食堂烹饪过程对室内环境的影响及改善方法研究

蒋 选，崔惟霖，唐璐璐，梁 涛

（1.江苏新东博建筑科技有限公司，南京 210000；2.盱眙县住房和城乡建设局，江苏 淮安 211700）

室内空气品质问题已经引起人们的广泛关注，随着空气中颗粒物研究的深入，越来越多的资料显示，人体呼吸道疾病、心血管疾病和癌症等健康问题与空气中的颗粒物污染密切相关。高校食堂烹饪集中，人员密集，而做饭等燃烧过程是最主要的室内颗粒物发生源，烹饪时所用的食用油和食物在高温条件下发生化学反应，产生大量热氧化分解产物，即有机烟气，其与烹饪炉灶明火燃烧产生的烟气被油烟机抽取到烟道内混合，形成气态、液态和固态3 类污染物，合称油烟。其主要以液体气溶胶和固体气溶胶形态存在，粒径介于0.001 ～10.000 μm，可长时间悬浮在空气中。油脂及食物本身所含脂质热氧化分解，食物中碳水化合物、蛋白氨基酸等发生米拉德反应，产物众多，主要是脂肪酸、烷烃、烯烃、醛类、酮、醇、酯、芳香化合物和杂环化合物等。同时，人员活动引起的二次悬浮物也会增加颗粒物污染。

除了气味让人觉得难受外，油烟含有甲醛等醛类化合物，对人体危害很大，常引起眼睛和呼吸道黏膜的各种症状，如流泪、咳嗽、结膜炎、支气管痉挛等，较高浓度的油烟具有肺脏毒性。研究表明，烹饪油烟中存在能引起基因突变、脱氧核糖核酸（DNA）损伤、染色体损伤等的细胞遗传性毒性物质，其不但具有遗传毒性，而且具有潜在致癌性。因此，有必要研究高校食堂内可吸入颗粒物的分布情况，分析以颗粒物形式存在的污染物和附着于颗粒物的污染物，了解和改善食堂就餐环境。本文基于某大学典型布局食堂内的现场测试结果，对各食堂内颗粒物浓度和分布进行比较，综合了解食堂内空气品质的普遍状况。需要说明的是，本研究只测定了颗粒物作为污染物的代表，而没有测定其他污染物。由于烹饪过程产生的污染物以颗粒物形式存在或附着于颗粒物，因此这个测试简化具有代表意义和可信度。在此基础上，借助计算流体力学（CFD）和多区域网络模型技术辅助模拟污染状况，从食堂体型、烹饪区排烟和布置、就餐区通风条件等方面探究各改善方案的有效性。

1 食堂室内环境现状

1.1 数据采集

2018年12月15—22日，分别对A 食堂、B 食堂和C 食堂内空气进行不同粒径颗粒物浓度分布的测试。测点均匀分布在各食堂的就餐区和烹饪区，每个测点采样3 次；采样时间集中在中午和晚上的就餐高峰时段，为1 ～2 h。

1.2 测试仪器

采用美国福禄克电子仪器仪表公司生产的Fluke 983 粒子计数器，6 通道同时测量和显示粒子的尺寸分布、温度和湿度，可测量的粒子尺寸最小为0.3 μm。当测量粒径大于0.45 μm 时，计数效率可达100%，采样相对误差为5%。测量浓度上限为7.2×10个/m。

1.3 测试数据

A 食堂、B 食堂和C 食堂是高校食堂的3 种典型烹饪间与就餐区布局的代表。3 座食堂的菜式基本相同，主要有川菜、家常菜、烧烤和麻辣烫等菜色。据就餐学生普遍反映，A 食堂内空气品质较好，B 食堂和C 食堂油烟味较重。取同一个食堂就餐区采样点得到的数据进行算数平均，以室外颗粒物粒径计数浓度为基准，比较各食堂就餐区颗粒物粒径计数浓度，如图1 所示。A 食堂与B 食堂粒径分布和计数浓度接近，C 食堂远高于二者。

