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 .
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.
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!
Jäin kaipaamaan edeltä seuraavaa näkökulmaa. Jos saunassa on tasainen lämpötila, niin kivien lämmitys joko sähkövastuksella tai tulella tulipesän seinien läpi lämmittää saunan ilmaa yhtä paljon kuin lämpöä poistuu ilmanvaihdon kautta tai pintojen kautta johtumalla. Kun löylyä heitetään kiukaalle ja vesi höyrystyy, niin niin veden lämmittäminen höyrystymispisteeseen sitoo jonkin verran energiaa ja veden höyrystäminen paljon energiaa. Tämä energia on peräisin kivien lämpöenergiasta, joten kivet jäähtyvät siihen lämpötilaan verrattuna joka tarvittiin tasapainolämpötilan ylläpitämiseksi joten kivien lämmittävä vaikutus pienenee. Jos saunan lämpötila on alle 100 astetta, veden höyrystymislämpötilaan lämmittämiseen sitoutunut energia siirtyy täysimääräisesti ilmaan, joten tältä osin kivien jäähtyminen ei jäähdytä ilmaa. Mutta minun mielestäni veden olomuodon muutokseen sitoutunut suuri energiamäärä on energian tasapainolakien mukaisesti pois koko systeemin lämpöenergiasta, joten kivet jäähtyvät ja sitä kautta myös ilma. Jos heitetään paljon löylyä, kivien lämmitystä on lisättävä, jos halutaan pitää vakioinen lämpötila.
Vesihöyryä ihminen ei pysty näkemään. Tiivistynyt vesihöyry on pilvi eli hyvin pieniä vesipisaroita, mutta pilven tiheys on niin pieni ettei pilveä saunassa pysty näkemään.
Polttava löyly tarkoittaa, että vesihöyry osuu iholle ennen palautumista vesipisaroiksi. Polttavuus johtuu vesihöyryn tiivistymisen luovuttamasta lämpömäärästä noin 2 kWs/g (kilo watti sekunti per gramma).
1g vettä on suunnilleen sama kuin 1 täysi puserrus vesisumutinpullosta.
Pehmeä löyly tarkoittaa, että vesipisaroiksi palautunut löyly on myös sekoittunut ilman kanssa ja jäähtynyt hieman 100 C alapuolelle.
Hyvin vedellä valeltu ihminen tarkoittaa, että höyrymuotoisen veden tiivistymislämmön pitää lämmittää myös ihon pinnalla oleva vesi. Lämmitettävää massaa on enemmän, jolloin ihon tuntema lämpötilan nousu on pienempi.
Päivitysilmoitus: Kepeän kestämätön kesäkuu
Onpas erikoista, että tyhjentävää vastausta saunan lämpötilan laskuun löylyä heitettäessä ei löydy vieläkään, edes Mollier- diagrammia pyöritellyt henkilö ei kertonut suoraa vastausta. Ei sen toteamiseen voi lämpötiloja mitata kiukaan päältä kuten eo. videossa tehtiin. --- Siis, kun saunan seinällä on aluksi lämpötila 90 C ja 200- asteisille kiville heitetään 100- asteista vettä, niin seinällä oleva lämpötila-arvo laskee. Se laskee käytännössä n. 60 asteeseen ( näin totesimme juuri tänään 7.1. Raahen uimahallin saunassa ) , mutta ei sen alle, mikäli saunaa edelleen lämmitetään. Omasta mielestäni tätä ilmiötä eli 30- 50 asteen lämpötilan laskua ei selitä kuivan ja kostean lämpötilan määrittelyjen erot. Yksi tekijä lienee se, että löylyn heitto lisää saunaan kaasutilavuutta höyryn mukana, joka ylimääräinen ilma poistuu ilmanvaihtokanaviin tai pesutilaan ja löylyn heiton jälkeen höyry tiivistyy ja kaasutilavuus pienenee ja saunaan imeytyy jostakin korvausilmaa ja tämän osuuden viilentävä vaikutus näkyy lämpömittarissa. Siis sauna hengittää sisään ja ulos. Silti kaipaan itsekin parempaa eli termodymaamista perustelua asialle.
