Научно-популярные статьи о бане

Климатические характеристики бани

Не побоюсь заявить, что климатические параметры в банном помещении имеют важнейшее значение. В конце концов, что же такое легкий пар, как не искусственно (и подчас искусно!) созданный набор климатических характеристик?! Приятные ощущения тепла или холода от любой водной процедуры (в том числе и на открытом воздухе) достигаются лишь при вполне определенных соотношениях пяти параметров:

— температуры воздуха;

— влажности воздуха;

— температуры воды;

— скорости движения воздуха;

— интенсивности инфракрасного излучения (от печки, очага, солнца, электронагревателя и т. п.).

В бане все эти параметры могут быть различными для разных участков тела, более того, на практике они всегда различны, а для максимального комфорта они просто должны быть различными — в зависимости от физического состояния человека в данный момент времени, а также целей водной процедуры.

Древнейшие типы бань, в том числе традиционные русские, в силу ограниченных технических возможностей использовали лишь первые три фактора, причем главным параметром, безусловно, считалась температура воздуха. Точкой отсчета при этом является нормальная температура тела человека (36–37 °C). Температура внутренних органов обычно на 1–2 °C выше, а температура кожи существенно ниже, например: для пальцев ног — это 24 °C, кончика носа — 25 °C, пальцев рук — 28 °C, прикрытых частей тела — 30–34 °C. В том, что кожа в разных местах прогревается по-разному, легко убедиться: достаточно приложить ладонь к своей щеке, лбу, колену, и вы сразу почувствуете разницу в количестве тепла, исходящего изнутри тела. В коже расположены органы, дающие сигнал в мозг о температуре — так называемые периферические терморецепторы. Есть и центральные терморецепторы, расположенные внутри тела в различных областях головного и спинного мозга, реагирующие на изменение температуры внутренней среды (в частности, крови, омывающей нервные центры). Терморецепторы являются элементами центральной нервной системы, которая совместно с эндокринной системой осуществляет терморегуляцию тела человека посредством изменения проводимости кровеносных сосудов, не ощущаемой мелкой и ощущаемой (озноб) мышечной дрожи, потовыделения, а также осознанных действий. Ясно, что в тепле ощущение приятной расслабленности в теле возникает при отключении механизма мышечной дрожи за ненадобностью.

Казалось бы, температура воздуха З6 °C во всех случаях является наиболее комфортной — ни холодно ни жарко. Но это далеко не так. При этой температуре воздуха человеку очень жарко, если тело по какой-либо причине разгорячено (из-за физической нагрузки, перегрева в парилке или при недомогании), либо очень холодно, когда тело предварительно переохлаждено. Состояние комфорта обеспечивается не температурой воздуха, а температурой внутренних органов, которая не должна отклоняться от номинала (во всяком случае, даже отклонения в 2–3 °C воспринимаются крайне болезненно).

Температура кожи, наоборот, может кратковременно повышаться (например, рук и ног до 55 °C, губ до 90 °C) или понижаться в известных пределах без потери ощущения комфортности, что с успехом используется в банях всех типов (чтобы согреться, охладиться, встряхнуться, расслабиться, продезинфицировать кожу и т. п.).

При перегреве внутренних органов на поверхность кожи начинает поступать пот, на 98–99 процентов состоящий из воды, причем в экстремальных случаях человек способен выделять пот со скоростью до 2 л в час, что соответствует максимальной мощности теплоотдачи телом человека через испарение на уровне 1200–1500 Вт (до 2 лошадиных сил!).

Выделяющийся пот в зависимости от климатических условий может либо тотчас испаряться (назовем это режимом потоотделения), приводя к охлаждению тела, либо вовсе не испаряться (это будет режим потения). В условиях потения эффект охлаждения отсутствует, тело еще больше перегревается и, стремясь охладиться, все больше и больше отдает пот, но безрезультатно. При этом человек чувствует себя дискомфортно, не чувствует облегчения от накапливающегося и текущего по телу пота. В повседневной жизни длительное потение считается вредным, противоестественным явлением, в быту оно часто связано с использованием влагонепроницаемой синтетической либо слишком теплой одежды, а также с заболеванием. Вместе с тем можно сказать вполне определенно — сам процесс выделения пота (вне зависимости от того, каковы его последствия — потоотделение, потение или промежуточная форма) абсолютно естественен для человека, абсолютно не вреден, более того, в условиях бани полезен. Но главное — без выделения пота нет ощущения тепла, комфортности водной процедуры. Так уж устроен теплокровный организм.

