住宅厨房PM2.5散发特性及控制方法综述

2020-02-25李春龙

科技与创新 2020年2期

李春龙

李春龙

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

厨房PM2.5越来越受到人们的重视，从厨房PM2.5散发强度、分布特性、控制方法三方面进行综述，得出厨房烹饪方式中炸、炒产生的PM2.5最多。控制厨房PM2.5浓度除改变烹饪方式、加装室内净化器外，最有效方式是改变厨房内气流组织，加装送风口、排风口，增加补风量，改变灶台及风口位置，使室内通风顺畅。

厨房PM2.5；散发强度；分布特性；控制方法

随着生活水平的提高，人们对室内空气品质越来越关注。烹饪是室内空气品质重要影响因素之一，与室外大气对室内空气影响相比，具有短时间内使室内PM2.5浓度快速上升的特点[1]。大量研究表明，PM2.5能穿过鼻腔，进入肺部，渗入血液，对人体健康有巨大威胁[2-4]。

1 住宅厨房PM2.5散发强度

张吉等人[5]把普通住宅厨房作为实验地点，在距灶台0.5 m远、距地面0.5 m高的位置放置测试仪，蒸煮食物时，PM2.5浓度基本与背景浓度持平；清炒食物时，PM2.5浓度瞬间提高到200 μg；油炸食物时，PM2.5浓度最高，达到1 700 μg。可见中国传统烹饪方式中，油炸产生的PM2.5最多，清炒次之，蒸煮最少。

抽油烟机是厨房中不可或缺的物件，兰祯豪[6]根据不同烹饪方式和抽油烟机不同运行方式做了相关研究，在不开抽油烟机情况下，蒸鸡蛋产生的厨房PM2.5峰值浓度为414 μg/m3，炒鸡蛋产生的厨房PM2.5峰值浓度为25 900 μg/m3，煎鸡蛋产生的厨房PM2.5峰值浓度为28 800 μg/m3。

在同样的煎鸡蛋烹饪方式下，不开油烟机时厨房PM2.5峰值浓度为29 095 μg/m3；开一台油烟机时厨房PM2.5峰值浓度为2 645 μg/m3，开两台油烟机时厨房PM2.5峰值浓度为743 μg/m3。结果表明，炸、炒产生的厨房PM2.5峰值浓度比煮产生的厨房PM2.5峰值浓度高出近70倍；开启抽油烟机能明显减少厨房PM2.5的峰值浓度。

烹饪过程中，厨房PM2.5浓度会显著升高，很多研究人员运用现场实验和仿真模拟等方法对烹饪过程中厨房PM2.5浓度与PM2.5散发条件的关系进行了研究。曹昌盛[7]通过搭建实验台，研究烹饪过程中0.1～10 μm的粒径散发强度特性，结果表明PM1.0-4.0的散发强度几乎是PM0.1-10散发强度的全部。LAI等人[8]模拟时，假设烹饪过程中产生的颗粒物粒径全为3.5 μm，厨房颗粒物浓度模拟结果与实验结果非常接近。在模拟过程中，厨房颗粒物的散发速率作为边界条件之一，有着重要地位，在很多学者先假设再实验验证的情况下，陈洁[9]通过搭建试验台的方式研究了油炸时散发PM2.5的速率。

为防止油炸过程中产生的厨房PM2.5外溢，整个实验过程在散发仓中完成，原理如图1所示。基本原理为管道中产生的PM2.5浓度与风道中风量相乘，得出风道中的PM2.5散发速率。实验开始时，先设置加热器，使油温稳定在260 ℃，打开风机，控制风道中风量稳定在300 m3/h，随后在油锅中加入食用油，等风道中的颗粒物浓度测量仪数据稳定后，开始计数，实验结束后，洗锅、调大风量至风道内PM2.5浓度与室内背景浓度相同，反复实验。在花生油200 ml，辣椒粉10 g的工况下，风道中PM2.5峰值浓度为5 247.52 μg/m3，散发速率为437.293 μg/s。

