南京工業大學城建學院      周斌   魏鵬   魯靜雨   陳鋒   談美蘭   王瑜   李斐

摘   要：廚房烹飪會產生大量對人體健康有害的高濃度油煙。目前住宅廚房內單獨設置油煙機排風系統，其排煙效果不是很顯著。為此，我們提出了在烹飪區四周增設氣幕補風裝置構成吹吸式通風系統的理念。通過實驗測試和數值模擬方法對比分析了住宅廚房在增設送風氣幕前后廚房內部的氣流流動、溫度分布和污染物擴散機理，并利用正交設計方法研究空氣幕的不同送風射速（0~5m/s）、不同送風角度（50°~90°）和油煙機的不同檔位（1~3檔）對廚房污染物擴散的影響。結果表明，在廚房增設送風裝置不僅能提高廚房熱舒適，還可以改善廚房氣流組織、提高排污效率，而且氣幕射速比其他因素對改善廚房室內空氣污染控制效果更加顯著。

關鍵詞：住宅廚房；污染物控制；吹吸式通風系統；數值模擬；空氣幕

0   引言

過去的研究已經發現烹飪頻率與肺癌呈正相關^[1,2]，根據南京城區的調查發現，51.6%的肺鱗癌和61%的肺腺癌的發生源于家庭油煙污染^[3]，根據臺灣的統計，平均每年有1650~1750位女性死于肺癌，占所有女性癌癥患者的1/6^[4]。Sarigiannis等^[5]研究發現：燃燒是PAHs（多環芳香烴致癌物）的主要來源，燃燒產生顆粒物中含有的PAHs濃度高于其它污染物，這類顆粒物會提高患癌癥的風險。

為了控制住宅廚房污染，改善廚房環境，國內外近年來已經進行了大量的研究工作，其中，在廚房采用有效的機械通風方式是一種很好的措施。沈陽建筑大學的尚少文等^[6]通過在灶臺上增設補風口，對廚房排油煙機進行補風，從而得到較好的廚房氣流組織。同濟大學的Cao等^[7]研究了中國家庭廚房的通風狀況及其中人員的暴露情況，他們通過CFD模擬向上補風和向下補風策略，結果發現有組織的補風相比較于自然補風能夠有效地減少人員的污染物暴露量。
本文基于南京工業大學周斌等^[8]開發的吹吸式廚房通風系統，通過實驗和數值模擬的方法得到增設空氣幕前后廚房的溫度分布和污染物擴散規律，為該系統未來的實際應用提供理論依據。

1   實驗方案

1.1   實驗室與測點布置

實驗在位于南京工業大學江浦校區的廚房實驗室中實施，廚房大小為2.3m×1.45m×2.4m，具體布局尺寸如圖1。為了防止油煙擴散到室內，廚房門為關閉狀態，而窗戶保持開啟。每一次實驗實施之前，為了保證各個實驗工況前廚房的空氣始終為室外新鮮空氣，油煙機首先工作10min，從而消除前一次實驗對下一次實驗的影響。

新型的氣幕裝置是在燃氣灶的四周開四個氣幕風口，然后由風機通過風管和靜壓箱等部件將室外空氣送入廚房內，與已有的抽油煙機結合，構成了吹吸式系統，氣幕起到對廚房補風和阻礙污染物擴散的作用。在z=1.5m平面和y=0.9m平面的交線處設置9個等距測點，測點間距為0.1m，第9個測點距離灶臺邊界0.1m，9個測點依次記為D1~D9，測點布置見圖2。其中，D1為人體呼吸點，在該點測量隨時間分布的CO₂和PM_2.5濃度，測量D1~D9的各點溫度變化。

1.2   實驗工況與實驗儀器

表1   實驗工況

注釋：×表示關閉，√表示開啟，烹飪狀態為炒土豆+青菜。

本實驗設置了三個工況，具體情況如表1。實驗時烹飪過程分為炒土豆絲和炒青菜兩部分，具體時間流程如圖3。選用鎳鎘–鎳硅K型熱電偶連接安捷倫數據采集儀來測量空氣溫度。用VT熱線手持式風量風速儀來測量油煙機和氣幕運行時的風速，并以此作為CFD的模擬參數，通過測量得到油煙機的風速為5m/s，氣幕的風速見表2。其它儀器設備及其相應參數見表3。

表2   氣幕風速

表3   實驗儀器與參數

圖3   實驗過程

1.3   模擬設置參數

CFD數值模擬選取的是三維、不可壓縮室內零方程模型，該模型非常適合室內低湍流空氣流動計算，既能滿足計算精度要求，又可以高效快速地計算出所需結果^[9]。

廚房四周墻壁定義為厚0.1m，傳熱系數為1.5W/(m²·K)的固體邊界，由于門處于始終關閉的狀態，所以也設置成固體邊界，窗戶定義為壓力進口，默認為一個標準大氣壓。站立的人設置散熱量為104.67W的靜止物體。

