何海濤, 陳振雷, 呂孝魯, 石 凡

抽油煙機(jī)新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)住宅廚房空氣品質(zhì)的影響

何海濤, 陳振雷*, 呂孝魯, 石 凡

（寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院, 浙江 寧波 315823）

采用仿真與測(cè)試相結(jié)合的方法定量分析了室內(nèi)抽油煙機(jī)某新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)廚房空氣品質(zhì)的影響, 總結(jié)建立了以空氣齡、換氣效率為依據(jù)的廚房空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方法. 結(jié)果表明, 在開(kāi)啟該新風(fēng)系統(tǒng)的廚房環(huán)境中, 室內(nèi)平均空氣齡為94.7s, 換氣效率為82.4%, 平均空氣齡比新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)低79.8%, 空氣質(zhì)量由新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的中度污染改善至清新. 此仿真分析流程可為深入研究廚房室內(nèi)空氣品質(zhì)、定量評(píng)估新風(fēng)系統(tǒng)提供指導(dǎo).

新風(fēng)系統(tǒng); 空氣品質(zhì); 空氣齡; 換氣效率; 定量評(píng)估

室內(nèi)空氣環(huán)境的好壞與人們的身體健康有著直接和極為密切的關(guān)系, 清新的廚房空氣品質(zhì)是室內(nèi)環(huán)境健康舒適的重要組成部分[1]. 如何定性定量地確定抽油煙機(jī)新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)廚房環(huán)境的影響, 已成為評(píng)價(jià)廚房空氣品質(zhì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一.

Zhang等[2]采用試驗(yàn)方法研究了住宅廚房?jī)?nèi)油煙顆粒物隨著室外進(jìn)風(fēng)速度增加的傳播規(guī)律, 以及對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境造成的影響. Yu等[3]研究了室內(nèi)污染物的組成、物理和化學(xué)特性對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響. Zhou等[4]利用空氣幕增強(qiáng)了抽油煙機(jī)控?zé)熜Ч? 降低了污染物濃度, 從而判斷廚房的空氣質(zhì)量得到了提高, 但是這種評(píng)價(jià)方法難以全面合理地評(píng)價(jià)廚房抽煙煙機(jī)等設(shè)備對(duì)空氣品質(zhì)的綜合影響. 沈晉明[5]則依據(jù)各種室內(nèi)污染物濃度實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值所計(jì)算出的綜合指數(shù)來(lái)劃分室內(nèi)的空氣品質(zhì)等級(jí).

用空氣齡去評(píng)估室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣是一種較新的方法. 李先庭等[6]提出可采用空氣齡評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì). Debnath等[7]通過(guò)改進(jìn)印度農(nóng)村廚房建筑參數(shù), 來(lái)獲得較低的室內(nèi)空氣齡, 但缺少對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量具體的定量分析. Ning等[8]采用CFD方法對(duì)5種不同工況下的室內(nèi)空氣流場(chǎng)、空氣齡分布等進(jìn)行了數(shù)值研究, 計(jì)算結(jié)果沒(méi)有得到具體的試驗(yàn)驗(yàn)證.

上述研究主要集中在室內(nèi)油煙濃度或空氣齡分布等方面, 缺乏對(duì)廚房室內(nèi)空氣品質(zhì)定量評(píng)價(jià)的有效手段.

筆者在某試驗(yàn)廚房CFD流場(chǎng)的基礎(chǔ)上, 采用空氣齡輸運(yùn)方程、換氣效率對(duì)抽油煙機(jī)新風(fēng)系統(tǒng)作用下的廚房空氣品質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)估分析.

1 抽油煙機(jī)的新風(fēng)系統(tǒng)

抽油煙機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在, 其任務(wù)已不僅限于排除室內(nèi)的油煙, 而向著更高層面的創(chuàng)造室內(nèi)舒適環(huán)境, 提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)約能源的方向發(fā)展.

