南京工业大学城建学院 周斌 魏鹏 鲁静雨 陈锋 谈美兰 王瑜 李斐
摘 要：厨房烹饪会产生大量对人体健康有害的高浓度油烟。目前住宅厨房内单独设置油烟机排风系统，其排烟效果不是很显著。为此，我们提出了在烹饪区四周增设气幕补风装置构成吹吸式通风系统的理念。通过实验测试和数值模拟方法对比分析了住宅厨房在增设送风气幕前后厨房内部的气流流动、温度分布和污染物扩散机理，并利用正交设计方法研究空气幕的不同送风射速（0~5m/s）、不同送风角度（50°~90°）和油烟机的不同档位（1~3档）对厨房污染物扩散的影响。结果表明，在厨房增设送风装置不仅能提高厨房热舒适，还可以改善厨房气流组织、提高排污效率，而且气幕射速比其他因素对改善厨房室内空气污染控制效果更加显著。
关键词：住宅厨房；污染物控制；吹吸式通风系统；数值模拟；空气幕
0 引言
过去的研究已经发现烹饪频率与肺癌呈正相关[1,2]，根据南京城区的调查发现，51.6%的肺鳞癌和61%的肺腺癌的发生源于家庭油烟污染[3]，根据台湾的统计，平均每年有1650~1750位女性死于肺癌，占所有女性癌症患者的1/6[4]。Sarigiannis等[5]研究发现：燃烧是PAHs（多环芳香烃致癌物）的主要来源，燃烧产生颗粒物中含有的PAHs浓度高于其它污染物，这类颗粒物会提高患癌症的风险。
为了控制住宅厨房污染，改善厨房环境，国内外近年来已经进行了大量的研究工作，其中，在厨房采用有效的机械通风方式是一种很好的措施。沈阳建筑大学的尚少文等[6]通过在灶台上增设补风口，对厨房排油烟机进行补风，从而得到较好的厨房气流组织。同济大学的Cao等[7]研究了中国家庭厨房的通风状况及其中人员的暴露情况，他们通过CFD模拟向上补风和向下补风策略，结果发现有组织的补风相比较于自然补风能够有效地减少人员的污染物暴露量。
本文基于南京工业大学周斌等[8]开发的吹吸式厨房通风系统，通过实验和数值模拟的方法得到增设空气幕前后厨房的温度分布和污染物扩散规律，为该系统未来的实际应用提供理论依据。
1 实验方案
1.1 实验室与测点布置
实验在位于南京工业大学江浦校区的厨房实验室中实施，厨房大小为2.3m×1.45m×2.4m，具体布局尺寸如图1。为了防止油烟扩散到室内，厨房门为关闭状态，而窗户保持开启。每一次实验实施之前，为了保证各个实验工况前厨房的空气始终为室外新鲜空气，油烟机首先工作10min，从而消除前一次实验对下一次实验的影响。
新型的气幕装置是在燃气灶的四周开四个气幕风口，然后由风机通过风管和静压箱等部件将室外空气送入厨房内，与已有的抽油烟机结合，构成了吹吸式系统，气幕起到对厨房补风和阻碍污染物扩散的作用。在z=1.5m平面和y=0.9m平面的交线处设置9个等距测点，测点间距为0.1m，第9个测点距离灶台边界0.1m，9个测点依次记为D1~D9，测点布置见图2。其中，D1为人体呼吸点，在该点测量随时间分布的CO2和PM2.5浓度，测量D1~D9的各点温度变化。
1.2 实验工况与实验仪器
表1 实验工况
注释：×表示关闭，√表示开启，烹饪状态为炒土豆+青菜。
本实验设置了三个工况，具体情况如表1。实验时烹饪过程分为炒土豆丝和炒青菜两部分，具体时间流程如图3。选用镍镉–镍硅K型热电偶连接安捷伦数据采集仪来测量空气温度。用VT热线手持式风量风速仪来测量油烟机和气幕运行时的风速，并以此作为CFD的模拟参数，通过测量得到油烟机的风速为5m/s，气幕的风速见表2。其它仪器设备及其相应参数见表3。
表2 气幕风速
表3 实验仪器与参数
图3 实验过程
1.3 模拟设置参数
CFD数值模拟选取的是三维、不可压缩室内零方程模型，该模型非常适合室内低湍流空气流动计算，既能满足计算精度要求，又可以高效快速地计算出所需结果[9]。
厨房四周墙壁定义为厚0.1m，传热系数为1.5W/(m2·K)的固体边界，由于门处于始终关闭的状态，所以也设置成固体边界，窗户定义为压力进口，默认为一个标准大气压。站立的人设置散热量为104.67W的静止物体。
根据实验测得的数据，在稳态计算中，设定灶头以1.24×103kg/s的速率释放CO2，而在瞬态计算时，设置前200s和300s~500s内灶头的释放强度为1.24×103kg/s，200s~300s和500s~600s内的释放强度为0，以模拟实际的烹饪过程。Saha等[10]利用Fortran语言计算出液化石油气燃烧产生的组分浓度和最佳热源温度为1240K。在本模拟中综合考虑燃烧的火焰特性，设置燃烧产生的散热热源温度为1400K，稳态和瞬态过程中温度设置和CO2设置相似。
1.4 模拟工况
为了研究气幕风速对污染物浓度的影响，进行9个不同气幕风速工况下的模拟，其中工况1和工况2对应于实验工况2和实验工况3，工况3到工况9的气幕射速范围在0.3~5m/s之内，具体气幕风速见表4，且四条气幕的风速相同。
表4 数值模拟工况
1.5 正交设计
为了研究气幕射流角度、射流风速和油烟机排风速度对CO2浓度的分布的影响，将正交实验设计方法应用于数值模拟，空气幕射流速度（A）、射流角度（B、C、D、E）和排风速度（F）被作为六个因素设计到正交表中。正交设计是一个有效、快速和经济的设计方法，它能够很好地减少工作量同时又能够保证得到合理的实验结果。
对于气幕风速（0.1m/s~0.9m/s）和气幕角度（50°~90°），设置为5水平，对于油烟机排风速度，设置为三水平，对应于油烟机的三个风档。因此，选择L25（56）的正交阵列，对于排风速度F为三水平，选择最大的风速值作为它的第四和第五水平。选择D1~D9的9个测点处的平均CO2浓度作为模拟所要得到的结果，总的正交表及其模拟结果见表5。
表5 极差分析正交设计表
2 结果与讨论
2.1 实验结果与讨论
2.1.1 空气幕对厨房温度的影响
测得的D1~D9的温度分布如图4，分别为无气幕（实验工况2）和有气幕（实验工况3）下的9个测点的温度。
图4 D1~D9点的温度分布
