Юрий Хошев - Теория бань
Рис. 51. Время переносимости хомотермального режима с температурой Т при скорости движения воздуха 1 м/сек (см. кривую 1 на рис. 45): 1 — переносимость кожей, 2 — переносимость телом. Кривая 3 — переносимость телом и кожей хомотермального режима при отсутствии лучистого потока тепла и без движений воздуха. Во всех случаях безразлично, мокрая или сухая кожа у человека.
Человек воспринимает баню не только кожей, но и носоглоткой, причём кожа и носоглотка ощущают баню по-разному. Дело в том, что носоглотка защищена от лучистых потоков, зато всегда влажная. Если воздух в бане имеет низкую абсолютную влажность (сухая баня), носоглотка в промежутках между поддачами при вдохе охлаждается («лёгкий дух»). Охлаждение носоглотки (а потому и лёгких, и всего тела в целом) имеет очень большое значение для теплового баланса человека и конечно же сильно влияет на процесс усвоения кислорода лёгкими. В хомотермальном режиме охлаждение носоглотки полностью исключается: она всегда нагревается, причём только за счёт высокой температуры воздуха, а значит с прогревом бронхов, что создаёт ощущение духоты. А вдох воздуха в сверххомотермальном режиме (паровая баня) нагревает за счёт конденсации преимущественно именно носоглотку.
6. Чёрные бани
Метод проб и ошибок очень эффективен при постройке бань, но надо всё время пробовать и всё время ошибаться.
Облик чёрных бань может быть самым разным. Это и пещеры, и норы, и землянки, и шалаши, и плетёные хижины, обмазанные глиной, и юрты, и чумы, и постройки из валунов и глины, и избы, и залы из мрамора (лаконики). И хотя общей характерной особенностью всех этих бань непременно является открытый или закрытый огонь с выпуском дыма в помещение, но и дым выпускался самым разнообразным способом из очагов тоже самых разнообразных конструкций: от простейших грунтовых площадок и ям до весьма сложных кирпичных и глинобитных печей без труб. Численно проанализировать каждое из этих решений просто невозможно. Поэтому обсудим лишь два предельных случая: когда имеется лишь лучистое тепло от очага и когда имеются лишь нагретый воздух и нагретые окружающие конструкции.
6.1. Человек у костра
Древний человек, конечно же, не понимал сути явления инфракрасного нагрева, но издавна чётко отличал «тепло» от горячего воздуха, равномерно исходящее на тело отовсюду со всех направлений, и «жар», исходящий с одного направления. Тёплая погода становилась жаркой, когда из-за туч выходило солнце. И всегда вдруг ощущался жар, когда человек повёртывался лицом к костру с раскалёнными углями или пламенем. Кроме того, различали жар от углей (от камней очага), называемый «сухим жаром», и жар от пламени, называемый «пылом» (пылким жаром), и жар от свода печи (после её протопки), называемый «вольным жаром».
Ясно, что лучистый жар от костра способен согреть даже мокрого человека. Так, при температуре воздуха 0 °C в пасмурную погоду раздетый человек с температурой кожи 30 °C теряет (см. раздел 4.6):
— 0,3 кВт/м2 тепла за счёт кондуктивной теплопередачи (в том числе и при неподвижном воздухе);
— 0,2 кВт/м2 тепла за счёт лучистой теплоотдачи (из них 0,5 кВт/м2 излучает при 30 °C, а 0,3 кВт/м2 получает в виде лучистого тепла обратно от окружения с температурой 0 °C);
— 0,2 кВт/м2 тепла за счёт конвективной теплоотдачи при скорости воздуха (ветра) 1 м/сек;
— 0,7 кВт/м2 тепла за счёт испарения воды с мокрой кожи в неподвижном воздухе или 2 кВт/м2 при скорости воздуха 1 м/сек.
Таким образом, если раздетый человек с сухой кожей в полный штиль (1 м/сек) теряет 0,7 кВт/м2 тепла, то раздетый человек с мокрой кожей теряет до 2,7 кВт/м2 тепла. При слабом же ветре 5 м/сек раздетый человек с сухой кожей теряет 1,4 кВт/м2 тепла, а с мокрой — 8,4 кВт/м2. Это значит, что мокрому человеку всегда холодней (и у костра согреться намного труднее), чем сухому. Причём при появлении ветра ощущения холода будут усиливаться многократно. Поэтому, чтобы согреться у костра, необходимо в первую очередь отгородиться от ветра какими-нибудь преградами: стенами, оградами, живыми изгородями (кустами, деревьями), заслонами-навесами (так в армейском полевом быту называют наклонные стенки-крыши полушалашом из жердей, веток, камыша, соломы, брезента и т. п.) Такие преграды загораживают не только от ветра, но частично от неба (космоса), куда удаляется лучистое тепло; при этом преграды всегда «теплее» неба (особенно ясного), поэтому больше тепла излучают на человека. Напомним, что мощность излучения абсолютно чёрного тела (например, туч на небе) при температуре 0 °C составляет 0,3 кВт/м2, а мощность излучения ясного неба (даже днём) не более 0,1 кВт/м2.