图1 原理示意图

2 住宅厨房PM2.5分布特性

目前，住宅厨房PM2.5分布特性的研究方法有理论分析、数值模拟及现场实测三种。文献[10]、[11]为计算出厨房颗粒物浓度分布，以颗粒物的散发、沉降及人体吸入等因素为变量，运用颗粒物沉降模型结合呼吸模型的方法，对厨房颗粒物浓度进行理论分析。文献[12]首先假设人体呼吸区域环境为稳态，运用k-ε模型计算出稳态吸入模型，再加入非稳态条件，预测现实中人体呼吸区的颗粒物浓度分布。文献[13]介绍了浮力羽流模型，提出厨房中经常用到的热羽流经验公式，结合高斯近似理论及虚拟原点公式，通过分析，修正了虚拟原点系数，为理论分析厨房PM2.5浓度分布奠定了基础。文献[14]首先从三个发展阶段介绍了厨房PM2.5上升动力之一的热羽流，给出各个发展阶段的经验公式；其次从推流迁移理论、分散作用及衰减与转化方式三种运动形式介绍气态污染物扩散模型；最后阐述了油烟颗粒物与油烟气态污染物的不同点，以气流组织方式、颗粒物沉积模型、颗粒物受力分析三个角度推到出了油烟颗粒物的分布特点。

近年来，随着数值模拟软件的发展，越来越多的课题可以采用这种高效便捷的研究方法。

王刚[15]利用数值模拟软件对家用厨房进行建模，研究抽油烟机与空调协同对室内温度、吹风感及CO2浓度的影响，得出下送风工况比上送风工况效果要好。万雄峰[16]利用CFD模拟软件对商用厨房的热湿环境与室内空气品质进行综合研究，以送风口大小、送风速度大小及排风口的位置、排风口形状为变量，得出更为准确的商用厨房预测模型，也为厨房设计提供新思路。为解决高层住宅传统集中烟道排烟不利问题，刘宁[17]建立30层住宅烟道模型，以全开烟道和奇偶数半开烟道两种工况进行模拟分析，最终得出奇偶数楼层分开打开烟道会增加排烟效率。厨房中，抽油烟机的排风、炉灶内燃料的燃烧及烹饪过程中的油烟导致厨房有一个高温高湿且气流组织复杂的室内环境。陈芳[18]以实际住宅厨房为原型，运用CFD模拟软件，采用湍流混合模型，建立厨房模型、划分网格并模拟分析，得出厨房PM2.5浓度分布与厨房内部温度差及气流组织有关。厨房PM2.5浓度与气流组织密切相关。刘昱[19]通过窗户入口风速0 m/s、0.3 m/s及0.6 m/s三种模拟工况，在稳定散发PM2.5情况下，得出窗户入口风速越大，厨房内呼吸区PM2.5浓度越低的结论。李晓云[20]同样运用CFD模拟软件对厨房PM2.5浓度与气流组织进行研究，首先对厨房模型加设补风口，分析有无补风口两种工况下的厨房PM2.5浓度分布；得出有补风口便于排除PM2.5后，改变补风口大小及位置，进一步研究补风口对排除室内PM2.5的浓度影响。

厨房PM2.5浓度现场实测是最为常见、目前最准确的分布特性研究方法。贾欣[21]以厨房内灶具、补风口及排风口三者位置作为变量，排列组合出八种实验方案，最终从实验数据中分析出厨具在靠近无门窗墙壁、有补风口的方案下，厨房PM2.5浓度最小。厨房PM2.5浓度现场实验测量，除了能得出浓度分布特性，还能为后期数值模拟提供基本数据。周金辉[22]对高层建筑厨房进行了大量实验，在关闭抽油烟机情况下，测量厨房内呼吸区污染物浓度与烹饪时间的关系，成为数值模拟边界条件之一。实测数据除能作为模拟软件的边界条件参与模拟计算外，还能验证模拟结果的准确性。王淼[23]根据实际厨房尺寸建立物理模型，以关闭厨房门、窗台高0.9 m、抽油烟机距窗台1.8 m为初始条件进行试验及模拟，以实测数据验证模拟结果的正确性后，再调整边界条件，探讨其他工况下，厨房污染物浓度分布。调整窗台高度及抽油烟距离都是改变室内气流组织方式，厨房内部通风条件对PM2.5浓度分布有重要影响。高军等人[24]在实验室搭建厨房试验台，通过开关厨房门窗改变厨房通风条件，最终得出开启厨房门比开启窗时厨房呼吸区的PM2.5浓度更小。

3 住宅厨房PM2.5控制方法

目前控制厨房PM2.5浓度有三种思路：从源头控制，烹饪时尽量蒸煮、少油；从传输路径中阻绝，比如加装抽油烟机；末端消除，比如增添室内净化器。

文献[6]为了控制烹饪时产生的PM2.5外溢到厨房呼吸区，在常规灶台两侧加装空气挡板及空气幕，具体如图2、图3所示。试验台为住宅厨房，在不加挡板和空气幕时，不开抽油烟机，炒菜所得PM2.5峰值浓度为28.71 mg/m3；打开抽油烟机，炒菜所得PM2.5峰值浓度为6.712 mg/m3。

