Санитарные нормы СанПиН 2.1.2.1002-00 устанавливают температуру воздуха в квартирных ванных комнатах на уровне 17-270С при допустимых скоростях движения воздуха до 0,2 м/сек и при ненормируемом уровне относительной влажности воздуха. Такие температуры недостаточны для бань - человеку в бане не должно быть холодно с мокрой кожей (причем, человеку в обычном неразгоряченном состоянии). Для численных оценок необходимых банных метеопараметров будем исходить из того, что человек на воздухе теплоизолирован (поскольку теплопроводность воздуха мала), но зато может может испарять воду с мокрой кожи, при этомохлаждаясь. Поэтому в обычной ванной комнате человеку не холодно с сухой кожей, но тотчас становится холодно при смачивании кожи водой. Значит, основным фактором при расчетах должен стать учет теплопотерь за счет испарений воды с кожи.
Прежде всего вспомним, что процесс испарения воды есть суммарный результат двух противоположных процессов. С одной стороны, смокрой кожи газифицируется вода (то есть «растворяется» в воздухе, «улетает» в воздух в виде молекул), и скорость газификации зависит только от температуры воды. С другой стороны из воздуха на кожу поступают молекулы воды и ожижаются (влетают в воду), и скорость ожижения зависит только от абсолютнойвлажностивоздуха (то есть от содержания влаги в воздухе в граммах на кубометр). Если скорость газификации больше скорости ожижения, то такой процесс называется испарением. И наоборот, если скорость газификации меньше скорости ожижения, то такой процесс называется конденсацией. Это означает, во-первых, что скорость испарения воды зависит от температуры воды и абсолютной влажности воздуха, а во-вторых, что могут возникать условия, когда достигается конденсация и мокрому человеку становится не холодно на воздухе, а жарко.Человек как живое существо поддерживает свое тело при постоянной температуре - при перегревах человек попросту выскакивает из бани.
Примем условно температуру кожи человека в бане равной 400С, при такой температуре кожи человеку заведомо не холодно, более того он неуклонно разогревается. При этом воздух около кожи может увлажняться максимально до 50 г/м3 (в условиях насыщенного пара, то есть равенства скоростей газификации и ожижения). Воздух же в бане может увлажняться значительно сильнее - теоретически вплоть до плотности насыщенного пара при банной температуре:
Температура воды и воздуха,С 40 50 60 70 80 90 100
Плотность насыщенного пара,г/м3 50 83 130 198 293 423 585
Если воздух в бане имеет абсолютную влажность менее 50 г/м3, то вода с кожи будет испаряться, темсамымохлаждая кожу за счет скрытой теплоты испарения 539 кал/г = 2260 кДж/кг (и если при этом температура воздуха будет ниже 400С, то в воздухеможет выпасть туман - «испарина» над горячей влажной поверхностью). Если воздух в бане имеет абсолютную влажность выше 50 г/м3, то на кожу выпадает конденсат (роса), нагревающий кожу за счет скрытой теплоты конденсации, равной скрытой теплоте испарения.
