Научно-популярные статьи о бане

Аэродинамический расчет бани

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 влажности выше 0,05 кг/м³ на кожу человека конденсируется влага из воздуха в виде горячей росы. Все это приводит к тому, что высокую абсолютную влажность человек длительно выдержать не может.

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 объем сауны равен 10 м³, причем 7,5 м³. из них заняты циркулирующим воздухом, а 2,5 м³ — застойными зонами, печью и другими неподвижными объектами. В соответствии с обычными житейскими представлениями для создания необходимой абсолютной влажности воздуха порядка 0,05 кг/м³ в такой бане достаточно испарить 0,5 л воды, что легко осуществимо. Стандартный бытовой электрокипятильник (парогенератор, электрочайник) мощностью 1,3 кВт даст столько пара за 20 минут, а каменка с массой камней 100 кг может выдать 0,5 кг пара за несколько секунд (при мощности каменки по парообразованию до 300-1000 кВт!). В действительности же ввиду наличия циркуляции воздуха высокая абсолютная влажность может продержаться очень недолго, а может быть, и вовсе не будет достигнута.

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.

Во всяком случае, концепция современной финской сауны подразумевает исключительно сухие климатические параметры с возможными кратковременными волнами жара при поддачах. Если все же поставить перед собой задачу постоянно поддерживать в такой схеме высокую абсолютную влажность воздуха порядка 0,05 кг/м³ и выше, то придется постоянно лить воду на каменку с расходом 60 л в час. И вот эта масса воды должна куда-то деться: либо сконцентрироваться на холодном полу и стенах, либо выйти наружу в виде тумана (клубов пара) с вентиляционными потоками. Тем не менее этот бессмысленный с экономической и технической точки зрения режим используется финнами в соревнованиях по сауна-спорту: через каждые полминуты на камни поддается пол-литра воды. Правда, приглядевшись внимательнее, находишь и смягчающие обстоятельства: действительно, только такой установившийся банный режим обеспечивает равенство условий для всех участников всех заходов в условиях длительного соревнования в одной и той же стандартной коммерческой банной кабине.

Продолжим анализ банной схемы, представленной на рис. 2. Прогрев каменку, гасим печь. При этом получаем фактический режим «черной бани» (дымной сауны) или «белой бани» с открытой каменкой. Положим, что мощность каменки по нагреву воздуха составляет 2 кВт. Автоматически кратность циркуляции воздуха сокращается (по сравнению с горящей печью) в 10 раз (до 12 раз в час). Это означает, что при поддаче можно рассчитывать на сохранение высокой влажности около 5 минут. Это уже приличное время.

Получившийся режим с открытой каменкой имеет две характерные особенности. Во-первых, линейные скорости упорядоченных циркуляционных потоков становятся сопоставимыми с линейными скоростями движения веника и перемещения людей.

Если в режиме сауны линейные скорости перемещения воздушных масс составляют 1–5 м/сек, то в режиме открытой каменки они снижаются до 0,1–1 м/сек. Это значит, что открывается возможность «вручную» управлять потоками пара. Имеются в виду традиционные русские операции «разгона пара» по стенам и потолку, «посадки пара» по стенам и потолку, а также «посадки пара» на пол, чтобы осушить воздух и сделать «пар легким».

Во-вторых, при относительно низких мощностях каменки (по нагреву воздуха) воздух достигает потолка с температурой, как правило, ниже 100 °C (в отличие от сауны). Это открывает возможность искусственного увлажнения потолка, в том числе конденсацией влаги из влажного воздуха. При температурах же потолка сауны 100° и выше увлажнение потолка принципиально невозможно, поскольку равновесное давление пара над водой при этих температурах равно атмосферному и выше, вода, если она и появится на потолке, вскипает, и потолок быстро осушается. Таким образом, если температура потолка ниже 100 °C (а лучше — ниже 80 °C), пар из каменки, достигнув потолка, а затем постепенно испаряясь, увлажняет воздух между поддачами (влажная баня).