Таким образом, пот является признаком комфорта в бане, а потоотделение (то есть именно испарение, а не просто выделение пота на коже) является «штатным» средством охлаждения тела в случае его перегрева под действием внешних климатических условий, физических нагрузок, эмоционального состояния, болезненности организма.

Испарение воды является механизмом охлаждения и в неживой природе. Проведем следующий эксперимент. Нагреем баню до 40 °C, поместим в нее два обычных стеклянных спиртовых капиллярных термометра и обмотаем нижние резервуары термометров ватой. Один из термометров назовем сухим, а другой, смочив на нем вату водой, влажным. Снимем показания обоих термометров при разных относительных влажностях воздуха в бане и получим следующую таблицу, которая известна каждому метеорологу и называется психрометрической (таблица 1).

Что же дает нам эта таблица применительно к бане? Предположим, мы вошли сухими в баню, нагретую до температуры 40 °C. Так же, как и сухой термометр, мы начинаем нагреваться до 40 °C, нам становится тепло. Протрем себя мокрой, пусть даже нагретой до 40 °C горячей тряпкой (или просто подождем, пока на коже появится пот). Казалось бы, ничего не должно случиться. Но — чудо! Если баня сухая с относительной влажностью до 48 процентов, наше тело (так же, как и влажный термометр) начинает охлаждаться! Теоретически — вплоть до 30 °C. Становится очень холодно. Значит, надо повышать температуру воздуха, чтобы не замерзнуть.

Но есть и другой путь. Повысим относительную влажность воздуха до 94 процентов, например, поддав воды на раскаленные камни. Тотчас наше влажное тело в соответствии с таблицей начинает нагреваться до 39 °C, нам вновь становится тепло, хотя судя по сухому термометру, температура воздуха в бане от поддачи воды практически не повысилась и осталась на уровне 40 °C.

Так что же, достаточна ли температура в 40 °C для бани? Почему нам то жарко, то холодно? Что все это означает? А это означает только одно: говорить просто о температуре бани нет смысла, надо говорить минимум о двух климатических параметрах — температуре и влажности воздуха.

Что такое сухой или влажный воздух, мы сразу интуитивно понимаем кожей. Но что такое влажность воздуха, как ее измерить?

Первичным объективным показателем является абсолютная влажность воздуха — массовая концентрация молекул воды в воздухе, что есть массовое содержание газообразной воды (водяного пара) в воздухе (например, количество килограммов или литров жидкой воды, испаренной в одном кубическом метре воздуха). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много — влажный. Но что значит много? Например, 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха — это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли — 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определенно сказать, что очень много, так много, как никогда не бывает.

Снова вспомним школьный курс физики и проведем простейший эксперимент. Нальем в кастрюлю воду и, закрыв крышкой, поставим в термостат-духовку, нагретую до 40 °C. По мере нагрева воды до 40 °C замеряем абсолютную влажность воздуха под крышкой, которая, повышаясь, наконец достигает некоторого предельного максимального значения 0,05 кг/м³, называемого плотностью насыщенного пара при 40 °C. Затем поднимаем температуру термостата до 50 °C, абсолютная влажность воздуха под крышкой также повышается и достигает уже другого максимального значения 0,08 кг/м³, называемого плотностью насыщенного пара при 50 °C. В результате продолжения эксперимента получаем следующую таблицу (таблица 2).

При 100 °C давление насыщенного пара достигает атмосферного значения, весь объем кастрюли заполняется парами воды, воздуха под крышкой не остается.

