Теория бань

Хошев Юрий Михайлович

В земной атмосфере воздушную метеообстановку дополняет наличие излучения Солнца, которое может кардинально изменить впечатление человека о погоде. Так и в бане на климатические параметры накладывается влияние теплового излучения от нагретых стенок печи, потолка, стен, излучателей.

Рис. 38. Спектральный состав излучения Солнца в относительных единицах: 1 — до прохождения атмосферы, 2 — после прохождения атмосферы с учётом поглощения компонентами атмосферы. Длина волны 1 мкм (микрометр, микрон) равна одной тысячной миллиметра (мм) и одной миллионной метра (м). Иногда микрон обозначается как 1 мк. Тысячная доля микрона называется миллимикроном 1 ммк (или нанометром 1 нм=1 ммк), который в свою очередь равен десяти ангстремам (1 А=10^{– 10}м).

Тепловое излучение (называемое также инфракрасным излучением, лучистым нагревом, лучистой теплопередачей, лучистым теплопереносом, радиационной составляющей теплового потока и т. п.) представляет собой электромагнитное излучение светового диапазона (называемого также светом, световой радиацией, световыми лучами, световым излучением, световыми волнами, квантами и т. п.).

Световой диапазон волн 10^{– 8}– 10^{– 4} метров (от 0,01 мкм до 100 мкм) располагается между диапазоном радиоволн и диапазоном рентгеновских волн и отличается тем, что поглощается биологическими тканями с выделением тепла. Световой диапазон в свою очередь подразделяется на ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,4 мкм (0,315-0,400 мкм А-диапазон; 0,28-0,315 мкм В-диапазон; 0,200-0,280 мкм С-диапазон, менее 0,2 мкм — вакуумный ультрафиолет), видимые лучи (фиолетовые 0,40-0,42 мкм, синие 0,42-0,49 мкм, зелёные 0,49-0,53 мкм, жёлтые 0,53-0,59 мкм, оранжевые 0,59-0,65 мкм, красные 0,65-0,75 мкм) и инфракрасные лучи с длиной волны более 0,75 мкм (0,75-1,5 мкм А-диапазон; 1,5–3,0 мкм В-диапазон; более 3,0 мкм С-диа-пазон). На рис. 38 представлен спектральный состав излучения Солнца, охватывающий и ультрафиолетовые, и видимые, и инфракрасные лучи. Излучение Солнца по спектральному составу близко к излучению абсолютно чёрного тела при температуре 5600 °C. Столь высоких температур в бане не бывает: высокоинтенсивные источники света типа софитов имеют температуру порядка 3000 °C, обычные лампочки накаливания 2000 °C, раскалённые угли в печи 1500 °C, внутренние стенки топливника кирпичной печи 1000 °C, стенки металлической печи 500 °C, внешние стенки топливника кирпичной печи 100 °C. Спектральный состав излучения поверхностей аналогичен составу излучения абсолютно чёрного тела (рис. 39) с поправкой на степень черноты поверхности. С уменьшением температуры излучающей поверхности очень быстро уменьшается общая мощность излучения (теплоотдача излучением), равная площади под кривой Планка W=(Т+273)⁴, где =5,67 х 10^{– 8} Вт/(м²град⁴) — постоянная Стефана-Больцмана, (Т+273) — абсолютная температура в градусах Кельвина, Т — температура в градусах Цельсия (рис. 40). Кроме того, с уменьшением температуры излучающей поверхности спектральный состав излучения сдвигается в сторону инфракрасного излучения, и потому всё меньшая доля приходится на видимый диапазон. Максимум (пик) спектральной зависимости мощности излучения В (кривой Планка) приходится по закону Вина на длину волны _max(мкм) = 2898/(Т+273), где Т — температура в градусах Цельсия °С. Если площадь под кривой Планка принять равной 100 %, то площадь под восходящей ветвью ,<,_мах составит 25 %, а под нисходящей ,>,мах составит 75 % суммарной площади.

Рис. 39. Спектральный состав излучения абсолютно чёрного тела (кривая Планка) при различных температурах, указанных у кривых. Спектральный интервал V соответствует видимому диапазону. Спектральный интервал А соответствует ближнему диапазону инфракрасного излучения (А-диапазон 0,75-1,5 мкм).

Рис. 40. Полная (интегральная по спектру) теплоотдача абсолютно чёрной поверхности с температурами 0-400 °C во внешнюю среду с температурой 0 °C: 1 — инфракрасным излучением, 2 — теплопроводностью (кондуктивной теплопередачей). Мощность инфракрасного излучения [(273+Т)⁴ — 273⁴], является суммарной по всему спектру излучения в полное полупространство (во все стороны).

