Kuka Unto Hakkarainen?

Diplomi-insinööri LVI, parantumaton saunapohdiskelija, eläkeläinen

4

Hikisen kesän 2021 päätteeksi Saunologia julkaisee kaksi hikoiluun liittyvää artikkelia saunavierailta. Ensimmäinen näistä on tutun saunavieraan Unto Hakkaraisen teoreettinen tutkielma siitä miten päteviä saksalaisten yritykset tutkia hien ja iholle tiivistyvän löylyveden suhdetta ovat.  Tämän rinnalla ilmestyy Vesa Hatakan käynnöllinen, hikoilun lainalaisuuksiin perustuva ohjeistus mukavampaan saunomiseen taloyhtiön tiloissa.

Unton yksityiskohtaisen työn tiivistelmänä voidaan todeta, että suomalaisessa saunomistavasssa hikoilun määrä riippuu löylynheitosta, saunan ilmanvaihdosta ja erityisesti siitä kuinka pitkä on oleskeluaika saunassa. Saunojan hikoilu käynnistyy viiveellä.  Saunomisen alussa iholle muodostuva kondensointi vaihtuu hikoiluksi kun ihon lämpötilan ylittää kastepisteen. Lue koko kommentaari:

Kondenssia vai hikoilua saunakokeessa

Saksassa tehtyjen tutkimusten perusteella on esitetty, että jopa puolet saunojan iholle ilmestyvästä kosteudesta johtuisi kondensoitumisesta, eli löylyn tiivistymisestä vedeksi. Kondensoitumista saunassa kyllä tapahtuu, mutta tutkimus antaa harhaanjohtavan kuvan sen määrästä perinteisessä suomalaisessa saunomistavassa!

Michael Zechin ja kumppanien tutkimuksessa Sauna, sweat and science – quantifying the proportion of condensation water versus sweat using a stable water isotope (2H/1H and 18O/16O) tracer experiment, on ”korvamerkityllä” vedellä tehty mittauksia kondensoinnin ja hikoilun erottamiseksi.

Tutkijat ovat kuvailleet mittausten koejärjestelyjä seuraavasti:

  • koesaunan tilavuus noin   16 m3
  • saunan lämpötila noin       90 °C
  • saunan suhteellinen kosteus ≤ 10 % (ennen löylyn heittoa)
  • neljä koehenkilöä
  • jäävedellä täytetty testipullo (0 °C), ”aidon kondensoinnin osoittamiseksi”
  • hanavedellä täytetty testipullo (20 °C), ”aidon kondensoinnin osoittamiseksi”
  • yhden löylykokeen kesto max. 8 min

Tutkijoiden mukaan :

Pre-test showed that botles filled with warm water of around 40 °C grow damp, too, however not enough to be sampled.

Eli suomeksi: esitesti osoitti myös, että pullot jotka oli täytetty noin 40 °C vedellä kondensoivat myös vähän, mutta eivät riittävästi talteenotettavaksi!

Koetilanteita kuvataan seuraavasti:

Kun tarkoituksena oli tuottaa pelkkää hikeä, koehenkilöt vietiin kuivaan saunaan. Vettä ei valeltu esilämmitetyn saunan kiukaalle ja tarkoituksena oli pitää ilman kosteus mahdollisimman alhaisena. Neljän koehenkilön hiki (1 – 2 ml, vastaten noin 30 – 50 pisaraa) koottiin näytepulloihin.

Ensimmäisessä löylykokeessa noin 500 ml ”korvamerkittyä” vettä valeltiin kiukaan kiville. Seuraavina minuutteina (max 8 min) koehenkilöiden ja testipullojen vesipisarat koottiin tutkittavaksi.

Toisessa löylykokeessa kun sauna oli välillä tuuletettu perusteellisesti, noin 500 ml ”korvamerkittyä” vettä valeltiin kiukaan kiville. Seuraavina minuutteina (max 8 min) koehenkilöiden ja testipullojen vesipisarat koottiin tutkittavaksi (ensimmäisen löylykokeen toistaminen).