Если воздух в бане имеет абсолютную влажность на уровне 50 г/м3, то ни испарения воды, ни конденсации водяных паров не происходит - раздетому человеку в этих условиях все равно,мокрая унего кожа или сухая («хомотермальный» режим теплушки-тепляка). Именно эти условия наиболее характерны для всех бань мира. Абсолютная влажность воздуха 50 г/м3 может быть достигнута при любой температуре выше 400С, поскольку воздух способен увлажняться до уровня плотности насыщенного пара. Расчетная величина, равная отношению конкретной (текущей-сиюминутной) величины абсолютной влажности к величине плотности насыщенного пара при конкретной (текущей) температуре воздуха, называется относительной влажностью воздуха. Относительная влажность является абстрактной величиной, указывающей, в какой степени увлажнен воздух относительно максимально возможного для заданной температуры уровня (а потому без указания температуры бессмысленна). Тем не менее величина относительной влажности может измеряться в быту стандартными приборами - гигрометрами (правда с невысокой точностью косвенно по степени увлажнения и удлинения гигроскопических нитей), а потому величина относительной влажности удобна в повседневном использовании. Абсолютной влажности 50 г/м3 (точке росы 400С) соответствуют следующие значения величин относительной влажности:
Температура,С 40 50 60 70 80 90 100
Относительная влажность 100 62 39 26 17 12 9
воздуха при абсолютной
влажности 50 г/м3,%
Эта зависимость (хомотермальная кривая) описывает характерные(примерные, средние) климатические условия бань русского типа. Климатические условиямогут быть уточненысиспользованиемпонятия влажного (мокрого) термометра.Есликолбу (резервуар) жидкостного капиллярного термометра обмотать влажной ватой (тампоном), то термометр будет указывать, к какой температуре будет стремиться мокрая кожа в тех или иных климатических условиях. Если влажный термометр в бане показывает 400С и выше, то человеку наверняка будет не холодно с мокрой кожей.Типичные банные режимы соответствуют температурам по влажному термометру от Тв=(35-40)0С (для длительного пребывания, например,для мытья) до Тв=(50-60)0С (для экстремально ускоренного прогревания тела, например, для любительского парения). Эта климатическая зона разделена хомотермальной кривой В на паровые режимы с конденсацией пара на кожу и на сухие режимы с испарениемвлаги с кожи. Величины температур по сухому Тс и влажному Тв термометрам связаны строгими термодинамическими соотношениями через точку росы Тр(температуру, при которой из воздуха начинает выпадать роса).Значения Тр при разных значениях Тс и Тв представлены в психрометрической таблице (Справочник химика, М-Л.: Химия, 1966г.):
Разность показаний Показания по сухому термометру Тс,С
(Тс-Тв),С 40 50 60 70 80 90 100
0 40 50 60 70 80 90 100
5 33,9 44,1 54,3 64,5 74,6 84,7 94,7
10 26,9 38,1 48,5 58,8 69,0 79,2 89,3
15 18,6 31,0 42,4 52,8 63,3 73,9 84,1
20 6,4 22,4 35,2 46,7 57,5 68,2 78,5
25 - 12,2 27,1 39,9 51,5 62,2 73,0
30 - - 16,6 32,3 44,7 56,5 67,0
Точки росы, представленные внутри таблицы, можно пересчитать в абсолютные влажности воздуха, а затем и в относительные влажности воздуха с помощью вышеприведенных таблиц.Физиологическая переносимость климатических режимов определяется суммарной тепловой нагрузкой на тело человека. Ориентировочно считается, что тепловой поток порядка 0,5 кВт/м2 (характерный уровень для пляжа в Сочи в жаркую погоду) человек переносит легко в течение 30 минут, но из-за перегрева всего тела (целиком до 390С и выше) рано или поздно может наступить общее недомогание (тепловой удар).Тепловой поток порядка 1 кВт/м2 (характерный уровень для тропического пляжа) человек переносит легко в течение 10 минут, но начинает ощущать жжение кожи.
Тепловой поток порядка 2 кВт/м2 (характерный уровень для экстремальных режимов паровых бань) человек терпит в течение 1-3 минут и покидает парилку скорее из-за жжения (пощипываний) кожи, нежели из-за перегрева тела. На рис.приведены результаты теоретических расчетов тепловых нагрузок на тело человека(складывающихся из кондуктивных, конвективных, лучистых, конденсационных теплопритоков минус теплопотери за счет испарения влаги с кожи без учета внутренних тепловыделений внутри организма). Видно, что тепловая нагрузка на тело человека сильно зависит от температуры потолка и от величины скорости воздушных потоков (например, при взмахах веника).
