Влияние температуры точки росы на тепловые ощущения в русской бане
Влияние температуры точки росы на тепловые ощущения в русской бане
Аннотация
В последнее время в мировой научной литературе наблюдается активный интерес к изучению влияния на организм человека различных термальных процедур. Большинство работ связано с исследованием различных аспектов процедур сауны, хамама и термо-кабинок с излучателями инфракрасного излучения. При этом исследования режимов русской парной практически отсутствуют. В данной работе представлены первые результаты детального исследования влияния параметров микроклимата в русской парной на тепловые ощущения человека. В работе показано, что тепловые ощущения в парной, а значит и величина теплового потока, имеют линейную связь с величиной температуры точки росы (ТТР). Экспериментально установлено, что в парной ТТР должна быть в диапазоне от 40 до 50 °C.
1. Введение
Различные формы процедур, связанных с нагревом тела человека присутствуют как в современных, так и в древних культурах. Так, до нас дошли обширные исторические сведения о банях различных народов мира . В современном мире широко распространены следующие виды термальных процедур: нагрев в ванне (джакузи, офуро), финская сауна, хамам, русская баня, инфракрасная (ИК) баня, а также паровые кабины. Все эти формы термальных процедур имеют различное распространение. Большинство из них устроено так, что все части тела человека получают примерно одинаковое тепловое воздействие. Так, например, происходит при погружении человека в тёплую воду или при нагреве человека при помощи равномерного ИК-излучения (сауна, ИК-бани) или за счет пара постоянной кондиции (хамам, паровые кабины). Принципиально во всех перечисленных процедурах источник тепла практически равномерный. При погружении тела в воду равномерный нагрев достигается за счет равномерного распределения температуры воды, в случае пара в хамаме и паровых кабинах — климат в помещении поддерживается практически постоянным (температура и влажность). В сауне и ИК-банях основной нагрев происходит от инфракрасного излучения, интенсивность которого значительно не меняется в процессе приёма процедуры. Безусловно, существует градиент температуры от низа к верху помещения, где происходит приём процедур, и человек может так расположить части тела, что они будут получать разное количество тепла. Но, в целом, методика приёма процедур подразумевает максимальное нивелирование этого факта, а в случае индивидуального приема процедуры человек принимает её лёжа, тогда его тело находится на одной высоте, что обеспечивает примерно одинаковое поступление тепла ко всем частям его тела.
Существенно отличается ситуация при нагреве человека в русской парной. Основным механизмом нагрева человека в парной является конденсация не нём воды , , за счёт фазового перехода пара в конденсат. Обычно генерация пара создаётся за счёт поддачи воды на раскалённые камни. Получив энергию, вода испаряется и перемешались с воздухом, достигнув тела человека, может конденсироваться на нём с выделением тепла, за фазового перехода «пар»–«вода». В указано, что тепловой поток от подобного вида нагрева в парной может достигать (при движении воздушной смеси веником) величины 2 кВт/м2 даже при низких температурах (50–60 °C), что в 4–5 раз превышает величину тепловых потоков от ИК излучения и конвекционного нагрева теплым воздухом (в оба потока при температуре 60 °C имеют величину порядка 0.5 кВт/м2). Как известно, конденсат выпадает только на телах, температура которых ниже температуры точки росы (ТТР) , , . Поэтому при парении должны создаваться такие климатические условия, при которых температура точки росы выше температуры тела человека (ТТР>36.6 °C). При этом стоит учесть, что, согласно [3,4], кожа человека может нагреваться в парной до 40 °C, поэтому принято считать, что условия для выпадения на коже человеке конденсата достигаются тогда, когда ТТР>40°C. Обсуждение выбора параметров климата в парной можно найти в литературе , , . К основным климатическим параметрам при этом принято относить два: температуру и относительную влажность, кроме того, существенным параметром является скорость движения паровоздушной смеси. Важным свойством нагрева тел фазовым переходом пар-конденсат является то, что этот процесс будет идти до тех пор, пока их температура будет ниже ТТР. Другими словами можно сказать, что фазовый переход пара в конденсат в парной стремится нагреть тело человека до температуры ТТР. Принципиально нагрев в парной схож по своим свойствам с нагревом человека при приёме душа или при погружении его тела в теплую воду (приём ванны), где вода может нагреть человека до своей температуры. В этих случаях очевидно, что выбор температуры воды (Тводы) является основным параметром, который требуется контролировать при приеме ванны. Данный метод нагрева широко исследован , , , . Так, температура воды в классических японских ваннах (офуро) при выполнении задачи прогреть человека - варьируется от 39 до 42 °C, причём 42 °C считается высокой температурой , , (при протяженности процедуры 8–15 минут). В представлены статистические данные по выбору температуры воды в ванне. В исследовании собрана информация о 275 проведенных процедурах. Средняя температура составила 40.75 °С, а максимальная доходила до 51.2 °С, при этом в исследовании не указывалась протяженность процедур и можно предположить, что при температурах, больших 42 °C процедуры были короткими. В случае приёма душа нейтральная температура воды для человека находится в районе 35 °C, а горячая — около 40 °C , в предельная температура была порядка 45 °C. (Открытые источники в интернете содержат информацию о предельной температуре воды в душе порядка 50 °C). Суммарно считается, что при задаче прогрева человека при помощи ванны или душа, температура воды должна варьироваться от 37 до 42 °C.