161209-pixabay_klaus_haussmann_sweat_1539514_1920

Yleisiä huomioita kokeista

Tarkastellaan tehtyjä löylykokeita pelkästään kostean ilman lainalaisuuksien kannalta, ottamatta kantaa kokeissa käytettyyn ”korvamerkittyyn” veteen!

On täysin varmaa, että kokeissa käytetyt (0 °C) ja (20 °C) vesipullot kondensoivat. Miten ne kymmeniä asteita kylpijän ihoa kylmempinä voisivat mitenkään simuloida saunojia ja heidän iholle muodostuvaa kondenssia!

Kondenssin muodostumisessa on täysin ratkaisevaa sen pinnan lämpötila, jolle ilmasta alkaa kosteutta tiivistyä. Ko. ylintä lämpötilaa kutsutaan ilman kastepisteeksi. Luonto ei tunnetusti ole lineaarinen tässäkään kohtaa. Pinnan (ihon) lämpötilan ollessa ympäröivän ilman kastepistelämpötilan yläpuolella kondessia ei muodostu yhtään – ei pisaraakaan!

Saunomisen alussa ihon lämpötila on noin 32 - 33 °C ja noin 4 minuutin kuluttua se on noin 42 °C. (Äikäs, E. & Piironen, P., Thermal Exchanges of the Human Body in extreme Heat. Saunailman lämpötila ja kosteus sekä niiden vaikutus ihmisen lämmönvaihtoon, LVI-lehti 8/1970, VTT & Työterveyslaitos) [1]

Laskennallinen arviointi

Lasketaan löylykokeen alkutilanteen (lämmittämätön sauna, normaali sisäilma) ilmatilan suureet. Laskennassa on käytetty Vaisala Humidity Calculator 5.0 -laskentaohjelmaa.

Tilapisteet on lisäksi merkitty oheiseen Mollier-diagrammiin.

Mollier diagrammi, johon merkitty saksalaisen kondenssitutkimuksen pisteet. Kuva: Unto Hakkararainen

Laskennan  tulokset korostettu lihavoidulla fontilla:

  • alkulämpötila                       22 °C
  • suhteellinen kosteus          40 %
  • ilmanpaine                          1013,3 mbar (normaali ilmanpaine)
  • kastepiste                             7,8 °C
  • absoluuttinen kosteus     6,6 g/kg (sekoitussuhde)
  • märkälämpötila                14,0 °C  (jäähtymisraja)
  • entalpia                               38,9 kJ/kg
  • tiheys                                   1,19 kg/m3

Kondensointi

  • 0 °C vesipullo kondensoi
  • 20 °C vesipullo ei kondensoi
  • koehenkilöt eivät kondensoi

Vaikka märkälämpötila ja jäähtymisraja (= adiabaattinen kyllästyslämpötila) ovat fysikaalisesti erilaisia käsitteitä, niin ilmalle voidaan asettaa märkälämpötila ≈ jäähtymisraja. Tämä johtuu pelkästä yhteensattumasta lämmönsiirto- ja diffuusio-ominaisuuksien suhteen (Nils-Erik Fagerholm Termodynamiikka s.196, Otakustantamo 1986).

Saunan lämmitys alkulämpötilasta löylykoelämpötilaan.

  • löylykoelämpötila            90 °C
  • suhteellinen kosteus    1,5 %
  • ilmanpaine                       1013,3 mbar (normaali ilmanpaine)
  • kastepiste                        7,8 °C
  • absoluuttinen kosteus    6,6 g/kg (sekoitussuhde)
  • märkälämpötila            32,5°C (jäähtymisraja)
  • entalpia                          108,1 kJ/kg
  • tiheys                               0,97 kg/m3

Kondensointi

  • 0 °C vesipullo kondensoi
  • 20 °C vesipullo ei kondensoi
  • koehenkilöt eivät kondensoi

Ilmaa lämmitettäessä siitä ei poisteta eikä siihen lisätä kosteutta, joten abs.kosteus säilyy vakiona (kuten kastepistekin), suhteellinen kosteus pienenee.

dylan-sauerwein-iPhWIgkWGPw-unsplash
Kuva: Dylan Sauerwein, Unsplash. Sweat hiki

Löylykokeet

Molemmissa kokeissa kiukaalle valellaan 500 ml (500 g) ”korvamerkittyä vettä”. Oletetaan, että kaikki löylyvesi kiehuu kiuaskivien päällä ja muodostuu 100 °C höyryä (löylyä), joka täyttää tasaisesti koesaunan. Saunan lämpötila nousee noin 1°C. Ilmanvaihtoa ei mainita, joten sitä ei ilmeisimmin ole.