Метод сглаживания волн жара между поддачами путем увлажнения потолка (и верхних частей стен) становится определяющим и для бань с закрытой каменкой (паровых). Чтобы получить режим паровой бани, надо закрыть каменку негорючей теплоизолированной крышкой. При этом мощность нагрева воздуха снизится до минимума, например, в 4 раза и составит величину, порядка 0,5 кВт. Это значит, что скорость упорядоченной циркуляции снижается до 3 крат, а линейные скорости воздуха за счет нагрева от каменки составят всего 0,01 — 0,3 м/сек.

Получилась практически неподвижная баня, представляющая собой единую застойную зону, движения воздуха в которой полностью определяются движениями веника (опахала) и перемещениями людей. Потолок в такой бане нагреть до температур выше 60–80 °C трудно. При поддачах пар может «гулять» по объему бани до 20 минут, пока не сконденсируется, например, на теле человека или на полу. На практике же движения веников быстро «сажают пар» на холодные элементы бани и баня быстро высыхает, или, как говорят в народе, «выстуживается». Поскольку в паровых банях из-за относительно низких температур снижение влажности воспринимается как холод («только проветрил паровую баню и сразу лютый мороз»), в них используют прием увлажнения потолка паром. Этот увлажненный горячий потолок, высыхая, долго выполняет роль «мягкого» парогенератора (парового колпака).

На практике это выглядит следующим образом: под крышку закрытой каменки (или в дверцу закрытой каменки кирпичной печи) плещут (может быть порциями) необходимые 0,5 л воды. Получившийся пар с температурой выше 100 °C вырывается из каменки, образуя малоподвижную, медленно рассасывающуюся (ввиду малых скоростей циркуляции воздуха в бане) горячую паровую зону, перемещающуюся вверх. Объем этой паровой зоны при столь мощной однократной поддаче велик: от 1 м³ и выше. Оберегаясь от пара, движениями веников эту зону можно «посадить» на холодный пол, где пар тотчас сконденсируется, нагревая пол, изготавливаемый обычно в отличие от сауны из деревянных досок. Но опытные банщики предпочитают разгонять пар по стенам и потолку, чтобы увлажнить именно эти горячие зоны. Движения веника должны быть плавными, чтобы не слишком перемешать паровую зону с воздухом бани и не слишком снижать концентрацию пара.

Так, плотность насыщенного пара, вырывающегося из каменки, при 100 °C равна 0,58 кг/м³. Этот пар можно быстрыми резкими движениями веника сразу же разбавить десятью объемами воздуха и получить критическую абсолютную влажность в бане -0,05 кг/м³ на относительно короткое время. А можно плавными движениями веника разбавить его лишь в 2 раза, получив воздух с абсолютной влажностью — 0,29 кг/м³ и направить его к потолку, имеющему температуру, например, 60 °C. Там он осушится до 0,13 кг/м³ за счет выделения в потолок росы в количестве 0,16 кг с 1 м³ влажного воздуха. Если разбавить в 4 раза, то осядет лишь 0,05 кг воды. А если — в 5 раз, то на потолке вода уже вообще не сможет сконденсироваться, и он станет сухим. Так что для эффективного увлажнения потолка пар из каменки лучше вообще в баню не выпускать и не разбавлять, а направить его по трубе из каменки прямо на потолок. Так будет, кстати, и более безопасно для людей. При этом можно сделать даже несколько поддач по 0,5 кг, лишь бы потолок смог всю эту массу пара сконденсировать и удержать.

Вообще-то идея направлять пар не вниз, а на потолок смущает до сих пор очень многих. А мысль об обязательном увлажнении потолка порой просто не умещается в голове. Между тем суть паровой бани состоит именно в том, что парогенератором в настоящей паровой неподвижной бане является горячий влажный потолок, создающий при температуре 60° абсолютную влажность 0,13 кг/м³, а при 70° — 0,20 кг/ м³ что превышает критическое значение для конденсационной бани -0,05 кг/м³. Именно этот влажный жгучий воздух у потолка «захватывают» веником при парении и направляют на тело человека, чтобы выделить на его коже горячую росу, обжигающую тело и смачивающую веник. А простые ритуальные похлопывания веником по телу — обычный развлекательный массаж, возможный в бане любого типа.