本文研究的抽油煙機(jī)新風(fēng)系統(tǒng)指的是位于擋煙板上方的一對(duì)上下新風(fēng)口(圖1), 新風(fēng)來(lái)自于室內(nèi)風(fēng)道. 2個(gè)新風(fēng)口設(shè)計(jì)的主要目的是區(qū)分工作區(qū)通風(fēng)和冷卻室內(nèi)上部[9]. 下新風(fēng)口低速送風(fēng)主要用于工作區(qū)通風(fēng), 新鮮空氣直接送入工作區(qū), 從而有效地提高工作區(qū)空氣品質(zhì), 并起到了對(duì)排風(fēng)口的補(bǔ)風(fēng)作用, 防止排風(fēng)口處的油煙外溢. 上新風(fēng)口出風(fēng), 不僅可以冷卻室內(nèi)上部環(huán)境, 還可以避免廚房空間內(nèi)產(chǎn)生梯度較大的溫度分層現(xiàn)象[9]. 因?yàn)槿绻挥邢滦嘛L(fēng)口送風(fēng), 會(huì)造成廚房上部形成混合氣流區(qū), 導(dǎo)致氣流流動(dòng)不暢[10-11], 使廚房?jī)?nèi)工作人員因周?chē)鷾囟群陀蜔煗舛韧蛔兏械缴眢w不適.

圖1 抽油煙機(jī)的新風(fēng)系統(tǒng)

2 廚房?jī)?nèi)部環(huán)境的計(jì)算模型

2.1 含有新風(fēng)系統(tǒng)的廚房幾何模型

根據(jù)某住宅廚房的實(shí)際建筑尺寸與室內(nèi)廚具設(shè)備的分布情況, 在三維建模軟件UG中建立如圖2所示的幾何模型. 本文主要研究對(duì)象為側(cè)吸式抽油煙機(jī)[12], 其空間結(jié)構(gòu)模型如圖2. 該廚房的幾何尺寸為4.2m×2.4m×2.6m, 內(nèi)部空氣體積為20.761 m3. 操作臺(tái)寬0.6m, 高0.84m, L型布置; 燃?xì)庠? 內(nèi)嵌式, 為雙眼灶, 單個(gè)直徑0.3m; 鍋: 簡(jiǎn)化為柱體, 底面直徑0.3m, 高0.15m.

圖2 試驗(yàn)廚房三維幾何模型

2.2 網(wǎng)格模型

本文對(duì)廚房室內(nèi)空間全部采用四面體網(wǎng)格, 為使數(shù)值模擬的計(jì)算求解更加合理, 網(wǎng)格劃分如下: 網(wǎng)格最大尺寸為85mm, 最小尺寸為3mm; 在新風(fēng)口和熱源等局部溫度梯度、速度梯度大的地方, 網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行局部細(xì)化加密; 劃分得網(wǎng)格數(shù)為69.3萬(wàn)個(gè). 試驗(yàn)廚房網(wǎng)格模型如圖3和4所示.

2.3 數(shù)學(xué)模型

2.3.1流動(dòng)控制方程

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

組分運(yùn)輸方程:

2.3.2空氣齡輸送方程

為了定量評(píng)估廚房?jī)?nèi)的空氣品質(zhì), 本文引用空氣齡概念. 空氣齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入房間起, 至到達(dá)室內(nèi)某個(gè)微小區(qū)域所有空氣質(zhì)點(diǎn)的平均值(圖5).

文中將空氣齡作為評(píng)價(jià)廚房空氣品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo). 為了在Fluent中計(jì)算空氣齡場(chǎng), 將自編譯的空氣齡輸送方程導(dǎo)入軟件, 方程如下:

2.3.3湍流模型

2.4 邊界條件設(shè)置

考慮到烹飪產(chǎn)生的油煙中含有水蒸氣[15], 為了能夠最大限度地反映實(shí)際情況并簡(jiǎn)化計(jì)算, 本文采用水蒸氣代替油煙進(jìn)行模擬.

廚房環(huán)境初始溫度為27℃, 油煙入口采用速度入口邊界條件. 設(shè)定鍋開(kāi)啟時(shí), 油煙釋放速度為2m·s-1, 產(chǎn)生氣體含100%水蒸氣, 其溫度為70℃. 上下新風(fēng)口也采用速度入口邊界, 出風(fēng)速度均為2.415m·s-1, 新風(fēng)溫度為20℃. 新風(fēng)系統(tǒng)總進(jìn)風(fēng)量為8m3·min-1.

