Тепловое воздействие метеопараметров

Таким образом, человек в бане находится под воздействием очень большого количества внешних факторов. Если в ванне всё тело человека погружено в однородную теплоёмкую и высокотеплопроводную массу воды и термостатировано «от головы до ног», то в бане тело человека находится в воздухе со сложным пространственным и временным распределением скоростей потоков, температур и влажностей, в окружении различных излучающих поверхностей (стенок печей, полов, окон, стен) с различными температурами и степенями черноты, в контакте с водой различной температуры, полами и полками с различной температурой и различных материалов и т. п. В этом плане баня много сложней и «богаче» ванн и душей по ассортименту воздействий, вследствие чего человеку порой приходится «крепко думать головой» как добиться в реальной бане желаемого комфорта или желательного лечебного последствия. Но тем баня и интересней ванн – живей, разнообразней, многогранней и увлекательней. Вместе с тем, людям, равнодушным к банному творчеству, баня готова предложить пусть более скучные, но зато надёжные и предсказуемые изотермальные условия, имитирующие тёплую ванну, но сохраняющие достоинства бань в части удобства мытья, лёгкости перемещения тела, возможности нанесения на кожу лечебных и косметических препаратов и т. п.

В предыдущем разделе на основе самых общих житейских представлений о воздействии солнечного излучения мы чисто гипотетически предположили, что мощность нагрева тела на уровне 0,5–1,0 кВт/м² уже, видимо, заведомо достаточна для создания банных условий. Именно этот интервал мощностей ИК‑излучения А‑диапазона используется и в физиотерапии: до 0,4 кВт/м² для аппарата «Биотрон» и до 1 кВт/м² для гелий‑неоновой лазерной терапии. Для ориентировки приведём данные по энергозатратам человека по ГОСТ 12.1.005‑75 и СНиП 11‑90‑81:

Поскольку тепловыделение внутри организма составляет не менее 75–90 % от энергозатрат (и только 10–25 % энергозатрат преобразуется в полезную работу), то человеку становится жарко от тяжёлой физической работы при тепловыделении порядка 0,2–0,3 кВт/м² (площадь поверхности человека условно принята на уровне 1 м²). Характерные механизмы теплоотдачи одетого человека, ведущего обычную деятельность, приведены на рис. 44.

Таким образом, можно предположить, что тепловые потоки на тело ниже 0,1–0,2 кВт/м²человек ощущает как незначительные, влияющие на ощущения человека лишь при длительных экспозициях, например, на рабочих местах на производствах, в турецких банях или ИК‑кабинах. Тепловые потоки выше 1 кВт/м² человек ощущает как значительные (тотчас ощущаемые). Напомним, что в официальной медицинской фототерапии потоки тепла подразделяются на мягкие 1‑20 Вт/м², средние 20‑300 Вт/м² и жёсткие 300‑ 5000 Вт/м².

Нагрев (или охлаждение) тела человека (или отдельных его частей) происходит за счёт следующих механизмов:

– лучистой теплопередачи,

– кондуктивной теплопередачи (теплопроводности),

– конвективной теплопередачи,

– испарения влаги с поверхности тела или конденсации паров воды на поверхность тела из воздуха.

Лучистая теплопередача и её особенности уже рассмотрены в предыдущем разделе (рис. 42). Выполним аналогичный анализ и для других процессов теплопередачи.

