绿色居住建筑厨房排油烟系统性能提升技术研究

詹立琴

（天津建科建筑节能环境检测有限公司，天津 300221 ）

随着城市化的发展以及建筑高层趋势化，城市住宅的厨房设计存在着诸多问题，如设置隐蔽、空间狭小。由于中式传统烹饪的时间长，用油量大，且大部分厨房未设置有效的补风系统，厨房新风不足，造成厨房烟气质量浓度高，危害人体健康。同时，公共烟道烟气倒灌、串味、排烟不畅等问题频频出现。

1 高层住宅烟道系统形式

我国住宅厨房的排烟方式随着住房方式和生活水平变化而不断发展，经历了一系列的发展过程，具体如图1所示。主要包括自然通风排烟和机械通风排烟，其中，机械通风排烟又经历了轴流风机排烟、直排式排烟和集中烟道排烟3个阶段。其中，集中烟道是现代化高层住宅普遍采用的烟道系统，集中烟道排烟是指高层住宅建筑共用竖向集中排烟道系统的形式，每户厨房内安装抽油烟机将烟气引入竖向集中烟道，再经过屋顶排至室外。集中烟道排烟又分为3种，即集中式系统、混合式系统和分散式系统。分散式排烟系统是指在屋顶采用无动力风帽，摆脱完全依靠各住户安装的排油烟机进行排烟，是目前国内应用最普遍的排烟系统形式。

图1 我国厨房烟道系统发展历程

2 厨房烟道现状问题及原因分析

根据调研分析可知，目前的高层住宅小区厨房排烟道主要采用竖向集中排烟系统，每户设置抽油烟机将每户厨房产生的油烟、水蒸气等排放至公共排烟道，再通过屋顶设置的排风口统一排放。从目前高层住宅小区使用的现状来看，厨房竖向集中排油烟系统常存在以下问题。① 底层住户排油烟效果不好，甚至出现油烟无法排出的现象。② 高层住户主烟道气流噪声非常大，厨房使用高峰期高层住户室内背景噪声值增大。③ 排烟失衡，系统内不同楼层排烟量相差过大，导致系统运行阻力增大。④ 部分住户还有“上下楼层邻居做饭自家屋中飘香”的调侃。这种油烟“倒灌”“串味”的现象主要出现在一些老旧小区，但也不乏出现在一些新建住宅小区。

针对以上调研出现的问题，本文梳理了几点关于出现厨房烟道油烟问题的原因。

2.1 烟道系统选型设计与施工问题

通过咨询各大设计院可知，住宅厨房排烟道的选型设计主要由建筑专业负责，暖通专业基本不参与烟道设计，而建筑专业在烟道设计时常直接选用图集上的标准形式，选用最普遍的等截面烟道系统。由于未考虑系统排烟效果、不计算换气量、更未使用专业的计算方法，导致烟道系统选型不合理。同时迫于开发商的压力，设计师需要设计出高出房率的商品房，增加楼盘售卖点，排烟道的尺寸在设计时普遍会偏小。表1为调研所得天津市几个新建住宅小区烟道尺寸数据。天津市各住宅小区典型户型厨房烟道截面尺寸趋势图如图2所示。根据图2数据显示，可知大致的趋势是烟道截面尺寸大小基本随着楼层高度的增加而增大，但也不乏个别住宅楼栋烟道截面尺寸面积小于其他相同楼层高度的住宅小区，甚至小于低楼层建筑的烟道截面。因此，该住宅楼的烟道排烟能力相对其他住宅小区较差，容易出现公共烟道在排烟高峰期出现排烟拥堵现象，烟气倒灌、“串味”等问题都会随之而来。

