Научно-популярные статьи о бане
Шрифт:
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
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
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.