Еще более неожиданной может оказаться догадка о том, что горячий влажный потолок русской паровой бани при 60 °C — это то же самое, что горячий мокрый пол турецкой бани. Сразу отметим, что скорость циркуляции воздуха в турецкой бане также минимальна. Турецких бань с сильной циркуляцией или вентиляцией не бывает. А вот каменные русские паровые бани бывают. Громадное количество советских городских коммунальных бань отказалось в свое время от архаичных печей с закрытыми каменками и использовали централизованный магистральный острый пар от парового котла с температурой до 160 °C и давлением до 6 атм. Пар выпускался прямо в каменную парилку с кафельными полами, со стенами, облицованными плиткой, с оштукатуренным пористым (даже побеленным известью) потолком. После прогрева и увлажнения потолка пар отключали и в парилку впускали людей. Полы в парилке периодически охлаждали шлангом с холодной водой, выпускаемой через трап в полу.

Выпуск пара из закрытой каменки к потолку издавна применялся в российских городских банях. В качестве примера отметим шедевр русского банного строительства — печь-каменку в Воронинских банях конструкции П. Ю. Сюзора (1872 год), сочетающую открытую каменку на металлическом поддоне с закрытым монтажом в корпусе кирпичной печи (см. БАНБАС, № 2(14)/2001 г, стр. 15). Хорошо спроектированная система равномерной подачи пара на всю поверхность потолка во многом упрощает работу банщика. В обычных же случайных конструкциях бань требуется «особое банное мастерство», которое так призывают хранить все любители бани, но которое обычно не могут ни описать, ни объяснить словами.

К элементам такого мастерства безусловно следует отнести умение управлять циркуляцией воздуха, подать пар вверх, не разбавляя и не охлаждая его чрезмерно, а также подобрать температуру полов (чтобы при необходимости посадить пар) и потолка (чтобы обеспечить необходимую абсолютную влажность воздуха). Выше мы уже подчеркивали важность минимального разбавления пара, но при разбавлении падает и температура паровоздушной смеси. Поэтому при неудачно выбранной схеме вывода пара из каменки, необходим существенный перегрев пара (умение плеснуть воду в нужное место каменки и желательность повышенной температуры камней) и лишь для того, чтобы пар смог достигнуть потолка, не сконденсировавшись по пути в туман. И хотя туман может тотчас вновь испариться (как «пар» из чайника), но вторичный пар увлажнить потолки уже сможет из-за низкой абсолютной влажности воздуха.

Впрочем, увлажнять потолок в паровой бане можно и любыми иными путями. Например, обливать потолок водой из шланга, спрыскивать его пульверизатором или брызгами со смоченного веника, протирать мокрой тряпкой или развешивать мокрые простыни повыше… Все это будет работать не хуже каменки. А каменку можно использовать для доводки режима, для дополнительных волн жара.

К примеру опишем процедуру получения острого пара московскими татарами в 1950–1960 г. г. в ныне уже не существующих городских общественных Потешных банях. Татары мылись по четвергам. Просили всех выйти из протопленной (и чаще всего перетопленной) деревянной парной, тщательно все проветривали, открывая окошки, затем по мусульманским обычаям тщательно мыли (а на самом деле увлажняли и остужали) горячий потолок и стены горячей водой из шланга, затем окна закрывали, слегка, совсем по чуть-чуть поддавали на камни и разгоняли пар по потолку и стенам развернутой простыней, удерживаемой за углы, снова чуть-чуть поддавали и снова разгоняли, пока жар не становился невыносимым. Затем желающих приглашали войти, но таких оказывалось среди горожан мало, а те, кто входили — сразу же выскакивали. А татары смеялись и парились с веником на самом верху парной. Такой жар длился очень долго, пока не высыхал потолок.

Раз потолок столь важен для получения парной бани, сформулируем основные технические требования к нему. Во-первых, он должен быть пористым, вернее гигроскопичным, впитывающим влагу. Например, деревянным. Древесина имеет 50 %-ную пористость, причем каналы идут вдоль волокон. На рис. 3 представлена диаграмма равновесной влажности древесины (Лесная энциклопедия, т. 1, М., «Советская энциклопедия», 1985, стр. 278). По оси ординат — относительная влажность воздуха, по оси абсцисс — температура воздуха, цифры у кривых — относительная влажность древесины в процентах. Допустим, что в начале до поддачи в бане была относительная влажность воздуха 38 процентов при температуре 60 °C (абсолютная влажность 0,05 кг/м³).