表1 天津市各住宅小区典型户型厨房烟道截面尺寸

图2 天津市各住宅小区典型户型厨房烟道截面尺寸趋势图

在材料采购阶段，不少开发商为降低投资成本，选择结构简单、造价比较低的排烟道，其质量和使用效果较差。高层住宅建筑烟道系统是由一截一截的成品烟囱组成，在现场施工时，可能会由于个别施工人员在烟囱拼接时密闭不严实导致油烟渗漏。对于构造复杂的烟道系统，如子母型烟道，若施工时误将水泥砂浆等落入子烟道极易导致住户排烟不畅等现象。又如变截面烟道，由于烟道截面尺寸大小不同，拼接难度大，容易出现主烟道密闭不严实造成“串味”现象。

2.2 热压作用影响

根据流体力学原理，热压可用式（1）表达。

式中：g—空气密度，kg/m3；

h—排烟高度，m；

ρw—室外空气密度，kg/m3；

ρn—排烟道内油烟密度，kg/m3。

大气中的压力与海拔高度有关，海拔高度越高，大气压力越小。在不同温度环境下，相同高程差之间的两个位置也会因为密度的不同而不同。因此，根据上述热压作用公式可知，由于排烟道内、外空气存在温度差，烟道进出口存在高度差，便能产生热压作用的“烟囱效应”。

2.3 排油烟机对排烟系统影响

就油烟机对系统排烟效果的影响而言，最直观的表现就是油烟机的排风量。有些老旧小区住户使用的油烟机老旧，油烟机排风量低，补风效率小，相应的排烟效果差；选用排风量大、补风效率高的油烟机排烟效果就好。油烟机排风量是否越大越好还值得商榷。有研究表明当风量增加到一定值时，再增加风量不仅不能改善厨房排烟效果作用，还会造成能源浪费。当油烟机风量达到一定值时，影响油烟捕集效率和厨房排烟效果的主要因素不再是油烟机风量，还受到烟道各层主、支烟道交汇界面压力的影响。在不同截面尺寸、不同楼层高度的各层烟道主、支管处的压力值也各不相同，甚至存在很大的压差。对于油烟机的动力要求各不相同。即便是相同烟道截面尺寸、相同楼层高度，在不同开启率、不同开启分布的情况下，各层主、支管的压力值也不尽相同。因此对于不同烟道截面尺寸、不同楼层住户的油烟机动力选型是不同的，而现有烟机标准对于油烟机的选型只是整体笼统地给出风压和排烟量的要求，并未针对不同烟道形式、楼层高度对油烟机提出更加细化的分区要求。

2.4 止逆阀影响

各层住户一般会在烟道支管上安装止逆阀。止逆阀的作用是使烟气单向流动，当家中油烟机开启时在烟机机械能作用下顶开止逆阀阀片，烟气进入主烟道；当烟机停机不工作时，止逆阀阀片闭合，并且密闭效果极好，能够起到很好的防倒灌和防串味的作用，是保证排烟系统正常运行的重要影响因素。但实际中多存在烟道支管未设置止逆阀，结果导致烟气互串。止逆阀的阀片被油烟粘黏而失灵，不但防止油烟倒灌的作用消失，反而增加了系统阻力。选用的止逆阀材质普遍都是塑料的，在油烟和压力的作用下，叶片容易变形，导致密封不严，效果差。

另外，室外环境风压以及屋顶风帽、屋顶风机的选型不当、布置位置和出屋面的高度设计不合理等均会造成烟道系统排烟不畅。

3 不同楼层高度建筑烟道模拟分析

选用集中烟道排烟系统中最常见且应用较广泛的等截面排气道，进行 CFD 模拟分析。分别模拟了10F、20 F、30 F 居住建筑在排油烟机 100% 开启率下，排烟烟道系统竖向压力分布情况、排烟量情况，总结出在不同楼层高度中住宅建筑排烟压力的竖向分布规律。根据模拟分析得出的初步规律进而选取30F 建筑排烟烟道进行竖向动力合理分区分析模拟，对比在无竖向动力分区和二段分区、四段分区下系统的压力分区情况和排烟量差别，最终整理出适合高层居住建筑竖向动力分区的合理化建议，可为实际工程起到借鉴意义。

