厨房低能耗通风系统研究

韩宇

中国建筑标准设计研究院有限公司

0 引言

近年在北方地区商业建筑改造中发现，项目重新规划后，采暖总装机容量不降反升，这一现象与国家倡导的建筑节能政策似乎背道而驰。建筑面积不变的情况下，为何仅仅业态调整就会导致能耗增加呢？在改造设计中可以看出餐饮能耗比重较大，如在北京大兴新开业的大悦城项目厨房冬季计算负荷占总建筑负荷的33%，而实际使用时其能耗监控平台上显示冬季日运行耗热量占建筑总耗热量的22%。

调研了已成功运营多年的商业体北京朝阳区爱琴海商业中心，也发现了类似的情况：2014 年刚开业时有22 家餐厅，而2019 年增加到40 家餐厅，对应的餐饮排风量也增大了45%，5 年时间业态的调整导致其耗热量逐年上升。如今商业体更加重视餐饮带来的效益，导致经营模式发生了改变，但耗热量的增大为何不能引起用能单位的重视呢？

位于北京石景山万达广场海底捞火锅城建筑面积1650 m2，采用电磁炉为汤锅加热，由于具备完善的分项计量，可以得到其年分项能耗，并按照能源单价得到图1 分项年运行费用占比。从结果上看，项目对应的补风年耗热运行费用占比仅15%。在商业建筑中，餐厅用能往往由经营者自行管理，15%的占比常得不到经营者的关注，他们更容易关注68%对应的内容。因此常常看到经营者在做节能改造时往往仅从升级炉灶、洗碗机等大型设备着手，新风的能耗往往容易被忽略。

图1 海底捞项目分项年运行费用占比

现行措施对厨房工艺的节能要求甚少，而在设计过程中暖通专业通常又将设计责任委托给厨房厂家，因此造了成厨房耗热量增加而无人关注的现象。

1 降低新风耗热量的技术路线

一个合理的厨房通风系统，补风量和局部排风量具备线性对应关系，减少排风量即可直接降低补风能耗。在给定排风罩的情况下只有设法降低控制流速0.5 m/s[2-4]才可以达到目的。另外工程上常见的节能方式是把补风量拆成两部分，一部分不经过任何热处理直接送入罩面附近，另一部分要经过热处理的空气送到操作区域以维持室内温度，这样也节约了能量。因此厨房通风系统的节能手段如图2。

图2 技术路线图

2 典型上吸式排烟系统数值模拟分析

2.1 代表污染物的选取

厨房烟气主要由两部分组成，一是，烹饪时油、菜高温分解产生的油烟[1]。二是，燃料燃烧后所产生的污染物。

前一种污染物极为复杂，常包含甲醛、乙醛、飘尘、苯及同系物、二氧化硫等，其产生种类及释放速率没有规律可循，且常受如下几方面影响：1）烹饪选用食材、调料及其用量，尤其酒精类调料是产生有害物的主要原因。2）烹饪的手法，如油炸过程产生有害物量最大，其后依 焗次排序是、炒、煮、蒸等手法。3）烹饪采用的锅具材料及“火候”大小，采用粗糙表面的锅具或采取大火烹饪产生的油烟量明显更大。中餐的烹饪过程缺乏统一标准导致在污染物的研究上存在较大的难度，因此无法采用油烟成分直接分析研究。

而后一种有害物只与采用燃料性质、浓度及与空气混合程度有关，小火烹饪产生大量的CO。而大火烹饪时，会产生较多的CO2。由于与第一种污染物相燃烧产物的研究要相对容易，结论也可靠，因此在本项目的模拟研究中采用充分燃烧后产生的CO2作为代表污染物。

2.2 物理模型建立与计算说明

根据某实际项目建立厨房模型，如图3 所示：厨房整体模型尺寸为5 m×5.2 m×2.6 m，空调送风口大小为1.2×0.5 m，压差补风口大小为1.25 m×0.4 m，出风口大小为0.5 m×0.5 m，灶台大小为2.2 m×1.2 m×0.8 m，炉灶为高0.1 m 直径0.4 m 的圆柱。