根據實驗測得的數據，在穩態計算中，設定灶頭以1.24×10³kg/s的速率釋放CO₂，而在瞬態計算時，設置前200s和300s~500s內灶頭的釋放強度為1.24×103kg/s，200s~300s和500s~600s內的釋放強度為0，以模擬實際的烹飪過程。Saha等^[10]利用Fortran語言計算出液化石油氣燃燒產生的組分濃度和最佳熱源溫度為1240K。在本模擬中綜合考慮燃燒的火焰特性，設置燃燒產生的散熱熱源溫度為1400K，穩態和瞬態過程中溫度設置和CO₂設置相似。

1.4   模擬工況

為了研究氣幕風速對污染物濃度的影響，進行9個不同氣幕風速工況下的模擬，其中工況1和工況2對應于實驗工況2和實驗工況3，工況3到工況9的氣幕射速范圍在0.3~5m/s之內，具體氣幕風速見表4，且四條氣幕的風速相同。

表4   數值模擬工況

1.5   正交設計

為了研究氣幕射流角度、射流風速和油煙機排風速度對CO₂濃度的分布的影響，將正交實驗設計方法應用于數值模擬，空氣幕射流速度（A）、射流角度（B、C、D、E）和排風速度（F）被作為六個因素設計到正交表中。正交設計是一個有效、快速和經濟的設計方法，它能夠很好地減少工作量同時又能夠保證得到合理的實驗結果。

對于氣幕風速（0.1m/s~0.9m/s）和氣幕角度（50°~90°），設置為5水平，對于油煙機排風速度，設置為三水平，對應于油煙機的三個風檔。因此，選擇L₂₅（5⁶）的正交陣列，對于排風速度F為三水平，選擇最大的風速值作為它的第四和第五水平。選擇D1~D9的9個測點處的平均CO₂濃度作為模擬所要得到的結果，總的正交表及其模擬結果見表5。

表5   極差分析正交設計表

2   結果與討論

2.1   實驗結果與討論

2.1.1   空氣幕對廚房溫度的影響

測得的D1~D9的溫度分布如圖4，分別為無氣幕（實驗工況2）和有氣幕（實驗工況3）下的9個測點的溫度。

圖4   D1~D9點的溫度分布

從圖4中可以看出，有氣幕情況下，溫度被很好地控制在28℃以下。無氣幕情況下D1~D9測點處的600s內溫度最高達30.5℃，平均溫度為28.7℃。有氣幕情況下，最高溫度28.4℃，平均溫度為27.4℃，可發現有氣幕工況下的最高溫度降低2.1℃，平均溫度降低1.3℃。

2.1.2   空氣幕對廚房的顆粒物濃度影響

呼吸點D1處的PM_2.5隨時間的濃度變化顯示在圖5中，同時室外日平均PM_2.5濃度限值也顯示在圖中。實驗工況3產生的PM_2.5最大濃度值為238μg/m³，要比實驗工況2的最大濃度值325μg/m³降低了36.5%，但是相比較于室外日平均PM_2.5濃度限值75μg/m³，烹飪產生的有害顆粒物依舊過高。

圖5   D1點的PM_2.5濃度分布

2.2   數值模擬結果與討論

通過穩態模擬，得到在工況1和工況2下的x=0.23m和z=0.85m平面處的風速、CO₂濃度分布和溫度分布情況，其中工況2的模擬結果如圖6~圖8。從圖中可以明顯地發現有氣幕狀態下廚房內的氣流、CO₂和溫度都得到了很好的控制。

圖6   工況2的速度分布云圖	圖7   工況2的CO2濃度分布云圖	圖8   工況2的溫度分布云圖

3   結論

（1）通過實驗和數值模擬數據的比較，發現氣幕裝置能夠很好地控制烹飪過程中產生的污染物和廢熱，使廚房內空氣質量更高，熱舒適性更好。

（2）通過數值模擬的方法驗證了廚房增設空氣幕前后的污染物擴散機理。結果發現，單獨使用油煙機時，由于氣流組織的不合理，污染物擴散嚴重。

（3）通過正交實驗方法和數值模擬，設定氣幕風速、四個氣幕風口的射流角度和排風速度六個因素，模擬它們對CO₂污染物濃度的影響情況，結果發現這些因素對污染物的控制影響大小依次為：A＞B＞C＞E＞D＞F。因此，在吹吸式系統的設計中，氣幕風速應該被作為一個主要的因素。
最佳的氣幕設計參數組合為：A=0.5m/s，B=90°，C=90°，D=90°，E=90°，F=5.22m/s。

參考文獻

[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.烹調油煙霧的化學成份分析與鑒定 [J].中國衛生工程學, 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, 李曉云, 郭海豐. 住宅廚房排油煙系統補風方式及氣流組織研究[J]. 沈陽建筑大學學報 (自然科學版), 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, 陸青松, 陳麗萍, 程建杰, 范佳琪, 貢達, 梁辰博, 李光毅, 楊雨佳.一種基于氣幕和過濾的廚房通風系統:中國,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.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期。
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