从图4中可以看出，有气幕情况下，温度被很好地控制在28℃以下。无气幕情况下D1~D9测点处的600s内温度最高达30.5℃，平均温度为28.7℃。有气幕情况下，最高温度28.4℃，平均温度为27.4℃，可发现有气幕工况下的最高温度降低2.1℃，平均温度降低1.3℃。
2.1.2 空气幕对厨房的颗粒物浓度影响
呼吸点D1处的PM2.5随时间的浓度变化显示在图5中，同时室外日平均PM2.5浓度限值也显示在图中。实验工况3产生的PM2.5最大浓度值为238μg/m3，要比实验工况2的最大浓度值325μg/m3降低了36.5%，但是相比较于室外日平均PM2.5浓度限值75μg/m3，烹饪产生的有害颗粒物依旧过高。
图5 D1点的PM2.5浓度分布
2.2 数值模拟结果与讨论
通过稳态模拟，得到在工况1和工况2下的x=0.23m和z=0.85m平面处的风速、CO2浓度分布和温度分布情况，其中工况2的模拟结果如图6~图8。从图中可以明显地发现有气幕状态下厨房内的气流、CO2和温度都得到了很好的控制。
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| 图6 工况2的速度分布云图 | 图7 工况2的CO2浓度分布云图 | 图8 工况2的温度分布云图 |
3 结论
（1）通过实验和数值模拟数据的比较，发现气幕装置能够很好地控制烹饪过程中产生的污染物和废热，使厨房内空气质量更高，热舒适性更好。
（2）通过数值模拟的方法验证了厨房增设空气幕前后的污染物扩散机理。结果发现，单独使用油烟机时，由于气流组织的不合理，污染物扩散严重。
（3）通过正交实验方法和数值模拟，设定气幕风速、四个气幕风口的射流角度和排风速度六个因素，模拟它们对CO2污染物浓度的影响情况，结果发现这些因素对污染物的控制影响大小依次为：A＞B＞C＞E＞D＞F。因此，在吹吸式系统的设计中，气幕风速应该被作为一个主要的因素。
最佳的气幕设计参数组合为：A=0.5m/s，B=90°，C=90°，D=90°，E=90°，F=5.22m/s。
参考文献
[1] G.N. Sze-To, C.L. Wu, C.Y.H. Chao, et al. Exposure and cancer risk toward cooking-generated ultrafine and coarse particles in Hong Kong homes, HVAC R Res. 18(1) (2012) 204–216.
[2] A.G. Pallis, K.N. Syrigos, Lung cancer in never smokers: disease characteristics and risk factors, Crit. Rev. Oncol. Hematol. 88 (3) (2013) 494–503.
[3] 宋瑞金,王桂芳,王 斌.烹调油烟雾的化学成份分析与鉴定 [J].中国卫生工程学, 1996,5(2):7–14.
[4] Lai C M. Assessment of side exhaust systems for residential kitchens in Taiwan [J]. Building Services Engineering Research & Technology, 2005,26(2):157–166.
[5] Sarigiannis D Α, Karakitsios S P, Zikopoulos D, et al. Lung cancer risk from PAHs emitted from biomass combustion [J]. Environmental Research, 2015,137(10):147–156.
[6] 尚少文, 李晓云, 郭海丰. 住宅厨房排油烟系统补风方式及气流组织研究[J]. 沈阳建筑大学学报 (自然科学版), 2012(01):129–134.
[7] Cao C, Gao J, Wu L, et al. Ventilation improvement for reducing individual exposure to cooking-generated particles in Chinese residential kitchen[J]. Indoor and Built Environment, 2017, 26(2): 226–237.
[8] 周斌, 陆青松, 陈丽萍, 程建杰, 范佳琪, 贡达, 梁辰博, 李光毅, 杨雨佳.一种基于气幕和过滤的厨房通风系统:中国,CN201410080381.9[P].2014(06)–18.
[9] Cai H, Long H, Li X,et al.Evaluating emergency ventilation strategies under different contaminant source locations and evacuation modes by efficiency factor of contaminant source (EFCS) [J]. Building and Environment, 2010(45):485–497.
[10] Saha S, Guha A, Roy S. Experimental and computational investigation of indoor air quality inside several community kitchens in a large campus [J]. Building and Environment, 2012(52):177–190.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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