Какая она – русская баня? Часть 3 « Строим русскую баню по уму

Какая она – русская баня? Часть 3

07 Окт

Начало темы ЗДЕСЬ .

В предыдущей статье мы кратко коснулись вопроса влияния влажности воздуха на ощущения человеком тепла, оказываемого банной атмосферой.

В настоящей статье мы рассмотрим вопросы взаимосвязи тактильных ощущений человека с количественными показателями влажности атмосферы бани.

Человек находится в бане раздетым и, как правило, с влажной кожей.

Поскольку процессов испарения еще никто не отменял, то человек чувствует охлаждение своего тела в процессе испарения с него влаги (будь то вода или пот).

Как мы отмечали ранее, ощущениям человека с влажной кожей можно поставить в соответствие показания «влажного» капиллярного термометра.

Причем, чем ниже относительная влажность воздуха, тем ниже показания «влажного» термометра относительно показаний «сухого».

Это говорит о том, что в более сухом воздухе, нагретом до заданной температуры, человек с влажной кожей будет себя чувствовать более «зябко» по сравнению с ситуацией, когда он окружен воздушной оболочкой с той же температурой, но более влажной.

Подобные зависимости показаний «влажного» термометра (Т_в,^ºС) от относительной влажности воздуха (φ,%) для различных показаний «сухого» термометра (Т_с, ^ºС) получили название психрометрических зависимостей (см.Рис.1) .

Рис.1

Заметим, что чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше разница в показаниях термометров. Это обусловлено тем, что в более сухом воздухе процесс испарения влаги протекает более интенсивно, по сравнению с воздухом, насыщенном парами воды.

Поскольку процесс испарения влаги требует затрат определенной энергии, поэтому данная энергия забирается испаряемой водой со стенок «влажного» термометра (с влажной кожи человека). При этом, естественно, происходит снижение показаний термометра, а человек охлаждается. Теплота парообразования воды при Т=40ºС равна Q = 2390 кДж/кг.

Из этого же рисунка видно, что чем более насыщен воздух парами воды (чем выше его относительная влажность φ,%) тем ближе показания «влажного» термометра к показаниям «сухого» термометра (тем ближе тепловые ощущения человека с влажной кожей к ощущениям тепла человеком с сухой кожей). При полностью влагонасыщенном воздухе (φ=100%) показания обоих термометров совпадают.

Из этого факта можно сделать следующий практический вывод.

Испаряя в воздухе парной дополнительное количество воды (повышая его влажность) при неизменных показаниях температуры воздуха по «сухому» термометру мы можем повысить свой нагрев в парной. При этом не важно, каким образом мы будем повышать влажность. Это может быть осуществлено либо путем увлажнения стен, пола, потолка разбрызгиванием горячей воды, либо испарением порций горячей воды на каменке, либо просто открыв крышку бака с кипящей водой.

Напомню, что относительная влажность φ воздуха характеризует меру насыщения его водяными парами при данной температуре, при которой вода может находиться в воздухе в газообразном состоянии, не переходя в жидкую фазу.

Другими словами относительная влажность характеризует потенциальную возможность воздуха при заданной температуре дополнительно «вбирать» в себя (поглощать) некоторое количество паров воды до того момента, когда пары не смогут находиться в воздухе в газообразном состоянии и начнется процесс их конденсации (переход в жидкое, каплеобразное состояние).

Как мы заметили, чем выше относительная влажность воздуха при заданной температуре, тем теплее человеку находиться в такой обстановке. Но значит ли это, что комфортнее всего себя будет чувствовать человек при максимальной относительной влажности воздуха в бане?

Чтобы ответить на этот вопрос нам необходимо определиться и с таким климатическим параметром банной метеообстановки как абсолютной влажностью воздуха ρ и его зависимостью от температуры.

Величина абсолютной влажности ρ характеризует массовое содержание паров воды в 1 м³ влажного воздуха и имеет размерность г/м³. Данная величина прямо пропорционально зависит от температуры воздуха: чем выше температура воздуха при данном атмосферном давлении, тем больше 1м³ такого воздуха может удержать в газообразном состоянии паров воды.