3.1 不同层居住建筑在排油烟机 100% 开启率下的模拟分析

3.1.1 边界条件设置

根据国家建筑标准设计图集07J 916-1《住宅排气道（一）》中对等截面烟道的烟道截面尺寸的推荐值，本文分别对10F 住宅采用300mm×300 mm 的集中烟道截面尺寸、20 F 住宅采用450mm×450 mm 的集中烟道截面尺寸、30 F 住宅采用500mm×500 mm 的集中烟道截面尺寸进行分析计算；建筑层高均为 3.0 m。支风管为直径150mm 的圆形风管，长度 1.0 m，离地面距离为 2.6 m。在实际的过程中，烟道内的气流是一个多相流，不是单一的空气，为了方便分析计算，做了简化处理，假设烟道内的气流是单一的空气。考虑烟气的热压作用。3个工况的设置如表2所示。

表2 3个工况下烟道参数

根据中国城市科学研究会标准《住宅通风设计标准》中规定厨房应设置抽油烟机等局部排风设备，换气次数 ≥30次/h。根据市场调研，市面上抽油烟机普遍为 800～1500m3/h 左右，一般厨房面积为 4～10 m2，相当于在油烟机使用时换气次数能超过30次/h，所以每层住户的排风设计值选取1000 m3/h。边界条件设置如下。

（1）主烟道出口。设置为压力出口类型（Outlet），P1=0 Pa。

（2）支烟道进口。根据油烟机排烟量1000 m3/h 的要求，换算为支管排烟量速度，取速度进口类型（Velocityinlet），入口速度取 3.93 m/s；入口温度取油烟机入口处烟气温度最高值35℃。

（3）主、支管壁面:取壁面边界（Wall），绝对粗糙度取K=1.5 mm。

（4）大气环境温度为冬季，取 －7 ℃。

3.1.2 模拟结果

建筑楼层10F、20 F、30 F 建筑排烟道在支管排油烟机风机 100% 开启的情况下，烟道压力分布曲线如图3所示。由图3各层压力分布曲线图可以看出，主烟道内压力值整体变化规律都是随着楼层的增高而减小，底层压力最大，顶层压力最小，主烟道内压力一部分要克服烟道内沿程阻力和局部阻力，一部分随着楼层增高转化为动压，底层排烟最不利，总体压力分布以一条弯曲向下的曲线表现。低层压力变化幅度较高层变化小，高层区域压力变化呈现快速下滑。30 F 建筑烟道压力最大值为332Pa；20 F 建筑烟道压力最大值为227Pa；10 层建筑烟道压力最大值为213Pa，10 F 和20F 压力最大值比较接近，但是30F 压力最大值明显高于前两种工况，最大压力值比10F 压力最大值增加了 55.8%，可见楼层越高排烟越不畅。这种排烟不畅的现象在高层住宅中更为明显、问题更为突出、发生烟气倒灌的风险更大。

图3 3 种工况 10、20、30 F 住宅烟道压力分布曲线图

10 层楼住宅支管排烟量柱状图如图4所示。由图4可知，在风机 100% 开启率下，排烟量分布与压力值变化正好成相反趋势。从第一层的280m3/h 增加到顶层的890m3/h，最大排烟量是最小排烟量的3倍左右，最小排烟量出现在低层，最大排烟量在顶层。同样也是随着楼层数的增加，排烟量增加，排烟效果越差。排烟量越大，系统整体排烟量变化过大，存在排烟不均衡问题。

