Помоги проекту - поделись книгой:
Юрий Михайлович Хошев
Научно-популярные статьи
Опубликованы в периодическом журнале БАНБАС (Бани и бассейны)
Климатические характеристики бани
Научно-популярная статья.
Опубликована в периодическом журнале БАНБАС (Бани и бассейны), № 5(23), 2002, стр.46–58.
Теоретически обоснована определяющая роль абсолютной влажности воздуха в бане на физиологическое восприятие тепловой нагрузки на тело человека. Впервые введено понятие «хомотермальной кривой» как основного инструмента для описания климатической обстановки в банях.
Не побоюсь заявить, что климатические параметры в банном помещении имеют важнейшее значение. В конце концов, что же такое легкий пар, как не искусственно (и подчас искусно!) созданный набор климатических характеристик?! Приятные ощущения тепла или холода от любой водной процедуры (в том числе и на открытом воздухе) достигаются лишь при вполне определенных соотношениях пяти параметров:
— температуры воздуха;
— влажности воздуха;
— температуры воды;
— скорости движения воздуха;
— интенсивности инфракрасного излучения (от печки, очага, солнца, электронагревателя и т. п.).
В бане все эти параметры могут быть различными для разных участков тела, более того, на практике они всегда различны, а для максимального комфорта они просто должны быть различными — в зависимости от физического состояния человека в данный момент времени, а также целей водной процедуры.
Древнейшие типы бань, в том числе традиционные русские, в силу ограниченных технических возможностей использовали лишь первые три фактора, причем главным параметром, безусловно, считалась температура воздуха. Точкой отсчета при этом является нормальная температура тела человека (36–37 °C). Температура внутренних органов обычно на 1–2 °C выше, а температура кожи существенно ниже, например: для пальцев ног — это 24 °C, кончика носа — 25 °C, пальцев рук — 28 °C, прикрытых частей тела — 30–34 °C. В том, что кожа в разных местах прогревается по-разному, легко убедиться: достаточно приложить ладонь к своей щеке, лбу, колену, и вы сразу почувствуете разницу в количестве тепла, исходящего изнутри тела. В коже расположены органы, дающие сигнал в мозг о температуре — так называемые периферические терморецепторы. Есть и центральные терморецепторы, расположенные внутри тела в различных областях головного и спинного мозга, реагирующие на изменение температуры внутренней среды (в частности, крови, омывающей нервные центры). Терморецепторы являются элементами центральной нервной системы, которая совместно с эндокринной системой осуществляет терморегуляцию тела человека посредством изменения проводимости кровеносных сосудов, не ощущаемой мелкой и ощущаемой (озноб) мышечной дрожи, потовыделения, а также осознанных действий. Ясно, что в тепле ощущение приятной расслабленности в теле возникает при отключении механизма мышечной дрожи за ненадобностью.
Казалось бы, температура воздуха З6 °C во всех случаях является наиболее комфортной — ни холодно ни жарко. Но это далеко не так. При этой температуре воздуха человеку очень жарко, если тело по какой-либо причине разгорячено (из-за физической нагрузки, перегрева в парилке или при недомогании), либо очень холодно, когда тело предварительно переохлаждено. Состояние комфорта обеспечивается не температурой воздуха, а температурой внутренних органов, которая не должна отклоняться от номинала (во всяком случае, даже отклонения в 2–3 °C воспринимаются крайне болезненно).
Температура кожи, наоборот, может кратковременно повышаться (например, рук и ног до 55 °C, губ до 90 °C) или понижаться в известных пределах без потери ощущения комфортности, что с успехом используется в банях всех типов (чтобы согреться, охладиться, встряхнуться, расслабиться, продезинфицировать кожу и т. п.).
При перегреве внутренних органов на поверхность кожи начинает поступать пот, на 98–99 процентов состоящий из воды, причем в экстремальных случаях человек способен выделять пот со скоростью до 2 л в час, что соответствует максимальной мощности теплоотдачи телом человека через испарение на уровне 1200–1500 Вт (до 2 лошадиных сил!).
Выделяющийся пот в зависимости от климатических условий может либо тотчас испаряться (назовем это режимом
Таким образом, пот является признаком комфорта в бане, а потоотделение (то есть именно испарение, а не просто выделение пота на коже) является «штатным» средством охлаждения тела в случае его перегрева под действием внешних климатических условий, физических нагрузок, эмоционального состояния, болезненности организма.
Испарение воды является механизмом охлаждения и в неживой природе. Проведем следующий эксперимент. Нагреем баню до 40 °C, поместим в нее два обычных стеклянных спиртовых капиллярных термометра и обмотаем нижние резервуары термометров ватой. Один из термометров назовем сухим, а другой, смочив на нем вату водой, влажным. Снимем показания обоих термометров при разных относительных влажностях воздуха в бане и получим следующую таблицу, которая известна каждому метеорологу и называется психрометрической (таблица 1).