Kiinnostavaa kuulla!
Millä tavalla mittaatte lämpötilaa?
En ole yhdelläkään (kieltämättä hitaasti ilman lämpötilan muutoksiin reagoivalla) mittarilla ole havainnut seinälämpötilassa minkäänlaista muutosta, mikä mielestäni kertoo siitä, että muutos on pieni ja lyhytaikainen. Minulla on tällaista "hitaasti muuttuva" lämpötilaa dataa kymmenistä mittauksista.
Videolla esitetty tapaus on ainoa, missä olen saanut näkyviin minkäänlaista muutosta, joten suhtaudun väitteeseesi toistaiseksi skeptisesti.
Miksi näin tapahtuisi?
Lassi
Monta vuotta sitten Suomen kuvalehdessä oli kattava artikkeli saunoista ja siinä otettiin esille löylyheittotavan vaikutus löylyyn.
Jos kaataa vähissä erin vettä pitkävartisesta kauhasta riittävän kuumien kivien väliin, vesi höyrystyy ja saatta tulistua matkalla ylös kivikasasta.
Silloin höyry tuntuu kuivalta ja lämpöitila heti kiukaan yläpuolella nousee hivenen.
Saunan lämmittäjä ja käyttäjä vaikuttaa moneen asiaan, kuten autonkuljettaja ajotavallaan bensakulutukseen….
Kiitos kommentista, näin epäilemättä on!
Sauna varsinkin jatkuvalämmitteinen on mielenkiintoinen asia lukuisine muuttujineen eikä asiaa auta yhtään se, että jokaisella on omat teoriansa itse mukaanlukien. En edes väitä ymmärtäväni kaikkea mitä saunoihin tulee mutta aihe kiinnostaa ehkä jopa epäterveellisessä määrin? Mielenkiintoisinta kaikessa ehkä jatkuva oppiminen (valtava määrä virheitä ennen sitä) eikä valmista tule varmaan koskaan?
Painovoim. ilmanvaihdon määritelmissä kuinka paljon ilman pitää vaihtua litraa/sekunti per neliömetri tms. on jo lähtökohtaisesti se ongelma että kuinka paljon saunaan tulee ilmaa ja paljonko sieltä poistuu, sen määrittelee lähtökohtaisesti hormikoko sekä vedon määrä hormissa eikä ohjeistuksien laskennalliset lukemat siten päde. Koneellinen ilmanvaihto eri asia. Jos ohjeistuksia noudatettaisiin saunan koon kasvaessa tuloilmamääriä tulisi kasvattaa vaikka hormiveto samanaikaisesti pysyy vakiona lähes aina. Teoriaa ei siis voi aina edes soveltaa tapauskohtaisesti. Ongelma edellisessä on vielä se, että ilmamäärät jotka ohjeistuksissa määritellään ilman vaihtumisen yhteydessä, ne menevät pääasiassa palamiseen (hormin kautta ”harakoille”) ei saunan kiertoon joten itse pääasia eli ilmanvaihto ei edes toimi. Ongelmat eivät jää edes tuohon vaan kiukaan yläpuolelle sijoitettu tulo toki takaa ilman vaihtumisen mutta se myös kasvattaa ilmankiertoa kasvattaen ilmanvaihdon nopeutta tuotetun lämpöenergian kulutuksen siten kasvaessa mitä kautta myös energiankulutus kasvaa vaikka hormivedon määrä olisi vakio molemmissa esim.tapauksissa. Vastaavasti tulon ollessa alhaalla korvausilman mennessä suoraan palamiseen Ilmankierto saunan yläosassa myös hidastuu verrattuna tilanteeseen missä tulo sijaitsee kivipinnan yläpuolella vaikka hormivedon määrä olisi edelleen vakio. Aika hukassa ovat asiantuntijatkin kuinka painovoim. ilmanvaihto tulisi toteuttaa vaikka jatkuvalämm. kiukaat ovat olleet käytössä jo vuosikymmeniä? Asiaa ei auta yhtään se, että löylyn heittäminen ja sen vaikutukset unohdetaan kysymyksessä kuinka painovoim. ilmanvaihto tulisi toteuttaa.