图1 各食堂就餐区颗粒物粒径计数浓度比较

2 改善方法探究

在污染物控制中，很重要的两个手段是污染源的控制和扩散过程的改进。

2.1 污染源的控制

2.1.1 合理选择排烟方式

A 食堂采用的是上排烟形式，而B 食堂采用的是侧排烟形式。这两种排烟形式对排烟效果的影响是不同的。由于热浮升力的作用，烟气向上扩散。对于上排烟方式，油烟在锅上方集中后直接进入排烟罩，油烟扩散到人呼吸区的浓度较低。对于侧排烟方式，烟气受上挡板遮挡回落，靠近排风口一侧的烟气被及时排走，而另一侧的烟气在厨房内扩散。因此，要合理选择排烟方式。

2.1.2 设置烹饪间，阻隔污染物扩散

A 食堂采用小隔墙将烹饪区与外界隔离。隔墙明显对油烟扩散起到阻碍作用。下面利用CFD 模拟的方法，研究隔墙对油烟颗粒扩散的影响。模拟结果表明，采用隔墙后，门洞处的颗粒物衰减率由原来的80%下降到60%，作用明显。

2.2 扩散过程的改进

2.2.1 实际扩散模拟

下面利用模拟软件，研究A 食堂和B 食堂内油烟的扩散过程，如图2、图3 所示。柱状图代表实测的颗粒数，由图2、图3 可以看出，A 食堂三面通风，与室外相比，颗粒物浓度并非增加很多；B 食堂通风效果较差，颗粒物浓度远高于室外。针对食堂就餐区通风不理想的情况，笔者尝试提出一些改进方案，并利用CONTAM 软件验证改善情况。

图2 A 食堂实测颗粒数柱状图

图3 B 食堂实测颗粒数柱状图

2.2.2 就餐区增加通风口

按照B 食堂的基本体型建立模型，室外参数为温度12 ℃、相对湿度13%、北风。食堂各窗户采用细缝风口和渗透进风。由于模拟目的是比较就餐区的污染物浓度变化情况，对浓度的准确度要求不是太高，因此试验采用CH作为污染源，其浓度为1.17 mg/m，扩散速度为0.5 m/s。各设定参数不变，通过增加风口面积和天窗降低室内污染物浓度。

2.2.3 改进效果分析

试验模拟的就餐区CH浓度情况如表1 所示。由模拟结果可知，烹饪区风窗关闭，仅靠渗透进风时，就餐区CH浓度为0.151 10 kg/kg。当风窗开度增大到0.1 m时，就餐区CH浓度减少到0.072 56 kg/kg；当风窗开度增大到1 m时，就餐区CH浓度减小到0.004 470 kg/kg。由此可见，增大风窗开度可以使油烟浓度明显下降，但为了防止室内热量的过度散失，不应使风窗开度过大。

表1 试验模拟的就餐区污染物浓度

试验结果表明，增加天窗可以明显降低就餐区烟气浓度。仅在烹饪区增加0.1 m的天窗，就可使降低CH浓度的效果达到风窗开度增大到1 m。但实际上，在就餐区再增加天窗，效果并非很显著。从模拟结果可以看到，气流从北面进入B 食堂，而B 食堂北面的窗口是那些油烟产生量较大的烹饪食品，如烤肉串、麻辣烫等，这对污染物的扩散起到很不好的作用。

3 结论

经分析，本文提出了食堂设计的普适性建议。一是食堂服务区域调研。在建造食堂前，应对食堂的服务区大小进行调研，估计大致的就餐人数，从而确定食堂面积，进而确定烹饪间与就餐区的分配比例。二是烹饪间科学布置。应对食堂进行流场分析，尽量将油烟产量大的烹饪间布置在下风向。烹饪间应采用上排烟方式，并利用隔墙阻止油烟扩散。排风量并非越大越好，应该结合排风量和风机能耗进行经济性分析，合理选择排风量。三是提高就餐区空气流通速度。可采用增加风口面积、增布天窗等方式，促进就餐区的空气流通。