Максимальное количество паров воды (максимальная абсолютная влажность) ρ, которое может содержаться в воздухе при заданной температуре, получило название плотности насыщенного пара ρ_н(табл.1).

Таблица 1

Температура воздуха Т_с, ºС	0	20	30	37	40	45	50	55	60	65	70	75	80	90	100
Плотность насыщенного пара ρ_н, г/м³	4,9	17,3	30,3	43,9	51,2	65,4	82,8	104,0	129,5	160,1	196,4	239,3	289,7	417,3	588,5

Из анализа данных таблицы видно:

Во-первых, содержание водяного пара не может быть сколько угодно большим. Для каждой температуры воздуха при нормальном атмосферном давлении существует своя максимальная граница насыщения воздуха водяными парами. Другими словами, воздух может содержать некоторое максимальное количество водяных паров, ограниченное для каждой конкретной температуры.

Во-вторых. Плотность насыщенного пара быстро растет с температурой воздуха.

В-третьих. Если в воздухе при заданной температуре концентрация паров воды меньше плотности насыщенного пара, то при наличии компактной воды она будет испаряться, повышая плотность пара в воздухе ρ до состояния насыщенного ρ_н. Если воздух не контактирует с водой, то испаряться будет нечему и плотность пара в воздухе будет неизменной и меньше ρ_н.

А теперь посмотрим, как соотносится величина абсолютной влажности воздуха с восприятием и переносимостью ее человеком в бане при различных температурах.

Как известно, человек – существо теплокровное и представляет собой саморегулирующуюся термостабилизированную систему с температурой тела ~ 37ºС. В спокойном состоянии человек вырабатывает внутренними органами приблизительно 80-100Вт тепла. Излишнее тепло, которое вырабатывает человек при физической нагрузке или получает извне в результате воздействия климата (например, при нагреве), он пытается отдать во внешнюю среду через включение механизма потоотделения.

Выделяемый через кожу и легкие пот испаряется и охлаждает человека, стабилизируя его тепловые параметры, характерные для состояния покоя.

Но испарение пота будет происходить только в том случае, если его способен вобрать в себя воздух. То есть испарение пота будет зависеть от способности воздуха вобрать в себя дополнительный объем влаги при данных метеоусловиях: температуре и влажности.

Находясь в бане под воздействием температур, как правило, превышающих температуру человеческого тела, человек начинает нагреваться. Включается механизм потоотделения с целью не допустить перегрев организма. Если абсолютная влажность воздуха не будет превышать 44 г/м³ (плотность насыщенного пара для температуры человеческого тела ~ 37ºС, см.Табл.1) пот будет испаряться, охлаждая человека. Кожа будет оставаться сухой.

Если человек находится в парной, все элементы которой прогреты до температуры его тела ~ 37ºС и в которую нет притока свежего воздуха, то постепенно за счет процесса испарения пота абсолютная влажность воздуха в помещении достигнет критического значения для этой температуры, т.е. 44 г/м³ (относительную влажность φ=100%). Процесс испарения пота прекратится. Прекратится и процесс терморегулирования человеком температуры своего тела.

Если в этих условиях искусственно повысить влажность воздуха в парной (например, испарив на каменке ковшик воды), то дополнительно поступившая влага в воздух не сможет удержаться в парообразном состоянии. Контактируя с ограждающими поверхностями парной (в том числе и с человеком) пары воды начнут охлаждаться и конденсироваться, выделяя теплоту, затраченную на парообразование. Величина выделяющегося при этом тепла будет равна сумме теплоты, затраченной на испарение, и теплоты нагрева пара до температуры камней каменки. Человек почувствует прилив тепла к своей коже.

Конденсация паров будет происходить до тех пор, пока абсолютная влажность воздуха не достигнет отметки 44 г/м³. И только при этом процесс конденсации водяных паров из воздуха прекратится.

Но процесс терморегулирования человеком температуры своего тела не восстановится. Выделение пота будет продолжаться, но испаряться он не будет. Человек будет чувствовать определенный дискомфорт и перегрев. Это будет происходить из-за того, что дополнительная теплота испаренной воды, выделившаяся на кожном покрове человека, не может им быть отведена в окружающую среду, так как не работает механизм терморегулирования через испарение пота.