图4 工况 1（10 F 住宅）支管排烟量柱状图

3.2 30 层楼住宅建筑排烟烟道系统竖向动力分区模拟分析

3.2.1 边界条件设置

表3 分别对3种分区方式，选用风机代号 a、b、c3种类型风机特性曲线的排油烟机进行匹配分析。

表3 不同分区方式选用风机类型

3.2.2 模拟结果分析

3 种分区方式下30层楼住宅烟道压力曲线图如图5所示。

图5 3 种分区方式下30楼层住宅烟道压力曲线图

根据图5 压力分布曲线图可以看出，3 条曲线走势分布和前文的模拟结果基本保持一致，压力均随着楼层的增加而减少。这说明烟道内的压力分布规律不因油烟机风压不同而发生改变。从数值上三段式分区方式的整体压力值小于两段式分区，两段式分区方式压力值又小于竖向未分区的情况，因此竖向分区的方式有利于改善排烟不畅的问题，减轻排烟不平衡的问题。竖向未分区和两段式分区最底层压力值从332Pa 降低为280Pa，压力差值为52Pa。高层区域压力值降低幅度减缓，这说明采用竖向排烟分区的方式对底层住户的压力值有明显改进作用，但对于高层住户作用不是很明显。3 种分区方式下，无论风机风压最大值为多少，高层住户的压力值大小差值不大，这说明高层住户对于购买排油烟机的性能要求较底层住户低，同时高层住户可购买余压范围较小的油烟机以减轻对底层住户的排烟压力。

4 结语

针对近年来出现的高层住宅出现的公共烟道烟气倒灌、串味、排烟不畅等问题，本文进行原因的全面分析。通过对不同楼层高度的建筑进行 CFD 模拟分析，总结出不同楼层高度烟道内压力分布规律。通过以上分析，对于高层居住建筑公共烟道排烟问题，可采用以下几种优化策略。

（1）竖向动力分区。由于烟道压力值分布规律为压力值随着楼层的增高而减小，底层压力最大，顶层压力最小，总体压力分布为一条弯曲向下的曲线。楼层数越高整体压力值越大，排烟量越大，存在排烟不均衡问题，发生烟气倒灌的风险更大。影响系统效果排烟的因素有系统开机率、风机开启的不均匀分布、烟道截面尺寸等诸多原因。本文仅分析了在风机 100% 开启率下进行3种方式下的竖向动力分区分析研究，竖向动力分区不改变烟道内压力分布规律。竖向动力分区段数越多，系统的排烟均衡性越好。在实际生活中，住户可以根据自己所住建筑的楼层总数和自身所处楼层数进行分区购买油烟机，高层住户可购买余压范围较小的油烟机既能减轻对底层住户的排烟压力又可以减少功率过大带来的不必要的能源消耗。

（2）止逆阀。止逆阀分为烟道止逆阀和油烟机止逆阀，可解决共用烟道“串味”问题。对于烟道支管未设置止逆阀的老旧小区，建议住户可自行在油烟机的出风口处安装油烟机止逆阀，如此既不会改动油烟机原有的结构，也不会破坏家里原有的装饰。新建住宅小区在设计施工时应设置烟道止逆阀，无论从防火角度还是烟气倒灌角度均应该设置烟道止逆阀，同时住户可选购自带止逆阀油烟机。止逆阀设计选型时应选择合适耐用的止逆阀。根据阀片的复位方式可分为重力式、弹力式和电磁式；根据阀片的开启方向又分为上开式、下开式和侧开。各种形式的止逆阀各有优缺点，在选型时应尽量避免选用不耐油烟高温作用的塑料材质。

（3）排油烟机动力优化。对于油烟机选型问题，应进行竖向分析，首先建议选用排风量较大，油烟分离率高的降低油烟对止逆阀造成的粘黏影响。高层的住户在选用油烟机时可不必选用排风量太大的油烟机，功率太大的油烟机不但不节能而且排烟效率也无明显提高。选用的油烟机风机余压分布范围大，对流量变化较敏感的特点，适合压力变化大但流量变化小的集中式排烟道，更有利于解决多动力源集中排烟系统中存在的排烟不平衡的问题。

（4）还可以从屋顶风机选型、新型屋顶风机、新型烟道等进行展望分析。