Kosteuden lisäys (laskettuna koko 16 m3 saunatilavuudelle) on 500 g/16 m3 = 31,3 g/m3 = (31,3/0,95) g/kg = 32,9 g/kg. Kosteus löylynheiton jälkeen 6,6 g/kg + 32,9 g/kg = 39,5 g/kg.

Löyly (100 °C, 500 g) nostaa saunan lämpötilan 91 °C:een. Löylyä heitettäessä tilapiste Mollier-diagrammilla siirtyy höyryn entalpian osoittamaan suuntaan löylyvesimäärästä ja löylyn vaikutustilavuudesta laskettavan janan verran (ks.”Muuttuuko saunan lämpötila löylyn vaikutuksesta… ja mihin suuntaan”).

Laskennan  tulokset merkitty lihavoidulla fontilla.

  • koelämpötila                            91 °C
  • suhteellinen kosteus              8,3 %
  • ilmanpaine                             1013,3 mbar (normaali ilmanpaine)
  • kastepiste                               36,3 °C
  • absoluuttinen kosteus         39,5 g/kg (sekoitussuhde)
  • märkälämpötila                    44,1°C (jäähtymisraja)
  • entalpia                                197,0 kJ/kg
  • tiheys                                    0,95 kg/m3

Kondensointi

  • 0 °C vesipullo kondensoi
  • 20 °C vesipullo kondensoi
  • koehenkilöt kondensoivat siihen saakka kunnes ihon lämpötila ylittää kastepisteen 36,3 °C

 

Sakari Pälsin löylynlaki

Jos kosteuden lisäys (löylyn vaikutus) lasketaan vain ”Sakari Pälsin löylynlakitilavuudelle” = kiukaan kivipinnan tason yläpuolelle olevalle saunatilavuudelle, on löylyn vaikutustilavuus silloin noin 11,5 m3 (kuuma ilma on kevyempää kuin kylmä ilma ja kostea ilma on kevyempää kuin kuiva ilma)!

500 g/11,5 m3 = 43,5 g/m3 = (43,5/0,94) g/kg = 46,3 g/kg. Löylynheiton jälkeen kosteus on 6,6 g/kg + 46,3 g/kg = 52,9 g/kg.

Löyly (100 °C, 500 g) nostaa nyt saunan lämpötilan 91,5 °C:een.

Laskennan  tulokset merkitty lihavoidulla fontilla.

  • koelämpötila                              91,5 °C
  • suhteellinen kosteus                10,7 %
  • ilmanpaine                                1013,3 mbar (normaali ilmanpaine)
  • kastepiste                                   41,3 °C
  • absoluuttinen kosteus             52,9 g/kg (sekoitussuhde)
  • märkälämpötila                       47,5°C (jäähtymisraja)
  • entalpia                                   233,3 kJ/kg
  • tiheys                                      0,94 kg/m3

Kondensointi

  • 0 °C vesipullo kondensoi
  • 20 °C vesipullo kondensoi
  • koehenkilöt kondensoivat siihen saakka kunnes ihon lämpötila ylittää kastepisteen 41,3 °C

Yhteenveto

Suoritetuissa ajallisesti lyhyissä löylykokeissa on normaalista suomalaisesta saunomisesta poikkeava tilanne - löylyä heitetään vain kerran (yksi runsas löylyannos). Koska kylpijät ovat kokeen alussa saunaan tullessaan ”kylmiä” (iholämpötila n. 32 – 33 °C), ennättää löyly hyvin kondensoida iholle. Kondensointiaika on noin 3 - 4 min., jonka jälkeen alkaa hikoilu 4 – 5 min, joka kestää kokeen loppuun saakka.