Что же дает нам эта таблица применительно к бане? Предположим, мы вошли сухими в баню, нагретую до температуры 40 °C. Так же, как и сухой термометр, мы начинаем нагреваться до 40 °C, нам становится тепло. Протрем себя мокрой, пусть даже нагретой до 40 °C горячей тряпкой (или просто подождем, пока на коже появится пот). Казалось бы, ничего не должно случиться. Но — чудо! Если баня сухая с относительной влажностью до 48 процентов, наше тело (так же, как и влажный термометр) начинает охлаждаться! Теоретически — вплоть до 30 °C. Становится очень холодно. Значит, надо повышать температуру воздуха, чтобы не замерзнуть.
Но есть и другой путь. Повысим относительную влажность воздуха до 94 процентов, например, поддав воды на раскаленные камни. Тотчас наше влажное тело в соответствии с таблицей начинает нагреваться до 39 °C, нам вновь становится тепло, хотя судя по сухому термометру, температура воздуха в бане от поддачи воды практически не повысилась и осталась на уровне 40 °C.
Так что же, достаточна ли температура в 40 °C для бани? Почему нам то жарко, то холодно? Что все это означает? А это означает только одно: говорить просто о температуре бани нет смысла, надо говорить минимум о двух климатических параметрах — температуре и влажности воздуха.
Что такое сухой или влажный воздух, мы сразу интуитивно понимаем кожей. Но что такое влажность воздуха, как ее измерить?
Первичным объективным показателем является абсолютная влажность воздуха — массовая концентрация молекул воды в воздухе, что есть массовое содержание газообразной воды (водяного пара) в воздухе (например, количество килограммов или литров жидкой воды, испаренной в одном кубическом метре воздуха). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много — влажный. Но что значит много? Например, 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха — это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли — 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определенно сказать, что очень много, так много, как никогда не бывает.
Снова вспомним школьный курс физики и проведем простейший эксперимент. Нальем в кастрюлю воду и, закрыв крышкой, поставим в термостат-духовку, нагретую до 40 °C. По мере нагрева воды до 40 °C замеряем абсолютную влажность воздуха под крышкой, которая, повышаясь, наконец достигает некоторого предельного максимального значения 0,05 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 40 °C. Затем поднимаем температуру термостата до 50 °C, абсолютная влажность воздуха под крышкой также повышается и достигает уже другого максимального значения 0,08 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 50 °C. В результате продолжения эксперимента получаем следующую таблицу (таблица 2).
При 100 °C давление насыщенного пара достигает атмосферного значения, весь объем кастрюли заполняется парами воды, воздуха под крышкой не остается.
Теперь начнем охлаждать термостат. Абсолютная влажность воздуха (содержание водяных паров в воздухе над водой под крышкой) начинает сокращаться в полном соответствии с таблицей. Куда же пропадает вода из воздуха? Так же, как и при нагревании, вода в воздух попадала путем испарения, так и сейчас — излишний пар конденсируется, то есть сжижается, превращается обратно в воду. Конденсироваться пар может на охлаждающихся стенках кастрюли в виде капель воды (то есть в виде росы), а также в объеме охлаждающегося воздуха в виде тумана (капелек воды в воздухе). При этом температура, например, 40 °C называется точкой росы для абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3, так как при этой температуре начинает выделяться роса. Из таблицы 2 следует, что содержание воды в воздухе в виде водяного пара не может быть сколь угодно большим и ограничено при каждой температуре неким максимальным значением, которое быстро растет с температурой. Наиболее естественно определить степень влажности (сухости) воздуха отношением реальной абсолютной влажности воздуха в данный момент к той максимально достижимой абсолютной влажности воздуха, которая рано или поздно установится при этой температуре. Называется это расчетное отношение относительной влажностью. Оно имеет смысл лишь при указании температуры, на которую рассчитано, и измеряется в процентах. Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность равна 100 %, то воздух максимально влажен в том смысле, что при этой температуре процессы испарения более невозможны (но вновь становятся возможными при повышении температуры).
Таким образом, процесс повышения абсолютной влажности воздуха под крышкой кастрюли, если в ней есть вода, характеризуется повышением относительной влажности воздуха от нуля до ста процентов. При этом длительное нахождение человека в воздухе с температурой, например, 40 °C и влажностью 100 % эквивалентно нахождению в воде, нагретой до 40 °C. Относительная влажность указывает, может ли увеличиться влажность воздуха, если воздух привести в контакт с водой той же температуры, и на сколько она может увеличиться, то есть фактически характеризует потенциальную влагоемкость воздуха.
Конкретизируем эти абстрактные рассуждения и рассмотрим в качестве примера турецкую баню, представляющую собой каменное помещение, нагреваемое горячим полом — гипокаустом. По существу, турецкая баня является той же каменной «кастрюлей», которую мы для анализа использовали выше. Проветрим сухую баню наружным атмосферным воздухом с температурой, например, 30 °C и абсолютной влажностью 0,024 кг/м3 (что соответствует значению относительной влажности воздуха 80 %), затем, сохраняя полы сухими, закроем двери и нагреем баню до 40 °C. Воздух в бане тоже нагреется до 40 °C и сохранит ту же абсолютную влажность 0,024 кг/м3, так как в бане нет воды, которая могла бы испаряться. При температуре 40 °C абсолютная влажность 0,024 кг/м3 соответствует значению относительной влажности 48 %. Как мы видели при обсуждении психрометрической таблицы, при такой относительной влажности баня при увлажнении тела представляется очень холодной.