Таким образом, в литературе уже установлены общие закономерности между Тводы и тепловым воздействием на человека процедуры приема ванны и душа. В данной работе проведено исследование с задачей получить аналогичные значения ТТР в парной. Заранее можем сказать, что полученный результат ряда первичных исследований показал, что при типичных процедурах парения температурный диапазон параметра ТТР составляет от 40 до 50 °C. В работе получена зависимость тепловых ощущений человека от величины ТТР. Обсуждены некоторые особенности изменения климатических параметров в парной в процессе проведения процедуры парения.
2. Методы и принципы исследования
Исследование было проведено в два этапа: сначала на банном фестивале «Внуки Русского Пара» в 2024 году и после в парных организации «Школа СПА-банного дела Внуки Русского Пара» . Целью первого этапа исследования было определить, какие параметры климата типичны в парной при парении профессиональными парильщиками. На втором этапе проведено исследование с задачей установить связь между тепловыми ощущениями человека в парной и величиной ТТР при парении его вениками. При публикации исследования исключены упоминания личностей принимающих процедуры, парильщиков, параметров парных, названия печей и прочих особенностей, идентифицирующих условия проведения процедуры. Отдельно полагалось, что опытный парильщик может контролировать комфортные условия климата в парной. При проведении процедуры парильщики не видели показаний измерений и ориентировались только на свой опыт по проведению стандартной программы парения. Парящийся также не видел показаний датчика, но имел при этом задачу субъективно оценивать уровень тепла. Во всех исследуемых процедурах парение происходило при помощи веника.
В процессе проведения парения регистрировались два параметра: температура и относительная влажность. Для регистрации использовался специализированный логгер «Роса» , оснащенный специальной модификацией датчика sht40, увеличивающей защищённость датчика от попадания на него капель воды (защита от брызг) на железном корпусе. В исследовании корпус датчика был снят. Это снижало влагозащищенность, но позволяло увеличить реакцию датчика. Температура и влажность регистрировались раз в секунду. Точность датчика заявленная производителем составляла ± 1,8 % для относительной влажности и ± 0,2 °C для температуры. При проведении процедур парения датчик располагался так, чтобы прибор регистрировал параметры на том же уровне, на котором располагался человек, принимающий процедур. Для этого датчик помещался в район головы ближе к углу на высоту примерно 5 см от полка. Во всех процедурах парящийся человек располагался лёжа. Температура точки росы вычислялась по формуле:
где
где a=17,27, b=237,7 ℃ — константы, H — влажность %.
3. Основные результаты
3.1. Этап 1. Определение типичных параметров микроклимата в парной: интенсивный и умеренный режим парения
Рассмотрим подробно две процедуры парения, которые сильно отличались по интенсивности. На рисунке ниже представлены результаты двух парений («А» и «Б») одного и того же человека двумя разными парильщиками в двух разных банных пространствах. На рисунках приведены зависимости температуры и влажности в парной от времени, а также температуры точки росы. Кроме того, на шкале времени приведены пиктограммы, показывающие, какие части тела прогревались более интенсивно, и насколько сильно чувствовал жар парящийся. Уровень интенсивности и место прогрева показаны положением и количеством красных блоков над пиктограммой тела человека.