Из сказанного следует, что человек будет чувствовать себя комфортно только в том случае, если будет срабатывать механизм отвода избыточного тепла (путем потоотделения) от поверхности кожного покрова человека в процессе его прогрева.

В 2002 году доктором физ.мат.наук Юрием Михайловичем Хошевым в употребление было введено понятие хомотермальных режимов («homo» – человек, «thermae» – теплое купание). Данные климатические режимы характеризуются зависимостью относительной влажности воздуха от температуры при фиксированной абсолютной влажности, равной 50 г/м³. В виде кривой эти режимы изображены на рис.2.

Рис.2

Абсолютная влажность ρ=50 г/м³ соответствует максимальному содержанию водяных паров в воздухе при температуре Т~40ºC, т.е. плотности насыщенного пара ρ_ндля этой температуры. Этой же температуре приближенно соответствует и температура нагретого в парной человеческого тела. Именно поэтому для этих режимов и построения хомотермальной кривой была выбрана данная абсолютная влажность воздуха.

Значения относительной влажности воздуха φ% для точек, образующих хомотермальную кривую, рассчитывались путем деления значения абсолютной влажности воздуха ρ=50 г/м³ на плотности насыщенного пара ρ_н, соответствующие различным температурам (см.Табл.1).

Таким образом, все возможные метеопараметры в парной можно условно разделить на две большие группы.

В первую группу можно отнести всю совокупность температурно-влажностных режимов, при которых человек, находящийся в бане, будет испарять со своей кожи влагу (будь то вода или пот). Эта группа метеопараметров находится под хомотермальной кривой (см.Рис.2).

Ко второй группе относятся климатические параметры бани, располагающиеся над хомотермальной кривой. При этих параметрах на человеке будет конденсироваться находящаяся в воздухе влага в виде горячей росы. Температура сконденсировавшейся воды будет равняться температуре окружающего человека воздуха. Количество же осаждающейся на человеке влаги будет пропорциональна количеству влаги, находящейся при данной температуре в воздухе и превышающей порог в 50 г/м³ (плотность насыщенного пара ρ_н при температуре человеческого тела 40ºС).

При климатических параметрах, описываемых хомотермальной кривой, человек в парной будет постепенно нагреваться, начинать потеть, но не будет охлаждаться, так как процесс испарения влаги с его кожи будет отсутствовать. Не будет наблюдаться и процесса конденсации на поверхности его кожи влаги из воздуха.

Для удобства понимания значений хомотермальных параметров приведем их численные значения в Табл.2.

Таблица 2

Температура воздуха, ºС	40	50	60	70	80	90	100
Относительная влажность воздуха, соответствующая абсолютной влажности 50г/м³, %	100	62	39	26	17	12	9

При всех относительных влажностях воздуха ниже значений, указанных в Табл.2, для данных температур будет наблюдаться процесс испарения влаги (воды, пота) с кожных покровов человека.

Для влажностей воздуха, превышающих табличные значения, будет наблюдаться выпадение росы на теле человека с температурой, равной температуре окружающей среды.

Рассмотрим например. Пусть воздух в термостатированной парной характеризуется параметрами Т=60ºС и φ=50%. Это говорит о том, все элементы парной (потолок, пол , полоки, стенки печи) нагреты до температуры Т=60ºС и что абсолютная влажность воздуха при этом равна

ρ=φ*ρ_н/100%=50*129,5/100=65г/м³ (см.Табл.1). Соприкасаясь с неразгоряченным человеком, температура которого не может быть выше 40ºС, воздух охлаждается до этой температуры, передавая коже тепло. Но мы знаем, что воздух с температурой Т=40ºС может удержать в виде пара только 50 г воды в каждом кубическом метре. Лишняя вода в количестве m=65-50=15г из каждого кубометра воздуха перейдет из газообразного в жидкое состояние и сконденсируется на человеке, как самом холодном элементе парной. Самое интересное, что выпавшая влага будет иметь температуру 60^оС, т.к. это температура воздуха в парилке. При выпадении этого объема влаги ее воздействие переносится человеком достаточно легко, т.к. при данных климатических условиях (Т, φ) вода имеет возможность вновь быстро испариться в воздушное пространство с кожи человека (воздух парной далек от насыщения влагой, φ«100% ). Но если влажность в парилке значительная (например, относительная влажность φ>70%, а количество выпадаемого на человеке конденсата с каждого кубометра воздуха Δm>40г), то шестидесятиградусный продолжительный душ будет приятен далеко не каждому и очень недолго. Еще более удручающая картина будет наблюдаться при более высоких температурах воздуха и относительных влажностях.