Окатимся горячей водой с температурой 40 °C или просто плеснем воду на горячий пол. Относительная влажность 48 % означает, что при этой температуре в воздух может испариться еще 52 % воды. Вот она и будет испаряться, пока абсолютная влажность не достигнет табличного для 40 °C значения плотности насыщенного пара 0,05 кг/м3, отвечающего относительной влажности воздуха 100 %. Баня становится горячей, такой, как и полагается быть турецкой бане.
Теперь вытрем все полы насухо и тряпки удалим из помещения бани. Наше тело продолжает потеть, но пот не испаряется, так как воздух взять в себя воды при этой температуре больше не может. Системы самотерморегуляции тела оказываются неработоспособными. Температура кожи уже давно равна 40 °C, но и температура тела (его внутренних органов) неуклонно растет до 40 °C, приближается состояние теплового удара.
Слегка проветрим баню, влажность воздуха снизится. Станет полегче, так как пот начнет испаряться, охлаждая тело. Но испаряющаяся влага рано или поздно вновь приведет к повышению влажности воздуха, причем лишь до 0,05 кг/м3, когда все процессы испарения вновь прекратятся.
Попробуем нагреть всю баню с сухими полами и с воздухом фиксированной влажности 0,05 кг/м3 до более высоких температур. При этом относительные влажности воздуха могут быть рассчитаны как частное от деления значения реальной абсолютной влажности 0,05 кг/м3 на значения плотности насыщенного пара при разных температурах. Полученную таблицу (таблица 3), а также соответствующую кривую на рис. 1 назовем хомотермальными (от латинских слов homo (человек) и thermae (теплые купальни).
Мы видим из таблицы, что одна и та же баня
Казалось бы, что если мы сумели путем нагрева сделать воздух в бане вроде бы как сухим (в смысле низкой относительной влажности), то пот должен начать легко испаряться, охлаждая тело. Но это не так. К примеру, вы сидите на полке финской бани, рядом с вами гигрометр, указывающий относительную влажность 9 %, температура по сухому термометру 100 °C. Смачиваете веник — сохнет моментально. Сохнет и вода, разлитая на полке. Смачиваете кожу водой — не сохнет! В то же время кончики волос на вашей голове сохнут, становятся горячими… Поддадим воду на камни. Веник как сох, так и сохнет. А у вас по коже пот потек ручьем. Но пот почему-то несоленый. Потому что и не пот это вовсе, а конденсат из воздуха, роса! Роса мелкая и горячая. Щиплет, покалывает. Ясно, кипяток ведь…
В чем дело? А дело в том, что относительная влажность — понятие, имеющее смысл лишь в изотермических условиях, когда все вокруг имеет одну и ту же температуру. А у нас в бане все горячее, кроме тела человека, который нагреться выше 40 °C не может. Вернее, не может себе позволить, будучи в здравом уме, перегреться по физиологическим соображениям. Нормальный человек просто выскакивает из бани, когда перегревается. Но если тело человека является самым холодным элементом бани, то на него и конденсируется. вода, испаряющаяся отовсюду — с веника, с полок, с каменки…
Вот и получается, что в бане воздух по гигрометру сухой, но, соприкасаясь с относительно холодной кожей, неминуемо охлаждается, его относительная влажность локально вблизи кожи повышается вплоть до 100 %. Для человека не столь уж важна температура бани, поскольку она может лишь несколько изменить тепловую нагрузку на организм. Куда больший смысл имеет абсолютная влажность воздуха — при влажности 0,05 кг/м3 человек полностью теряет способность испарять с себя влагу, теряет способность к самотерморегуляции.
Вышеприведенная хомотермальная таблица, полученная простейшим расчетным путем, практически
Многие люди, в том числе и некоторые врачи, по наивности полагают, что климатические режимы различных традиционных парных бань специально разработаны «многовековым опытом многочисленных поколений предков». Это глубочайшее заблуждение. Других режимов, помимо приведенных в теоретической хомотермальной таблице, просто не существует в природе. Все, что ниже хомотермальной кривой, соответствует режимам потоотделения (в сочетании с потением). Все, что расположено на хомотермальной кривой, соответствует режимам потения без испарения пота и без осаждения конденсата. Все, что выше хомотермальной кривой, соответствует потению и осаждению горячего конденсата (росы) — классический случай русской паровой бани с кратковременным гипертермальным воздействием на кожу.
Для конструирования бань важно понять не только то, что при определенной температуре воздуха человек способен выдержать лишь некоторую максимальную относительную влажность, о чем так много говорят в литературе. Куда более важно понять, что вне зависимости от температуры человек способен выдержать в бане лишь некоторую ограниченную
Теперь рассмотрим случай финской бани, конструктивно представляющей собой деревянный ящик с раскаленной печью. Ранее, при анализе турецкой бани как «кастрюли с крышкой», в которой температуры воздуха, потолка, стен, пола и воды подразумевались равными друг другу (изотермическая баня), только человек имел другую температуру, а именно 40 °C. Но в финской бане температура потолка всегда намного выше температуры пола и вовсе не равна температуре воздуха. Поэтому для анализа климатических характеристик в финской бане надо рассматривать каждую точку бани (неподвижную или, что бывает порой даже удобней, движущуюся вместе с хаотическим потоком воздуха) в отдельности.