图3 建模说明

将整个厨房切割为两部分，第一部分包含炉灶、排烟罩、局部补风口，采用四面体网格进行划分；第二部分为人员工作活动区域，采用六面体网格进行划分，并且各个风口、炉灶进行局部加密以保证计算准确性，最终确定网格数为297865 个。运算控制方程[5]除采用连续性方程、能量方程、动量方程外还需要开启组分传输方程。

在本模型中，按照规范取罩口截面风速0.5 m/s 来确定总排风量为5200 m3/h，工程上为避免房间负压过大取80%的总排风量作为空调送风即4160 m3/h，其余1040 m3/h 为房间的压差渗透风量，并将这一工况定义为基准工况。空调送风口温度与厨房壁面温度为18 ℃，局部补风口进风温度为-3.6 ℃。忽略外界空气中污染物，忽略模拟计算时人体散热与各种设备散热。边界条件设计见表1。

表1 边界条件设置

2.3 排烟罩效率的定义

排风罩效率的理论可用于对产品研发的提升，但行业内并没有明确定义，因此在产品研制阶段造成了多年的技术停滞，为了便于后续研究，这里有必要对其进行定义，选取如图4 截面进行演示说明：模型中假设灶眼排放污染物的量为Sp（kg/s）；烟罩排风量为P，平均排放浓度为Cf；同时空调新风系统的送入风量为A，进风中污染物浓度为C0，灶台附近补风空气幕送风量为S，进风中污染物浓度为C0；由于扰动气流等因素导致罩口附近有部分气流逃逸进入人员活动区域，逃逸风量为E，污染物浓度为Cf；根据风量平衡，此负压房间的压差补风量为P-A-S；假定污染物与室内充分混合后的人员区平均浓度为CV，则根据风量平衡，罩外进入罩内的平均风量为P+E-S，污染物浓度为CV。上述风量单位为m3/s，浓度单位为kg/m3。

图4 截面区域划分及条件说明图

参考相关资料[6]，即将密闭房间分为两个部分，一个空间是油烟罩至灶台面边缘的空间，另一个其余部分，定义为人员活动区。如有扰动影响导致部分热羽流量E（对应浓度Cf）逃逸至人员区，那么在进入稳定状态后室内污染物的（P+E-S）CV也会进入罩下的空间，相应可以定义系统对应的污染总量SP总=SP+(P+ES)CV，可以得到其效率：

2.4 风幕设置方式对排风效率的影响

风幕可以在人员区与污染物间形成隔绝，将炉灶产生的污染物封闭在一定区域。有些工程设置了沿烟罩边向下送风风幕（这里简称下送风幕）。与之对比本文提出采用在灶台边设置风口向上送风的方式（这里简称上送风幕）见图5。

图5 两种补风情况流线图

由表2 计算结果可知设置上送风幕时排放效率明显高于未设置情况，而设置下送风幕时排放效率较未设置情况并没有明显变化。这是因为下送风幕风口安装在排烟罩上距离排烟罩出风口较近，部分风还未形成风幕就被吸入出风口，形成了短路，因此效率基本不变。

表2 两种送风方式的效率比较

而下送风幕与上送风幕的人员工作区域平均CO2质量百分数均比不设置风幕工况有所下降，说明只要设置风幕污染物扩散至人员工作区域量就会变小，对于提升人员工作区域空气品质有明显作用。因此对于排油烟系统，设置风幕即可改善人员区域环境质量，但只有设置向上送风风幕才可明显提高烟罩的排风效率。

2.5 风速选取对排风效率的影响

在上送风幕的基础上继续探究其风速对排烟罩排放效率的影响，设置补风口宽度为0.05 m 的条缝，沿灶台三边布置，各工况计算结果如表3 所示：

表3 不同风速对效率的影响表

由计算可知随着送风风速的增大，排烟罩的排放效率存在先增大后减小的情况，而厨房内人员工作区域CO2质量百分数先减小后增大，但均优于不设置风幕的情况。在图6 至图9 中可以根据室内CO2的浓度分布来直观说明，浅蓝色表示了污染物的聚集情况。随着风速的变大，风幕效果逐步明显，对污染物的控制能力逐步增强，因此排风效率上升。风速在1.5 m/s时效率最高为70.7%，但风速继续增大，其排烟罩上部边缘污染物随风幕空气混合溢出反而导致效率下降，因此并不能一味追求增大送风流速。