Lähteen [1] kuvasta 6. on nähtävissä miten kokeen alussa (saunan lämpötila 88 °C ja abs.kosteus 45 g/kg) kylpijän iholle tapahtuva kondensointi vaihtuu noin 3 min. kuluttua hikoiluksi. Vaihtumishetki nähdään kuvassa lämpövirran suunnan vaihtumisena, kun kylpijää lämmittävä kondensointi muuttuu kylpijää jäähdyttäväksi hikoiluksi.

Kuvasta nähdään myös, että kun hikoilu on kerran alkanut, jatkuu se kokeen loppuun saakka. Kylpijän ihon lämpötila hakeutuu jäähtymisrajaan (≈ märkälämpötila).

Löylynheiton jälkeen kondensointia tapahtuu, mikäli uuden ilmatilapisteen kastepiste on löylynheittoa edeltävän tilapisteen jäähtymisrajan yläpuolella!

Mikäli saunan lämpötila ja kosteus pidetään vakioina, tai löylyä lisätään vähitellen, ei kondensointia tapahdu. Kaikki iholle ilmestyvä kosteus on tuolloin hikeä!

Jos löylykokeen kesto olisi valittu sopivan lyhyeksi ajaksi (3 – 4 minuutiksi) olisi kokeen tulkinta voinut olla esimerkiksi seuraava:

Havaittiin, että saunottaessa kylpijän iholle muodostuva kosteus on kaikki kondensoitunutta löylyvettä, eikä saunassa todellisuudessa hikoilla lainkaan!

Tai sensaatiolehden lööppi olisi voinut kirkua:

Uusin tutkimus paljastaa – Suomen kansalla on saunahikoilusta vuosisatainen väärinkäsitys – saunassa ei hikoilla lainkaan!

Saksalaisista mittaustuloksista on mielestäni vedetty hätiköity johtopäätös koskemaan myös normaalia suomalaista saunomista väittämällä, että puolet kosteudesta on kondenssia ja puolet hikeä!

13

Eräs saunan lämpötila-asioissa usein keskustelua herättävä kysymys on, mitä saunan lämpötilalle tapahtuu löylyä heitettäessä. Asiasta voi spekuloida , mutta jokainen tietää nahoissaan, että kuumemmalle siellä ainakin tuntuu! Mutta miksi, mitä fysiikka sanoo? Saunologian saunavieras DI Unto Hakkarainen on LVI-asiantuntija ja otti toivomuksestani kantaa kysymykseen tiukan insinöörimäisesti ja sen tueksi videoin pienen testin asiasta. Unton selitys on kiinnostava ja selventää, miksei asia ole niin itsestään selvä:

Otetaanpa löylykauhaan vettä ja heitetään se kuumille kiuaskiville. Veden lämpötila nousee kiukaalla ensin 100 °C:een. 100 °C vesi ottaa kiuaskivistä lisää energiaa ja kiehuu 100 °C höyryksi. Kiuaskivien lomaan valunut vesi ja siitä muodostunut 100 °C höyry voi vielä tulistua esim. 50 °C, jolloin kiukaasta saunan ilmatilaan purkautuvan löylyn lämpötila on 150 °C.

Tarkastellaan ensin tapausta, jossa kaikki löylyvesi kiehuu kiuaskivien päällä muodostaen 100 °C höyryä. On helppo päätellä, että jos saunan lämpötila on ennen löylyn heittoa alle 100 °C niin tämä 100 °C höyry nostaa saunan lämpötilaa! Mutta jos saunan lämpötila ennen löylyn heittoa on yli 100 °C, silloin 100 °C höyry jäähdyttää saunailmaa ja saunan lämpötila laskee.

Arvatenkin 100 °C saunailman lämpötilaan ei tällä löylynheitolla ole vaikutusta. Tulistuneen löylyn (150 °C) tapauksessa saunailman lämpötila nousee, koska saunan lämpötila ennen löylynheittoa on aina alle 150 °C!

Saunan ilmatilan muutosta voidaan havainnollistaa tarkemmin KOSTEAN ILMAN h, w PIIRROKSELLA (Nils-Erik Fagerholm, Termodynamiikka, Otakustantamo 1986, liite 9), josta saadaan ilman lämpötila ja kosteus löylynheiton jälkeen. Diagrammeissa ”löylyjanat” on suunnattu valituista alkupisteistä kohti kulloisenkin löylyn entalpiaa pystyakselilla .