Кондуктивная теплопередача обусловлена движением молекул и может наблюдаться и в подвижном (даже навстречу газовому потоку), и в абсолютно неподвижном воздухе в случае наличия зон воздуха с различной температурой. В горячих зонах молекулы более энергичны (имеют большую скорость), чем в холодных зонах. Поэтому в процессе взаимной диффузии (миграции) молекулы из горячих зон приносят добавочное тепло, а молекулы, прибывшие в горячие зоны из холодных, приносят холод. Величина кондуктивного теплового потока равна q_конд=λΔТ/σ, где λ – коэффициент теплопроводности среды, ΔТ – перепад температуры на слое среды толщиной σ. Величина ΔТ /σ называется градиентом температуры в среде. Величина α_к=λ/σ называется коэффициентом кондуктивной передачи. Для оценочных расчётов можно принять α_к =10 Вт/(м² град) для любых поверхностей (для раздетого ли человека, нагретых или охлаждённых стен, батарей отопления и других условно плоских поверхностей в неподвижном воздухе). Так, например, человек, выделяющий внутри себя в состояний покоя 60 Вт тепла постоянно, сбрасывает это тепло излучением α_л(Т_к‑Т), где α_л=7 Вт/(м² град) – коэффициент бытовой лучистой теплопередачи, и теплопроводностью воздуха α_к(Т_к‑Т), где α_к =10 Вт/(м² град), вследствии чего раздетый человек с температурой кожи Т_к =30 °C не мёрзнет в состоянии покоя при температуре воздуха и стен 26 °C. Действительно, в соответствии с исследованиями Кричагина (1966 г.) термический комфорт раздетого лежачего человека достигается при 25–27 °C. Но если человек находится на ярком солнце, например, в высокогорных Альпах, где уровень солнечного излучения достигает 1,05 кВт/м² (причём за счёт отражения от снега излучение исходит со всех сторон), то раздетый человек с сухой кожей в окружении деревьев не мёрзнет в абсолютно полный штиль даже при температуре воздуха снега и деревьев на уровне минус 30 °C. Но малейшие дуновения воздуха изменяют всю картину, поскольку добавляется теплоотвод за счёт конвекции (движения) воздуха. При скорости ветра 3 м/сек человек с сухой кожей на солнце в условиях высокогорья мёрзнет уже при 0 °C. Если вокруг деревьев нет, то заметным становится и вклад потери излучения в ясное небо (космос). Ещё серьёзней будут последствия увлажнения кожи раздетого человека.

Рис. 44. Характерные уровни теплопередачи одетого человека с сухой кожей при различных температурах воздуха. 1 – тепловыделение человека (обычная теплоотдача), 2 – вклад теплоотдачи испарением, 3 – вклад теплоотдачи конвекцией, 4 – вклад теплоотдачи теплопроводностью, 5 – вклад теплоотдачи излучением.

Конвективная теплопередача наблюдается только при движении воздуха. Если в случае кондуктивной теплопередачи каждая энергичная молекула с трудом мигрирует среди других молекул воздуха из горячей зоны в холодную, то в случае конвективной теплопередачи все энергичные молекулы могут разом «сдуться» ветром в составе всей массы воздуха из горячей зоны в холодную. Конвективный теплопоток равен q_кoнв(кBт/м²)= С_рρV(Т₁‑Т₂)=1,ЗV(Т₁‑Т₂), где С_р и ρ – массовая теплоёмкость и плотность воздуха, V – скорость перемещения воздуха (ветра) в м/сек, Т₁ и Т₂ – температуры горячей и холодной зон в °С. Именно эта конвективная теплопередача имелась в виду в разделе 5.5 при рассмотрении аэродинамики бани. Так, металлическая печь нагревает вокруг себя воздух до температуры Т₁, этот горячий воздух постоянно «сдувается» потоком ветра (конвективным потоком) и заменяется на холодный воздух с температурой Т₂, который в свою очередь начинает нагреваться от стенки печи. При этом воздух, контактирующий с горячей поверхностью, вовсе не обязан успеть нагреться до температуры поверхности. Нагревается до температуры поверхности лишь тонкий пристеночный слой, причём скорость его скольжения вдоль поверхности может быть много меньшей, чем скорость всего набегающего газового потока.

Если горячий воздушный поток поступает, например, сверху вниз с потолка на холодный пол (или на тело человека), то лишь небольшая (по экспериментальным оценкам примерно одна двухсотая) доля тепловой энергии горячего воздуха отдаётся самому полу. Это объясняется той банальной причиной, что не весь горячий воздух из набегающего потока может вступить в контакт с холодным полом, а лишь очень небольшая его доля. Если поток воздуха ламинарный (то есть не имеет завихрений – турбулентностей), то теплоотдача от поверхности в набегающий поток воздуха в теории бассейнов численно равна q_кoнв(кBт/м²)=0,006VΔT, где V – скорость движения воздуха в м/сек, ΔТ – разница температур воздуха и поверхности. Для ориентировки приведём характеристики силы ветра по шкале Бофорта (Сборник «Путеводитель по цифрам и фактам», М.: Рипол‑Классик, 2002):

Ясно, что очень большие скорости ветра в бане могут быть реализованы, может быть, лишь в молодёжных банных аттракционах будущего. В реальных банях скорости воздуха не превышают 5–7 м/сек при использовании вентиляторов и 1–3 м/сек при использовании веников. В носоглотке скорость движения воздуха при вдохе составляет 2‑10 м/сек. Под напором ветра понимается избыточное статическое давление, образующееся при торможении ветра перед преградой и равное ρV²/2, где V – скорость ветра. Напомним, что 1 атм= 100000 Па= 750 мм рт. ст.