Теперь начнем охлаждать термостат. Абсолютная влажность воздуха (содержание водяных паров в воздухе над водой под крышкой) начинает сокращаться в полном соответствии с таблицей. Куда же пропадает вода из воздуха? Так же, как и при нагревании, вода в воздух попадала путем испарения, так и сейчас — излишний пар конденсируется, то есть сжижается, превращается обратно в воду. Конденсироваться пар может на охлаждающихся стенках кастрюли в виде капель воды (то есть в виде росы), а также в объеме охлаждающегося воздуха в виде тумана (капелек воды в воздухе). При этом температура, например, 40 °C называется точкой росы для абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м³, так как при этой температуре начинает выделяться роса. Из таблицы 2 следует, что содержание воды в воздухе в виде водяного пара не может быть сколь угодно большим и ограничено при каждой температуре неким максимальным значением, которое быстро растет с температурой. Наиболее естественно определить степень влажности (сухости) воздуха отношением реальной абсолютной влажности воздуха в данный момент к той максимально достижимой абсолютной влажности воздуха, которая рано или поздно установится при этой температуре. Называется это расчетное отношение относительной влажностью. Оно имеет смысл лишь при указании температуры, на которую рассчитано, и измеряется в процентах. Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность равна 100 %, то воздух максимально влажен в том смысле, что при этой температуре процессы испарения более невозможны (но вновь становятся возможными при повышении температуры).

Таким образом, процесс повышения абсолютной влажности воздуха под крышкой кастрюли, если в ней есть вода, характеризуется повышением относительной влажности воздуха от нуля до ста процентов. При этом длительное нахождение человека в воздухе с температурой, например, 40 °C и влажностью 100 % эквивалентно нахождению в воде, нагретой до 40 °C. Относительная влажность указывает, может ли увеличиться влажность воздуха, если воздух привести в контакт с водой той же температуры, и на сколько она может увеличиться, то есть фактически характеризует потенциальную влагоемкость воздуха.

Конкретизируем эти абстрактные рассуждения и рассмотрим в качестве примера турецкую баню, представляющую собой каменное помещение, нагреваемое горячим полом — гипокаустом. По существу, турецкая баня является той же каменной «кастрюлей», которую мы для анализа использовали выше. Проветрим сухую баню наружным атмосферным воздухом с температурой, например, 30 °C и абсолютной влажностью 0,024 кг/м³ (что соответствует значению относительной влажности воздуха 80 %), затем, сохраняя полы сухими, закроем двери и нагреем баню до 40 °C. Воздух в бане тоже нагреется до 40 °C и сохранит ту же абсолютную влажность 0,024 кг/м³, так как в бане нет воды, которая могла бы испаряться. При температуре 40 °C абсолютная влажность 0,024 кг/м³ соответствует значению относительной влажности 48 %. Как мы видели при обсуждении психрометрической таблицы, при такой относительной влажности баня при увлажнении тела представляется очень холодной.

Окатимся горячей водой с температурой 40 °C или просто плеснем воду на горячий пол. Относительная влажность 48 % означает, что при этой температуре в воздух может испариться еще 52 % воды. Вот она и будет испаряться, пока абсолютная влажность не достигнет табличного для 40 °C значения плотности насыщенного пара 0,05 кг/м³, отвечающего относительной влажности воздуха 100 %. Баня становится горячей, такой, как и полагается быть турецкой бане.

Теперь вытрем все полы насухо и тряпки удалим из помещения бани. Наше тело продолжает потеть, но пот не испаряется, так как воздух взять в себя воды при этой температуре больше не может. Системы самотерморегуляции тела оказываются неработоспособными. Температура кожи уже давно равна 40 °C, но и температура тела (его внутренних органов) неуклонно растет до 40 °C, приближается состояние теплового удара.

Слегка проветрим баню, влажность воздуха снизится. Станет полегче, так как пот начнет испаряться, охлаждая тело. Но испаряющаяся влага рано или поздно вновь приведет к повышению влажности воздуха, причем лишь до 0,05 кг/м³, когда все процессы испарения вновь прекратятся.

Попробуем нагреть всю баню с сухими полами и с воздухом фиксированной влажности 0,05 кг/м³ до более высоких температур. При этом относительные влажности воздуха могут быть рассчитаны как частное от деления значения реальной абсолютной влажности 0,05 кг/м³ на значения плотности насыщенного пара при разных температурах. Полученную таблицу (таблица 3), а также соответствующую кривую на рис. 1 назовем хомотермальными (от латинских слов homo (человек) и thermae (теплые купальни).