2019-Hakkarainen-100c
Lämpötilan ja kosteudne muutos löylynheitossa (100°C vesihöyry). Mollier-diagrammi. Kommentit: Unto Hakkarainen

Löylynheitossahan lisätään höyryä saunailmaan. Em. piirroksessa ilman tilamuutos höyryä lisättäessä saadaan piirtämällä alkutilapisteestä suora oikealla pystyakselilla olevaa lisättävän höyryn entalpiaa kohti.

  • 100 °C höyryn entalpia on 2676 kJ/kg
  • 150 °C höyryn entalpia on 2745 kJ/kg

Valitaan piirrokseen saunailman alkutiloiksi ennen löylynheittoa:

t= 80 °C ; w= 20 g/kg k.i.

t= 120 °C ; w= 20 g/kg k.i.

Piirroksista nähdään, että lämpötilojen muutokset kaikissa tapauksissa ovat pieniä – vain muutama aste - olivatpa ne sitten nousuja tai laskuja. Saunailman kosteus w sitä vastoin kasvaa voimakkaasti kaikissa tapauksissa (piirroksissa 20 g/kg k.i. >> 80 g/kg k.i.).

”Löylyjanan” suunnan määrää löylyn entalpia ja pituuden löylyveden määrä.

2019-Hakkarainen-150c
Lämpötilan ja kosteuden muutos löylynheitossa (150°C vesihöyry). Mollier-diagrammi. Kommentit: Unto Hakkarainen

Laskennallinen esimerkki: löylynheitto 20 m3 saunassa

Vastaan artikkelin otsikossa esitettyyn kysymykseen esimerkin kautta. Saunan alkulämpötila on 80 °C, kosteus 0,02 kg H2O/kg k.i. ja höyryn tiheys 0,0191 kg/m3.

Löylynheiton (tulistunut löyly 150 °C) jälkeen saunan lämpötila on 86 °C, kosteus 0,08 kg H2O/kg k.i. ja höyryn tiheys 0,0688 kg/m3.

Tilamuutokseen tarvittava vesimäärä 20 m3 saunassa on 20m3 x (0,0688 – 0,0191) kg/m3 = 1 kg

Laskelmassa on oletuksena, että löylyn tuottama kosteus täyttää koko saunan tasaisesti, vaikka vertikaalisuunnassa lämpötila onkin kerrostunut. (Prof. Ryti on käyttänyt Tekniikan käsikirjassa saunalaskussaan tilanmuutokseen tarvittavaa löylyveden määrää laskiessaan saunan koko tilavuutta!)

Saunologin kommentaari

Olen pitkään itse ollut siinä (väärässä) uskossa, että tässä esitetty saunan ns. kuivalämpötila ei löylyä heitettäessä muuttuisi. Nyt vaikuttaa kuitenkin tarpeelliselle korjata käsityksiä tämän suhteen! Tämä johtuu myös siitä, että yleisesti saunassa tekemissäni lämpötilamittauksissa ei ole lämpötila-anturissa näkynyt löylynheiton kohdalla vastaavaa muutosta kuin ilmankosteudessa. Syynä tähän taas on todennäköisesti ollut mittarityyppi, joka reagoi ilman lämpötilan muutoksiin turhan hitaasti.

Koska saunologi on empiristi, päätin kokeilla asiaa käytännössä, tällä kertaa hieman paremmin soveltuvalla (joskaan ei missään tapauksessa täydellisessä) termopari-lämpöanturilla. Näin siinä kävi: (katso video)

Unto Hakkaraisen esitys saunan lämpötilan muutoksesta vaikuttaa järkeenkäyvälle. Siihen on lisättävä, että koska saunan lämpötila harvoin on tasainen, ei myöskään löylyn vaikutus kohdistu siihen tasaisesti. Toisaalta löylyt eivät kestä kauaa ja saunan ilmanvaihdon ja pintamateriaalien lähtötilasta riippuu, miten nopeasti löylyjen mukanaan tuoma lisäenergia haihtuu.

Odotan innolla, että pääsen julkaisemaan lisää Unton saunologisia pohdintoja!

Kiitos Unto Hakkaraiselle!