Принципы конструирования бань

Организация воздухообмена в бане

Смена воздуха в каждой точке помещения происходит за счёт упорядоченных потоков воздуха, которые можно условно разделить на циркуляционные (внутренние замкнутые) и вентиляционные (замыкающиеся вне здания). В одних зонах бани воздух циркулирует или вентилируется чрезмерно быстро, а в застойных зонах — чересчур медленно. Именно циркуляция является тем самым фактором, который приводит к перемешиванию воздуха, в результате чего нежелательные примеси неизбежно распространяются по всем зонам бани (правда, со снижением концентраций). Удаление же примесей происходит лишь за счёт вентиляции.

Загрязняющие факторы и необходимая кратность воздухообмена в банях

Человек устроен так, что выдыхает воздух именно туда, откуда тотчас его и вдыхает. Поэтому очень важна не столько вентиляция всего помещения и даже не вентиляция места пребывания людей, сколько подача свежего воздуха именно в зону дыхания каждого конкретного человека около рта. Это может быть достигнуто либо естественной конвекцией (всплыванием) тёплого выдыхаемого с ускорением воздуха, либо перемешиванием воздуха за счёт циркуляции и вентиляции в помещении, либо движениями самого человека. Например, в современном автомобиле правильно сконструированная вентиляция не просто вентилирует кабину водителя, а подаёт свежий воздух непосредственно в зону дыхания к лицу неподвижно сидящего водителя.

Механическая и естественная вентиляция бань

Необходимую кратность вентиляции надёжней всего обеспечить механической (принудительной) вентиляцией, закладывая в проект приточные и вытяжные электрические агрегаты заданной производительности. Регулировка скорости вентиляции осуществляется при этом шиберами (задвижками, заслонками) на воздухозаборных и воздухоподающих воздуховодах. Для дачных бань применимы самые маленькие бытовые вентиляторы (оконные, кухонные), обеспечивающие при электрической мощности всего 20-50 Вт производительность по воздуху не менее 50 м3/час. Электрические бытовые вентиляторы уже давно широко доступны для населения, но многие модели работоспособны лишь в сухом холодном воздухе и, как следствие, пригодны только для подачи свежего воздуха в баню. Поэтому целесообразней применять специализированные вытяжные вентиляторы для влажного воздуха ванных и душевых комнат/

Гравитационные перепады давления в бане

Гравитационные (свободноконвективные) движения воздуха — это всплывание горячего воздуха в среде холодного воздуха, а также утапливание холодного воздуха в среде горячего воздуха. Это происходит потому, что горячий (тёплый) воздух легче холодного.С другой стороны гравитационные движения воздуха (как и любые движения газа) возникают как перемещение (выталкивание) воздуха из зон повышенного давления в зоны пониженного давления, причём эти давления создаются естественными факторами — гравитационными силами (силами тяжести). При отсутствии перемещений воздуха давление воздуха (динамическое, совпадающее со статическим) равно весу воздушного столба, расположенного над рассматриваемой точкой. Так что давление воздуха в горячей бане у потолка (соединенного с атмосферой) равно давлению воздуха вне бани на том же высотном уровне, поскольку над горячей баней находится точно такой же атмосферный воздух, что и рядом с баней.

Ветровые перепады давления в бане

Вентиляция за счёт ветрового напора описывается упрощённым уравнением Бернулли рт = р + ρV²/2, где рт — давление торможения. Ветровой напор (рт - р) равен 0,6 Па при скорости ветра 1 м/сек (штиль); равен 15 Па при скорости ветра 10 м/сек (сильный ветер); равен 540 Па при скорости ветра 30 м/сек (ураган). Уравнение Бернулли означает, что идеальная (безвязкостная) жидкость (газ) может ускоряться (тормозиться) только за счёт снижения (повышения) своего статического давления. Так, при течении жидкости (газа) по трубе статическое давление в местах сужения уменьшается (поскольку увеличивается скорость), а затем при расширении трубы до прежнего диаметра возвращается на прежний уровень.