Мы видим из таблицы, что одна и та же баня с одним и тем же воздухом и с одними и теми же значениями концентрации паров воды может быть то сухой (при высоких температурах), то влажной (при низких температурах). При температурах ниже 40 °C может даже выпасть конденсат, в том числе и в виде тумана.

Казалось бы, что если мы сумели путем нагрева сделать воздух в бане вроде бы как сухим (в смысле низкой относительной влажности), то пот должен начать легко испаряться, охлаждая тело. Но это не так. К примеру, вы сидите на полке финской бани, рядом с вами гигрометр, указывающий относительную влажность 9 %, температура по сухому термометру 100 °C. Смачиваете веник — сохнет моментально. Сохнет и вода, разлитая на полке. Смачиваете кожу водой — не сохнет! В то же время кончики волос на вашей голове сохнут, становятся горячими… Поддадим воду на камни. Веник как сох, так и сохнет. А у вас по коже пот потек ручьем. Но пот почему-то несоленый. Потому что и не пот это вовсе, а конденсат из воздуха, роса! Роса мелкая и горячая. Щиплет, покалывает. Ясно, кипяток ведь…

В чем дело? А дело в том, что относительная влажность — понятие, имеющее смысл лишь в изотермических условиях, когда все вокруг имеет одну и ту же температуру. А у нас в бане все горячее, кроме тела человека, который нагреться выше 40 °C не может. Вернее, не может себе позволить, будучи в здравом уме, перегреться по физиологическим соображениям. Нормальный человек просто выскакивает из бани, когда перегревается. Но если тело человека является самым холодным элементом бани, то на него и конденсируется. вода, испаряющаяся отовсюду — с веника, с полок, с каменки…

Вот и получается, что в бане воздух по гигрометру сухой, но, соприкасаясь с относительно холодной кожей, неминуемо охлаждается, его относительная влажность локально вблизи кожи повышается вплоть до 100 %. Для человека не столь уж важна температура бани, поскольку она может лишь несколько изменить тепловую нагрузку на организм. Куда больший смысл имеет абсолютная влажность воздуха — при влажности 0,05 кг/м³ человек полностью теряет способность испарять с себя влагу, теряет способность к самотерморегуляции.

Вышеприведенная хомотермальная таблица, полученная простейшим расчетным путем, практически в точности описывает реальные климатические условия парных бань всех возможных типов — турецких, русских, финских… Для всех бань характерна одна и та же критическая абсолютная влажность порядка 0,05 кг/м³, что с первого взгляда просто крайне удивительно. Не менее удивительно и то, что все известные климатические условия бань могут быть достигнуты в конструкции типа простой турецкой бани.

Многие люди, в том числе и некоторые врачи, по наивности полагают, что климатические режимы различных традиционных парных бань специально разработаны «многовековым опытом многочисленных поколений предков». Это глубочайшее заблуждение. Других режимов, помимо приведенных в теоретической хомотермальной таблице, просто не существует в природе. Все, что ниже хомотермальной кривой, соответствует режимам потоотделения (в сочетании с потением). Все, что расположено на хомотермальной кривой, соответствует режимам потения без испарения пота и без осаждения конденсата. Все, что выше хомотермальной кривой, соответствует потению и осаждению горячего конденсата (росы) — классический случай русской паровой бани с кратковременным гипертермальным воздействием на кожу.

Для конструирования бань важно понять не только то, что при определенной температуре воздуха человек способен выдержать лишь некоторую максимальную относительную влажность, о чем так много говорят в литературе. Куда более важно понять, что вне зависимости от температуры человек способен выдержать в бане лишь некоторую ограниченную абсолютную влажность воздуха. Правда, ощущение климатической комфортности у всех людей разное: иные любят пусть кратковременно, но «погорячее». Ну что же, мы ведь говорили, что руки и ноги держат не только температуру 40 °C, но легко при постепенном разогреве даже 55 °C, а туловище настолько массивно, что разогревается долго. Отсюда и экстремальная хомотермальная кривая, рассчитанная на 55 °C (см. рис. 1). Хомотермальная кривая, рассчитанная на 55 °C, является пределом человеческих возможностей даже для кратковременного парения в течение 1–2 минут.