В качестве простейшего примера мысленно выделим небольшой объем воздуха в непосредственной близости от разгоряченной кожи человека, где температура воздуха всегда составляет 40 °C, а абсолютная влажность соответствует равновесной порядка 0,05 кг/м3. Далее этот выделенный объем вместе с потоками воздуха в бане начнет перемещаться, то поднимаясь вверх (при нагревании у печки), то опускаясь вниз (при охлаждении у стен). Если процессов испарения-конденсации нет (а такое утверждение весьма спорно), то абсолютная влажность в выделенном объеме не изменяется, но относительная влажность изменяется всегда в полном соответствии с хомотермальной таблицей.
Поэтому в финской бане (финской по конструктивному оформлению) мы всегда имеем сухую баню у потолка (где самая высокая температура) и влажную паровую баню ближе к полу (где самая низкая температура). Таким образом, все известные банные режимы, «подобранные многовековым опытом человечества», сами собой реализуются одновременно и в финской сауне. Результат, согласитесь, нетривиальный. Правда, здесь есть важные нюансы, связанные с переносом воды в неминуемых процессах переконденсации, которые мы рассмотрим позднее.
Наиболее любознательные любители бани пытаются контролировать климатические параметры в бане с помощью гигрометров. К сожалению, знание относительной влажности мало что дает парильщику, необходим пересчет по хомотермальной таблице. Рекомендуем для оценки климатической обстановки очень простой, крайне дешевый и безошибочный прибор: любой капиллярный термометр, резервуар которого обмотан ватой, то есть обычный влажный термометр. Зафиксировав показания сухого термометра, слегка смочим вату водой (лучше горячей) и проследим, как изменяются показания термометра, пока не высохнет ватка. Если температура по влажному термометру выше 50 °C (кратковременно бывает и до 60 °C), то это очень жаркая парилка для любителя (экстремально «ошпариться»), если 40–50 °C — это нормальная парилка, чтобы не спеша погреться и расслабиться, если 35–40 °C — это хорошая климатическая обстановка, чтобы помыться после парной. Температура по обычному сухому термометру не играет роли, можно мыться даже при 100 °C, другое дело, длительно удержать в процессе мойки температуру по влажному термометру 35 °C очень трудно: необходимо постоянно осушать воздух или вентилировать баню, что экономически нецелесообразно.
Еще более точный метод оценки абсолютной влажности (но, к сожалению, довольно сложный) — определение точки росы, которая при абсолютной влажности 0,05 кг/м3 составляет ровно 40 °C. Во всяком случае, при проектировании стен бани надо исходить из точки росы 40 °C.
Принцип работы прибора по определению точки росы заключается в подборе той температуры поверхности (желательно зеркальной стеклянной или металлической), при которой под микроскопом можно заметить появление мелких капелек росы. Однако убедиться в том, что достигнут режим конденсации, можно сравнительно легко с помощью крайне упрощенного «прибора»: ведра с температурой воды 40 °C или блестящей пластинки, прикрепленной к телу человека (металлического брелока, браслета или даже обычной липкой ленты-скотча, лучше металлизированной). При достижении точки росы 40 °C (то есть достижении режима настоящей русской парилки) на ведре, брелоке или скотче, протираемых сухим полотенцем, появляются мелкие капельки росы.
Для ориентировки на рис. 2 приведены теоретические соотношения основных климатических параметров (и не только банных). Имея два термометра — влажный и сухой, — вы всегда легко определитесь со своим банным климатом. При этом наиважнейшим параметром является показание влажного термометра — он показывает, к какой температуре стремится ваше влажное тело в бане.
Все, что изложено в этой статье, можно было бы назвать климатическими характеристиками в теории. На практике же, поддав расчетное количество воды на камни, можно получить порой лишь кратковременную струю жара. Но теория здесь ни при чем. Так уж устроена ваша баня. Куда пропадает жар и чем отличаются конструкции бань — вы уже догадываетесь. Это материал следующей статьи. Подробно о том, как все это использовать при строительстве современной гигиенической бани (то есть настоящей бани для настоящего мытья), написано в книге, готовящейся к печати в издательстве «Вече». Легкого вам пара!
Аэродинамический расчет бани
Научно-популярная статья.
Опубликована в периодическом журнале БАНБАС (Бани и бассейны), № 6(24), 2002, стр.58–68.
Исследованы аэродинамические особенности формирования микроклимата в банях различных типов. Рассмотрены вентиляционно-циркуляционные процессы переноса тепла и влаги, выяснены условия перехода от сухих режимов к паровым при сокращении кратности циркуляции воздуха в отапливаемом помещении.
В предыдущей статье (см. БАНБАС, № 5(23)/2002 г.) мы установили, что основным климатическим параметром любой бани является абсолютная влажность воздуха. Дело в том, что при абсолютной влажности — 0,04-0,05 кг/м3 человек теряет способность к саморегулированию температуры тела из-за прекращения испарения пота, а при абсолютной влажности выше 0,05 кг/м3 на кожу человека конденсируется влага из воздуха в виде горячей росы. Все это приводит к тому, что высокую абсолютную влажность человек длительно выдержать не может.
