Научно-популярные статьи о бане

Аэродинамический расчет бани

Научно-популярная статья.

Опубликована в периодическом журнале БАНБАС (Бани и бассейны), № 6(24), 2002, стр.58–68.

Исследованы аэродинамические особенности формирования микроклимата в банях различных типов. Рассмотрены вентиляционно-циркуляционные процессы переноса тепла и влаги, выяснены условия перехода от сухих режимов к паровым при сокращении кратности циркуляции воздуха в отапливаемом помещении.

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.