Рисунок 1 - Ход температуры парения 1 (оранжевая линия), влажности (синяя линия) и температуры точки росы (зелёная линия)
Рисунок 2 - Ход температуры парения 2 (оранжевая линия), влажности (синяя линия) и температуры точки росы (зелёная линия)
Рассмотрим общие тенденции в обеих процедурах. Процедуры состоят из двух этапов: парение со стороны спины и парение со стороны живота (процедура «А» начинается с парения живота, процедура «Б» — с парения спины). Оба этапа начинаются с общего прогрева тела, и постепенного (ступенчатого) подъема ТТР. После этого начинается активное парение частей тела. Между этапами осуществляется небольшой перерыв (проветривание). На обоих графиках хорошо видны поддачи пара — они соответствуют скачкам влажности.
На этом совпадения заканчиваются, начинаются различия. Так, при сравнении парений видно, что первое из них (процедура «А») происходило более интенсивно — его продолжительность составила 730 секунд (примерно 12 минут), а ТТР практически всегда находилась выше 45 °C. Продолжительность второй процедуры 1500 секунд (25 минут), ТТР в среднем около 41 градуса. Корреляция между средним уровнем ТТР и длиной процедуры связана с тем, что более высокий уровень теплового воздействия на человека требует сокращения времени процедуры. Стоит отметить, что выбор интенсивности процедуры мог быть продиктован изначальным запасом тепловой энергии в каменке печи. В случае процедуры «А» этот запас был большим (одно из первых парений в бане), в случае процедуры «Б» запас был ограничен (последнее парение). Пик влажности в конце парения «Б» (в районе времени 1550 секунд) соответствовал последней поддаче воды на каменку, после которого парильщик отметил, что больше пара из этой каменки уже не получить. В первые 300 секунд процедуры «А» температура в парной растёт с 35 ℃ до, примерно, 55 ℃, что связано с тем, что баня перед процедурой проветривалась. После достижения 55 ℃ температура менялась слабо. В случае процедуры “Б” парная заранее не проветривалась, поэтому температура до проветривания была примерно постоянной и держалась на уровне 47 ℃, а после проветривания упала до уровня 44 ℃.
Стоит отметить ещё одно важное наблюдение, а именно — фиксацию того факта, что в процессе парения при поддачах температура в парной практически не изменяется. Это является важным экспериментальным свидетельством, подтверждающим то, что тепловые ощущения интенсивного прогрева в парной связаны в основном с динамическим изменением ТТР в процессе парения. Также отметим, что уровень тепловых ощущений человека, принимающего процедуры, был связан с величиной ТТР (это видно по пиктограммам на рисунке). При этом в процедуре “А” было два отрезка, когда ТТР превышала 50 ℃, в них были зафиксированы ощущения, близкие к ожоговым. Для установления характера связи между ощущениями человека и величиной ТТР и было проведено дополнительное исследование. Рассмотрим его ниже подробно.
3.2. Этап 2. Сравнение тепловых ощущений и величины ТТР
Для достижения задачи этапа проводились парения, в которых парящийся человек комментировал свои ощущения. Далее, комментарии переводились в тепловые ощущения в соответствии с рангом ощущения тепла, введенным Фангером . Ранг тепловых ощущений (РТО) варьируется от -3 до +3, где субъективные ощущения тепла соответствуют значениям из таблицы ниже.
Таблица 1 - Ранг тепловых ощущений
Величина ранга теплового ощущения | Тип ощущений |
-3 | Холодно |
-2 | Прохладно |
-1 | Слегка прохладно |
0 | Нейтрально |
1 | Слегка тепло |
2 | Тепло |
3 | Горячо |
Было проведено 5 контрольных парений, в которых процедуру принимали 5 различных участников. Для всех процедура была первой в этот день. Общие характеристики участников приведены в таблице ниже:
Таблица 2 - Общие характеристики участников
Номер парения | Пол | Возраст | Вес |
1 | мужчина | средний | нормальный |
2 | женщина | средний | нормальный |
3 | мужчина | средний | нормальный |
4 | мужчина | средний | избыточный |
5 | мужчина | средний | незначительное превышение |
Ниже приведен рисунок, на котором показаны параметры влажности (синие линии), температуры (оранжевые линии) и температуры точки росы (зелёные линии) для всех парений. Для удобства анализа на зависимости ТТР присутствуют символы (зелёные кружки) с расположенными рядом с ними цифрами. Положение символов по временной шкале указывают на время комментариев парящегося, а цифры указывают величину РТО (верхняя цифра) и величину ТТР (нижняя цифра). Сравнение этих двух цифр по сути и должны выявить искомую связь между температурой точки росы в парной и тепловыми ощущениями человека.
