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 (рис. 47а). С увеличением скорости ввода, приточный воздух образует дальнобойные струи, также устремляющиеся вниз, но перемешивающиеся с восходящими горячими потоками (рис. 476).

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. При заборе приточного воздуха (а также при отсосе воздуха из помещения) на всасывающей стороне проёма возникают так называемые всасывающие спектры (стоки), описывающие движения воздуха в приёмное отверстие (см. левую часть рисунка 48). Затем линии тока, сгруппировавшись, формируют за счёт инерции струю воздуха со скоростью V2 (см. правую часть рисунка 48).

Рис. 48. Схема линий потока воздуха, подаваемого под напором

Рис. 48. Схема линий потока воздуха, подаваемого под напором (перепадом давления Ap=pi-p2) через отверстие (при незначительности сил вязкости). Слева - всасывающий спектр в осессиметричный сток. Справа - направленная осесимметричная струя (модель пылесоса).

Если бы струя попала в плавно расширяющийся канал (трубку Бернулли, рис. 43а), то могла бы плавно (и ламинарно) расшириться и затормозиться, создав фронт вентиляционного воздуха в бане. Но вырывающаяся из отверстия струя попадает в неподвижный воздух бани, «расталкивая» его. Такая струя называется затопленной. В затопленной струе развивается турбулентность: ламинарная приосевая часть струи (ядро) сужается и исчезает на расстоянии шести диаметров отверстия (шести калибров), а турбулентная периферическая часть расширяется за счёт вихрей (рис. 49).

Рис. 49. Скорость турбулентной затопленной осесимметричной струи, истекающей из отверстия диаметром do со скоростью Vo.

Рис. 49. Скорость турбулентной затопленной осесимметричной струи, истекающей из отверстия диаметром do со скоростью Vo. Внизу - график уменьшения скорости движения воздуха на оси струи по мере удаления от отверстия, построенный по формуле Vx=Vo<6,ldo/x>exp(-74,5y2/x2).

Рис. 50. Схема слияния отдельных струй в единый фронт движущегося воздуха

Рис. 50. Схема слияния отдельных струй в единый фронт движущегося воздуха

Осевая скорость струи падает обратно пропорционально расстоянию от отверстия. Так, струя с начальной скоростью 1 м/сек, истекающая из отверстия диаметром 10 см (расход струи 28 м3/час), на расстоянии 3 м имеет скорость 0,2 м/сек и диаметр 1,2 м (включающий 99,9% массового потока струи). Отметим, что масса струи по мере удаления от отверстия постоянно увеличивается за счёт эжекции (подсасывания неподвижного воздуха в струю в процессе образования движущихся вихрей). Если приточный воздух является холодным, то следует учитывать искривление траектории струи вниз к полу бани.

При наличии нескольких отверстий отдельные струи постепенно по мере удаления сливаются и дают единую широкую струю, имитирующую фронт ветра (рис. 50).

С учётом вышеизложенного могут реализоваться два противоположных типа вентиляции: либо через множество мелких отверстий (то есть через пористые или мелкощелевые стены), либо через отдельные локальные отверстия в воздухонепроницаемых стенах (то есть через воздухозаборы, продухи, окна, форточки, двери).

В первом случае многочисленные мелкие струи сливаются в единый фронт движения воздуха (рис. 51а), а во втором - формируются развитые турбулентные струи, перемешивающие весь воздух в помещении (рис. 516).

Первый случай обычно отождествляют с вытеснительной схемой вентиляции, а второй - со смесительной схемой. В смесительной схеме вентиляции (рис. 516) приточный воздух интенсивно перемешивается с воздухом бани либо в турбулентных зонах струи, либо принудительно дополнительными вентиляторами или циркуляцией воздуха от печи. В результате в вытяжное отверстие поступает не тот загрязнённый воздух, что есть в бане, а смесь загрязнённого воздуха с только что поступившим чистым приточным воздухом. Как нетрудно подсчитать, концентрация загрязняющей примеси (нежелательной или желательной) в воздухе бани в этом случае равна d=G3/(GB+G3), где G3 - скорость выделения загрязняющей примеси в бане, GB - скорость ввода чистого вентиляционного воздуха в баню. Отсюда следует, в частности, что высокие концентрации примеси в виде водяного пара в воздухе бани (то есть высокие абсолютные влажности воздуха) в смесительной схеме возможны лишь в случае малых скоростей вентиляции, как в русских паровых банях, или при большой скорости подачи пара, как в высокоциркуляционных паровых саунах в сауна-спорте.

