Зависимость ощущений от метеоусловий

Любители бань привыкли оценивать жару в бане по времени переносимости. Если время переносимости большое, то говорят «тепло», если время переносимости маленькое – говорят «жара». Например говорят: «Такая жара в бане, что и минуты не выдержать».

Зная зависимость тепловых нагрузок от метеоусловий (см., например, рис. 45 и 46) и зависимости переносимости тепловых нагрузок (рис. 49 и 50) можно оценить переносимость конкретных метеоусловий, а затем предсказать и возможные ощущения человека.

Низкие тепловые нагрузки (менее 0,2 кВт/м²), отвечающие режимам привыкания и временам переносимости более 1 часа, воспринимаются человеком просто как обычное тепло, например, от одеяла или одежды. Нагрев кожи (и тела) при этом не ощущается поскольку при столь низких тепловых потоках температура кожи не может «оторваться» от температуры тела. Человеку рано или поздно в этих условиях может стать даже жарко (в том числе и в инфракрасных «саунах», имеющих как раз такие тепловые потоки), но ощущения тепла весьма неустойчивы: даже слабое дуновение ветерка или смачивание водой способно полностью изменить всю картину ощущений до тех пор, пока тело человека и его кожа не нагреются до температуры выделения пота. Вместе с тем этот уровень тепловых нагрузок часто используется в физиотерапии (например, в УВЧ‑прогреве). Широко применяется он и в знахарстве (целительстве) в качестве «жизненного» тепла (тепла «жизни», луча «жизни»), в частности, при «лечении» возложением рук (приближениями ладоней). При этом «полезный» эффект «доказывается» тем, что к такому теплу человек привык ещё в утробе матери. Во всяком случае, при низких тепловых нагрузках в банях необходимы режимы, близкие к хомотермальным, когда процессы охлаждения испарением невозможны (как в термах и хаммамах).

Средние (умеренные) тепловые нагрузки (0,2–1,0 кВт/м²), уже превышающие тепловыделение от физических нагрузок и отвечающие временам переносимости в десять минут, воспринимаются кожей уже как явное отчётливое тепло, мягко и глубоко проникающее в тело («под кожу»). Входя с холода в помещение с такой метеообстановкой как бы вздрагиваешь «от мороза». Указанные тепловые нагрузки полезны в «тепляках» (теплушках), то есть специальных тёплых помещениях (вагончиках) на производствах для согревания людей, застудившихся на морозе.

Большие тепловые нагрузки (1–3 кВт/м²), отвечающие времени переносимости 1‑10 минут, воспринимаются кожей как жара, как мощное тепло, глубоко «вцепившееся» в тело, как горчичник с пощипываниями и покалываниями, но терпимое. Этот режим наиболее любим знатоками бань именно за приятное пощипывание кожи, особенно ушей. Пощипывания наиболее ярко проявляются в первые минуты пребывания в бане, затем кожа прогревается, наполняется кровью (особенно при хлестании веником) и острота ощущений снижается (из‑за повышения времени переносимости раскрасневшейся кожей). Эти приятные пощипывания усиливаются при раздражении кожи жёсткой мочалкой (желательно колючей) и обливаниях горячей водой.

Тепловые потоки свыше 3 кВт/м², отвечающие времени переносимости менее минуты, воспринимаются как экстремальные жгучие воздействия на кожу, уже вызывающие неосознанное стремление «отпрянуть». Такие воздействия применяются обычно лишь эпизодически при взмахах веника на короткие промежутки времени (секунды, поскольку аналогичны лёгкому ошпариванию). Отметим, что все эти ощущения пощипываний, покалываний, ошпариваний присущи тепловым потокам любой природы, не только от горячего влажного воздуха, но и от горячей воды. Например, горячий душ даёт те же самые ощущения, что и горячая баня.

Предложенная классификация ощущений весьма условна и ориентировочна. Она изменяется от человека к человеку, но самое главное относится к первым минутам нахождения человека в бане. Прогревшись и раскрасневшись, человек становится менее чувствительным к тепловым нагрузкам, поскольку прикожный слой с расширившимися кровеносными сосудами легче проводит тепло, и уровень привыкания существенно возрастает.

В качестве численного примера рассмотрим на предмет переносимости самые обычные для бытовых бань хомотермальные метеоусловия (рис. 51). Напомним, что в отсутствии вентиляции и холодных (с температурой ниже 40 °C) элементов, осушающих воздух в бане, любое помещение стремится к хомотермальным метеоусловиям ввиду увлажнения воздуха дыханием и испарением воды, которой моются.

Если движений воздуха нет и лучистые потоки отсутствуют (то есть при температуре стен, потолка и пола на уровне 40 °C), то переносимость хомотермального режима (кривая 3) велика (от получаса до нескольких часов). Это следствие того, что неподвижный воздух является очень «тёплой одеждой» (защищающей и от жары, и от холода) ввиду низкой теплопроводности. При равенстве температур воздуха и стен (в изотермической бане) и характерных (весьма умеренных) скоростях воздушных потоков 1 м/сек тепловые нагрузки при температурах больше 80 °C могут стать большими с временами переносимости ниже 10 минут (кривые 1 и 2). При скоростях воздушных потоков более 5 м/сек можно добиться даже экстремальных тепловых нагрузок.

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.

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.

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.

Можно нагревать воду в яме и иным способом – сбрасыванием в яму, наполненную водой, раскалённых камней и валунов, причём крупные валуны более предпочтительны. Как и в случае нагрева ямы, камни необходимо прогреть до температур, много больших 100 °C. Если же камни будут недостаточно прогреты, то при температурах камней ниже 60 °C они вообще не смогут прогреть воду до 40 °C. При температурах камней порядка 100 °C, камней придётся брать очень много, они даже, может быть, не поместятся в яму, придётся их извлекать после охлаждения и добавлять новые порции горячих камней. При сильно раскалённых камнях (до температур порядка 400 °C) воду можно нагреть умеренным количеством камней (порядка 400 кг камней на 250 литров воды). При высоких температурах камней образуется много водяного пара (как и в случае сильно прогретой ямы). Так что для большего комфорта яму лучше было располагать в крытом помещении, например, в шалаше или пещере, причём это помещение можно было использовать как влажную (и даже воздушную паровую) баню (например, германскую «ЬаdestuЬе», см. ниже).