Рассмотрим принципиально важный вопрос о возможности создания и регулирования высокой абсолютной влажности воздуха в банях. При этом мы с удивлением выясним, что наиболее фундаментальным параметром для расчета любой бани является краткость циркуляции воздуха, точнее характер и скорость перемещений воздушных потоков в объеме бани.
Чтобы прояснить суть вопроса, рассмотрим частный, но очень наглядный пример черной бани (дымной сауны, схема которой представлена на рисунке 1). При протоке черной бани холодный воздух поступает снизу из открытой двери 1 по полу в очаг 2, вступает в химическое взаимодействие с дровами (горение), нагревается, в виде горячих дымовых газов поднимается вверх, расстилаясь по потолку, выходит наружу через верхнюю часть двери. Такая аэродинамическая траектория называется вентиляционной приточно-вытяжной кривой и является разомкнутой (вернее замыкающейся вне помещения). Если временно прикрыть дверь 1, то потоки воздуха отнюдь не исчезнут, поскольку причиной их возникновения является очаг, нагревающий воздух Получившаяся при закрытых дверях траектория движения воздушных масс (в том числе и дымовых) называется циркуляционной (или, как иногда говорят, рециркуляционной) кривой и является замкнутой. Именно циркуляционные потоки приводят к задымлению помещения, а также к нагреву стен и полов нисходящими потоками горячего воздуха (дымовых газов). В реальных условиях циркуляционные и вентиляционные потоки воздуха обычно сосуществуют одновременно. Причем для понимания банных процессов главным является циркуляционный поток. Только зная его траекторию в каждом конкретном помещении, можно расположить приточные и вытяжные отверстия таким образом, чтобы полностью «разомкнуть» при необходимости циркуляционную кривую и тем самым организовать эффективную вентиляцию. Кроме того, в помещениях бань обычно имеется одна или несколько застойных зон (в том числе под полками), движение воздуха в которых может быть создано лишь дополнительными факторами (передвижением людей, взмахами веников, вентиляторами и т. п.)
Протопив черную баню, погасив очаг и закрыв дверь, мы уже не видим циркулирующих клубов дыма, поскольку их уже попросту нет, но циркулирующие потоки воздуха не исчезают, поскольку раскаленные камни нагревают воздух так же, как пламя очага. Если плеснуть воду на камни, то увлажненный воздух (пар) будет двигаться по циркуляционной траектории точно так же, как задымленный при протопке бани. Но в отличие от задымленного воздуха горячий увлажненный воздух, достигая холодного пола, может не только охлаждаться, но и осушаться за счет выделения конденсата (росы или тумана). Если охлаждение воздуха на полу тотчас компенсируется последующим нагревом над камнями, то осушение воздуха ничем не компенсируется (если только не поддавать на камни постоянно). Поэтому, как ни увлажняй однократными поддачами движущийся в черной бане воздух, все равно он неминуемо осушится и приобретет низкую абсолютную влажность, например, 0,017 кг/м3 при температуре земляных полов 20 °C. Баню, которая «не держит пар» называют сухой.
Для того чтобы баня стала влажной (паровой), надо или уменьшить циркуляцию воздуха, или не дать возможности циркулирующему воздуху достигать холодного пола (а также всех иных холодных элементов бани, например, баков с холодной водой), или нагреть пол по крайней мере до температуры 40 °C. Все эти вопросы и лежат в основе теории черных бань и курных изб. Совершенно очевидно, что одних лишь оценок теплоизолирующих свойств стен явно недостаточно для правильного понимания банных процессов.
Посмотрим, как это выглядит в цифрах. В качестве исходной модели выберем схему современной сухой финской сауны (рис. 2). Сауна содержит вместо очага металлическую печь с топливником 1 (на твердом, жидком или газообразном топливе или электрический) с металлическими экранами 2 (кожухом), образующими калориферный нагреватель воздуха и, как правило, засыпку камней сверху 3 (каменку). Раскаленный иной раз и докрасна топливник создает в помещении замкнутый циркуляционный поток воздуха 4, распространяющий в объеме бани тепло от топливника и пар от каменки. Наличие полок (отодвинутых от стен или придвинутых, имеющих щели или не имеющих) и других преград видоизменяет траекторию замкнутых циркуляционных потоков 5, а наличие вентиляционных отверстий 6 и 7 размыкает (полностью или частично) циркуляционные потоки 8.
Предположим, что общий объем сауны равен 10 м3, причем 7,5 м3. из них заняты циркулирующим воздухом, а 2,5 м3 — застойными зонами, печью и другими неподвижными объектами. В соответствии с обычными житейскими представлениями для создания необходимой абсолютной влажности воздуха порядка 0,05 кг/м3 в такой бане достаточно испарить 0,5 л воды, что легко осуществимо. Стандартный бытовой электрокипятильник (парогенератор, электрочайник) мощностью 1,3 кВт даст столько пара за 20 минут, а каменка с массой камней 100 кг может выдать 0,5 кг пара за несколько секунд (при мощности каменки по парообразованию до 300-1000 кВт!). В действительности же ввиду наличия циркуляции воздуха высокая абсолютная влажность может продержаться очень недолго, а может быть, и вовсе не будет достигнута.