图6 无风幕工况下的CO2 浓度分布图

图7 工况A 0.5 m/s 送风下的CO2 浓度分布图

图8 工况C 1.5 m/s 送风下的CO2 浓度分布图

图9 工况E 2.5 m/s 送风下的CO2 浓度分布图

另外对比风速为1.5 m/s 与2 m/s 的速度分布云图通过求解可知，下送风风速为1.5 m/s 时，在靠近灶台处平均风速约为0.2 m/s。当下送风风速提升为2 m/s 时，平均风速约为0.4 m/s（见图10 及图11 内红框内）。提高送风风速同样造成在操作区域的风速明显增大降低了舒适性，为了保证人员舒适度不受影响，风口风速定为1.5 m/s 最为适宜。

图10 工况C 风幕风速1.5 m/s 速度分布图

图11 工况D 风幕风速2 m/s 速度分布图

2.6 上送风风幕风速设置的节能作用分析

通过前述研究分析，设置上送风幕且当风速为1.5 m/s 时可以提高排烟效率。那么此时若保证与无风幕条件同等效率时对应的排烟量是多少呢？通过多次设定排风量，筛选出接近数据见表4：

表4 接近效率下的风量值比较表

由数值模拟计算结果可知，当设置上送风幕且风速为1.5 m/s 时，总风量为4100 m3/h 排烟罩排放效率可以达到基础工况（总风量5200 m3/h）对应值，可见起到了节能的效果，此时节能率约为21.2%，折合罩内控制风速为0.395 m/s。因此可以理解为在设置1.5 m/s向上送风风幕的系统中，罩内控制风速约为0.4 m/s，而对应节能率约为20%。

3 带送风空气幕灶台的构造

带风幕灶具研发后的构造如下：出风口的设计需要在灶台面三个边长布置，采用宽度为5 cm 的条缝风口，送风机布置在灶具内部并在灶台背板预留新风阀门和接口，见图12、13：

图12 向上送风幕灶台剖面图

图13 灶具内部风道布置平面

4 北方地区带风幕灶台的经济性分析

在上述双眼灶具模型中（与数值模拟尺寸同），考虑出风口的有效系数为0.7，在1.5 m/s 的送风速度下，可计算得到其风幕风量，将如下两种工况的补风量进行计算（表5）：

表5 带风幕灶具及无风幕系统的补风量计算表

按照上述工况，以北京地区为例，如每日2 餐，操作过程3 h/餐，在整个供暖季运行过程中将不设置风幕和带上送风风幕情况的年耗热量分别计算对比如表6：

表6 带风幕灶具及无风幕系统的年能耗计算表

在上述计算中风幕空气不再进行热处理，即直接送入室内，这样进一步的降低了新风的耗热量。可以看出最终两者的能耗差距为16438 kWh-9693 kWh=6745 kWh（24.25GJ），按照北京市政供热70 元/GJ 的能源单价，每年可省下运行费用1698 元，折合年节能率为41%。那么对于不使用风幕工况下每10000 m3/h排风量采取相应的技术措施后可节省运行费用3265元/10000 m3/h 排风量。

5 结论

1）原有经营方向发生变化，越来越多的商业综合体倾向于扩大餐饮经营面积，导致了北方地区厨房补风能耗上升。除此又由于冬季补风能耗占整个餐厅本身用能比例不大，使得经营者也并未给予高度关注。

2）热加工间的节能方向应尽量减少新风耗热量，方式可采用减少局部排风量或者减少需要热处理的新风量来解决。

3）通过对上吸式排烟系统进行了数值模拟，得到设置口速度为1.5 m/s 向上送风空气幕，可以有效缩减排风所需风量，起到节能的效果，节能率约为20%，此时的控制风速可以取0.4 m/s。风幕的空气可直接采用冬季室外新风，这样补风热消耗更低。对比未采取任何措施的系统节能率（热耗）可达到41%，预计可节省运行费用指标为3265 元/(10000 m3/h)排风量。