华东建筑设计研究总院-国际设计中心 陈子良 金了然 陈劲晖 陈 刚
【摘 要】计算流体力学（CFD）逐渐被应用于建筑环境模拟研究中，本文旨在通过应用软件的室外风环境和气流组织的模拟方法来解决对厨房油烟在室外的扩散轨迹。本文的研究对象则为现如今不断涌现的大型商业广场和酒店的厨房排油烟室外扩散，将应用CFD技术，并参考众多规范和标准来设置在模拟中需要的参数。本文将会简述运用的计算方法、网格划分、条件设置和各种软件的应用，并提及几个实际应用该方法的典型案例，解释说明CFD技术如何进行应用，及其的效果和优势。
【关键词】CFD模拟，商业建筑，厨房排油烟，室外风环境模拟
Abstract:Computational fluid dynamics (CFD) has gradually been applied to the research of building environment simulation. This article aims to analyze the outdoor diffusion trajectory of kitchen exhaust fumes through the application of CFD simulation methods of outdoor wind environment and airflow organization. The research object is the outdoor diffusion of fume in large commercial building and hotel kitchens that are emerging in recent years. CFD technology will be applied, and many standards will be referred to set the parameters needed in the simulation. This article will briefly describe the calculation methods used, meshing, condition settings and software applications, with a few typical cases of practical application of this method to illustrate application of CFD technology and its effects and advantages.
Keywords: CFD simulation, commercial building, kitchen fume exhaust, outdoor wind environment simulation
1 背景
得益于计算机技术和算力的发展，计算流体力学（CFD）逐渐应用到建筑环境的模拟研究中，包括建筑室外风环境，室内热舒适度、气流组织模拟等[1]。相比于流体力学早期的风洞试验周期较长、成本较高且需要按照比例尺缩小进行实验的缺点，CFD模拟能够在较短时间内按照建筑模型的实际尺寸较为准确地模拟建筑风环境。
随着商业地产的不断发展，城市的建筑群中不断涌现大型的商业广场或酒店等综合体[2]。而作为其中一类主力业态，餐饮通常在租户类别的组成中占据了较大的比例。餐饮厨房的排油烟排放对建筑区域内的行人、设备以及周边建筑会带来一定的影响。如果在建筑物设计规划阶段没有规避排油烟污染物和气味等不利因素，不但会降低项目建成后的品质，还会对行人和建筑的安全性、舒适性带来负面影响。
因此运用CFD技术方法对建筑物范围内排厨房排放策略进行分析研究就显得尤为重要。本文会结合过往实际设计案例，利用fluent软件对项目内相关建筑区域进行流体力学数值模拟。根据夏、冬季不同盛行风向和气候条件，软件可以模拟出计算域内的油烟排放轨迹、污染物浓度分布和油烟影响下温度分布的详细表现。通过对模拟结果的分析，可以判断厨房排油烟位置和系统设置的合理性。如果不满足设计要求可以及时调整规划和排放策略，从而避免不利影响。
2 模拟方法
2.1 计算理论和网格划分
油烟排放物和自然风的流体状态视为稳态湍流流动。在本文案例中的边界条件采用的是k-ε标准模型，即标准的湍流模型，且为流体引入浮力效应。
在本文案例中应用到的求解器为压力基，算法为耦合求解器（PBCS），方式为SIMPLE[3]，其中单元中心的变量梯度运用基于单元体的最小二乘法插值（Least-Squares Cell-Based）方法；对流项的插值方法上压力、动量、能量和混合物采用二阶迎风格式，该方法适用于网格方向有差异的三角形/四面体网格，精度为二阶。湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式，精度为一阶[4]。本文案例在保证精确度和准确性的情况下，对计算方式进行合理的简化，以确保结果具有参考价值。
本文案例中的网格划分软件为ANSYS中的ICEM CFD软件，在Rhino中初步建立3D模型后，需要将该模型导入ICEM CFD并对其进行网格划分。该软件可以对初步模型进行优化，同时对划分完成的网格进行柔顺化处理。
