Энергия и цивилизация - Вацлав Смил

В области отопления самый важный переход от затратных, нерегулируемых открытых очагов к более совершенным устройствам был очень медленным. Даже помещение огня в трехсторонний камин принесло лишь крайне малый выигрыш в эффективности. Хорошо сложенные камины могли гореть без присмотра целую ночь, но их эффективность оставалась низкой. Лучшие цифры достигали 10 %, но как правило величина колебалась лишь около 5 %. Обычно подобное устройство нагревало воздух рядом с собой, но теплый воздух уходил через трубу наружу, что приводило к общим потерям тепла в комнате. Перекрыть же тягу было нельзя, поскольку при сгорании топлива выделялся опасный, а в больших количествах даже летальный угарный газ.

Эффективность традиционных кирпичных или глиняных печей менялась не только в зависимости от конструкции (часто обусловленной предпочтениями в приготовлении пищи), но также в зависимости от главного топлива. Современные исследования, посвященные азиатским сельским печам, чья форма не менялась столетиями, позволили зафиксировать максимальную практическую эффективность. Массивные кирпичные печи с длинными трубами и плотной кладкой, которые топили дровами, имели эффективность около 20 %. В менее крупных, продуваемых печах с короткими трубами, которые топили соломой или травой, типичная величина была близка к 15 %, а иногда составляла всего 10 %. Но все традиционные отопительные устройства оставались очень неэкономными. По меньшей мере три обогревательных системы использовали дерево и пожнивные останки изобретательно эффективным образом, обеспечивая большую степень комфорта.

К их числу относились римский hypocaust, корейский ondol и китайский kang. Первые два направляли горячие продукты горения через поднятый пол комнаты перед тем, как отправить их в трубу. Hypocaust был греческим изобретением, его старейшие образцы находят в Греции и некогда населенной греками побережной части Южной Италии, и датируют III веком до н. э. (Ginouves 1962). Римляне поначалу использовали его в теплых комнатах (caldaria) публичных бань-терм, а позже для того, чтобы обогревать каменные дома в более холодных провинциях империи (рис. 4.16). Испытания сохранившегося hypocaust показали, что 1 кг каменного угля в час достаточно, чтобы поддержать температуру в 22 °C в комнате 5x4x3 м при наружной температуре 0° (Forbes 1966). Третье из упомянутых обогревательных устройств до сих пор встречается в Северном Китае. Kang, большая кирпичная платформа (минимум 2x2 м и 75 см высотой) обогревается остаточным теплом от прилегающей печи; она используется в качестве кровати по ночам и как место отдыха днем (Hommel 1937).

Рисунок 4.16. Часть римского hypocaust (со скелетом собаки, убитой чадом) из Римского музея в Хомбург-Шварценакер (Саар). Фотография предоставлена Barbara F. McManus

Был проведен (Yates 2012) детальный инженерный анализ подобного традиционного теплообменника, затем последовали предложения по повышению его эффективности. Kang отдавал тепло медленно, распределяя его по сравнительно большой площади, жаровни же, широко распространенные в большинстве обществ Старого Света, наоборот, предоставляли точечный источник тепла и производили немало угарного газа. Японцы, успешно эксплуатировавшие китайские и корейские изобретения, не смогли адаптировать ondol или kang для своих хлипких деревянных домиков. Жители Японии пользовались жаровнями с каменным углем (hibachi) и грелками для ног (kotatsu). Такие небольшие контейнеры с каменным углем, поставленные на пол и покрытые плотной тканью, использовались даже в XX веке. Они существуют и сегодня в форме электрических kotatsu, маленьких обогревателей, встроенных в низкие столики. А Палата общин Великобритании отапливалась с помощью больших сосудов с каменным углем до 1791 г.

Растительное топливо также служило важнейшим источником освещения во всех доиндустриальных обществах. Огонь, факелы из смолистого дерева и горящие лучины были простейшими, но наименее эффективными и очень неудобными вариантами освещения. Первые масляные лампы с горящим жиром появились в Европе в верхнем палеолите, около 40 тысяч лет назад (de Beaune and White 1993), свечи начали использовать на Среднем Востоке после 800 года до н. э. И те и другие обеспечивали неэффективное, слабое и дымное освещение, но они по меньшей мере были безопасными и высокомобильными. Для горения использовались различные животные и растительные жиры: пчелиный воск, оливковое, рапсовое, льняное и касторовое масло, ворвань, говяжье сало; на фитили шел папирус, пенька, тряпки. До конца XVIII века искусственное освещение существовало только в форме свечей, и для яркой иллюминации требовалось огромное количество этих крохотных источников света.

Свечи превращают только около 0,01 % химической энергии в свет, самая яркая точка в их пламени дает среднюю интенсивность излучения (объем энергии, падающей на единицу поверхности) всего лишь на 20 % выше, чем у чистого неба. С изобретением спичек в Китае в конце VI века растопка очагов и разжигание ламп стали намного более легким делом. Первые спички представляли собой тонкие сосновые палочки, пропитанные серой; они добрались до Европы только в начале XVI века. Современные безопасные спички с красным фосфором на головке были придуманы в 1844 году и вскоре заняли большую часть рынка (Taylor 1972). В 1794-м Ами Арганд предложил лампы, светимость которых можно увеличивать с помощью фиксатора фитиля, с центральной подачей воздуха и трубой для лучшей тяги (McCloy 1952).

Вскоре после этого появился первый осветительный газ, полученный из угля. Однако большую часть XIX века за пределами крупных городов десятки миллионов домов по всему миру продолжали полагаться в области освещения либо на растительное топливо, либо на животные жиры, в первую очередь на китовую ворвань. Плохо оплачиваемая, утомительная и опасная охота на морских млекопитающих, описанная в романе Германа Мелвилла «Моби Дик» (1851), достигла пика перед 1850 годом (Francis 1990). Американский китобойный флот, на тот момент крупнейший, состоял из 700 судов в 1846 году. В первую половину десятилетия около 160 тысяч бочек китового жира прибывало каждый год в порты Новой Англии (Starbuck 1878). Последующее уменьшение численности китов и конкуренция со стороны угольного газа и керосина привели к быстрому упадку этого промысла.