В результате с уменьшением температуры свечение раскалённой поверхности из ослепительно белого становится красным, а потом невидимым:

Таким образом, появление заметного видимого свечения поверхности, соответствующее температуре порядка 500 °C, уже отвечает мощностям теплового излучения порядка 20 кВт/м². Такая величина теплового потока является порогом воспламеняемости наиболее легко воспламеняемой группы В3 горючих материалов по ГОСТ 30402-96. То есть появление видимого свечения поверхности, например печей, может свидетельствовать не только о возможности травматических последствий касания, но и об опасности возникновения пожара в помещении, в том числе за счёт воспламенения материалов, даже не касающихся нагретых поверхностей. Все знают, как горячо стоять у раскалённой печки-«буржуйки» или у сильно разгоревшегося костра. Поэтому в целях безопасности для нагрева помещения предпочитают использовать инфракрасные излучатели с как можно более низкой температурой излучающей поверхности. Но меньшая мощность излучения низкотемпературных излучателей приводит к необходимости использования больших площадей излучателей для обеспечения заданного уровня теплоотдачи. С этой точки зрения инфракрасными излучателями в оптимальном случае должны быть сами поверхности стен и потолка помещения. В этом смысле поступающее со всех сторон на тело человека инфракрасное излучение создаёт ощущение обычного тепла (как от тёплого воздуха) и ассоциируется в быту с более тёплыми метеорологическими условиями.

Наиболее знакомый для человека уровень мощности инфракрасного излучения — солнечная постоянная 1,4 кВт/м², равная интенсивности солнечного излучения, достигающего орбиты Земли. При прохождении через земную атмосферу солнечное излучение ослабляется на 20 % за счёт поглощения молекулами кислорода, азота, углекислого газа, воды и озона и ещё на 40 % за счёт пыли и дыма (рис. 38). В утренние и вечерние часы путь прохождения лучей в атмосфере очень сильно увеличивается, что приводит к ещё большему ослаблению интенсивности солнечного излучения на уровне моря. Таким образом, в полдень характерный уровень интенсивности солнечного излучения может достигать 1 кВт/м² в горах и тропиках и 0,5 кВт/м² в средней полосе России. Эта величина относится к плоскости, ориентированной строго на Солнце, и не зависит от времени года. С учётом наклона Солнца над горизонтом на садовый участок площадью 6 соток даже зимой в солнечный день поступает до 100 кВт солнечной энергии в полдень. Эта пиковая полуденная величина летом ещё более возрастает до 150 кВт и является основой жизни.

Тепловое воздействие прямого солнечного излучения

отчётливо ощущается человеком и может привести к тепловому (солнечному) удару уже при температурах 25–30 °C. Это свидетельствует о том, что тепловые потоки 0,5–1 кВт/м² и в бане могут оказать определяющее влияние на тепловой режим человеческого организма. Человек одинаково воспринимает воздействие теплового излучения при сухой и мокрой коже. Что касается нагрева «неживых» материалов, то солнечное излучение способно раскалить, например, песок на пляже или в пустыне до температур порядка 100 °C. Действительно, подъём температуры доски на солнце продолжается до тех пор, пока теплоотвод от поверхности доски за счёт собственного излучения доски и кондуктивного охлаждения (см. рис. 40) не сравняется с мощностью падающего солнечного излучения порядка 1 кВт/м², что и происходит при температурах порядка 100 °C. С другой стороны, температура потолка в бане на уровне 100 °C обеспечивает мощность инфракрасного излучения на уровне обычных в России мощностей солнечного излучения.

Инфракрасное излучение практически не поглощается воздухом в слоях 2-10 м, характерных для бань, и не разогревает его, распространяется прямолинейно и поступает из излучателя непосредственно на стены, пол, потолок, разогревая их. «Управлять» мощностью инфракрасного излучения можно только регулируя температуру излучателя, а также устанавливая на пути излучения различного рода экраны. Такими экранами окружают, например, раскалённые металлические стенки топливников печей (в виде кожухов-калориферов), загораживают особо холодные стены портьерами, ширмами и т. п.