Сопоставляя значения температур по влажному термометру с тепловыми нагрузками в неподвижном воздухе и при температуре потолка 400С, можно убедиться, что в этих условиях температура по влажному термометруТв=400С (при любых температурах по сухому термометру) соответствует нулевому результирующему тепловому потоку на тело человека. При Тв=400 С человеку ни тепло, ни холодно с мокрой кожей, но он все же нагревается за счет внутренних тепловыделений в организме: 100 Вт в состоянии покоя, 200 Вт при легкой работе,300 Вт и более при тяжелой физической работе (ГОСТ 12.1.005-75 и СНиП II-90-81). Это типичный режим для мытья в русских и турецких банях с долгим пребыванием в банной зоне.
Для русских же парилок наибольший интерес представляет рисунок ,описывающий процесс парения взмахами веника со скоростью 1 м/сек. Видно, что все режимы экстремального парения с тепловой нагрузкой 2,5 кВт/м2 достигаются при температуре по влажному термометру Тв=550С вне зависимости от температуры по сухому термометру. Все эти режимы соответствуют времени переносимости условно 1 минута при непрерывном обдуве всего тела (одновременно и целиком)потокомвысоковлажного воздуха.Все этирежимы(с тепловой нагрузкой 2,5 кВт/м2 при взмахах веников) соответствуют в пересчете следующей последовательности метеопараметров:
Температура воздуха,С 55 60 65 70 75 80 90 100
Относительная влажность
воздуха в бане,% 100 75 58 45 36 29 18 13
Это типичные условияпарения веником,хотя иные любители предпочитают попариться покрепче. Несмотря на то, что все эти условия отвечают одним и тем же экстремальным тепловым нагрузкам от веника 2,5 кВт/м2, тем не менее опытные парильщики легко ощущают разницу этих режимов по скорости высыхания веника. Напомним,что низкая относительная влажность воздуха означает быструю просушку мокрых поверхностей, находящихся при температуре воздуха (например, листьев веника, стен, полков), но тем не менее при этом могут, наоборот, увлажняться конденсатом (росой) поверхности, имеющие температуры ниже температуры воздуха (например, кожа человека или
холодный пол в бане). Так, в сухом воздухе (с относительной влажностью 13%) при температуре 1000С мокрый веник высыхает «мгновенно» (сухой шелестящий удар веника по телу). Во влажном же воздухе (сотносительной влажностью 100%) при температуре 550С веник не высыхает совсем(мокрый шлепающий удар веника по телу). Различаются все эти режимы и ощущениями в носоглотке, и преимущественной направленностью лучистого тепла именно с потолка (имитация солнечного излучения). Тем не менее, все эти режимы обеспечивают одинаковый темп нагрева кожи,причем во всех этих режимах кожа не пересыхает (но сухой веник при ударах может «вытирать» потеющую и увлажняемую росой кожу).
В нынешних развлекательных дачных банях с металлическими печами («под сауну») для экстремального парения чаще всего предпочитают температуры повыше 70-1000С (а то и выше «для куража») с пониженными относительными влажностями воздуха 13-45%, ограничиваясь ритуальными пошлепываниями распаренным в кипятке веником. Этот режим позволяет сберегать от воздействий воды и загрязнений деревянную обшивку стен парилки. Но этот режим парения фактически отвечает «финскому паровому парению» в сауне-спорте (при котором,взмахи веника не приводят к существенному увеличению теплового потока на тело).
Поэтому «истинные знатоки бань» отстаивают «настоящий русский режим легкого пара» 60-700 С с относительной влажностью воздуха 45-75%,прикоторомвзмах веника уже заметно повышает тепловой поток на тело человека с 1,5 кВт/м2 до 2,5 кВт/м2 (что уже вполне ощутимо и позволяет «прокаливать» кожу взмахами веника). Кстати, такие температуры сложней всего получать в банях, поскольку кирпичные печи в состоянии прогреть помещение лишь до уровня 400С, а металлические печи черезчур перегревают потолок помещения до 1000С.