Древесина потолка при этом имела влажность 6,5 процента. После поддач полностью увлажненная древесина потолка при температуре 60 °C и относительной влажности воздуха 100 процентов будет содержать уже 26 процентов воды. То есть при массе потолка 50 кг (площадью 5 метров в квадрате и толщиной 2 см) масса поглощенной влаги может теоретически составить около 10 кг (около 20 поддач по 0,5 кг воды!). Так что, влагоемкость потолка и его потенциальная способность выдавать пар весьма значительны. И это очень важно для хорошей парной. Поэтому обрабатывать потолок водоотталкивающими средствами нецелесообразно. В качестве материала для потолка можно использовать также штукатурку, пенобетон, пенокерамику и другие минеральные гигроскопические материалы, причем желательно с как можно более высокой теплоемкостью Естественно, можно даже разработать и изготовить на принципе горячего влажного потолка специальные потолочные парогенераторы с пористым теплоемким блоком, нагревателем и увлажнителем.

Что нельзя использовать на потолке паровой бани, так это водонепроницаемые материалы, в частности, листовой металл. В сауне на потолке он работает очень хорошо, а в паровой бане на нем образуются капли горячей воды, капающие вниз. Это не только уменьшает до крайности влагоемкость потолка, но и неприятно действует на парильщиков. В то же время появление капель воды на потолочных металлических элементах (например, на противопожарных листах или шляпках гвоздей) может служить безошибочным свидетельством перехода влажного режима (характерного для открытых каменок) к паровому конденсационному режиму.

В этой статье мы не ставим задачи рассмотреть все многообразие режимов бань с разными конструктивными, температурными, энергетическими и климатическими параметрами, тем более «разжевывать» детали. Да это и невозможно, каждая баня по-своему уникальна. Но, зная вышеприведенные закономерности, пытливый читатель без труда уже разберется в сути аэродинамических процессов в конкретной бане. Во всяком случае, мы постарались как можно доходчивей, на одной и той же схеме бани разъяснить все три аэродинамических режима: с сильной циркуляцией (современные финские сауны), с умеренной циркуляцией (черные и белые бани с открытой каменкой) и с малой циркуляцией воздуха (белые бани с закрытой каменкой и бани с магистральным паром). При этом мы показали, как один банный режим плавно переходит в другой. Каких-либо промежуточных режимов, неизвестных пока людям, не существует. Если какая-то баня «не держит пар», то это сауна. Если в бане (даже сауне) образуется «колпак» в виде застойной зоны из горячих влажных элементов (в том числе и потолка), то это противоположный случай — паровая баня, в которой «жар стоит как марево». Естественно, переход от паровой бани к сауне может быть осуществлен не только естественной циркуляцией от печи, но и принудительной циркуляцией или вентиляцией. При этом вентилятор, правда, придется снабдить воздухонагревателем. Получится тепловая пушка (проточный электрокалорифер). А это уже современный принцип воздушного отопления, который необходимо дополнить дозированным увлажнением.

Двигаясь в этом направлении, мы вдруг начнем понимать, что в наш век надо говорить уже не о печах, каменках, увлажнителях и движителях воздуха в отдельности, а о кондиционерах для бань как единых комплексных современных агрегатах, одновременно и автоматически обеспечивающих оптимальные (желательные) метеорологические (температура, влажность и скорость движения воздуха) условия в бане, наиболее благоприятные для самочувствия людей и ведения конкретного банного технологического процесса, будь то мытье тела, отдых или развлечение, тренинг или лечение. А если учесть, что все это желательно сочетать с методом физического (массаж) и лучистого воздействия (инфракрасного и ультрафиолетового), то становится ясным, что работа над баней XXI века еще и не началась (в отличие от стремительно развивающихся душей, ванн и бассейнов).