Рис. 51. Смесительный (а) и вытеснительный (б) принципы вентиляции

Рис. 51. Смесительный (а) и вытеснительный (б) принципы вентиляции. 1 и 2 - воздухопроницаемые стены, 1 - пористая воздухопроницаемая стена (например, утеплитель из минеральной ваты), 2 - стена со множеством щелей (например, брёвна с плохо проконопаченными швами), 3 - высокотурбулентная струя, 4 - сквозняк, 5 - зона локального загрязнения от точечного источника (вид сверху и сбоку).

В вытеснительной схеме (рис. 51а) приточный воздух поршнем выдавливает весь внутренний загрязнённый воздух в сторону вытяжного отверстия (или вытяжной воздухопроницаемой стены). Воздух движется единым фронтом от одной стены к другой без перемешиваний воздуха, причём движется через точки выделения примесей (вредных и нежелательных факторов или, наоборот, полезных и желательных).

При этом возникают лишь локальные области загрязнений, например, в виде расширяющейся струи, как это имеет место при выбросе дыма из дымовой трубы в движущийся воздух (ветер). Ясно, что в некоторых зонах воздух может сохраняться чистым, но зато в других зонах 5 концентрации примесей будут повышенными. Именно этот режим наиболее удобен для парения веником: человек, располагаясь в комфортной неутомительной обстановке, лишь эпизодически при возникновении желания может направить на себя веником поток воздуха из высоковлажной зоны 5 (или может переместиться всем телом в зону высоковлажного воздуха).

При правильном размещении загрязняющих источников эффективность вытеснительной схемы в гражданском строительстве может оказаться в 5-10 раз более высокой, чем в смесительной, а в отдельных областях индустрии (микроэлектронике, микробиологии, медицине и т. п.) в сотни и тысячи раз выше. Более подробно с бытовой концепцией вытеснительной вентиляции можно познакомиться в книге Р.Н. Яковлева «Новые методы строительства», М.: Аделант, 2003 г. с одним лишь замечанием, что хорошие избы «дышат» (вопреки мнению автора) отнюдь не за счёт воздухопроницаемости бревенчатых стен, а за счёт паропроницаемости и гигроскопичности древесины.

В литературе очень часто утверждается, что русская бревенчатая баня, мол, очень комфортна именно за счёт проветривания через «дышащие» брёвна стен, и поэтому «пар» в ней «лёгкий». К сожалению, ни древесина, ни тщательно проконопаченные пазы (швы) не пропускают воздух в заметном количестве. «Лёгкость пара» в бревенчатых банях обусловлена, как уже отмечалось, совсем другим - осушкой горячего воздуха гигроскопичной древесиной. Но щели в полах бани и щели в плохопроконопаченных стенах действительно могут обеспечить вытеснительную «вентиляцию». Однако, такой воздухообмен является нерегулируемым и в ветренную погоду может полностью выстудить баню, не говоря уже о нежелательном образовании тумана.

Вытеснительная схема с высокой кратностью обмена называется в быту сквозняком, поскольку в этом случае приточный воздух как ветер проносится сквозь помещение. Очень часто, а в быту преимущественно, сквозняк сочетается с зонами смешения, то есть имеет место комбинированная схема. В то же время сквозняком может быть очень длинная (дальнобойная) струя с минимальной турбулентностью. Устранение сквозняков достигается правильным выбором мест расположения вентиляционных отверстий (учитывающим и преимущественное направление ветра и иных воздушных потоков), уменьшением размеров вентотверстий для уменьшения дальнобойности струй, а также повышением турбулентности струй путём установки преградзавихрителей.

Высокая эффективность вытеснительной схемы вентиляции объясняет тот хорошо известный факт, что залповые проветривания помещения бани кратковременным открытием окон или дверей значительно чаще используются даже в моечных отделениях бань, чем проветривание через постоянно приоткрытую форточку. Отметим, кроме того, что залповые проветривания более комфортны в банях, чем постоянное проветривание, поскольку даже весьма умеренные, но длительно воздействующие воздушные потоки (0,1-0,3) м/сек, воспринимаемые лицом как лёгкая приятная свежесть, ощущаются затылком как неприятный сквозняк. Поэтому в банях в любом случае необходимо делать так, чтобы вентиляционный воздух дул в лицо.

