Нью-Йорке бывает очень холодно, особенно когда дует пронизывающий северо-восточный ветер. Чтобы компенсировать политику открытых окон, в зданиях устанавливали такие котлы и радиаторы, которые могли отапливать помещения даже при открытых окнах в самые холодные дни. Когда топливо для производства пара сменилось с угля на мазут, а затем на природный газ, новое оборудование часто подбирали с запасом, делая ставку скорее на перегрев, чем на недогрев.

Затем появились более эффективные стеклопакеты, улучшилась теплоизоляция и герметичность зданий, что лишь усилило ощущение духоты в старых отопительных системах. В сочетании со слабым техническим обслуживанием это привело к тому, что люди по-прежнему открывают окна зимой, но уже из-за перегрева.

Что касается зданий с собственными системами отопления, Urban Green формулирует направление достаточно прямо: по мере старения паровые системы следует заменять гидронными системами или тепловыми насосами. Но по сути это означает замену одного теплоносителя, пара, на другой — горячую воду. При этом вопрос происхождения электроэнергии никуда не исчезает. Если она будет вырабатываться не из природного газа, а из возобновляемых источников, то почему бы не использовать ту же энергию и для выработки пара?

Даже сторонники ухода от пара признают, что такой масштабный переход невозможен в короткие сроки. Urban Green отмечает, что ещё одна причина инвестировать в пар уже сейчас состоит в том, что до полной электрификации зданий могут развиваться гибридные системы, в которых пар будет дополнять работу тепловых насосов.

Они также рекомендуют ряд ближайших мер: балансировку паровых систем, устранение проблемы избыточно крупных котлов, улучшение изоляции и внедрение регулирования температуры, окупаемость которых может составлять восемь лет или меньше.

В конечном счёте очевидно, что это не выбор по принципу «или-или». При правильном проектировании, хорошем обслуживании и разумной модернизации паровые системы вполне жизнеспособны. Даже Urban Green признаёт: если паровая система работает правильно, пар доходит до каждого радиатора, а жильцы получают более равномерное тепло без перегрева.

#Две области, где пар особенно уместен

Как бы позитивно ни оценивался потенциал тепловых насосов, для высотных зданий у них есть ограничения. Представьте, сколько будет стоить потеря полезной площади, если ради работы системы придётся отдавать под оборудование каждый двадцатый этаж, чтобы поднимать горячую воду всё выше. А в холодную погоду почти наверняка понадобится резервный источник тепла, чтобы поддерживать нужную мощность. И не стоит забывать: тепловым насосам требуется электричество 24 часа в сутки, 365 дней в году.

И сама физика тоже не изменилась. Один фунт сконденсировавшегося пара переносит больше тепла, чем 25 фунтов горячей воды, охлаждённой в радиаторах на 4,4°C, и при этом без необходимости перекачки насосами.

Кроме того, есть Con Edison, которая сегодня эксплуатирует крупнейшую в мире паровую систему. По сети трубопроводов длиной более 100 миль пар централизованно вырабатывается на шести площадках, после чего распределяется по нижней части Манхэттена. Часть этих площадок производит только пар, часть — и пар, и электроэнергию. И используется он не только для отопления: пар подаётся в больницы Нью-Йорка для стерилизации, в прачечные и на предприятия пищевой промышленности.

И не только Empire State Building зависит от пара. Сеть Con Edison обеспечивает паром отопление, охлаждение через абсорбционные холодильные машины и горячее водоснабжение для Организации Объединённых Наций, Grand Central Terminal и Chrysler Building. Con Ed, чьи акции торгуются на Нью-Йоркской фондовой бирже дольше всех, смотрит на будущее пара позитивно и включает в долгосрочный план задачу по декарбонизации своей паровой системы.

Con Edison вовсе не считает пар устаревшим решением. Напротив, компания исходит из того, что пар остаётся рабочим вариантом, и при этом именно она будет обеспечивать значительную часть электроэнергии для любых новых тепловых насосов.

#Две точки зрения на один город

Мнения о будущем отопления Нью-Йорка расходятся. Одни, как Urban Green, считают, что систему придётся постепенно менять, переходя на гидронные решения или электрические тепловые насосы. Con Edison, напротив, видит в паре «самую горячую новую чистую энергетическую систему» города и оценивает его перспективы весьма позитивно. Но как бы ни различались оценки, стороны сходятся в одном: первый шаг должен заключаться в повышении эффективности того, что уже установлено. Пар защищал жителей Нью-Йорка от холода более века и, судя по всему, ещё долго будет играть заметную роль.

Что касается нас, то для Spirax Sarco применение пара в зданиях по-прежнему остаётся небольшой, но важной частью бизнеса и обеспечивает около 3% выручки Группы. Мы давно уже не ограничены офисом на Мэдисон-авеню и работаем по всей территории США. С момента открытия первого офиса в 1907 году мы продолжаем накапливать и передавать экспертные знания о паровых системах. Пар остаётся нашим делом, и мы продолжаем изучать возможности, которые он открывает в будущем.

Источники:

• Patrick Sisson: The curious history of steam heat and pandemics
• Christina Nunez: How Hidden Labyrinths Under Cities Are Becoming Clean Energy Powerhouses
• John Pinching: Empire state building future inside out
• Igor Zhadonovsky: https://www.intechopen.com/online-first/84666
• Con Edison: Steam system as NYCs new clean energy solution
• Urban Green Council: Demystifying steam
• Nigel Watson: Knowledge, Service, Products, 2019.