Движение вентиляционного воздуха внутри бани

Для оценки эффективности вентиляции надо знать не только скорость подачи свежего воздуха в баню, но и траекторию распространения свежего воздуха внутри бани. При малых скоростях принудительного ввода холодный приточный воздух, как более тяжёлый, тонет в горячем воздухе бани, устремляясь ламинарными потоками вниз, растекаясь по полу и вытесняя горячий воздух вверх. С увеличением скорости ввода, приточный воздух образует дальнобойные струи, также устремляющиеся вниз, но перемешивающиеся с восходящими горячими потоками. При очень больших скоростях приточный воздух идёт «сквозняком» по потолку, не успевая перемешаться. Типичным случаем является охлаждение пола («дует по полу»), но наибольший интерес для вентиляции бань (а также и для печей) представляет дальнобойный ввод воздуха, имеющий место уже при перепадах давления 0,1 Па и при скоростях воздуха в проёме (0,3-0,5) м/сек.

Принцип нормализации бани

Если рассматривать проблему широко, то следует говорить не о сушке, а о нормализации бани. Дело в том, что во время процедуры в сухих высокотемпературных саунах древесина порой вовсе не намокает, а, наоборот, пересушивается, а при охлаждении после окончания банной процедуры, вновь увлажняется из-за гигроскопичности. В паровых и влажных банях намокшую древесину надо сушить тоже отнюдь не до абсолютно сухого состояния, а до определённого уровня влажности с учётом возможных вредных последствий (коробления, растрескивания, гниения и т. п.).

Механизм испарения воды в бане

Исходным моментом (первичным актом) испарения является явление газификации воды (парообразование). При этом вода, разлитая по эмалированной поверхности душевого поддона, или вода, впитавшаяся в глубь древесины, газифицируется точно так же, как вода, налитая в ванну или распределённая на коже человека. Наиболее быстрые молекулы воды, преодолевая энергетический барьер, равный скрытой теплоте испарения (конденсации) 539 ккал/кг, вылетают с поверхности компактной (жидкой) воды и могут безвозвратно удалиться (например, в вакууме), если их не заставят возвратиться назад в жидкость столкновения с молекулами в газовой фазе. Массовые скорости газификации воды могут быть очень большими — несколько килограммов в секунду с 1м² при температуре 40°С (то есть тонны воды в час с 1м² поверхности!) и возрастают с температурой экспоненциально (точнее, пропорционально d0(Т)1/2). Вместе с тем, давление водяных паров рп (а по существу концентрация молекул воды) у поверхности воды крайне мало, поскольку все молекулы воды тут же улетают от поверхности. При высоких скоростях газификации компактная вода, естественно, сильно охлаждается, поскольку из неё вылетают наиболее энергичные молекулы, и средняя энергия оставшихся молекул в воде (как раз и характеризующаяся понятием температуры) уменьшается. Это явление хорошо известно и широко используется, например, при сублимационной сушке, когда вода из-за охлаждения превращается в лёд.

Сушка древесины в бане

Древесина является пористым материалом, а вследствие открытости пор способна (при отсутствии водоотталкивающей обработки) впитывать воду, поглощать влагу из воздуха и пропускать через себя водяной пар и воздух. Если древесина может увлажняться как компактной водой, так и водяным паром, то высушиваться (в отличие от непористых поверхностей) она может только путём удаления из неё водяных паров.

Сушка поверхностей в бане

Сушка мокрых поверхностей по сути эквивалентна процессу испарения с поверхности компактной воды. Учитывая, что тепловой поток qисп, связанный с испарением или конденсацией, равен скорости испарения (конденсации), умноженной на теплоту испарения, нетрудно получить выражение для скорости испарения воды со свободной поверхности Gп(мг/м²•час) = (159+297.V)Δрп, где V — скорость движения воздуха в м/сек, Δрп — перепад парциального давления водяных паров в Па, равный разности парциальных давлений водяных паров непосредственно у мокрой поверхности и в воздухе бани. С другой стороны Gп(мг/м²•час) = 0,6Δрп/δ, где 0,6 мг/м²•час — паропроницаемость воздуха, δ(м) — толщина пограничного слоя, то есть характерное расстояние, на котором реализуется перепад парциального давления Δрп вблизи поверхности. Сопоставляя эти соотношения, можно заключить, что толщина пограничного слоя в отсутствие движений воздуха составляет 4 мм, а при скорости движения воздуха 1 м/сек сокращается до 1,3 мм. Иными словами, когда мы говорили в предыдущем разделе о «сдуве» с поверхности воды газифицировавшихся молекул воды потоком обдувающего воздуха, то фактически имели в виду, что сухой воздух при обдуве мокрой поверхности (в том числе и кожи, и пола) всё больше «приближается» к поверхности испарения с увеличением скорости обдува. Это значит, что в зазорах (щелях, полостях) толщиной менее 4 мм сушка поверхностей будет усложнена.