参考《民用建筑绿色性能计算标准》[5]和《建筑环境数值模拟技术规程》[6]，设置特征尺寸为计算域内最高建筑的高度H，但当最高建筑的高度为100m以上的超高层建筑且高周边其他建筑平均高度2倍以上时，可以最高建筑高度的1/2作为特征尺寸H。计算域设置为目标建筑（群）水平延伸6H，垂直高度为4H，建模区域为目标建筑物（群）周1H的范围，且计算域的长边范围保持在0.8~1.5km。
在本文案例中，应用的网格类型为三角形/四面体和混合网格。参考《建筑环境数值模拟技术规程》[6]网格大小按照区域的功能进行相应设置。在本文案例中计算域内最大网格的大小在15~20m；关键区域如设备屋面，排油烟口和人行区域等范围内的网格尺寸更加精细，确保模拟的准确性；且因相对庞大的计算域设置，网格的数量范围在300~800万。
2.2 设置参数
排油烟模拟在整体参数的设置中需考虑到能量方程，重力因素和气体混合物模型等物理参数。软件通过气象条件，城市梯度风，污染物参数等方面的设置，来达到仿真目的。
2.2.1 气候条件
气候条件方面，将分别设置夏季和冬季两个不同气候条件下的工况，并且模拟分析在两个季节中油烟排放物对建筑本身功能和周边建筑等造成时间最长且最不利影响的情况。当地气候数据参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[7]，其中大气压数值，室外干球温度，盛行风风向和风速将会成为影响排油烟模拟分析的关键性参数。
城市梯度风设置方面，由于城市地表建筑的影响，自然风在距地较低处的风速会与高处的风速有一定的差距，所以在模拟中需要考虑到自然风速随高度变化的情况。此时将会引入高度方向风速按指数定律[8]设定具有梯度特征的风速边界条件的方程（1）：
V / Vo = (Z / Zo)a （1）
其中，V为高度Z处的风速，单位为米每秒（m/s），Vo 为基准高度Zo处的风速，单位为米每秒（m/s），本文案例中取10m处的风速；e为指数，主要和地面粗糙度和温度垂直梯度有关，一般在城市繁荣地区取值为0.3，相对偏远地区取值为0.22，绿地或农田区域为0.15[9]，本文案例中多取a值为0.3。
2.2.1 污染物参数
污染物参数设置方面，由于液化气燃烧产生的其他废气与CO和CO2扩散途径相似，所以采用Fluent内部固定的gas-air混合物[10]，其中gas为液化燃料燃烧后产生的气体CO和CO2的混合气体，来模拟排出的油烟混合物。参考《饮食业油烟排放标准》[11]考虑建筑厨房油烟排放浓度限值为2.0mg/m3。在Fluent中设置油烟参数的时候给油烟排出口的气体设置为空气与二氧化碳的混合流体，其中空气的详细参数按当地室外干球温度情况设置相应参数[12]，CO2的摩尔质量为28.5g/mol；排油烟口的CO2的质量分数设置为0.2g/g，其余气体组成为空气；总体温度为70~80℃。
2.3 软件应用
在确定排油烟模拟的目的和需求的计算域后，为简化建模过程，利用Rhino创建代表计算域的几何实体模型；然后通过ICEM CFD设计、划分和优化网格；最后在Fluent中通过设置物理问题（域属性、边界条件等）和设置定义求解器（数值格式、收敛控制等），最后通过迭代求解并监控数据完成了对整体模型的计算和最终模拟结果的呈现，得到如油烟排放轨迹、污染物浓度分布和油烟影响下温度梯度分布等数据。从而判断在CFD模拟中，厨房排油烟设置位置的合理性，并对设计重新校核和优化。
3 案例分析
本文选取了部分实际商业项目作为案例，通过CFD模拟结果对厨房排油烟对设备、建筑物和人员所带来的影响做出分析，以验证设计的合理性和可行性。
参考《饮食业油烟排放标准》[11]案例模拟设定经油烟净化后排放的油烟浓度为2mg/m3，取最不利条件，且同时模拟考虑冬夏两种工况。
本次建模域及计算域参考自《建筑环境数值模拟技术规程》[6]和《民用建筑绿色性能计算标准》[5]中细则进行设置。
根据《恶臭污染物排放标准》[13]中恶臭气体（包括异味）用无臭气体进行稀释，稀释到刚好无臭时，所需的稀释倍数为20，即油烟浓度衰减为排放浓度1/20=5%，因此模拟案例中主要分析油烟浓度衰减至初始浓度的5%对周边区域的影响范围，并且考虑油烟的高温对周边设备和人行区域产生的影响进而分析。
3.1 案例1：XXXX酒店项目
本项目为一个大型综合类项目，项目总图见图1所示，包括酒店和办公业态，厨房排油烟量较大，排出的油烟及异味往往成为后期营运及影响项目品质的主要问题。厨房排油烟集中在裙房屋面区域朝南排放，考虑到夏季的主导风（南风）对排油烟的影响是否会对同层的空气源热泵和南边办公建筑造成影响；且冬季的主导风（北风）对排油烟的影响是否会对同层的酒店包厢区域北部的办公建筑造成影响，故在项目前期进行本次分析研究，利用CFD软件模拟夏季和冬季主导风向下裙房屋面厨房排油烟的扩散轨迹以分析其对屋面设备、人员活动区域及周边建筑群的影响。
图1 XXXX酒店项目总图
CFD建模和计算域划分如下图所示：
图2 XXXX酒店项目CFD建筑模型
图3 XXXX酒店项目CFD建筑模型计算域与建模域
各排油烟风机的位置、风量和风口大小等根据实际设计参数确定。屋面排油烟系统排布如下图所示：