Ilmamääristä en edes laskelmia tiedä mutta sen tiedän että pääasia on se, että korvausilma kiertää saunan ilmankierrossa riittävä määrä on yllättävän pieni. Itse ratkaisin ongelman kompromissilla missä tulo on edelleen alhaalla (vaikka perint. kiukaiden kohdalla tulon täytyy olla kivipinnan yläpuolella) korvausilma menee osittain palamiseen sekä kiukaan läpi kiertäen saunan poistuen kiukaan ja hormin kautta ulos. Ilmanvaihdon määrä on yllättävän pieni mutta riittävä ollen edelleen ns. kompromissi edellä mainituista vaihtoehdoista poissulkien huonot puolet ilmanvaihdon edelleen toimiessa vaikkakin maltillisesti. Kokeilemalla ensin molemmat em:t vaihtoehdot päätyen omaan ratkaisuun.
“Tulistunut löyly” ilmiöstä sitä tuntematta kysymys. Huomioidaanko määritelmän yhteydessä sen syntymekanismit muuttujineen? Löylyveden määrien lisääminen jotta saavutetaan ns. tulistunut löyly tai vastaavasti, huomioidaanko kivien lämpötila? Esim.siten, että juuri lämmitetyssä saunassa kivien ollessa kuumimmillaan löylyvesi höyrystyy nopeasti jo pintakivissä mistä seuraa “kovat löylyt” ja vastaavasti kivien jäähtyessä löyly saapuu saunojalle viiveellä löylyveden valuessa pohjakiville asti pintakivien jo jäähtyessä löylyjen ollessa siten ns. “pehmeät löylyt” (samalla vesimäärällä)?
Kivien lämpötilojen merkitystä haen kysymyksessä miksi löylyjen lämpövaikutus poikkeaa niin suuresti riippuen kivien lämpötiloista saunan lämpötilan pysyessä vakiona?
Omassa saunassa kivien lämpötilojen muutoksen voi määritellä suoraan kosteusmittarin suurista eroista ihmisen toimiessa termostaattina löylyn sietokyvyn mittarina.Tarkoittaen sitä, että kivien ollessa kuumimmillaan löyly polttaa jo matalissa kosteus%:ssa (vesi höyrystyy pintakivissä) ja vastaavasti, kivien jäähtyessä huomattavasti (vesi valuu pohjakiville pintakivien jäähdyttyä) samaisen maksimaalisen henk.kohtaisen löylyn maksimaalisen sietokyvyn saavuttamisen yhteydessä kosteus% on huomattavasti korkeampi saunan lämpötilan pysyessä vakiona. Onko kyse siis kivien lämpötilaeroista vai yksinkertaisesti siitä, että löylyveden höyrystyessä (sama vesimäärä) pintakivissä höyrystymisnopeus on suuri (nopeat löylyt) mikä tuntuu polttavana löylynä (höyrystynyt vesi nopeasti saunojan iholle) ja vastaavasti kivien jäähtyessä sama vesimäärä höyrystyessään hitaasti (viipyvät löylyt) valuessaan pohjakiville lämpötuntemus on ns. pehmeä (höyrystynyt vesi hitaasti saunojan ihoille pienemmässä erässä) koska höyrystymisnopeus on samalla vesimäärällä huom. hitaampi?
Hei,
Unto pyysi välittämään tällaisen kommentin:
Jutussa esitetty kostean ilman piirros ei ota kantaa siihen miten ja millaisesta kiukaasta kulloinenkin höyry/löyly on tuotettu. Piirroksesta selviää vain miten eri lämpötilassa oleva höyry/löyly ja löylyvesimäärä muuttavat saunailman tilaa.
Tunnistan kyllä kysyjän kuvaileman ”lähes kylmäksi kylvetyn kiukaan” tapauksen!
Se miten se termodynaamisesti voitaisiin selittää vaatinee vielä lisää pohdiskelua.