Рис. 41. Спектральная зависимость коэффициента отражения оптического излучения кожей человека. V — спектральный интервал видимого излучения, А — спектральный интервал А-диапазона инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение исходит и от тела человека, охлаждая его. Поскольку инфракрасное излучение при температурах ниже 100 °C является длинноволновым (>3 мкм), для которого степень черноты кожи человека (а также древесины) близка к единице =1-R~=1 (где R — коэффициент отражения, приведённый на рис. 41), то мощность излучения тела человека (и древесины) близка к мощности излучения абсолютно чёрного тела (рис. 42). Все рассуждения предыдущих разделов относились к случаю отсутствия инфракрасного нагрева или охлаждения тела человека, то есть предполагалось, что стены бани (или иного помещения) имеют температуру человеческого тела порядка 40 °C. Но если стены бани имеют температуру большую или меньшую, чем температура тела человека, то тело человека дополнительно нагревается или охлаждается.

Рис. 42. Мощность инфракрасного излучения (интегральная по всему спектру) с 1 м² абсолютно чёрного тела во все стороны (в полупространство) при температурах от 0 до 100 °C: 1 — рассчитанная по формуле (273+Т)⁴, 2 — экстраполяционная прямая 0,54+0,007(Т-40), где Т в °С.

При слабых (до 20 °C) бытовых отклонениях температур стен от температуры человека Т<20 °C тело отдаёт или получает лучистое тепло в количестве q_лyч=_лТ, где _л =7 Вт/(м² град) — коэффициент бытовой лучистой теплопередачи (рис. 42). При температурах 60-120 °C коэффициент лучистой теплопередачи возрастает до 10 Вт/(м² град). При температуре стен помещения порядка 0 °C раздетый человек даже с сухой кожей отчётливо ощущает «леденящий холод стен» даже при температурах воздуха 40 °C и максимальной влажности воздуха, поскольку теряет за счёт собственного инфракрасного излучения 0,5 Вт/м², а получает за счёт поглощения инфракрасного излучения, исходящего от холодных стен, всего 0,3 Вт/м². В результате суммарный баланс отрицателен и очень велик 0,2 Вт/м². Для компенсации столь высоких теплопотерь необходимо поднять температуру воздуха в помещении на 20–30 °C, то есть до 60–70 °C. Если же температуры стен и потолка составляют 100 °C, то суммарный тепловой баланс (по лучистому теплу) раздетого человека с сухой кожей будет положительным 0,5 Вт/м², и воздух можно охладить до минус 10 °C.

В обыденной жизни человек отчётливо ощущает изменения лучистых потоков при изменениях температуры стен всего в несколько градусов (при постоянстве температуры воздуха). Так, строительные нормы и правила СНиП 41-01-2003 рекомендуют не использовать на постоянных рабочих местах в промышленных производствах потоки лучистого тепла более 35 Вт/м², что соответствует наличию излучающих поверхностей с температурой на 5 °C выше температуры человека. А при величинах лучистого потока более 140 Вт/м² необходимо применять воздушное душирование (обдув открытых частей тела человека воздухом). Если человека окружают излучающие поверхности с разной температурой, то необходимо соответствующим образом суммировать и усреднить мощности излучений, достигающих тела человека, с разных поверхностей. В связи с этим отметим, что упомянутые выше экраны могут значительно изменить картину лучистых потоков, «забирая» тепловую энергию из воздуха и преобразуя её в лучистое тепло, или, наоборот, поглощая потоки лучистой энергии и преобразовывая её в тепловую энергию воздуха. Например, застеклённый оконный проём в морозную погоду представляет собой холодный элемент помещения, «забирающий» лучистую энергию (а точнее, слабо излучающий тепло элемент и слабо отражающий падающее на него излучение). Но если загородить окно экраном (например, в виде матерчатой шторы), то экран приобретает температуру, близкую к комнатной, и будет излучать обратно в помещение значительно больше лучистой энергии. Этот эффект издавна применялся в жилищном строительстве, например, при обшивке тканью (гобеленами) каменных стен замков в Западной Европе Средневековья, при отгораживании шторами спальных мест и т. п. При этом практически не важна плотность или теплопроводность тканей, значительно большее влияние имеет количество экранов (слоёв экранирования). Также ясно, что в пасмурную ночь теплее, чем в ясную звёздную, поскольку со всех предметов на Земле тепловое излучение в ясную погоду (даже днём) безвозвратно «улетает» в космос (имеющий температуру минус 273 °C), а облака частично компенсируют эти теплопотери собственным излучением с температурой капель воды в облаке, например, 0 °C. Напомним также, что атмосфера имеет «окна» оптической прозрачности 3,4–4,2 мкм и 8-12 мкм. Эти «окна» ограничены с обеих сторон спектральными полосами поглощения молекул воды и углекислого газа. Поэтому при высокой влажности воздуха атмосфера «закрывает» эти «окна» прозрачности, и излучение уже не может «улетать в космос» (парниковый эффект).