На рис. 45 представлены тепловые потоки на тело человека в хомотермальных условиях (или в режимах ниже хомотермальной кривой при сухой коже), когда процессы испарения и конденсации невозможны. Все три слагаемых суммарного теплового потока (кондуктивная, конвективная и лучистая составляющие) возрастают с температурой бани и при 100 °C составляют примерно по 0,5 кВт/м², а в сумме 1,5 кВт/м². Такие тепловые нагрузки превышают энерговыделения от тяжёлой физической работы и находятся на уровне воздействия солнечного излучения. Это означает, что могут быть реализованы жаркие климатические условия, но ни о каких обжигающих эффектах в этих режимах говорить не приходится.

Рис. 45. Тепловой поток на тело человека (безразлично с мокрой или сухой кожей) в изотермической бане с температурой Т и скоростью движения воздуха 1 м/сек в хомотермальном режиме (кривая 1). Зона 2 отвечает вкладу кондуктивной составляющей теплового потока. Зона 3 – вклад конвективной составляющей при скорости движения воздуха 1 м/сек. Зона 4 – вклад лучистой составляющей, равной разнице потоков излучения от стен и от тела человека [σ(Т+273)⁴‑σ(40+273)⁴].

Вклад конвективной составляющей на рис. 45 рассчитан для условного уровня скоростей перемещения воздуха 1 м/сек, характерных для лёгких движений веника и перемещений человека в бане. При отсутствии воздушных потоков конвективная составляющая равна нулю. При больших скоростях потоков воздуха, например, в носоглотке, конвективная составляющая может стать преобладающей.

Вклад лучистой составляющей на рисунке 45 рассчитан для изотермической бани, в которой все стены, потолок и пол имеют температуру, равную температуре воздуха, и только человек имеет температуру отличную от температуры воздуха. Поэтому, приведённые значения вклада лучистой составляющей являются максимально возможными. В реальных условиях пол и стены холодней, чем потолок, поэтому на практике вклад лучистой составляющей является менее значительным.

Теплопередача, связанная с процессами испарения воды и конденсации водяных паров , может происходить кондуктивно (в неподвижном воздухе) и конвективно (при движении воздуха) и в случае теплопередачи на тело человека равна:

q_исп(кВт/м²)=q_{qисп. конд}+q_{исп. конв.} 15(d‑0,05)+28(d‑0,05)V, где d – абсолютная влажность воздуха в кг/м³, V – скорость движения воздуха в м/сек. Как и в случае конвективной теплопередачи, конвективная составляющая теплового потока, связанного с испарением или конденсацией, значительно меньше (но не в двести, а восемьдесят раз) той величины 2250(d‑0,05)V, которая была бы в случае, если бы весь воздух в потоке мог попасть в контакт с телом человека.

Рис. 46. Тепловой поток на тело человека (при произвольной температуре), обусловленный испарением влаги с мокрой кожи человека (поток отрицательный, поскольку тело человека при этом охлаждается) или конденсацией паров воды из воздуха на мокрую или сухую кожу человека (поток положительный). Зона 1 – вклад охлаждения (нагрева) за счёт испарения (конденсации) в неподвижном воздухе (кондуктивная составляющая). Зона 2 – вклад охлаждения (нагрева) за счёт испарения (конденсации) в подвижном воздухе (конвективная составляющая для скорости движения воздуха 1 м/сек). Кривая 3 – суммарный тепловой поток (сумма кондуктивной и конвективной составляющих при скорости воздуха V=1 м/сек).