Предел переносимости уровней теплового воздействия на кожу у разных людей может колебаться. При этом этот уровень переносимости будет зависеть от вида теплового носителя: душ ли это, вода, влажный или сухой воздух, лучевое тепло.

Так большинство людей нормально переносят горячую воду в ванне с температурой 42-43ºС в течение 15-20 мин. Температура воды в ванне 44-45ºС переносится гораздо меньшее время (несколько минут), да и то, при этом тело должно сначала прогреться в ванне хотя бы 1-2 минуты при температуре 41-42ºС. Погрузиться человеку в ванну с температурой воды 50ºС с не разогретой кожей практически не реально.

Под горячим душем (Т=45-46ºС) человек может находиться до 30 мин., а при температуре воды из душа 48-50ºС – несколько минут.

В случае принятия паровых банных процедур все зависит от соотношения величин температуры и влажности воздуха.

В турецком хамаме с Т=40ºС и 100% влажностью человек может находиться до 1 часа и более. При температуре Т=45ºС и той же 100% относительной влажности – время переносимости сокращается вдвое (20-30мин.).

В русской паровой бане где, как мы отмечали ранее, температуры колеблются от 50 до 70°С, а влажность от 60 до 80% время нахождения человека в данных условиях может колебаться от 15-20 мин. (Т=50-60ºС, φ=60-80%) до 3-5 мин. (Т=65-70ºС, φ=60-70%).

В суховоздушных саунах не парятся, а прогреваются сухим воздухом ( ρ<50 г/м³, φ<12-9%), нагретым до температур 90-100ºС. Поддача в этих условиях на каменку воды грозит обернуться ожогами, так как это равносильно осаждению на человека конденсата с температурой окружающего воздуха, то есть воды с температурой кипятка. Время переносимости суховоздушной сауны с такой влажностью не превышает 3-5 мин.

Необходимо отметить большой вклад, внесенный в тестирование различных видов бань кандидатом технических наук Владимиром Николаевичем Ляховым (http://www.gornilo.ru). Исследованные им банные режимы были нанесены на график хомотермальных режимов.

Ниже приводится рисунок с этого ресурса (см. Рис.3).

Рис. 3.

На рисунке 3 изображены области нахождения параметров, наблюдаемых в известных типах бань, относительно хомотермальной кривой (кривая выделена зеленым цветом).

Цифрами обозначены режимы: 1 — турецкого хамама; 2 — паровой медицинской бани; 3 — русской паровой бани; 4 — влажных общественных городских парных; 5 — влажной сауны (сауны «спорт»); 6 — суховоздушной сауны.

Буквами обозначено: М — мягкие условия (Т=60^оС, φ=60%); Р — режимы «русские традиции» (Т=65^оС, φ=65%); Г — режимы «русские герои» (Т=65^оС, φ=70%) .

Понятия «русские традиции» и «русские герои» заимствованы автором этих строк у В.Н.Ляхова.

Кривые, расположенные выше хомотермальной кривой ρ = 50 г/м³ (Т=Т_р=40ºС), рассчитаны для абсолютных влажностей ρ = 65,4 г/м³ (Т=Т_р=45ºС), ρ = 83 г/м³ (Т=Т_р=50ºС), ρ = 104 г/м³ (Т=Т_р=55ºС), ρ = 130 г/м³ (Т=Т_р=60ºС).

Здесь Т=Т_р – температура точки росы воздуха с абсолютной влажностью ρ.

Эти зависимости показывают различные температуры разогретых кожных покровов человека равные, соответственно, 45ºС, 50ºС, 55ºС, 60ºС, при которых на них начинается выделяться роса (конденсат). Роса будет выделяться и при условиях, характеризуемых областью значений «температура-влажность», находящейся выше соответствующих кривых.

Соответственно, при температурах и влажностях, расположенных под этими кривыми, с человека еще будет испаряться влага (пот).