Теперь рассмотрим случай финской бани, конструктивно представляющей собой деревянный ящик с раскаленной печью. Ранее, при анализе турецкой бани как «кастрюли с крышкой», в которой температуры воздуха, потолка, стен, пола и воды подразумевались равными друг другу (изотермическая баня), только человек имел другую температуру, а именно 40 °C. Но в финской бане температура потолка всегда намного выше температуры пола и вовсе не равна температуре воздуха. Поэтому для анализа климатических характеристик в финской бане надо рассматривать каждую точку бани (неподвижную или, что бывает порой даже удобней, движущуюся вместе с хаотическим потоком воздуха) в отдельности.

В качестве простейшего примера мысленно выделим небольшой объем воздуха в непосредственной близости от разгоряченной кожи человека, где температура воздуха всегда составляет 40 °C, а абсолютная влажность соответствует равновесной порядка 0,05 кг/м³. Далее этот выделенный объем вместе с потоками воздуха в бане начнет перемещаться, то поднимаясь вверх (при нагревании у печки), то опускаясь вниз (при охлаждении у стен). Если процессов испарения-конденсации нет (а такое утверждение весьма спорно), то абсолютная влажность в выделенном объеме не изменяется, но относительная влажность изменяется всегда в полном соответствии с хомотермальной таблицей.

Поэтому в финской бане (финской по конструктивному оформлению) мы всегда имеем сухую баню у потолка (где самая высокая температура) и влажную паровую баню ближе к полу (где самая низкая температура). Таким образом, все известные банные режимы, «подобранные многовековым опытом человечества», сами собой реализуются одновременно и в финской сауне. Результат, согласитесь, нетривиальный. Правда, здесь есть важные нюансы, связанные с переносом воды в неминуемых процессах переконденсации, которые мы рассмотрим позднее.

Наиболее любознательные любители бани пытаются контролировать климатические параметры в бане с помощью гигрометров. К сожалению, знание относительной влажности мало что дает парильщику, необходим пересчет по хомотермальной таблице. Рекомендуем для оценки климатической обстановки очень простой, крайне дешевый и безошибочный прибор: любой капиллярный термометр, резервуар которого обмотан ватой, то есть обычный влажный термометр. Зафиксировав показания сухого термометра, слегка смочим вату водой (лучше горячей) и проследим, как изменяются показания термометра, пока не высохнет ватка. Если температура по влажному термометру выше 50 °C (кратковременно бывает и до 60 °C), то это очень жаркая парилка для любителя (экстремально «ошпариться»), если 40–50 °C — это нормальная парилка, чтобы не спеша погреться и расслабиться, если 35–40 °C — это хорошая климатическая обстановка, чтобы помыться после парной. Температура по обычному сухому термометру не играет роли, можно мыться даже при 100 °C, другое дело, длительно удержать в процессе мойки температуру по влажному термометру 35 °C очень трудно: необходимо постоянно осушать воздух или вентилировать баню, что экономически нецелесообразно.

Еще более точный метод оценки абсолютной влажности (но, к сожалению, довольно сложный) — определение точки росы, которая при абсолютной влажности 0,05 кг/м³ составляет ровно 40 °C. Во всяком случае, при проектировании стен бани надо исходить из точки росы 40 °C.

Принцип работы прибора по определению точки росы заключается в подборе той температуры поверхности (желательно зеркальной стеклянной или металлической), при которой под микроскопом можно заметить появление мелких капелек росы. Однако убедиться в том, что достигнут режим конденсации, можно сравнительно легко с помощью крайне упрощенного «прибора»: ведра с температурой воды 40 °C или блестящей пластинки, прикрепленной к телу человека (металлического брелока, браслета или даже обычной липкой ленты-скотча, лучше металлизированной). При достижении точки росы 40 °C (то есть достижении режима настоящей русской парилки) на ведре, брелоке или скотче, протираемых сухим полотенцем, появляются мелкие капельки росы.

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.

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!