抽油烟机新风系统对住宅厨房空气品质的影响

何海涛, 陈振雷, 吕孝鲁, 石 凡

抽油烟机新风系统对住宅厨房空气品质的影响

何海涛, 陈振雷*, 吕孝鲁, 石 凡

（宁波大学 海运学院, 浙江 宁波 315823）

采用仿真与测试相结合的方法定量分析了室内抽油烟机某新风系统对厨房空气品质的影响, 总结建立了以空气龄、换气效率为依据的厨房空气品质评价方法. 结果表明, 在开启该新风系统的厨房环境中, 室内平均空气龄为94.7s, 换气效率为82.4%, 平均空气龄比新风系统关闭时低79.8%, 空气质量由新风系统关闭时的中度污染改善至清新. 此仿真分析流程可为深入研究厨房室内空气品质、定量评估新风系统提供指导.

新风系统; 空气品质; 空气龄; 换气效率; 定量评估

室内空气环境的好坏与人们的身体健康有着直接和极为密切的关系, 清新的厨房空气品质是室内环境健康舒适的重要组成部分[1]. 如何定性定量地确定抽油烟机新风系统对厨房环境的影响, 已成为评价厨房空气品质的关键问题之一.

Zhang等[2]采用试验方法研究了住宅厨房内油烟颗粒物随着室外进风速度增加的传播规律, 以及对室内空气环境造成的影响. Yu等[3]研究了室内污染物的组成、物理和化学特性对室内空气质量的影响. Zhou等[4]利用空气幕增强了抽油烟机控烟效果, 降低了污染物浓度, 从而判断厨房的空气质量得到了提高, 但是这种评价方法难以全面合理地评价厨房抽烟烟机等设备对空气品质的综合影响. 沈晋明[5]则依据各种室内污染物浓度实测值与标准值所计算出的综合指数来划分室内的空气品质等级.

用空气龄去评估室内空气品质的优劣是一种较新的方法. 李先庭等[6]提出可采用空气龄评价室内空气品质. Debnath等[7]通过改进印度农村厨房建筑参数, 来获得较低的室内空气龄, 但缺少对室内空气质量具体的定量分析. Ning等[8]采用CFD方法对5种不同工况下的室内空气流场、空气龄分布等进行了数值研究, 计算结果没有得到具体的试验验证.

上述研究主要集中在室内油烟浓度或空气龄分布等方面, 缺乏对厨房室内空气品质定量评价的有效手段.

笔者在某试验厨房CFD流场的基础上, 采用空气龄输运方程、换气效率对抽油烟机新风系统作用下的厨房空气品质进行定量评估分析.

1 抽油烟机的新风系统

抽油烟机发展到现在, 其任务已不仅限于排除室内的油烟, 而向着更高层面的创造室内舒适环境, 提高室内空气品质和节约能源的方向发展.

本文研究的抽油烟机新风系统指的是位于挡烟板上方的一对上下新风口(图1), 新风来自于室内风道. 2个新风口设计的主要目的是区分工作区通风和冷却室内上部[9]. 下新风口低速送风主要用于工作区通风, 新鲜空气直接送入工作区, 从而有效地提高工作区空气品质, 并起到了对排风口的补风作用, 防止排风口处的油烟外溢. 上新风口出风, 不仅可以冷却室内上部环境, 还可以避免厨房空间内产生梯度较大的温度分层现象[9]. 因为如果只有下新风口送风, 会造成厨房上部形成混合气流区, 导致气流流动不畅[10-11], 使厨房内工作人员因周围温度和油烟浓度突变感到身体不适.

图1 抽油烟机的新风系统

2 厨房内部环境的计算模型

2.1 含有新风系统的厨房几何模型

根据某住宅厨房的实际建筑尺寸与室内厨具设备的分布情况, 在三维建模软件UG中建立如图2所示的几何模型. 本文主要研究对象为侧吸式抽油烟机[12], 其空间结构模型如图2. 该厨房的几何尺寸为4.2m×2.4m×2.6m, 内部空气体积为20.761 m3. 操作台宽0.6m, 高0.84m, L型布置; 燃气灶: 内嵌式, 为双眼灶, 单个直径0.3m; 锅: 简化为柱体, 底面直径0.3m, 高0.15m.

图2 试验厨房三维几何模型

2.2 网格模型

本文对厨房室内空间全部采用四面体网格, 为使数值模拟的计算求解更加合理, 网格划分如下: 网格最大尺寸为85mm, 最小尺寸为3mm; 在新风口和热源等局部温度梯度、速度梯度大的地方, 网格划分时进行局部细化加密; 划分得网格数为69.3万个. 试验厨房网格模型如图3和4所示.

2.3 数学模型

2.3.1流动控制方程

连续方程:

动量方程:

组分运输方程:

2.3.2空气龄输送方程

为了定量评估厨房内的空气品质, 本文引用空气龄概念. 空气龄是指空气质点从进入房间起, 至到达室内某个微小区域所有空气质点的平均值(图5).

文中将空气龄作为评价厨房空气品质的一个重要指标. 为了在Fluent中计算空气龄场, 将自编译的空气龄输送方程导入软件, 方程如下:

2.3.3湍流模型

2.4 边界条件设置

考虑到烹饪产生的油烟中含有水蒸气[15], 为了能够最大限度地反映实际情况并简化计算, 本文采用水蒸气代替油烟进行模拟.

厨房环境初始温度为27℃, 油烟入口采用速度入口边界条件. 设定锅开启时, 油烟释放速度为2m·s-1, 产生气体含100%水蒸气, 其温度为70℃. 上下新风口也采用速度入口边界, 出风速度均为2.415m·s-1, 新风温度为20℃. 新风系统总进风量为8m3·min-1.