在1800s的試驗(yàn)測(cè)試中, 油煙鍋會(huì)有2次長(zhǎng)達(dá)40s的開(kāi)啟時(shí)間, 其余時(shí)間均關(guān)閉. 根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的具體步驟, 1號(hào)油煙鍋的油煙釋放速度、相對(duì)質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖6所示. 在56~95s、956~995s的2個(gè)時(shí)間段內(nèi), 1號(hào)油煙鍋開(kāi)啟. 為評(píng)價(jià)新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)廚房空氣質(zhì)量的作用, 測(cè)試中采用的上下2個(gè)新風(fēng)口在0~900s內(nèi)處于開(kāi)啟狀態(tài), 而在901~1800s內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài).

2號(hào)鍋無(wú)油煙產(chǎn)生, 處于關(guān)閉狀態(tài), 按絕熱條件處理; 油煙機(jī)排風(fēng)口采用壓力出口, 考慮到電機(jī)性能設(shè)置風(fēng)壓為-360Pa, 在模型中其他壁面默認(rèn)為非滑移邊界條件.

氣體流動(dòng)的控制方程組采用壓力基法進(jìn)行離散求解, 對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式. 選用SIMPLE算法進(jìn)行速度與壓力的耦合計(jì)算.

3 廚房?jī)?nèi)部空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法

為創(chuàng)造良好的廚房室內(nèi)環(huán)境, 在住宅廚房規(guī)劃設(shè)計(jì)中, 不但要考慮其安全性, 還要考慮舒適性, 而室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)人體舒適性影響較大.

設(shè)廚房的空間體積為, 新風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量為, 則廚房換氣一次所需要的時(shí)間為/[16]. 考慮到實(shí)際廚房人員工作區(qū)約為廚房空間的1/2左右, 故定義室內(nèi)平均理想空氣齡τ為:

這樣廚房?jī)?nèi)空氣齡為的某點(diǎn)處換氣效率為:

當(dāng)廚房換氣效率為100％時(shí), 將2.1節(jié)和2.4節(jié)中設(shè)置的、代入式(7)可得本試驗(yàn)廚房理想空氣齡為78s.

為了獲得不同“空氣新鮮度”所對(duì)應(yīng)的空氣齡, 我們采用先確認(rèn)對(duì)應(yīng)的換氣效率. 首先, 置換通風(fēng)的換氣效率最高為67％時(shí)[10], 空氣新鮮度為清新; 通常認(rèn)為室內(nèi)換氣效率達(dá)到50％時(shí), 廚房的通風(fēng)換氣效果較好[17-18], 空氣新鮮度適中; 根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中居住廚房換氣次數(shù)[19], 得出此時(shí)中度污染換氣效率為13.04％; 換氣效率的最低標(biāo)準(zhǔn)4.35％是參照J(rèn)GJ 134-2001中居住建筑換氣次數(shù)的最低值[20]. 至此, 由上述各階段換氣效率及理想空氣齡值78s(100％換氣效率), 換算得到如表1所示的本試驗(yàn)廚房各階段換氣效率相對(duì)應(yīng)的空氣齡值.

表1 廚房空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法

4 廚房環(huán)境計(jì)算模型的標(biāo)定分析

為了分析本試驗(yàn)廚房的空氣品質(zhì), 本研究對(duì)烹飪時(shí)廚房?jī)?nèi)A、B兩測(cè)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)1800s的油煙濃度監(jiān)測(cè).A測(cè)點(diǎn)距離地面188cm, 距離櫥柜后壁77cm, 距離煙機(jī)左側(cè)面40cm; B測(cè)點(diǎn)距離地面166cm, 距離櫥柜后壁107cm, 距離煙機(jī)左側(cè)面28cm. A、B測(cè)點(diǎn)具體位置如圖7所示.

圖7 典型截面與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的位置

在處理完的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上[21], 進(jìn)行廚房環(huán)境的CFD流場(chǎng)及油煙濃度仿真分析及其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定分析. 圖8為仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試的油煙濃度對(duì)比分析. 由圖可見(jiàn), 2個(gè)測(cè)點(diǎn)仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)的走勢(shì)大致相同, 均在100~200s和1100~1200s時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出峰狀, 且后面的油煙濃度峰值高于前面峰值, 仿真結(jié)果基本上反映出實(shí)際廚房室內(nèi)環(huán)境的變化規(guī)律.