图4 XXXX酒店裙房屋面排油烟系统示意模型
3.1.1 重点内容
根据项目性质，需要重点关注油烟排放物对以下区域的影响：
a)裙房屋面其他设备，如屋面空气源热泵，防止设备运行时因油烟附着而效率降低；
b)对设备新风取风的影响，如厨房区域东侧厨房补风；
c)对本项目的办公建筑和酒店住宿区域的影响；
d)对裙房屋面餐饮包间及其他人员活动影响。
3.1.2 模拟结果
在夏季和冬季主导风对烟气的扩散影响下，烟气浓度衰减至初始浓度5~20%时影响的区域如下图所示：
图5 夏季烟气衰减至初始浓度20%区域 图6 冬季烟气衰减至初始浓度20%区域
图7 夏季烟气衰减至初始浓度10%区域 图8 冬季烟气衰减至初始浓度10%区域
图9 夏季烟气衰减至初始浓度5%区域 图10 冬季烟气衰减至初始浓度5%区域
图11 夏季烟气衰减至初始浓度5%区域侧视图 图12 冬季烟气衰减至初始浓度5%区域侧视图
图13 冬季烟气衰减至初始浓度5%区域正视图 图14 夏季烟气衰减至初始浓度5%区域正视图
从图5至图14的模拟结果表明，夏季和冬季主导风，油烟浓度衰减至初始浓度5%时，影响范围未到达裙房包间区，办公建筑、新风取风处、空气源热泵布置区域。因此根据冬、夏季的分析结果，可认为现状方案设计合理。
3.2 案例2：XXXX商业广场项目
本项目为大型商业广场建筑，其餐饮业态产生的厨房排油烟量较大，且排放点分散设置于在屋面靠外一周区域，可能会对屋面位于排油烟点附近敏感设备造成影响；过于靠近下沉广场的排油烟点位，对人行区域的舒适性可能造成影响；三栋距排油烟点过近的住宅建筑可能会被影响。本项目前期需要对存在的几个主要的排油烟问题进行研究分析，所以利用CFD软件模拟在夏季主导风（南风）和冬季主导风（北风）影响下建筑屋面厨房排油烟的扩散轨迹和高温分布区域以分析其对屋面设备、人员活动区域、周边建筑群等影响。
图15 XXXX商业广场项目总图
CFD建模和计算域划分如下图所示：
图16 XXXX商业广场项目CFD建筑模型
图17 XXXX商业广场项目CFD建筑模型计算域与建模域
各排油烟风机的位置设置于下图A~K处，风速为8~9m/s，且风口大小等根据实际设计参数确定。屋面排油烟系统排布如下图所示：
图18 XXXX商业广场项目屋面排油烟系统示意模型
3.2.1 重点内容
1233.13.23.33.3.1根据项目性质，需要重点关注油烟排放物对以下区域的影响：
a)对屋面风冷热泵和冷却塔的影响，为防止设备运行时因油烟附着而效率降低和对设备散热产生影响；
b)对内区新风机房取风的影响；
c)对周边距离过近的住宅建筑的影响；
d)对屋面下沉广场人行区域人员活动影响。
3.2.2 模拟结果
在夏季由于高温油烟影响下的温度过高的区域范围如下图所示：
图19 夏季屋面受烟气影响超过40℃的区域 图20 夏季下沉广场A-A剖面人行区域竖向分布温度
图19表明冷却塔和风冷热泵周围温度为超过40℃，即油烟的高温未对屋面的设备造成影响。图20表明五层屋面人行区域的温度在35.7~36.1℃范围内，六层室外走廊人行区域温度在35.7~36.3℃范围内，与夏季室外温度35.1℃相比由于高温烟气产生的影响很低，即油烟的高温未对下沉人行广场造成影响。
在夏季和冬季主导风对烟气的扩散影响下，烟气浓度衰减至初始浓度5%时影响的区域如下图所示：
图21 夏季烟气衰减至初始浓度5%区域 图22 冬季烟气衰减至初始浓度5%区域
图23 夏季屋面内区新风机房周边烟气衰减至初始浓度5%区域 图24 冬季屋面内区新风机房周边烟气衰减至初始浓度5%区域
图25 夏季下沉广场人行区域烟气衰减至初始浓度5%区域 图26 冬季下沉广场人行区域烟气衰减至初始浓度5%区域
从图21至图26的模拟结果表明，在夏季或冬季主导风的影响下，油烟浓度衰减至初始浓度5%时，烟气扩散影响的范围仅在不上人屋面的排油烟设备周边，且均未到达下沉广场人行区域，冷却塔和风冷热泵，周边建筑和新风机房取风区域。
因此根据冬、夏季烟气温度分布和烟气扩散轨迹的分析结果，可认为现状方案设计合理。
4 结论
CFD在室外排油烟扩散轨迹预测上的应用，切实的在本文中的案例中起到了指导和分析设计合理性方面的作用。通过分析高温油烟扩散范围和温度影响分布范围对重点关注区域，如新风取风，敏感设备，人行区域和周边住宅等的影响来探究油烟设置的是否合理，在项目方案初期便可对室外排油烟设备布置方案提供了数值化、精细化的设计依据。
参考文献
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[12] Mhtl.uwaterloo.ca. 2021. Fluid Properties Calculator. [online] Available at: <http://www.mhtl.uwaterloo.ca/old/onlinetools/airprop/airprop.html> [Accessed 5 March 2021].
[13]《恶臭污染物排放标准》(GB14554-XX,征求意见稿代替93标准)[S].生态环境部、国家市场监督管理局,2018.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
