高层住宅厨房混接集中烟道流动特性研究

2022-07-01张韵

浙江建筑 2022年3期

张韵

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州 310012）

我国高层住宅建筑总量位居世界第一，高层住宅建筑中通常应用集中烟道系统将各层住户厨房油烟排至室外。该系统由吸油烟机、排烟支管、防火止回阀、集中烟道、屋顶风帽等组成，各层住户厨房的油烟经吸油烟机、排烟支管进入集中烟道，最终经屋顶风帽排至室外。目前，集中烟道系统均考虑了吸油烟机上排式的接入方式，其流动特性已得到广泛研究和讨论，相关的国家、行业、地方排气道技术规程和图集均比较完善［1-2］。围绕集中烟道系统排风失衡、串烟串味等问题［3-4］，相关学者研究提出了增加屋顶复合动力减缓烟道静压提升风量［5］、引入导流构件解决排风失衡［6-7］、开发恒风量烟机保障排风量［8］等系列措施，并取得了显著的改善效果。

集成灶是一种集吸油烟机、燃气灶、消毒柜、储藏柜等多种功能于一体的厨房电器，因其具有节省空间、排油烟效果好、低噪音等优点，目前已成为厨电类市场的主流产品［9］。但集成灶为下排式的排油烟装置，其从住宅下部接入集中烟道，与传统吸油烟机上排式的接入方式完全不同。目前尚未有考虑集成灶下排式接入的集中烟道设计相关标准或图集，对集成灶在高层住宅建筑中的应用造成了极大阻碍。

下排式集成灶接入时，相邻两层的烟道上下接口间距大幅减小，烟道流动特性是否发生变化，现有烟道设计规范是否能满足吸油烟机与集成灶混接的需求？本文拟选取26层高层住宅集中烟道为对象，研究吸油烟机与集成灶混接对烟道流动特性的影响，分析混接间距、安装位置等因素对排风量和静压分布影响，进一步研究了增大烟道尺寸的改善作用，以期为混接集中烟道的技术规程编制和工程实施提供参考。

1 混接集中烟道流动特性研究方法

1.1 集成灶与吸油烟机动力曲线的选择

集成灶与吸油烟机通常为恒转矩运行模式，一旦排气道内压力分布发生变化，集成灶与吸油烟机的排风量也将随之改变。为明确数值仿真的边界条件，确保数值仿真结果的准确性，本文通过广泛调研，选择了2种典型动力性能的集成灶与吸油烟机，并测试得到对应动力特性曲线，见图1。进一步拟合得到集成灶与吸油烟机的P－Q关系式。

图1 集成灶、吸油烟机风机动力特性曲线

集成灶拟合公式：

吸油烟机拟合公式：

1.2 数值计算方法

本文采用商业流体力学软件ANSYS中workbench组件对混接集中烟道系统进行1∶1建模。烟道系统层高3 m，主烟道截面尺寸根据模拟工况设置，支管截面尺寸为180 mm×180 mm，每层同时设置吸油烟机和集成灶两根支管，按照上接口和下接口交错排列，共26层，总长度80 m，见图2。利用Fluent Meshing网格工具进行网格划分，采用多面体非结构化网格，全局的面网格尺寸控制在0.04 m以内，对于支管进行局部加密处理，支管局部面网格尺寸设置为0.02 m。经独立性检验，最终形成的集中烟道网格数量约80万，网格最大扭度（skewness）为0.7，最小正交质量达到0.5，网格划分见图3。

图2 烟道几何模型

图3 烟道模型网格划分

数值仿真以空气作为流体介质，并假设计算域内的空气流动为不可压缩理想气体的湍流流动。数学模型及求解器的设置见表1，采用Realizable k-ε湍流模型预测流场和压力分布，近壁面采用标准壁面函数。压力－速度耦合选用SIMPLE算法，离散方程先用一阶差分计算稳定后，再采用二阶差分形式计算收敛。边界条件设置见表2，出口面设置为pressure outlet，设置出口压力为0 Pa；烟道外壁设置为wall，烟道选用水泥材质，粗糙度为1.5 mm，各层入口均设置为inlet vent，并设置相应的阻力系数。集成灶和吸油烟机分别设置为fan，并根据压力与流速关系式输入相应系数。

表1 Fluent求解器设置

表2 边界条件设置

1.3 数值模拟工况设置

开启率是影响烟道流动特性的一个重要因素，烟道设计应当选取不保证率较低时的开启率进行研究。根据王依蕊对高层住宅厨房开启率的调研统计，发现25层住宅工作日和周末的最大开启率分别为52.4%和46.1%［10］。因此，本文26层烟道模拟过程选择开启率0.5进行研究。首先，计算了全吸油烟机／全集成灶（单一性动力）、吸油烟机与集成灶混接（差异性动力）3种工况，对比分析混接工况的差异性动力对集中烟道系统流动特性的影响。混接工况设定吸油烟机与集成灶交替接入，奇数层接入吸油烟机，偶数层接入集成灶。其次，奇数层支管上接口与其上一层支管下接口的间距考虑了4种水平：0.8、1.0、1.2、1.4 m，以分析混接间距对烟道系统流动特性的影响。然后考虑了4种典型开启位置对烟道流动特性的影响，即集中上部、集中中部、集中下部和均匀开启，具体开启情况见表3。最后，进一步探讨了烟道面积对混接烟道的改善潜力。综上，本文模拟工况的各影响因素水平汇总见表4。