Рис. 52. Структура конвективной турбулентной струи, создающейся над локальным тепловым источником мощностью W=20KBT. Расчётные формулы: AT(°C)=24.5(W2(KBT)/X5(M)) 1/3, Vох(м/сек)=1.33(W(кВт)/х(м)) 1/3, где AT -превышение температуры воздуха в струе над температурой подсасываемого из помещения воздуха, Vx(r) - продольная составляющая скорости, в том числе Vox=Vx(0) на оси струи.

Рис. 52. Структура конвективной турбулентной струи, создающейся над локальным тепловым источником мощностью W=20KBT. Расчётные формулы: AT(°C)=24.5(W2(KBT)/X5(M)) 1/3, Vох(м/сек)=1.33(W(кВт)/х(м)) 1/3, где AT -превышение температуры воздуха в струе над температурой подсасываемого из помещения воздуха, Vx(r) - продольная составляющая скорости, в том числе Vox=Vx(0) на оси струи.

В высокоциркуляционных саунах вытеснительная схема вентиляции невозможна, поскольку мощная циркуляция воздуха всё быстро перемешивает. В связи с этим напомним, что любая горячая (даже горизонтальная) поверхность создает над собой восходящий конвективный поток воздуха (рис. 52). Конвективная струя является турбулентной, причём ускоренной, поскольку тёплые струи (и горизонтальные, и вертикальные) в холодном воздухе всплывают, а холодные струи в тёплом воздухе тонут. Расчёт свободноконвективной струи над компактным тепловым источником мощностью W=20kBt (например, над нагретой чугунной печной плитой) показывает, что на высоте 1 м над источником скорость струи достигает 4 м/сек при температуре до 200°С.

Другой особенностью высокоциркуляционных саун является мощный забор воздуха печью на горение дров (до 100 м3/час и более). При этом надо иметь в виду что на воздухозаборных отверстиях печи развиваются гравитационные перепады давления воздуха до (20-30) Па, намного большие гравитационных перепадов давления воздуха в самой бане (2-5)Па. Поэтому естественная вентиляция в бане (в отличие от принудительной) не может повлиять на работоспособность печи и на её засасывающую способность.

Даже простейший анализ вентиляционных потоков зачастую может вызвать затруднения. Многие авторы «рисуют» их «как попало», располагая, например, приточные отверстия выше вытяжных, что возможно, да и то в неустойчивом режиме, лишь в случае наличия высоких горячих вытяжных труб (это становится ясным, если вспомнить внутритопочные процессы в печах).

В самом общем случае первичный анализ потоков надо вести в предположении ламинарности течений, разделив их на циркуляционные (внутренние) потоки с замкнутыми (круговыми) траекторями и на вентиляционные (проточные) потоки, замыкающиеся вне помещения. Каждую из возможных траекторий необходимо проверить на достоверность, убеждаясь в меньшем весе колена (правого или левого) восходящих газов. Окончательный вид течений определяется суммированием (суперпозицией) циркуляционного и вентиляционного потоков.

Рис. 53. Схема естественных гравитационных вентиляционных потоков в бане с экранированной металлической печью

Рис. 53. Схема естественных гравитационных вентиляционных потоков в бане с экранированной металлической печью: а -подвод приточного воздуха под печь (в том числе и с экранами, не имеющими внизу заборов воздуха из помещения), б - подвод приточного воздуха в отверстие над печью, в и г - общеобменная вентиляция за счёт проёма в потолке (фонаря) или в стене (окна). 1 - печь калориферная, 2 -циркуляционный поток воздуха от печи, 3 - вентиляционная траектория, 4 - возможная вентиляционная траектория, 5 -невозможная вентиляционная траектория.

Траектория на рисунке 53а рекомендуется финскими производителями сухих циркуляционных саун: воздух подаётся под металлическую печь, частично идёт в топливник (при использовании печи на дровах), частично нагревается в калорифере печи и в виде горячей конвективной струи устремляется вверх и выходит наружу через вентотверстие в потолке или в верхней части стены, противоположной печи. В этой заведомо надёжной схеме (типа «фена») обеспечивается отсутствие холодных сквозняков по полу, и даже возможен вывод воздуха под полками и даже через щели в полу. Но в квартирных встроенных саунах подвести воздух под печь бывает технически трудно. Поэтому финнами рекомендуется для простейших бань ввод приточного воздуха через отверстие в стене на расстоянии 500 мм над печью (рис. 53 6).