Для соответствующих оценок условно допустим, что мощность печи в сауне равна 20 кВт. При этом печь, забирая воздух с пола (температурой 20 °C), нагревает его до температуры 100° и направляет к потолку. Как нетрудно подсчитать исходя из теплоемкости воздуха, скорость циркуляционного потока составит при этом 900 кг/час, а у нас в бане находится всего 7,5 кг движущегося воздуха. Это означает, что кратность циркуляции воздуха в сауне составляет 120 раз в час (120 крат). Весь воздух в сауне 120 раз в час проходит мимо топливника, нагревается, увлажняется в каменке (при поддачах), затем по потолку и стенам (сверху вниз) достигает пола, охлаждается, осушается, выделяя конденсат (в виде росы или тумана) и вновь поступает к печи для нагрева. Таким образом, мощная печь неминуемо создает мощный циркуляционный поток. После однократной поддачи получившийся в каменке пар уже через пару секунд поступает на холодный пол, а через полминуты весь воздух в бане становится сухим, причем все равно как образовалась повышенная влажность — от каменки ли, от испарений пота человека или воды, которой он моется. Еще более быстрое осушение воздуха произойдет, если холодный элемент расположен высоко, например, теплоемкая кирпичная стена до потолка.
Этот режим, получивший название сухой современной финской сауны, получился сам собой, когда выдающийся финский специалист — предприниматель Тапани Харвия полвека назад внедрил в банный быт мощные металлические печи на твердом топливе, а затем и на электричестве (см. БАНБАС, № 5 (11)/2000 г, стр. 65). Безусловно, металлические печи в банях и сухой банный режим были известны и до Харвия (в том числе и в советском фронтовом быту в землянках с «буржуйками»), но именно Харвия добился всемирного признания нового банного режима с металлической печью. Чем же хорош этот режим? Никогда не бывает влажно и душно, никогда не бывает текущего по телу пота. Полки, потолок и стены сухие. Тепло, но не жарко. Можно мыться и обливаться водой даже при температуре 100 °C (хотя это не принято), все равно абсолютная влажность воздуха быстро снижается. Идеальный режим для спортсменов, желающих сбросить вес или реабилитироваться. Тренированный человек легко переносит температуру до 200 °C при абсолютной влажности воздуха ниже 0,005 кг/м3, соответствующей температуре полов 0 °C и ниже и относительной влажности воздуха 0,1 процента.
Само собой разумеется, что по мере протопки сауны идет постепенный прогрев потолка, стен, а затем и пола за счет горячего циркулирующего воздуха. Даже массивный бетонный пол (обычно облицованный керамической плиткой) прогреется до 40° за несколько часов. При этом человек становится самым холодным элементом в бане, и именно на его теле осушается воздух. Это значит, что будет достигнут режим влажной, а затем и паровой (конденсационной) циркуляционной сауны. В этих условиях даже испаряющийся с кожи пот быстро повышает абсолютную влажность воздуха до критических значений — 0,05 кг/м3, сауна становится жгучей. Естественно, температура влажной, а тем более, паровой саун должна быть ниже температуры сухой сауны.
Чтобы предотвратить нежелательный (по мнению современных финнов) переход к влажному и паровому режимам сауны, можно использовать искусственное охлаждение полов трубами с водой или обливанием полов холодной водой, в том числе из шланга, как это принято в городской белой бане (см. ниже). Однако финны предпочитают более простой метод охлаждения — воздушный. Действительно, если спускающийся по стенам к полу воздух все равно будет охлажден при контакте с полом, не проще ли весь этот еще горячий и влажный воздух полностью (или частично) выпустить наружу и заменить его холодным, сухим и к тому же свежим воздухом с улицы? Тогда и пол не будет нагреваться и намокать. Теплопотери не должны смущать, металлическая печь имеет большой запас мощности, а сауна все равно всегда считалась весьма неэкономичным объектом. Финны рекомендуют общеобменную вентиляцию в сауне — от 6 крат и более, а в действительности у пола кратность обмена воздуха еще выше. При этом необходимо грамотно разомкнуть циркуляционную кривую и поместить воздухоотводящие и воздухоподающие отверстия там где надо. На практике это осуществить весьма сложно: рядовой строитель бани не только не владеет этими методами измерения кратности обмена, но порой не имеет даже малейшего представления о действительной цели и назначении вентиляции в сауне. Впрочем, и усложнять проблему нет смысла: любое отверстие в стене 6 в любом месте всегда одновременно выполняет роль впускного и выпускного проема для воздуха.
Во всяком случае, концепция современной финской сауны подразумевает исключительно сухие климатические параметры с возможными кратковременными волнами жара при поддачах. Если все же поставить перед собой задачу постоянно поддерживать в такой схеме высокую абсолютную влажность воздуха порядка 0,05 кг/м3 и выше, то придется постоянно лить воду на каменку с расходом 60 л в час. И вот эта масса воды должна куда-то деться: либо сконцентрироваться на холодном полу и стенах, либо выйти наружу в виде тумана (клубов пара) с вентиляционными потоками. Тем не менее этот бессмысленный с экономической и технической точки зрения режим используется финнами в соревнованиях по сауна-спорту: через каждые полминуты на камни поддается пол-литра воды. Правда, приглядевшись внимательнее, находишь и смягчающие обстоятельства: действительно, только такой установившийся банный режим обеспечивает равенство условий для всех участников всех заходов в условиях длительного соревнования в одной и той же стандартной коммерческой банной кабине.