表3 4种典型开启位置的开启情况

表4 模拟工况各影响因素水平汇总

1.4 结果分析

1.4.1 接入形式影响

图4和图5分别给出了不同接入形式下各层吸油烟机或集成灶的排风量和静压分布情况。从图4可以看出，全吸油烟机／全集成灶工况下，单一性动力使得风量随楼层缓慢增加；混接工况下，差异化动力加剧了不同类型排烟末端的排风量差异，风量分布规律更加复杂。特别是在底部楼层区域，由于高静压范围内吸油烟机与集成灶的动力特性差异更大（图1），导致底部楼层相邻楼层间的风量差异愈显著，呈现“强者越强，弱者越弱”的恶性竞争。因此，在集中烟道系统设计时，需兼顾考虑烟道接入设备的动力特性差异。图5结果表明，全集成灶工况的烟道整体静压最高，全吸油烟机工况的烟道整体静压最低，混接工况整体静压居中。

图4 不同接入形式下的风量分布

图5 不同接入形式下的静压分布

1.4.2 混接距离影响

图6和图7分别给出了不同混接距离下的风量与静压分布。可以发现，4种工况下，风量和压力分布曲线完全重合，即表明在0.8～1.4 m混接间距下，集中烟道的流动特性无变化，后续集中烟道设计中，混接距离可不必纳入影响因素。

图6 不同混接间距下的风量分布

图7 不同混接间距下的静压分布

1.4.3 开启位置影响

图8给出了4种典型开启位置下的风量分布。可以看出，开启位置对排风量分布有显著影响，排风量总体上随开启位置提升而增大，集中下部开启的排风量较小。由于吸油烟机与集成灶的差异化动力特性，每种工况均呈现了低楼层集成灶风量大，高楼层吸油烟机风量大的规律，且在集中底部开启工况较为明显。集中下部开启工况的最小、最大风量分别为409.5、695.4 m3／h，最大与最小风量偏差为69.5%；其他3种工况的最大与最小风量偏差分别为59.2%（集中中部）、52.2%（集中上部）、73.3%（均匀）。

图8 不同开启位置下风量分布

图9给出了4种典型开启位置下的静压分布。结果显示烟道静压分布总体上随开启位置提升而降低，集中下部、集中中部、集中上部、均匀开启时的最高静压分别为393.2、358.9、311.8、349.6 Pa，集中下部工况的烟道静压值最大。综合风量与静压分布，建议采用集中下部开启作为最不利工况进行混接集中烟道系统设计。

图9 不同开启位置下静压分布

1.4.4 烟道截面积影响

由前述分析可知，混接工况的差异性动力加剧了不同类型排烟末端的排风量差异。根据国家建筑标准设计图集《住宅排气道（16J916—1）》，26层住宅厨房烟道推荐设计尺寸为500 mm×350 mm、450 mm×400 mm、450 mm×450 mm三种，《住宅厨房和卫生间排烟（气）道制品（JG／T 194—2018）》的推荐尺寸为550 mm×400 mm，本文对4种尺寸的系统风量和静压进行计算分析，以探索烟道尺寸对混接流动特性的改善作用。

图10和图11分别给出了4种烟道截面尺寸下的风量与静压分布。由图10可知，图集16J916—1推荐最小尺寸500 mm×350 mm工况下，末端最小风量266.4 m3／h，最大风量644.3 m3／h，最大最小风量的偏差近150%；图集16J916—1推荐尺寸450 mm×350 mm工况下，末端最小风量338.1 m3／h，最大风量660.3 m3／h，最大最小风量的偏差约95%；图集16J916推荐较大尺寸450 mm×450 mm工况下，末端最小风量437.4 m3／h，最大风量706.5 m3／h，最大最小风量的偏差约62%；标准JG／T 194—2018推荐尺寸550 mm×400 mm工况下，末端最小风量493.1 m3／h，最大风量719.3 m3／h，最大最小风量偏差仅45%。上述结果表明，随着烟道尺寸的增大，不仅风量整体提高，各末端风量的差异也明显减小。图11显示，随着烟道尺寸的扩大，烟道静压整体降低，最大静压从450 Pa降低到380 Pa左右，烟道尺寸增加有利于缓解集中烟道内的串烟串味问题。扩大烟道面积可缓解混接带来的不同类型末端风量显著差异和烟道静压过大问题。