在1800s的试验测试中, 油烟锅会有2次长达40s的开启时间, 其余时间均关闭. 根据试验测试的具体步骤, 1号油烟锅的油烟释放速度、相对质量浓度随时间变化的规律如图6所示. 在56~95s、956~995s的2个时间段内, 1号油烟锅开启. 为评价新风系统对厨房空气质量的作用, 测试中采用的上下2个新风口在0~900s内处于开启状态, 而在901~1800s内处于关闭状态.

2号锅无油烟产生, 处于关闭状态, 按绝热条件处理; 油烟机排风口采用压力出口, 考虑到电机性能设置风压为-360Pa, 在模型中其他壁面默认为非滑移边界条件.

气体流动的控制方程组采用压力基法进行离散求解, 对流项采用二阶迎风格式. 选用SIMPLE算法进行速度与压力的耦合计算.

3 厨房内部空气品质的评价方法

为创造良好的厨房室内环境, 在住宅厨房规划设计中, 不但要考虑其安全性, 还要考虑舒适性, 而室内空气品质对人体舒适性影响较大.

设厨房的空间体积为, 新风系统的进风量为, 则厨房换气一次所需要的时间为/[16]. 考虑到实际厨房人员工作区约为厨房空间的1/2左右, 故定义室内平均理想空气龄τ为:

这样厨房内空气龄为的某点处换气效率为:

当厨房换气效率为100％时, 将2.1节和2.4节中设置的、代入式(7)可得本试验厨房理想空气龄为78s.

为了获得不同“空气新鲜度”所对应的空气龄, 我们采用先确认对应的换气效率. 首先, 置换通风的换气效率最高为67％时[10], 空气新鲜度为清新; 通常认为室内换气效率达到50％时, 厨房的通风换气效果较好[17-18], 空气新鲜度适中; 根据《实用供热空调设计手册》中居住厨房换气次数[19], 得出此时中度污染换气效率为13.04％; 换气效率的最低标准4.35％是参照JGJ 134-2001中居住建筑换气次数的最低值[20]. 至此, 由上述各阶段换气效率及理想空气龄值78s(100％换气效率), 换算得到如表1所示的本试验厨房各阶段换气效率相对应的空气龄值.

表1 厨房空气品质的评价方法

4 厨房环境计算模型的标定分析

为了分析本试验厨房的空气品质, 本研究对烹饪时厨房内A、B两测点进行时长1800s的油烟浓度监测.A测点距离地面188cm, 距离橱柜后壁77cm, 距离烟机左侧面40cm; B测点距离地面166cm, 距离橱柜后壁107cm, 距离烟机左侧面28cm. A、B测点具体位置如图7所示.

图7 典型截面与试验测点的位置

在处理完的试验数据基础上[21], 进行厨房环境的CFD流场及油烟浓度仿真分析及其与试验数据的标定分析. 图8为仿真计算与试验测试的油烟浓度对比分析. 由图可见, 2个测点仿真与试验曲线的走势大致相同, 均在100~200s和1100~1200s时间段内呈现出峰状, 且后面的油烟浓度峰值高于前面峰值, 仿真结果基本上反映出实际厨房室内环境的变化规律.

5 新风系统对厨房空气品质的定量分析

从图9可知, 新风开启时厨房空气流动性强, 室内空气置换较快. 因此人体前方的空气龄要比后方低, 尤其是人体脸部空气龄在80.5~92s. 室内空气龄最高处在远离新风系统的左端壁橱, 其值为103.5s. 此时室内空气龄场分布较均匀.

从图10可知, 新风关闭时厨房空气流动性弱, 室内空气置换较慢, 气体较浑浊. 因此排风口附近的空气龄比其他地方低, 尤其是人体脸部空气龄在297.7~416.8s. 室内空气龄最高处同样在远离新风系统左端壁橱, 其值为535.9s. 此时室内空气龄场分布不均匀, 人体前方的空气龄梯度变化较大.

图9 新风开启(90 s)

图10 新风关闭(990 s)

此外, 表3列出了2种工况中人体脸部区域和室内区域的空气品质状况. 计算结果表明, 新风的开启使人体脸部平均空气龄降低了73.5%, 换气效率增加了2.8倍, 室内平均空气龄降低了79.8%, 室内平均换气效率增加了3.9倍. 空气新鲜度从新风关闭时的中度污染提升至清新, 量化地体现了新风系统的效果.

表2 人体脸部与室内区域的空气品质对比

6 结论

本文在住宅厨房环境CFD流场及油烟浓度仿真模拟的基础上, 定量分析了试验厨房抽油烟机新风系统对室内空气品质的影响, 主要结论如下:

(1)总结建立了以空气龄、换气效率为依据的厨房空气品质评价方法.

(2)定量分析了本试验厨房新风系统对室内空气品质的影响. 新风开启后人体脸部平均空气龄下降至88.4s, 相对于新风关闭状态降低了73.5%, 新风系统有效地提高了人体脸部区域的空气质量.

(3)本文方法能够准确有效地评估厨房环境空气品质, 为厨房的不同设计及设备优化提供方向.

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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.

宁波大学学报（理工版）网址: http://journallg.nbu.edu.cn/

宁波大学人才工程项目（421806920）.

何海涛（1993－）, 男, 江苏淮安人, 在读硕士研究生, 主要研究方向: 流体动力学性能分析. E-mail: 2741717703@qq.com

陈振雷（1963－）, 男, 浙江宁波人, 博士/教授, 主要研究方向: 高端制造的仿真分析与试验测试. E-mail: chenzhenlei@nbu.edu.cn

（责任编辑 章践立）