5 新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)廚房空氣品質(zhì)的定量分析

從圖9可知, 新風(fēng)開(kāi)啟時(shí)廚房空氣流動(dòng)性強(qiáng), 室內(nèi)空氣置換較快. 因此人體前方的空氣齡要比后方低, 尤其是人體臉部空氣齡在80.5~92s. 室內(nèi)空氣齡最高處在遠(yuǎn)離新風(fēng)系統(tǒng)的左端壁櫥, 其值為103.5s. 此時(shí)室內(nèi)空氣齡場(chǎng)分布較均勻.

從圖10可知, 新風(fēng)關(guān)閉時(shí)廚房空氣流動(dòng)性弱, 室內(nèi)空氣置換較慢, 氣體較渾濁. 因此排風(fēng)口附近的空氣齡比其他地方低, 尤其是人體臉部空氣齡在297.7~416.8s. 室內(nèi)空氣齡最高處同樣在遠(yuǎn)離新風(fēng)系統(tǒng)左端壁櫥, 其值為535.9s. 此時(shí)室內(nèi)空氣齡場(chǎng)分布不均勻, 人體前方的空氣齡梯度變化較大.

圖9 新風(fēng)開(kāi)啟(90 s)

圖10 新風(fēng)關(guān)閉(990 s)

此外, 表3列出了2種工況中人體臉部區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域的空氣品質(zhì)狀況. 計(jì)算結(jié)果表明, 新風(fēng)的開(kāi)啟使人體臉部平均空氣齡降低了73.5%, 換氣效率增加了2.8倍, 室內(nèi)平均空氣齡降低了79.8%, 室內(nèi)平均換氣效率增加了3.9倍. 空氣新鮮度從新風(fēng)關(guān)閉時(shí)的中度污染提升至清新, 量化地體現(xiàn)了新風(fēng)系統(tǒng)的效果.

表2 人體臉部與室內(nèi)區(qū)域的空氣品質(zhì)對(duì)比

6 結(jié)論

本文在住宅廚房環(huán)境CFD流場(chǎng)及油煙濃度仿真模擬的基礎(chǔ)上, 定量分析了試驗(yàn)廚房抽油煙機(jī)新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響, 主要結(jié)論如下:

(1)總結(jié)建立了以空氣齡、換氣效率為依據(jù)的廚房空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方法.

(2)定量分析了本試驗(yàn)廚房新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響. 新風(fēng)開(kāi)啟后人體臉部平均空氣齡下降至88.4s, 相對(duì)于新風(fēng)關(guān)閉狀態(tài)降低了73.5%, 新風(fēng)系統(tǒng)有效地提高了人體臉部區(qū)域的空氣質(zhì)量.

(3)本文方法能夠準(zhǔn)確有效地評(píng)估廚房環(huán)境空氣品質(zhì), 為廚房的不同設(shè)計(jì)及設(shè)備優(yōu)化提供方向.

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The impact of a range hood’s fresh air system on air quality of residential kitchen

HE Haitao, CHEN Zhenlei*, Lü Xiaolu, SHI Fan

( Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315823, China )

The combination of simulation and testing was used to quantitatively analyze the influence of a fresh air system of indoor range hood on kitchen air quality. The evaluation method of kitchen air quality based on air age and air exchange efficiency was established. The results show that the indoor mean air age is 94.7s, the air exchange efficiency is 82.4% in the kitchen environment when the fresh air system is turned on. The indoor mean air age is reduced by 79.8% compared to that of off-status of the fresh air system, and the air quality is improved to fresh from moderate pollution. The simulation analysis can provide guidelines for in-depth study of the kitchen air quality and quantitative assessment of the kitchen’s fresh air system.

fresh air system; air quality; air age; air exchange efficiency; quantitative assessment

TK422

A

1001-5132（2020）01-0110-06

2019?04?02.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

寧波大學(xué)人才工程項(xiàng)目（421806920）.

何海濤（1993－）, 男, 江蘇淮安人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 流體動(dòng)力學(xué)性能分析. E-mail: 2741717703@qq.com

陳振雷（1963－）, 男, 浙江寧波人, 博士/教授, 主要研究方向: 高端制造的仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試. E-mail: chenzhenlei@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）