При обычном размере костра в плане 0,5x0,5 м и тепловой мощности 40 кВт (при расходе 10 кг сухих дров в час), мощность теплового излучения костра в полуплоскость (в телесный угол 2π стерадиан) составит порядка 20 кВт, что соответствует характерной средней температуре углей и пламени костра 800 °C. Поскольку телесный угол тела человека составляет примерно (0,5/12) стерадиан (1 — расстояние в метрах от костра до человека), то сухой раздетый человек должен расположиться на расстоянии не более 1,5 м от костра: тогда ему не будет холодно (либо со стороны груди, либо со стороны спины) при полном отсутствии ветра. Но если у человека мокрая кожа (например, он моется у костра), то расстояние до костра необходимо уменьшить до (0,7–0,8) м, причём в этом случае придётся разжечь уже хотя бы 2–3 костра вокруг человека, поскольку при мытье человек не может укрыться одеждой хотя бы с одной стороны тела. Эти расчётные цифры ориентировочны, но они показывают, что устроить комфортную баню на открытом воздухе зимой у костра достаточно проблематично. Но в тёплые летние дни это вполне осуществимо. Действительно, ведь на пляже в знойный день вполне можно мыться тёплой водой, особо не замерзая даже без костра, а уж с костром (греющим к тому же воду) тем более.
Конечно же, мытьё у костра — это нынче для горожан экзотика. Но ведь порой для геологов, охотников, туристов, солдат мытьё мокрым полотенцем у костра — это единственно доступное тёплое мытьё, причём очень оперативное. Но если есть время и силы, то можно для мытья и нагреть воду. Оценим, что это будет стоить туристу. Предположим, что турист копает в сухом глинистом грунте яму площадью в плане 1x1 м и глубиной 1 м (общий объём 1 м3), разводит на дне костёр мощностью 40 кВт (20 кВт по тепловому излучению, расход дров 10 кг/час), прогревает стенки ямы, а затем наливает в яму воду. Принимая, что высушенный грунт имеет плотность 1500 кг/м3, теплопроводность 0,35 Вт/(м град), теплоёмкостью 0,84 кДж(кг. град.), нетрудно подсчитать, что за 4 часа топки стенки ямы, во-первых, высушиваются на глубину 5 см (что требует испарения около 40 кг воды при влажности грунта 10 %) с затратой тепла порядка 100 МДж, а во-вторых, стенки ямы прогреваются до температуры поверхности 500 °C с затратой тепла 80 МДж. Перепад температур 500 °C на толщине сухого грунта 5 см как раз и создаёт поток тепла внутрь грунта 20 кВт на площади 5 м2, после чего скорость прогрева грунта замедляется, так как поверхностный сухой слой уже будет не способен пропускать через себя всё лучистое тепло от костра (как и в случае кирпичной печи). Если раскалённое дно ямы быстро очистить от углей и золы и залить в яму 250 литров воды, то эта вода как раз и нагреется от горячих стенок ямы до 40 °C. Такую «баню», в которой можно с комфортом помыться и на морозе, в народе иногда называют сибирской, хотя такой способ нагрева воды был известен повсюду с незапамятных времён (и не относится, строго говоря, по нашей терминологии к баням).
Мы не затрагиваем здесь вопросов технологии прогрева ямы и воды — сложностей может оказаться на практике много. Это и плохое горение дров в яме (особенно влажных дров), и быстрое увлажнение прогретого слоя влагой из удалённых зон холодного грунта (особенно влажного с содержанием воды более 10 %), и быстрое охлаждение стенок ямы во время доставки воды, которая сама по себе может оказаться проблемой и т. п. Отметим, однако, что главным условием успешного прогрева ямы является высокая мощность прогрева стен. Дело в том, что при вялом костре тепло с поверхности стен ямы успевает уйти глубоко внутрь грунта (точно также, как в случае кожи при её нагреве в режиме привыкания). Градиенты температуры при малых тепловых потоках малы, а это значит, что температуры поверхности стен ямы малы и медленно возрастают во времени, а тепло, прошедшее глубоко внутрь, «размазывается» в больших объёмах грунта, слабо повышая его температуру. А ведь для последующего нагрева воды необходимы именно высокие температуры стен ямы. Зоны с низкими температурами 100 °C и ниже, тем более в глубинных слоях грунта, которые никогда не вернут своё тепло обратно в яму, бесполезны для нагрева воды. Можно, конечно, сначала прогреть при слабом костре грунт для его предварительной просушки (и этот процесс будет аналогичным разморозке грунта при зимних ремонтных земляных работах в строительстве). Но затем совершенно обязателен мощный нагрев, после которого вода должна заливаться в яму немедленно. Всё это указывает, что этот метод нагрева воды требует специальной конструкции ёмкости (ямы): чтобы был высокотеплоёмкий и высокотеплопроводный пристеночный слой, а затем в глубине этот теплоаккумулирующий слой был бы теплоизолирован малотеплопроводным материалом. Но это возможно лишь в современных проектах «сибирских» бань, использующих современные материалы (бетон и стекловату), а в реальных условиях тайги никакие такие усовершенствования и доработки невозможны.
