Юрий Хошев - Теория бань
Конечно же, вентиляционный процесс является частным случаем циркуляционного, поскольку охлаждение и осушка циркуляционного воздуха в этом случае происходит вне помещения (в случае вентиляции циркуляционная кривая замыкается на улице). Но как бы то ни было, охлаждённый ли циркуляционный, холодный ли приточный вентиляционный поток воздуха необходимо нагревать, и на это требуется немало тепла. Нагрев воздуха с 20 °C до 100 °C при обеспечении кратности циркуляции (вентиляции) N раз в час в сауне с объёмом циркулирующего воздуха V (м3) требует мощности 0,022 N V (кВт). Например, при кратности обмена 120 раз в час печь должна иметь мощность как раз 20 кВт для обеспечения должного нагрева вентиляционного приточного воздуха. То есть печь превращается при этом в нагреватель приточного воздуха (типа фена или автомобильной печки), а принцип нагрева сауны становится эквивалентным принципу воздушного отопления зданий, когда отопительные элементы нагревают только вентиляционный (или рециркулирующий) воздух. Ясно, что если вентиляция организована по принципу идеального вытеснения, то любые, сколь угодно значительные разовые увлажнения воздуха практически тотчас (в пределах полминуты) исчезают, поскольку каждые полминуты воздух заменяется на свежий с абсолютной влажностью, например, 0,01 кг/м3, соответствующей нормальной относительной влажности 60 % приточного воздуха с температурой 20 °C.
В то же время, если постоянно увлажнять приточный воздух, то можно в принципе получить в сауне сколь угодно высокую влажность. Иными словами, высокоциркуляционные сауны могут быть не только сухими, но и влажными и даже паровыми. Например, если непрерывно подавать в сауну 60 кг пара в час, то при кратности циркуляции 120 раз в час абсолютная влажность воздуха в сауне составит 0,06- 0,08 кг/м3, что соответствует паровому режиму с конденсацией влаги из воздуха на кожу человека. При этом из 60 кг пара на кожу сконденсируется не более 1–3 кг пара, а остальной пар будет выброшен на улицу. Безусловно, в быту столь энергоёмкие режимы никто не использует, но при проведении соревнований по сауна-спорту на мощную каменку как раз и льют 0,5 литра воды каждые полминуты. В целом же с точки зрения энергетики паровые режимы целесообразней реализовать в сауне с неподвижным воздухом, а сухие режимы — в циркуляционных саунах.
Рис. 65. Тепловые потоки на мокрую кожу (с учётом потерь на испарение влаги с тела человека) при температуре воздуха 100 °C (см. рис. 30, 45, 46) в предположении отсутствия лучистых потоков. 1 — при отсутствии потоков воздуха, 2 — при скорости движения воздуха V=1 м/сек, 3 — при скорости движения воздуха V=0,15 м/сек. Точка 4 соответствует точке 6 на рис. 33.
Несмотря на столь значительные кратности циркуляции (вентиляции) на уровне 120 раз в час, соответствующие им линейные скорости упорядоченного движения воздуха в сауне составляют 0,1–1,0 м/сек и практически неощутимы человеком (полный штиль). На рисунке 65 приведены зависимости тепловых нагрузок на мокрое тело человека при при различных скоростях движения воздуха. При абсолютных влажностях воздуха более 0,037 кг/м3 (при температуре 100 °C) тепловые нагрузки растут с увеличением скорости движения воздуха (влажная баня). При абсолютных же влажностях воздуха ниже 0,037 кг/м3 тепловые нагрузки уменьшаются с увеличением скорости движения воздуха (сухая баня), причём могут даже стать отрицательными. Это происходит потому, что охлаждение мокрого тела человека за счёт испарения воды (пота) с тела оказывается более существенным, чем нагрев тела за счёт набегающего горячего воздуха (см. раздел 4.7). Так, при скорости движения воздуха 0,15 м/сек, абсолютной влажности воздуха 0,012 кг/м3 (соответствующей относительной влажности воздуха 2 % при температуре 100 °C) тепловой поток на мокрую кожу человека становится равным нулю (см. метеоточку 4 на рисунке 65 и соответствующую метеоточку 6 на рисунке 33). Это значит, что при указанных метеопараметрах в сухой сауне процессы нагрева и охлаждения тела полностью компенсируют друг друга.
Рис. 66. Результаты измерений хода изменений температур кожи и тела (внутренних органов) человека при входе в сухую сауну с температурой 100 °C, абсолютной влажностью воздуха 0,012 кг/м3 (относительной влажностью 2 %) и скоростью перемещения воздуха около тела человека 0,15 м/сек (для метеоточки 6 рис. 33).