Продолжим анализ банной схемы, представленной на рис. 2. Прогрев каменку, гасим печь. При этом получаем фактический режим «черной бани» (дымной сауны) или «белой бани» с открытой каменкой. Положим, что мощность каменки по нагреву воздуха составляет 2 кВт. Автоматически кратность циркуляции воздуха сокращается (по сравнению с горящей печью) в 10 раз (до 12 раз в час). Это означает, что при поддаче можно рассчитывать на сохранение высокой влажности около 5 минут. Это уже приличное время.
Получившийся режим с открытой каменкой имеет две характерные особенности. Во-первых, линейные скорости упорядоченных циркуляционных потоков становятся сопоставимыми с линейными скоростями движения веника и перемещения людей.
Если в режиме сауны линейные скорости перемещения воздушных масс составляют 1–5 м/сек, то в режиме открытой каменки они снижаются до 0,1–1 м/сек. Это значит, что открывается возможность «вручную» управлять потоками пара. Имеются в виду традиционные русские операции «разгона пара» по стенам и потолку, «посадки пара» по стенам и потолку, а также «посадки пара» на пол, чтобы осушить воздух и сделать «пар легким».
Во-вторых, при относительно низких мощностях каменки (по нагреву воздуха) воздух достигает потолка с температурой, как правило, ниже 100 °C (в отличие от сауны). Это открывает возможность искусственного увлажнения потолка, в том числе конденсацией влаги из влажного воздуха. При температурах же потолка сауны 100° и выше увлажнение потолка принципиально невозможно, поскольку равновесное давление пара над водой при этих температурах равно атмосферному и выше, вода, если она и появится на потолке, вскипает, и потолок быстро осушается. Таким образом, если температура потолка ниже 100 °C (а лучше — ниже 80 °C), пар из каменки, достигнув потолка, а затем постепенно испаряясь, увлажняет воздух между поддачами (влажная баня).
Метод сглаживания волн жара между поддачами путем увлажнения потолка (и верхних частей стен) становится определяющим и для бань с закрытой каменкой (паровых). Чтобы получить режим паровой бани, надо закрыть каменку негорючей теплоизолированной крышкой. При этом мощность нагрева воздуха снизится до минимума, например, в 4 раза и составит величину, порядка 0,5 кВт. Это значит, что скорость упорядоченной циркуляции снижается до 3 крат, а линейные скорости воздуха за счет нагрева от каменки составят всего 0,01 — 0,3 м/сек.
Получилась практически неподвижная баня, представляющая собой единую застойную зону, движения воздуха в которой полностью определяются движениями веника (опахала) и перемещениями людей. Потолок в такой бане нагреть до температур выше 60–80 °C трудно. При поддачах пар может «гулять» по объему бани до 20 минут, пока не сконденсируется, например, на теле человека или на полу. На практике же движения веников быстро «сажают пар» на холодные элементы бани и баня быстро высыхает, или, как говорят в народе, «выстуживается». Поскольку в паровых банях из-за относительно низких температур снижение влажности воспринимается как холод («только проветрил паровую баню и сразу лютый мороз»), в них используют прием увлажнения потолка паром. Этот увлажненный горячий потолок, высыхая, долго выполняет роль «мягкого» парогенератора (парового колпака).
На практике это выглядит следующим образом: под крышку закрытой каменки (или в дверцу закрытой каменки кирпичной печи) плещут (может быть порциями) необходимые 0,5 л воды. Получившийся пар с температурой выше 100 °C вырывается из каменки, образуя малоподвижную, медленно рассасывающуюся (ввиду малых скоростей циркуляции воздуха в бане) горячую паровую зону, перемещающуюся вверх. Объем этой паровой зоны при столь мощной однократной поддаче велик: от 1 м3 и выше. Оберегаясь от пара, движениями веников эту зону можно «посадить» на холодный пол, где пар тотчас сконденсируется, нагревая пол, изготавливаемый обычно в отличие от сауны из деревянных досок. Но опытные банщики предпочитают разгонять пар по стенам и потолку, чтобы увлажнить именно эти горячие зоны. Движения веника должны быть плавными, чтобы не слишком перемешать паровую зону с воздухом бани и не слишком снижать концентрацию пара.
