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.
Рис. 2
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.