Отметим также, что процесс конденсации влаги при хомотермальных режимах ρ = 50 г/м³ (Т_р=40ºС) может наблюдаться, но только на предметах обстановки бани, температура которых равна или ниже 40ºС.

Температура 40ºС является точкой росы для воздуха с абсолютной влажностью ρ=50 г/м³. Точно так же температуры 45ºС, 50ºС, 55ºС, 60ºС являются точками росы для влажного воздуха с содержанием 65,4 г/м³, 83 г/м³, 104 г/м³, 130 г/м³ воды в каждом его кубометре, соответственно.

Напомним, что точкой росы Т_р,ºС называется температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар массой ρ стал насыщенным, т.е. когда ρ=ρ_н. Другими словами, точкой росы называется температура, при которой выпадает конденсат из воздуха заданной влажности ρ. Точка росы не только показывает, при какой температуре начинается выпадение конденсата, но и однозначно отражает степень (количество) содержания влаги в воздухе (см.Табл.2).

Таблица 3

Абсолютная влажность ρ, г/м³	10	20	30	40	50	60	70	80
Точка росы воздуха Т_р,ºС	12,8	23,5	30,5	35,4	40	43	46	48

Из таблицы 3 следует:

Во-первых. Точка росы имеется для любого значения абсолютной влажности воздуха ρ (даже для тех значений, которые не нашли отражения в таблице).

Во-вторых. Любое содержание влаги в воздухе (любая абсолютная влажность) имеет свою определенную температуру (точку росы), при которой начинается конденсация водяных паров.

Рассмотрим еще один рисунок, взятый с этого же информационного ресурса (см.Рис.4).

Рис.4

Условные обозначения: ТХ-турецкий хамам, ПБ-паровая баня, РБ-русская баня (Сем. -семейная РБ, Идеал — РБ с тепловыми панелями в качестве источников нагрева, Общ. – общественная РБ, СС – сауна «спорт», CВ – суховоздушная сауна, Т_вл – температура по «влажному» термометру, Т_р – температура точки росы.

Прямоугольниками отмечено метеорежимы, характерные для того или иного типа бань.

Штрихпунктирными линиями (синей и красной) показаны режимы «температура-влажность» при поддержании фиксированной температуры по «влажному» термометру 50ºС и 60º, соответственно.

Как отмечалось выше именно к показаниям «влажного» термометра стремятся ощущения человека с влажной кожей. Из рисунка видно, что показания «влажного» и «сухого» термометров совпадают только при 100% относительной влажности. Видно также, что и кривые с одинаковыми точками росы Т_р=50ºС, Т_р=60ºС и кривые с постоянными температурами по «влажному» термометру Т_вл=50ºС, Т_вл=60ºС располагаются выше хомотермальной кривой Т_р=40ºС.

Таким образом, все режимы на этих кривых относятся к конденсационным режимам, когда не возможно испарение влаги с кожи человека. При этих режимах возможно лишь кратковременное пребывание человека в парной. Поэтому понятие комфортности для человека данных режимов приобретает чисто субъективный индивидуальный характер. Продолжительность переносимости таких метеопараметров для каждого человека индивидуальна.

Комфортные режимы будут одними для этапа прогрева человека в бане, другими – для этапа экстремального воздействия на человека конденсационных режимов с высокими показаниями температуры и влажности, третьими – для этапа принятия мытных процедур.

В нижеприведенной таблице 4 показаны соотношения показаний «сухого» Т_си «влажного» Т_втермометров при различных значениях абсолютной ρ и относительной φ влажностях воздуха.