Так, плотность насыщенного пара, вырывающегося из каменки, при 100 °C равна 0,58 кг/м3. Этот пар можно быстрыми резкими движениями веника сразу же разбавить десятью объемами воздуха и получить критическую абсолютную влажность в бане -0,05 кг/м3 на относительно короткое время. А можно плавными движениями веника разбавить его лишь в 2 раза, получив воздух с абсолютной влажностью — 0,29 кг/м3 и направить его к потолку, имеющему температуру, например, 60 °C. Там он осушится до 0,13 кг/м3 за счет выделения в потолок росы в количестве 0,16 кг с 1 м3 влажного воздуха. Если разбавить в 4 раза, то осядет лишь 0,05 кг воды. А если — в 5 раз, то на потолке вода уже вообще не сможет сконденсироваться, и он станет сухим. Так что для эффективного увлажнения потолка пар из каменки лучше вообще в баню не выпускать и не разбавлять, а направить его по трубе из каменки прямо на потолок. Так будет, кстати, и более безопасно для людей. При этом можно сделать даже несколько поддач по 0,5 кг, лишь бы потолок смог всю эту массу пара сконденсировать и удержать.
Вообще-то идея направлять пар не вниз, а на потолок смущает до сих пор очень многих. А мысль об обязательном увлажнении потолка порой просто не умещается в голове. Между тем суть паровой бани состоит именно в том, что парогенератором в настоящей паровой неподвижной бане является горячий влажный потолок, создающий при температуре 60° абсолютную влажность 0,13 кг/м3, а при 70° — 0,20 кг/ м3 что превышает критическое значение для конденсационной бани -0,05 кг/м3. Именно этот влажный жгучий воздух у потолка «захватывают» веником при парении и направляют на тело человека, чтобы выделить на его коже горячую росу, обжигающую тело и смачивающую веник. А простые ритуальные похлопывания веником по телу — обычный развлекательный массаж, возможный в бане любого типа.
Еще более неожиданной может оказаться догадка о том, что горячий влажный потолок русской паровой бани при 60 °C — это то же самое, что горячий мокрый пол турецкой бани. Сразу отметим, что скорость циркуляции воздуха в турецкой бане также минимальна. Турецких бань с сильной циркуляцией или вентиляцией не бывает. А вот каменные русские паровые бани бывают. Громадное количество советских городских коммунальных бань отказалось в свое время от архаичных печей с закрытыми каменками и использовали централизованный магистральный острый пар от парового котла с температурой до 160 °C и давлением до 6 атм. Пар выпускался прямо в каменную парилку с кафельными полами, со стенами, облицованными плиткой, с оштукатуренным пористым (даже побеленным известью) потолком. После прогрева и увлажнения потолка пар отключали и в парилку впускали людей. Полы в парилке периодически охлаждали шлангом с холодной водой, выпускаемой через трап в полу.
Выпуск пара из закрытой каменки к потолку издавна применялся в российских городских банях. В качестве примера отметим шедевр русского банного строительства — печь-каменку в Воронинских банях конструкции П. Ю. Сюзора (1872 год), сочетающую открытую каменку на металлическом поддоне с закрытым монтажом в корпусе кирпичной печи (см. БАНБАС, № 2(14)/2001 г, стр. 15). Хорошо спроектированная система равномерной подачи пара на всю поверхность потолка во многом упрощает работу банщика. В обычных же случайных конструкциях бань требуется «особое банное мастерство», которое так призывают хранить все любители бани, но которое обычно не могут ни описать, ни объяснить словами.
К элементам такого мастерства безусловно следует отнести умение управлять циркуляцией воздуха, подать пар вверх, не разбавляя и не охлаждая его чрезмерно, а также подобрать температуру полов (чтобы при необходимости посадить пар) и потолка (чтобы обеспечить необходимую абсолютную влажность воздуха). Выше мы уже подчеркивали важность минимального разбавления пара, но при разбавлении падает и температура паровоздушной смеси. Поэтому при неудачно выбранной схеме вывода пара из каменки, необходим существенный перегрев пара (умение плеснуть воду в нужное место каменки и желательность повышенной температуры камней) и лишь для того, чтобы пар смог достигнуть потолка, не сконденсировавшись по пути в туман. И хотя туман может тотчас вновь испариться (как «пар» из чайника), но вторичный пар увлажнить потолки уже сможет из-за низкой абсолютной влажности воздуха.
Впрочем, увлажнять потолок в паровой бане можно и любыми иными путями. Например, обливать потолок водой из шланга, спрыскивать его пульверизатором или брызгами со смоченного веника, протирать мокрой тряпкой или развешивать мокрые простыни повыше… Все это будет работать не хуже каменки. А каменку можно использовать для доводки режима, для дополнительных волн жара.
К примеру опишем процедуру получения острого пара московскими татарами в 1950–1960 г. г. в ныне уже не существующих городских общественных Потешных банях. Татары мылись по четвергам. Просили всех выйти из протопленной (и чаще всего перетопленной) деревянной парной, тщательно все проветривали, открывая окошки, затем по мусульманским обычаям тщательно мыли (а на самом деле увлажняли и остужали) горячий потолок и стены горячей водой из шланга, затем окна закрывали, слегка, совсем по чуть-чуть поддавали на камни и разгоняли пар по потолку и стенам развернутой простыней, удерживаемой за углы, снова чуть-чуть поддавали и снова разгоняли, пока жар не становился невыносимым. Затем желающих приглашали войти, но таких оказывалось среди горожан мало, а те, кто входили — сразу же выскакивали. А татары смеялись и парились с веником на самом верху парной. Такой жар длился очень долго, пока не высыхал потолок.
Поделиться книгой: