Научно-популярные статьи о бане

Хошев Юрий Михайлович

Именно из этого факта мы исходили, вводя в теорию бань термин «хомотермальная кривая». Сейчас мы сделаем следующий важный шаг: впервые введем четкие объективные разграничения понятий сухой, влажной и паровой бань, исходя из хомотермальной кривой (рис. 3). Бани с климатическими режимами выше хомотермальной кривой назовем паровыми (поскольку в них происходит конденсация пара на кожу из воздуха), бани с климатическими режимами ниже хомотермальной кривой — сухими (поскольку в них пот тотчас испаряется и кожа остается сухой), а бани с климатическими режимами вблизи хомотермальной кривой — влажными (поскольку выделяющийся на коже пот не испаряется).

Ранее (БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 46) мы называли баню сухой, если воздух в бане по гигрометру сухой, то есть если гигрометр на стене показывает относительную влажность воздуха менее 30–40 %. При этом было трудно объяснить, почему в такой «сухой» бане используемой в сауна-спорте, пот

«течет ручьем». Для сохранения традиций такую баню с сухим по гигрометру воздухом будем называть воздушно-сухой. Вводимые названия бань уточняют, что в воздушно-сухой бане сохнут полки, а в сухой бане сохнет увлажненная кожа, причем если сохнут полки, то вовсе не обязательно сохнет кожа. Таким образом, по новой терминологии воздушносухая высокотемпературная сауна может быть и сухой, и влажной, и паровой, что снимает все терминологические трудности. Забегая вперед, укажем, что тип сауны определить очень легко: достаточно махнуть рукой на мокрое лицо.

Если станет прохладнее — то это сухая сауна. Если почувствуете резкий жар с выделением пота (конденсата) — то это паровая сауна. Если станет только чуть-чуть теплее — то это влажная баня.

На рис. 4 представлена хомотермальная кривая 1, построенная в координатах — температура — абсолютная влажность воздуха. Она представляет собой горизонтальную прямую, отвечающую при всех температурах воздуха одной и той же абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м⁵ (точке росы 40 °C). Режимы вблизи этой горизонтальной прямой отвечают влажной бане. Тепловые нагрузки во влажной бане рассчитываются исходя из коэффициента теплопередачи от воздуха в тело человека 0,01 кВт/м² град. То есть каждый градус разницы температур кожи и воздуха дает тепловой поток 10 Вт в расчете на все тело человека (при эффективной площади кожи примерно 1 м²), причем численная величина теплового потока не зависит от того, нагревается или охлаждается тело человека. Так, например, человек, выделяющий внутри себя в состоянии полного покоя 50–70 Вт тепла постоянно (70 % за счет работы внутренних органов: сердца, легких, печени, 30 % за счет неощущаемой дрожи мышц), может спать нагишом, не замерзая, при температурах воздуха на 5–7 градусов ниже температуры кожи, а с зябкостью (то есть при легком ознобе) — при еще более низких температурах.

На рис. 5 представлены зависимости тепловых нагрузок на человека от температуры воздуха во влажной бане в состоянии покоя (кривая 1), при легкой физической работе (кривая 2) и при тяжелой физической работе (кривая 3) по ГОСТ 12.1.005-76, а также переносимости этих тепловых нагрузок. Видно, что хомотермальные режимы при низких температурах — 40–50 °C (соответствующие режимам турецких бань), хоть и вызывают неуклонное повышение температуры тела, но тем не менее легко переносимы человеком в течение многих часов. Физическая работа, разогревая человека, может снизить переносимость температуры 40 °C до уровня 20 минут, что, видимо, и использовалось в римских термах при физических упражнениях. При высоких же температурах бань — порядка 100 °C — переносимость хомотермального режима даже без физической работы не превышает 10–20 минут.

Наличие во влажной бане потоков воздуха существенно увеличивает теплопередачу от воздуха на кожу. Так, пользуясь эмпирическими соотношениями для бассейнов (см.: БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 96), можно установить, что вне зависимости от того, мокрая ли у человека кожа или сухая, линейные скорости конвективных потоков 1 м/сек приводят к снижению переносимости вдвое (кривая 4).

Сухая баня

Анализ сухой бани намного сложнее, поскольку необходимо учитывать процессы испарения, в том числе в условиях их активизации конвективными потоками.

Кожа человека в сухом состоянии воспринимает и сухую, и влажную баню абсолютно одинаково, поскольку с кожи человека испаряться нечему, а значит, кожа и не охлаждается. Тепловой поток в сухой бане от горячего воздуха к сухой коже (кривая 1 на рис. 6) сохраняется таким же, что и во влажной бане (кривая 1 рис. 5). При этом человеку с сухой кожей тепло при всех температурах

выше 40 °C.

Если же кожа человека мокрая (потная или искусственно смоченная), то возникают теплопотери с кожи человека за счет испарения влаги. Величина этих теплопотерь увеличивается пропорционально степени удаления режима от хомотермальной кривой и при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³ составляет 0,6 кВт/м² вне зависимости от температуры воздуха (кривая 2 на рис. 6). Складывая кривые 1 и 2, получаем результирующий тепловой поток (кривая 3), приобретающий положительное значение лишь при температурах выше 95 °C. Таким образом, при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³, при температурах ниже 95 °C человеку с мокрой кожей холодно, а выше 95 °C — тепло. К аналогичному заключению можно прийти, построив на рис. 4 кривую 3, соответствующую режимам с температурой по влажному термометру 40 °C. Кривая 3 на рис. 4 отделяет холодные и теплые режимы сухой бани в случае, если кожа человека мокрая.

В сухих банях наличие потоков воздуха приводит одновременно к двум противоположным по результатам процессам. С одной стороны, как и в случае влажных бань, увеличивается теплопередача от горячего воздуха на кожу: появляется конвективный тепловой поток на кожу, величина которого соответствует кривой 4 на рис. 6 для скорости воздуха у кожи 0,15 м/сек. С другой стороны, интенсифицируется процесс испарения влаги с кожи человека, за счет чего появляются дополнительные охлаждающие кожу теплотраты, величина которых иллюстрируется кривой 5 на рис. 6 для той же скорости воздуха 0,15 м/сек. Для сухой кожи теплозатраты на испарение отсутствуют.

Дальнейший анализ приводит к следующим важным выводам. Во-первых, сопоставляя величины конвективного нагрева и теплозатрат на испарение, можно разделить область сухих бань на две зоны, разделенные кривой 6 на рис. 4. В зоне выше кривой 6 воздушные потоки разогревают мокрое тело, а в зоне ниже кривой 6 — охлаждают. Сухое же тело под действием воздушных потоков с температурой выше 40 °C нагревается всегда. Кривая 6 рассчитана нами по формулам для теплопотоков в бассейнах (БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 96) и не зависит от скорости перемещения воздуха, то есть является универсальной. При климатических условиях, соответствующих кривой 6, кожа не нагревается и не охлаждается под действием возникающих потоков воздуха любой скорости. По конвективному воздействию режимы выше кривой 6 можно отнести к влажной бане.

Во-вторых, суммируя тепловые потоки 1,2,4 и 5 на рис. 6, получим результирующий тепловой поток на кожу человека, который во всем интервале температур оказывается отрицательным (кривая 6). Это означает, что при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³ и скоростях перемещений воздуха 0,15 м/сек мокрая кожа не нагревается, а охлаждается даже при температуре воздуха 100 °C. Этот результат находится в вопиющем противоречии с экспериментальными данными (рис. 7) по замеру динамики нагрева температуры тела человека в сухой бане в вышеупомянутых условиях — в точке 5 на рис. 4, соответствующей температуре 100 °C, абсолютной влажности 0,05 кг/м³ (относительной влажности 2 %), и скорости перемещения воздуха около тела человека 0,1–0,2 м/сек (Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, М., Стройиздат, 1991). Интерпретация этих измерений может быть разной, но ясно одно, что в условиях потоотделения (а оно однозначно наступило на 5–7 минуте пребывания) тело человека отнюдь не стало охлаждаться. Тепловой поток на человека (рассчитанный по темпу нагрева тела) составил примерно 0,3–0,4 кВт/м², что и привело к времени переносимости около 35 минут. Единственным объяснением факта нагрева тела может быть только сильное влияние инфракрасного излучения потолка, стен и печи на тепловой баланс человека в сауне. Действительно, мощность излучения абсолютно черного тела при температуре 100 °C составляет 1 кВт/м². С учетом углового распределения потоков инфракрасного излучения и реальных степеней черноты стен и потолка это и составит замеренную величину тепловой нагрузки.

Таким образом, для человека с мокрой кожей очень сухая высокотемпературная сауна при наличии потоков воздуха представляет собой инфракрасную сауну. При этом потоки инфракрасного излучения (кривая 7 на рис. 6) становятся заметными в тепловом балансе при температурах потолка выше 80 °C. Получается так, что в сверхсухой сауне высокие температуры воздуха не достаточны для мокрого тела, так как все тепло от нагрева тела этим воздухом уходит на испарение пота. Нужны не только высокие температуры воздуха, но и высокие температуры и высокие степени черноты потолка.