Vaikeusastetta lisää tietenkin vielä se, että tässä on nyt ”tunteettoman” löylyn lisäksi myös saunoja tapahtumassa mukana omine inhimillisine tuntemuksineen!
Tarjoan vielä yhden vastauksen omasta puolestani:
Esitetty laskelma kuten myös video on siinä mielessä pelkistetty esimerkki, että siinä ei voida huomioida kunnolla saunaa dynaamisena järjestelmänä, jossa ilman lämpötila on jatkuvasti muutoksessa - pintojen lämpötilasta ja ilman kaloriasta puhumattakaan. Veden nopea höyrystyminen vaikuttaa löylyn kokemukseen varmasti enemmän kuin löylyhuoneen ilman lämpötilan muutoksista voisi päätellä.
Ihminen on kuitenkin aika jäävi lämpömittari sillä emme reagoi mihinkään fyysiseen ärsykkeeseen lineaarisesti, tämä on psykofysiologian perushavainto. Esimerkiksi ensimmäiset löylyt ylipäätänsä tuntuvat varmasti erilaisille kuin vaikka viidennet vaikka olosuhteet objektiivisesti pysyisivät samoina (mekin olemme yksi dynaaminen järjestelmä).
Ihmisen löylyvastetta olisi kiinnostava tutkia lisää!
Lassi
Sehän tuosta jäi kun lähes kylmenneen kiukaan pesään lisään puita, ei mene kauan kun kivien uudestaan lämmetessä "ihmistermostaatti" saavuttaa taas maksimaalisen löylynsietokyvyn paljon matalemmissa kosteusprosenteissa (saunan peruslämpötilan pysyessä vakiona) kuin tilanteessa missä kivet ovat jo jäähtyneet.
Kyselytauti vaivaa taas aiheena tällä kertaa aikaisemmin toisaalla mainittu teoria tai fakta löylyn ominaisuudesta syrjäyttää happea. Vaikka omassa saunassa ilmanvaihto toimii vaikkakin hitaasti (heikosti?) kasvattaessa löylynlyönnin määriä varsinkin kivien jäähtyessä "ihmistermostaatti" eli tässä tapauksessa jälleen kerran ao. itse koen kuinka hapen määrä ei olisi aina riittävä toimivasta ilmanvaihdosta riippumatta. Viittauksella edelliseen olisikin mielenkiintoista tietää onko tutkittu eri lämpötiloissa yms. muuttujineen missä vaiheessa vesihöyry eli löyly syrjäyttää happea saunatilassa haitallisissa määrin? Asiaa ei auta yhtään se, että omassa saunassa ilmanvaihdon nopeus tuntuu olevan suoraan verrannollinen kivien lämpötiloihin (Kuumat kivet nopea löylyveden höyrystyminen nopea ilmanvaihto/-kierto. Kylmenneet kivet hidas löylyveden höyrystyminen viipyvät löylyt hidas ilmanvaihto/-kierto). Se suurin ongelma saunassa lukisten muuttujien huomioiminen eri asiyhteyksissä.
Tuo "happi loppuu" tunteen tulkinta ja sen yhteys saunailman objektiivisiin ominaisuuksiin on mielenkiintoinen juttu. Olen kirjoittanut asiasta kirjaan yhden luvunkin.
Hapen suhteellisen määrän ilmassa on mahdollinen selitys lähinnä erittäin kuumissa (100+ C) saunoissa, joissa on paljon vesihöyryä.
Se mikä muu kokemuksen takana voisi olla, on hyvä kysymys. Ilmanvaihdon tehostaminen on kuitenkin yleinen ratkaisu. Kiuas voi olla usein yksi osa ilmanvaihtoa, kuten oletkin huomannut. Sen suhteellinen merkitys liittyy löylyhuoneen muihin yksityiskohtiin. Esim. kertalämmitteisen puukiukaan tai tunnelikiukaan kohdalla se korostuu. Sitten tuo kivien kylmeneminen jatkuvalämmitteisessä kertoo taas ilmanvaihdon yleisestä hidastumisesta, kun kamiinan poistaman ilman määrä vähenee.
Lassi
Lassi