Такое решение отчасти напоминает распространённую схему расположения батарей отопления под окнами: холодный приточный воздух сначала «падает» вниз, а затем «подхватывается» восходящими потоками вверх к верхнему вытяжному отверстию. На рисунках 53а и 53 6 очистка воздуха осуществляется подмешиванием чистого приточного воздуха к загрязнённому циркуляционному с последующим выводом части циркуляционного воздуха (то есть по смесительной схеме).

Но это не означает, что воздух можно вывести из любой точки циркуляционного потока. Так, если в схеме 53 6 вытяжное отверстие «волевым решением» опустить под полку при малейшем нарушении режима (при «дуновении ветра») неустойчивые течения воздуха «опрокидываются»: отверстия под полкой становятся приточными (при отсутствии дополнительной тяги), а отверстия над печью - вытяжными.

При проветривании тёплых помещений через протяжённые по высоте проёмы окон и дверей (рис 53г) возникают приточный и вытяжной потоки одновременно, которые в состоянии при определённых условиях даже разомкнуть циркуляционную траекторию и превратить её в чисто вентиляционную. Большой интерес представляет расположение проёма в потолке (в виде фонаря, продуха), обеспечивающее наличие вентиляции в тёплых замкнутых объёмах воздуха (рис 53в), например, в погребах, шахтах, колодцах зимой, а также в печах при догорании углей при закрытых воздухозаборных отверстиях (прикрытом поддувале).

Определённую специфику имеет вентиляция встроенных бань. Также как и в ванных комнатах, вытяжная вентиляция из бань кратностью не менее 1 раза в час должна выводиться на улицу например, через существующие вентиляционные стояки здания. Но для упрощения возможен выброс вытяжного воздуха и в жилое помещение, если в нём имеется общеобменная вентиляция, например, выброс воздуха из минисауны может осуществляться в ванную комнату где уже есть вентиляция. Воздух сухой сауны имеет низкую абсолютную влажность, а поэтому сложностей с выбросом нет. Но если используются влажные, а тем более паровые режимы, то необходимо снижать абсолютную влажность вытяжного воздуха до 0,017 кг/м3 и ниже, чтобы предотвратить увлажнение помещения. 

Это можно осуществить либо осушением вытяжного воздуха (например, конденсацией паров воды на холодных змеевиках, пластинах, трубах), либо разбавлением вытяжного воздуха потоком сухого воздуха. Иными словами, во встроенных в квартиру влажных саунах желательно делать вентиляционную систему двойного назначения:

-    в сухом режиме действует многократная (например, шестикратная) вентиляция, обеспечивающая сухость воздуха в сауне и сухость вытяжного воздуха;

-    в недолговременных влажном и паровом режимах кратность вентиляции временно снижается, например, до одного раза в час и менее, но начинает «вентилироваться» (например, шестикратно разбавляться) вытяжной воздух так, чтобы в результате в жилые помещения не попали воздушные потоки влажностью более 0,017 кг/м3.

Это можно обеспечить схемой с приточным вентилятором и двуходовым клапаном (рис. 54). Схему можно дополнить конденсационным осушителем вытяжного воздуха (по аналогии с известным химическим аппаратом с обратным холодильником - перегонным кубом).

Рис. 54. Схема механической вентиляции квартирной встроенной бани (сауны), работающей как в сухом режиме, так и в паровом.

Рис. 54. Схема механической вентиляции квартирной встроенной бани (сауны), работающей как в сухом режиме, так и в паровом. 1 - вентилятор приточный, 2 - приточное отверстие, 3 -двуходовой клапан (вертикальное положение - разбавление вытяжного воздуха при паровом режиме, горизонтальное положение - подача вентиляционного воздуха в баню при сухом режиме), 4 - металлическая печь (электрическая), 5 - вентиляционный поток, 6 - вытяжное отверстие, 7 - циркуляционный поток, 8 - осушитель воздуха (конденсатор на холодном змеевике), 9 - поток сухого «приточного» воздуха, «вентилирующий» (разбавляющий) высоковлажный вытяжной воздух из бани, работающей в паровом (влажном) режиме. Вытяжной воздух из отверстия 6 допустимо направлять в существующий вентиляционный стояк здания лишь при достаточности тяги во избежание задува пара в соседние квартиры.