Сушка пор древесины в бане

Теория сушки древесины в порах по И.В. Кречетову включает три самостоятельных механизма. Во-первых, при высоких влажностях древесины (более 100%), когда есть поры, полностью заполненные водой (влагой), свободная влага движется как вода в трубе под действием сил тяжести (в крупных капиллярах), перепадов давления (в том числе водяного пара при температурах выше 100°С). Фактически вода газифицируется на поверхности древесины, и её потери на поверхности компенсируются подтеканием воды из глубины пор. Древесину высокой влажности можно сушить в какой-то степени даже протиранием (промакиванием) её поверхности мягкой хлопчатобумажной тканью, впитывающей влагу из крупных пор древесины.

Сушка бань в полостях

В наиболее неблагоприятных условиях находятся массивные деревянные изделия (балки, лаги, столбы, стропила и т. п.), расположенные в плохо проветриваемых условиях. Например, проблемы в банях возникают с балками протекающих полов. Если в элитных представительских банях вопрос с сушкой подполья можно решить с помощью электровоздухонагревателей, то в рядовых любительских банях единственным фактором эффективного высушивания остаётся продуваемость подполья наружным атмосферным воздухом. И именно в этом вопросе дачники чаще всего делают упущения, ошибочно считая, что главное в подполье — отвести воду, а продуваемость подполья — вредный фактор, выхолаживающий банные полы. В действительности же всё наоборот: если подполье свободно продувается, то вода на земле и мокрый грунт не представляют никакой угрозы конструкциям полового перекрытия бани.

Тепловой баланс строения

Выбор типа отопительного прибора обычно начинается с оценки необходимой мощности теплового источника. Такая оценка, как правило, производится в быту крайне ориентировочно, интуитивно (то есть на основе личного опыта или «мнения соседа»), на уровне житейских понятий «хватит», «достаточно», «маловато». Действительно, редко кто рассчитывает в деталях теплопотери будущей дачной постройки и теплоотдачу задумываемой печи. Только сауны заводского изготовления порой имеют хоть какие-нибудь паспортные характеристики, да и то с учётом многочисленных поправок с погрешностью порой в два-три раза. Чаще всего обеспеченные дачники принимают решение «с запасом», чтобы потом «не жалеть», то есть устанавливают печь наиболее крупного размера, которая бы «влезла и не очень мешала».

Тепловая инерция строения

В предыдущем разделе мы оценили основные теплопотери при уже протопленной бане. Но ведь затапливают баню в холодном состоянии, и чтобы её нагреть, необходимы теплозатраты, которые также обеспечиваются отопительным прибором (печью). Учитывая теплоёмкости различных материалов, оценим, сколько надо тепла, чтобы прогреть 30 м² стен с условными уровнями теплозащиты А и В. Для удобства оценок теплозатраты представлены в единицах кВт•час. Если мощность теплового источника составляет, например, 1 кВт (уровень обычного бытового электрообогревателя), то «коробка» рассматриваемого размера, обитая изнутри утеплителем 40 мм и вагонкой 10 мм, нагреется за 10 часов. Во-первых, бросается в глаза весьма неожиданный результат: чем теплее здание из кирпича (или бруса), тем больше тепла требуется на его протопку. Действительно, чем толще стены, тем они более тёплые (в смысле малости кондуктивных потерь за счёт теплопроводности), но в то же время они более массивные и потому требуют больше тепла на первичный прогрев.

Особенности ввода тепла в баню

Ранее мы молчаливо предполагали, что вводимое в баню тепло тут же потребляется всей баней целиком, и вследствие этого все элементы бани нагреваются равномерно. Но ведь ясно, что ведро с водой закипит на плите через один час, а ведро с водой на полу (или даже на банном полке у потолка) не закипит никогда. То есть одни элементы бани прогреваются быстро и, может быть, чрезмерно, а другие — крайне недостаточно. Картину распределения тепла в бане определяет в первую очередь сама система отопления. Напомним, что системы отопления в самом общем случае состоят из следующих конструктивных элементов: — теплового источника (теплонагревателя, печи, котла и т. п.); — теплопроводов, перемещающих тепло, в том числе с помощью теплоносителей (дымовых газов, воздуха, воды, лучистого тепла и т. п.) от теплового источника к отопительным приборам; — отопительных приборов (теплообменников), передающих тепло в помещение (в воздух, в стены, в воду и т. п.).

Страницы