图2 加装空气挡板示意图

图3 加装空气幕示意图

不改变其他测量条件，加装风机，给灶台进行补风，形成空气幕，炒菜所得PM2.5峰值浓度为3.366 mg/m3，比只开抽油烟机浓度下降49.85%；加装挡板，以实体挡住空气外溢，炒菜所得PM2.5峰值浓度为4.92 mg/m3，比只开抽油烟机浓度下降26.7%。不改变其他测量条件，同时加装风机和挡板，炒菜所得PM2.5峰值浓度为1.927 mg/m3。研究表明，加装风机和挡板都能控制一定量的PM2.5不外溢到厨房内部，加风机效果更好，原因为风幕不仅有挡板一样阻挡 PM2.5外溢的作用，自下而上地送风，补充了抽油烟机对灶台底部吸力不足的影响，气流组织方式更利于排出烹饪产生的PM2.5。

4 结论

厨房烹饪方式中以炸、炒产生PM2.5最多，控制厨房内PM2.5浓度除改变烹饪方式、加装室内净化器外，最有效方式就是改变厨房内气流组织，加装送风口、排风口，增加补风量，改变灶台及风口位置，使室内通风顺畅。

［1］熊志明，张国强，彭建国，等.大气可吸入颗粒物对IAQ的影响研究进展［J］.建筑热能通风空调，2004，23（2）：32-36.

［2］KHAN S A R，ZAMAN K，ZHANG Y.The relationship between energy-resource depletion，climate change，health resources and the environmental kuznets curve；Evidence from the panel of selected developed countries［J］.Renewable &Sustainable Energy Reviews，2016（62）：468-477.

［3］MBELAMBELA E P，HIROTA R，EITOKU M，et al.Occupation exposed to road-traffic emissions and respiratory health among congolese transit workers particularly bus conductors，in kinshasa：a cross-sectional study ［J］.Environmental Health &Preventive Medicine，2017，22（1）：11.

［4］BOLDO E，LINARES C，LUMBRERAS J，et al.Health impact assessment of a reduction mambient PM2.5 levels in Spam［J］.Environment International，2011，37（2）：342-348.

［5］张吉，周志华，刘玉荣.居住建筑室内PM2.5来源及其影响因素的研究［A］.中国环境科学学会学术年会论文集［C］.北京：中国环境科学出版社，2017.

［6］兰祯豪.厨房油烟 PM2.5散发主要影响因素及控制措施研究［J］.绿色建筑，2017（1）：49-53.

［7］曹昌盛.住宅厨房油烟颗粒个体暴露与通风改善［D］.上海：同济大学，2013.

［8］LAI A，HO Y.Spatial concentration variation of cooking-em-itted particles［J］.Build Environ，2008，43（5）：871-876.

［9］陈洁.热油阶段油烟颗粒源散发特性的实验研究［J］.建筑热能通风空调，2018，37（3）：33-36.

［10］王军，张旭.建筑室内人员污染暴露量及其特征性分析［J］.环境科学与技术，2012，35（1）：13-16.

［11］GAO J，CAO C S，XIAO Q F，et al.Determination of dynamic intake fraction of cooking-generated particles in the kitchen［J］.Building and Environment，2013（65）：146-153.

［12］ZHU S W，KATO S，SHUZO M，et al.Study on inhalation region by means of CFD analysis and experiment［J］.Building and Environment，2005（40）：1329-1336.

［13］赵玉娇.厨房污染物控制原理与局部排烟罩性能研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2013.

［14］刘昱.北方地区住宅厨房细颗粒物空间分布特性及人员暴露影响研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2017.

［15］王刚.节能、环保、舒适家用厨房内气流组织的数值模拟及实验研究［D］.株洲：湖南工业大学，2009.

［16］万雄峰.商用厨房室内环境质量评价与控制研究［D］.长沙：中南大学，2007.

［17］刘宁.普通高层住宅集中式排烟（风）系统问题研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2009.

［18］陈芳.室内颗粒污染物传播的理论与数值模拟［D］.杭州：杭州电子科技大学，2010.

［19］刘昱．居住厨房油烟散发颗粒物空间分布模拟分析［J］.科技展望，2016（12）：177.

［20］李晓云.住宅厨房排油烟系统补风方式及气流组织研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2012.

［21］贾欣.厨房污染物控制方案的研究与评价：污染物分布模拟和吸油烟机优化选型软件开发［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2012.

［22］周金辉.住宅厨房排烟量的确定及烟道形式对烟气流动影响［D］.西安：西安建筑科技大学，2014.

［23］王淼.厨房结构及布局对厨房空气质量影响的模拟研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2015.