Это находится в противоречии с экспериментальными фактами. Замеры температуры кожи и тела (внутренних органов, мышц) человека после его захода с сухой кожей в сауну с температурой воздуха 100 °C, со скоростью движения воздуха 0,15 м/сек и с относительной влажностью 2 % (метеоточка 4 на рисунке 65) представлены на рисунке 66. В первые 5 минут происходит быстрый рост температуры кожи до 40 °C, после чего наблюдается расширение кровеносных микрососудов (покраснение кожи — гиперемия), и темп роста температуры кожи приостанавливается. Гиперемия несколько повышает темп роста температуры тела, но начинающееся на 18-й минуте потоотделение замедляет скорость нагрева тела. Из рисунка 66 нетрудно посчитать, что тепловой поток на сухое тело (без потоотделения) составляет 1 кВт/м2, а на потное тело (с потоотделением) — 0,4 кВт/м2. Это привело к величине времени переносимости 35 минут, что хорошо согласуется с данными на рис. 49.
Единственным объяснением факта нагрева потеющего тела человека в рассмотренной нами сухой сауне является наличие лучистого потока тепла с потолка (рис. 45). Мощность инфракрасного излучения при температуре 100 °C действительно равна как раз 0,4 кВт/м2 (при степени черноты потолка 0,8). А это означает, что сухая сауна с метеоусловиями, соответствующими метеоточке 6 на рисунке 33, фактически является баней лучистого нагрева («инфракрасной» сауной). Это надо понимать в том смысле, что в условиях равенства теплопритока за счёт конвекции и теплопотерь за счёт испарения единственным некомпенсированным тепловым потоком оказывается лучистый, который воздействует на тело вне зависимости от того, мокрая ли кожа или нет.
Таким образом, инфракрасное излучение коренным образом влияет на климатические характеристики сухих саун. Каждый знает, что первое ощущение человека, входящего в хорошо протопленную сухую сауну, это тепло, исходящее от потолка. При этом очень важно, чтобы тело при входе в сауну было сухим, в противном случае сухая сауна будет казаться не очень тёплой. Если же потолок в циркуляционной сауне загородить или охладить (искусственными методами), то в такой сауне с мокрой кожей тотчас станет прохладно. Действительно, если сауна выполнена, например, в виде укрупнённого электрического фена (электрической тепловой пушки-электронагревательной воздуходувки), смонтированного в крупном помещении, то человек может находиться в горячем обжигающем воздухе, но тем не менее, воздействия лучистых потоков не испытывать, поскольку потолок, стены и пол помещения не имеют непосредственного контакта с горячим воздухом и до поры до времени остаются холодными. Кроме того, потолок, в принципе, может и принудительно охлаждаться, например, трубами с холодной проточной водой или выполняться из тонкой оболочки (мембраны, тента типа палатки, металлического листа), охлаждаемого воздухом. Аналогичный режим наблюдается и при протопке сауны, когда воздух уже прогрелся до 100–140 °C, а потолок ещё холодный, и человеку пока холодно с мокрой кожей. А если в сухой сауне организовать мощный поток воздуха со скоростью 1–2 м/сек (махнуть веником), то несмотря на температуру воздуха и потолка 100 °C, в такой сауне будет даже холодно с мокрой кожей.
Сухие сауны в основном благодаря энтузиазму финских коммерческих фирм, нашли широкое мировое распространение в большом спорте (для физиологической реабилитации спортсменов после соревнований и тренировок, для сброса веса спортсменов и т. п.), в общеоздоровительной медицине, а затем в повседневном быту. Сухие сауны (и даже сверхсухие) нашли признание (порой нелегальное) и в СССР, в основном в 1960–1980 гг. в составе спорткомплексов и оздоровительных пунктов многочисленных промышленных предприятий (в профилакториях, санпропускниках, домах отдыха, санаториях и даже душевых в цеховых раздевалках). Сухие сауны, безусловно, менее развлекательны, чем русские паровые бани, но в строительной и эксплуатационной частях более технологичны, хорошо вписываются в инженерную инфраструктуру промзданий и удачно сочетаются с душевой техникой. В последние десятилетия сухие сауны уступили свои позиции влажным и паровым саунам (низкоциркуляционным) по причинам энергоёмкости и пожароопасности.
Именно в сухих саунах происходит наиболее комфортное потоотделение (как в сухой пустыне). Если организм конкретного человека устроен так, что не в состоянии выделять много пота, то кожа остаётся сухой, и тело перегревается. Перегрев и пересыхание наиболее характерны для слизистых оболочек носоглотки, находящихся в движущемся воздухе, и это создаёт порой крайний дискомфорт в сухих саунах. Каждый автомобилист знает, как тяжело дышать зимой сухим горячим воздухом от автомобильной печки. Во всяком случае курортными или развлекательными эти условия нагрева не назовёшь. В паровых же банях и в горячих ваннах проблем с пересыханием носоглотки нет, а тепловой поток вообще не зависит от того, выделяет человек пот или нет, мокрая у него кожа или нет.