Приходится использовать кирпичые печи с мощными каменками (не только для увлажнения воздуха, но и для нагрева помещения) или металлические печи с одновременным охлаждением и увлажнением стен водой (см.далее), что требует определенного мастерства. Поэтому этот режим условно относят к городским парилкам с легким паром.В деревенских же бытовых банях отдельных парилок нет -где моются, там и парятся. Причем парение и является самой сутью древнего парового метода мытья веником. Для максимального выделения горячей росы при взмахах веника необходимы высокие абсолютные влажности воздуха. Из рис. видно, что при фиксированной тепловой нагрузке на организм максимальная абсолютная влажность воздуха соответствует низким температурам 50-600С. Именно в этом режиме происходит наиболее резкое увеличение теплового потока на тело при взмахе веника с 1кВт/м2 до 2,5кВт/м2. Иименно в этом режиме происходит максимальное выделение росы на тело, обеспечивающее возможность мытья. Ясно, что в условиях высокой относительной влажности воздуха 75-100% веники и полки в мытейных избах не высыхают даже при повышенных температурах 50-600С. Это, пожалуй, и есть «самая настоящая паровая баня»,хоть и душная, но комфортно теплая для мытья (хорошо переносимая человеком в неподвижном воздухе без взмахов веника) и в то же время тут же преобразующаяся в экстремальную при взмахе веника.
Таким образом, мы установили, что метеообстановку в паровой бане можно объективно оценивать (при необходимости) по одному-единственному параметру, легко измеряемому даже в автономном деревенскомбыту - по показанию влажного капиллярного термометра. При температуре по влажному термометру 350С можно комфортно мыться в тазу,при 400С можно длительно комфортно прогреваться, при 550С можно экстремально париться и мыться росой.Но на практике зачастую возникают затруднения по методам достиже-
ния указанных параметров, особенно при субъективном контроле метеообстановки только с помощью органов чувств. Что лучше - подогреть воздух в бане с помощью печи или увлажнить воздух с помощью полива воды на каменку?
Попробуемохарактеризовать результат нагрева или увлажнения неким «вектором У» - стрелкой, указывающей, как изменяется метеообстановка в бане (как смещается метеоточка) при том или ином воздействии. Направление вектора У будем пояснять положением стрелки на циферблате часов. Так, вектор У на рис. направлен на «полвторого» и отвечает самому быстрому изменению тепловой нагрузк на тело при изменении параметров бани. А вот если вектор У направлен примерно на «пол-одиннадцатого»илина «полпятого» (вдоль прямых на рис.отвечающих постоянству тепловой нагрузки или температуры по влажному термометру), то тепловая нагрузка изменяется слабо.
Если нагревать баню без увлажнения воздуха, то вектор У будет направлен горизонтально на «три» (а если охлаждать - на «девять»), поскольку абсолютная влажность воздуха при этом не изменяется. Если не нагревать баню, а только увлажнять воздух паромтак, чтобы не выпадал конденсат, то вектор У будет направлен вертикально вверх на «двенадцать» (а если осушать воздух - на «шесть»). Видно, что для существенного увеличения тепловой нагрузки на тело лучше было бы одновременно и нагревать, и увлажнять воздух.
Если сильно увлажнить воздух (мощной поддачей на каменку) так,чтобы пар сконденсировался на потолке и стенах, то вектор У будет направлен на «час» при непористых стенах и на «два» при пористых гигроскопических (деревянных) стенах, поскольку теплота конденсации нагревает потолок. При абсолютной сухости гигроскопического потолка,вектор К может быть направлен даже практически на «три», поскольку весь пар тут же впитывается в потолок (режим легкого пара).Если горячий потолок в бане увлажняют не паром, а водой (опариванием), то векторУнаправлен на «полдвенадцатого» при легких смачиваниях (поскольку потолок не охлаждается заметно) и на «десять -одиннадцать» при сильных смачиваниях, поскольку испарение воды со стен сопровождается их охлаждением.Методы опаривания сейчас широко используются в банях с металлическими печами,несмотря на растрескивание и загрязнение деревянной обшивки парной. Метод опаривания традиционно использовался и при мытье-парении в топке русской печи.