Таблица 4

Показания «сухого» термометра Т_с, ºС	40	40	50	50	60	60	70	70	80	80	90	90	100	100
Показания «влажного» термометра Т_в, ºС/ относительная влажность φ,%	Т_в	φ	Т_в	φ	Т_в	φ	Т_в	φ	Т_в	φ	Т_в	φ	Т_в	φ
Абсолютная влажность воздуха ρ, г/м³
10	23	20	26	12	29	8	32	5	35	3	38	2	40	2
20	27	39	31	24	34	15	37	10	39	7	41	5	43	3
30	32	59	36	36	38	23	40	15	42	10	44	7	46	5
40	37	78	39	48	41	31	43	20	45	14	47	10	48	7
50	40	98	42	60	44	39	46	26	48	17	49	12	50	9
60			44	72	46	46	48	31	50	21	51	14	52	10
70			46	85	48	54	50	36	52	24	53	17	54	12
80			48	97	50	62	52	41	53	28	54	19	55	14
83			50	100	52	64	53	42	55	29	56	20	56,5	14
90					54	69	55	46	56	31	57,3	21	57,6	15
100					55	77	57	51	57,5	34	59	24	59,5	17

Из таблицы 4 видно, что одни и те же температурные показатели по «влажному» термометру Т_вмогут быть достигнуты при разных температурах воздуха в парной (показаниях «сухого» термометра Т_с) и разных абсолютных влажностях воздуха ρ.

Например, температуру Т_в=50ºС по «влажному» термометру можно получить и при температуре воздуха Т_с =50ºС, ρ=83 г/м³, и при Т_с =60ºС, ρ=80 г/м³, и при Т_с =70ºС, ρ=70 г/м³, и при Т_с =80ºС, ρ=60 г/м³ (выделены красным цветом). Однако, надо сопоставлять между собой последствия, которые последуют в случае превышения указанных величин абсолютных влажностей при соответствующих температурах воздуха Т_с. В случае превышения величины абсолютной влажности ρ=83 г/м³ при Т_с =50ºС вы получите осаждение на своей коже конденсата с температурой 50ºС, а в случае превышения величины абсолютной влажности ρ=60 г/м³ при Т_с =80ºС мы грозим испытать на своей шкуре душ с температурой 80ºС. Согласитесь, это не одно и то же!

Синим цветом в таблице 4 выделены показания «влажного» термометра и относительные влажности воздуха, соответствующие хомотермальному режиму ( d= 50г/м³).

Итак, подведем итоги по вышесказанному.

Во-первых. Еще раз подчеркнем, что находясь в бане, целесообразнее всего свои ощущения сопоставлять с показаниями «влажного» термометра и ориентироваться на его, а не «сухого» термометра показания.

Во-вторых. Вода, находящаяся в воздухе бани в парообразном состоянии, концентрации которой не превышают значения 50 г/м³, не конденсируется на человеке с температурой кожи 40ºС. Наличие в воздухе больших концентраций влаги неизбежно приводит к ее конденсации на коже человека. Температура выпадающей росы будет равна температуре окружающего воздуха.

В-третьих. В бане целесообразнее знать не показания относительной влажности воздуха φ, а его абсолютную влажность d, а также точку росы для этой влажности. Знание этих показателей (Т_р и ρ) позволит контролировать переход метеопараметров банной обстановки через хомотермальную кривую. Для контроля величины абсолютной влажности воздуха в парной может служить любой металлический предмет (например, оцинкованное ведро с водой), нагретый до 40ºС. Образование на поверхности предмета конденсата, будет свидетельствовать о том, что абсолютная влажность воздуха в парной превысила 50 г/м³ и человек находится в режиме конденсации водяных паров на свой кожный покров (в области метеопараметров над хомотермальной кривой).

В-четвертых. Комфортность банных условий, вне зависимости от величины, содержащейся в воздухе влаги (абсолютной влажности воздуха), можно оценивать по показаниям «влажного» термометра. Для парных отделений русских паровых бань показания «влажного» термометра, как правило, находятся в диапазоне температур 40-45ºС с кратковременным подъемом до 50-60ºС в режиме поддач порций воды на каменку (режим парения вениками). Температура воздуха по «влажному» термометру для моечных отделений русских бань должна находиться в диапазоне 35-40ºС.

В-пятых. Настоятельно рекомендую для более глубокого понимания физики банных процессов прочитать книги Ю.М.Хошева «Сауна. Гигиеническая баня для дачника и садовода, М., Астрель, 2004» и «Теория бань. Учебник. М., Книга и бизнес, 2006».

В следующей части нашего исследования климатических режимов русской бани рассмотрим механизмы передачи тепла человеку в бане и определимся с уровнями тепловой нагрузки, которым подвергается человек во время приема банных процедур.

Продолжение ЗДЕСЬ.