Рисунок 3 - Парение 1
Примечание: синие линии — параметры влажности; оранжевые линии — ход температуры; зелёные линии — температуры точки росы; зелёные кружки — символы по временной шкале указывающие на время комментариев парящегося; верхняя цифра — величина РТО; нижняя цифра — величина ТТР
Рисунок 4 - Парение 2
Примечание: синие линии — параметры влажности; оранжевые линии — ход температуры; зелёные линии — температуры точки росы; зелёные кружки — символы по временной шкале указывающие на время комментариев парящегося; верхняя цифра — величина РТО; нижняя цифра — величина ТТР
Рисунок 5 - Парение 3
Примечание: синие линии — параметры влажности; оранжевые линии — ход температуры; зелёные линии — температуры точки росы; зелёные кружки — символы по временной шкале указывающие на время комментариев парящегося; верхняя цифра — величина РТО; нижняя цифра — величина ТТР
Рисунок 6 - Парение 4
Примечание: синие линии — параметры влажности; оранжевые линии — ход температуры; зелёные линии — температуры точки росы; зелёные кружки — символы по временной шкале указывающие на время комментариев парящегося; верхняя цифра — величина РТО; нижняя цифра — величина ТТР
Рисунок 7 - Парение 5
Примечание: синие линии — параметры влажности; оранжевые линии — ход температуры; зелёные линии — температуры точки росы; зелёные кружки — символы по временной шкале указывающие на время комментариев парящегося; верхняя цифра — величина РТО; нижняя цифра — величина ТТР
Рисунок 8 - Зависимости ранга тепловых ощущений, от температуры точки росы при парении веником в русской парной
Примечание: символы – зависимости для проведённых пяти процедур, пунктирная линия – усредненная линейная зависимость
Таблица 3 - Таблица усредненных тепловых ощущений в парной
ТТР ℃ | Тип тепловых ощущений |
40-42 | слегка тепло (мягкое тепло) |
42-44 | умеренное тепло |
44-46 | тепло (комфортное тепло) |
46-48 | яркое тепло |
48-50 | горячо |
>50 | жарко (рядом с пределом переносимости) |
Данные, представленные в таблице, имеют утилитарную пользу и могут быть использованы в устройствах мониторинга и контроля параметров микроклимата в парной.
4. Заключение
В заключении хочется подытожить основные выводы, полученные для температурного режима типичного веничного парения. Так, интерес представляет выбор параметров климата (температуры и влажности). Как видно, выбор параметров должен быть таким, чтобы ТТР не превышала 50 ℃ (точный порог переносимости в рамках данной работы не определен). В соответствии с выражением (1), такие параметры можно достичь при различных комбинациях температуры и влажности. В представленных процедурах это достигалось при температуре от 40 до 55 ℃ и влажности от 40 до 95%. Подобные параметры фиксировались и в большинстве других процедур, не вошедших в публикацию. Отметим, что, скорее всего, выбор такой низкой, на первый взгляд, температуры не случаен. Дело в том, что, по определению, при влажности 100 % ТТР равняется температуре воздуха. Учтём, что при парении происходит нагнетание влаги на человека веником, и поэтому нельзя исключать возможность локального повышения влажности до уровня 100% и если в парной температура воздуха будет выше 55 ℃, то это может привести к тому, что и ТТР превысит значение более 50 ℃, что, в соответствии с зафиксированными в данном исследовании фактами, будет уже восприниматься человеком как ощущение ожога. Поэтому при проведении парения при температурах воздуха, выше 55 ℃ требуется более внимательно контролировать влажность, что усложняет процедуру парения вениками.
Другим важным фактом является то, что представленные данные показывают возможность быстрого изменения интенсивности теплового прогрева человека в процессе парения. Так, в представленных данных видны многократные контролируемые скачки ТТР на величину до 7 ℃, что, в соответствии с полученной таблицей тепловых ощущений, значительно изменяет интенсивность теплового прогрева. Полученные и проанализированные данные позволяют сделать вывод о том, что в диапазоне температур воздуха от 40 до 55 ℃ параметр ТТР определяет тепловые ощущения человека в русской бане. Предположительно то же сохраняется при более высоких температурах, что требует дальнейшего исследования.