Если в неподвижном воздухе теплопередача за счёт испарения или конденсации не превышает (0,5–1) кВт/м², то появление воздушных потоков даже с умеренными скоростями до 1 м/сек, характерными для перемещения банного веника, позволяет получать тепловые потоки до 2 кВт/м² и выше (рис. 46). Это означает, что открывается возможность мгновенно кардинально изменять всю тепловую обстановку в бане. Именно эти эффекты положены в основу русских паровых бань, в которых весьма мягкие климатические условия дополняются кратковременными дозированными волнами нестерпимого жара, вызванных движением веника. В сухом же воздухе движения веника, наоборот, приводят к охлаждению мокрой кожи, причём можно добиться столь высоких мощностей охлаждения (более 1 кВт/м²), что даже в высокотемпературной бане (с температурой порядка 100 °C и выше) можно достичь ощущения холода. Это может быть положено в основу контрастных банных аттракционов.

Таким образом, процессы испарения‑конденсации помогают чётко определить климатический тип бани. Для этого достаточно смочить лицо водой и махнуть на него веником (ладонью). Если вы почувствуете волну жара, то вы находитесь в паровой бане. Если вы почувствуете холод, то это сухая баня. Если ваши ощущения не вполне определены (не чувствуете ни холода, ни жары), то это влажная баня. Впрочем, у человека есть ещё одна возможность мгновенного определения климатического типа бани. Надо глубоко вдохнуть воздух. Если при вдохе носоглотка (всегда находящаяся во влажном состоянии) охлаждается, то это сухая баня. Если в носоглотке чувствуется влажное тепло, то это паровая баня. Если носоглотка чувствует «духоту» (ни тепла, ни холода), то это влажная баня. Кстати, именно из‑за того, что в сухих банях влага в носоглотке испаряется, происходит не только охлаждение носоглотки, но и её пересыхание. С таким явлением знакомы все водители автомобилей, пользующиеся зимой автомобильными «печками» (калориферными нагревателями потока забортного воздуха с низкой абсолютной влажностью).

Всё это означает, что при 100 °C может стать холодно, а при 40 °C – жарко. Поэтому необходимо учитывать влияние всех без исключения метеорологических параметров. В то же время ясно, что сами по себе метеорологические параметры ничего не значат для организма, для которого важны лишь значения величин тепловых потоков на кожу. Но и тепловые потоки в банях не измеряются ни приборами, ни «кожей». Человек субъективно чувствует климатическую обстановку в бане не тепловыми потоками, а температурой своей кожи, которая зависит не только от метеопараметров, но и от состояния самой кожи (мокрая или сухая, засаленная или чистая, прикрытая одеждой или нет и т. п.).

Всё это свидетельствует о том, что добиться в бане условий, когда суммарная тепловая нагрузка на организм (как от внешних факторов, так и от внутреннего тепловыделения) была бы строго равна нулю и человек чувствовал бы длительный тепловой комфорт, практически невозможно, тем более, что в первые моменты в бане человек стремится почувствовать явное тепло для подъема температуры конечностей до исчезновения неощущаемой мышечной дрожи. Поэтому в реальной банной практике используют настолько тёплые метеорежимы, чтобы безусловно обеспечивался неуклонный нагрев мокрого тела. При возможных (а порой неизбежных) перегревах человек на время покидает баню для охлаждения (или охлаждает своё тело непосредственно в бане прохладной водой). Указанные процессы попеременного нагрева и охлаждения тела в любительской бане воспринимаются в народе порой как характерная особенность всех русских бань, что вообще говоря, неверно.

В заключение, ещё раз отметим, что вопросы климатологии сверхвысокотемпературных и сверхвлажных помещений («сверхтропического» класса) являются самыми сложными аспектами бань. Учёные до сих пор не могут разобраться с климатологией земной атмосферы и микроклиматологией жилых и рабочих помещений, а микроклиматология бань ещё более сложна, а главное – не столь обычна и привычна для разумения. Для рядового знатока бань, для того, чтобы помыться самому и поучить этому других, нет нужды залезать в дебри науки. Но если человек захочет построить некую особенную баню или разработать новую лечебную методику, ему неминуемо придётся в той или иной степени столкнуться с вопросами численной теории и пойти ещё дальше по этому, прямо скажем, очень нелёгкому пути.