窗与油烟机距离对厨房污染物的影响
2022-09-13王淼张育瑞
王淼 张育瑞
江苏龙腾工程设计股份有限公司 江苏 南京 210000
引言
厨房作为住宅建筑的重要组成部分之一，也是各种生活设备相对比较集中、污染物散发相对比较严重的区域。尤其在烹饪的过程中会产生大量的有害气体，比如NOx、CO和CO2等，以上这些有害气体严重影响了厨房内部的清洁卫生和室内空气品质[1]；一旦厨房发生煤气的泄漏， 很容易发生比较严重的安全事故。因此，我们必须采用合理气流组织及足够的通风换气量来保证厨房的卫生条件，使之既能有效地排放有害气体，同时又能减少室内冷（热）负荷。相关文献[2]从室内空气污染对室内人员的危害程度、厨房污染物的成分以及对人体健康的危害程度、不同通风系统的优缺点、机械通风下厨房及卫生间的气流组织情况、不同风量下的厨房区域油烟浓度场等方面进行了研究。本文通过CFD-fluent 6.2数值模拟软件对窗口与油烟机不同距离厨房污染物分布进行CFD模拟分析，并与实测污染物浓度进行对比。
1 实测厨房尺寸及相关数据
1.1 结构模型
厨房的布局为规则的方形结构。厨房长3.4m，宽2.1m，高2.4m。厨房内设有门、窗及常用的厨具设备。厨房内部的主要污染源在灶台处，灶台处的油烟主要依靠油烟机抽吸排至烟道。假设厨房门为关闭状态，模拟软件中将门设置为Wall，在油烟机机械排风的条件下，设定窗为打开状态。灶台正上方抽油烟机完成负压排风。操作人员简化为1.6m×0.25m×0.25m的长方体模型，设定灶台高度为0.8m，设定油烟机的安装高度为1.6m，排风口设定为0.3m×0.3m。
1.2 数学模型
模拟的数学模型作如下处理：
1.2.1 厨房的内部四周墙壁定义为绝热壁。
1.2.2 厨房的通风设为定常流；符合Boussinesq假设（考虑浮升的影响）。
1.2.3 厨房内产生的污染物的主要成分是一氧化碳和二氧化碳，且气体具有一定的温度，所以我们采用组分传输来进行模拟分析。
1.2.4 本文采用有限元法的数值模拟方法，利用SIMPLE算法对方程进行离散求解，运用T-Gird四面体非结构化网格，并在重要区域进行局部加密处理，可以提高计算精度。
根据流体力学相关理论，其数学模型[3]可以描述为如下：
连续方程：
运动方程：
其中应力张量为：
能量方程：
扩散方程：
其中，iu为流体在ix方向上的速度分量，ρ为流体密度，h为静态焓，µ为流体的动力黏性度，k为分子导热率，iJ为由于浓度梯度引起的组分i的平均浓度。
1.3 边界条件
其中进口条件为：设定直径为250mm的燃气灶（双眼）为速度入口，速度假定为0.5m/s，温度设定313K，设定一氧化碳的组分含量为0.5%，设定二氧化碳的组分含量为9%，设定污染源在排风口正下方，距离油烟机的排风口为0.7m。
出口条件设定：设定为排风扇的出口条件；
厨房的窗户设定为压力入口；
壁面条件设定：壁面的条件采用无滑移的条件。
2 数值计算及结果分析
本文实测的厨房模型抽油烟机与窗口的距离为1.9m，为了研究抽油烟机与窗口距离对厨房内有害物分布的影响，本文对抽油烟机与窗口距离分别为1.5m、1.7m、1.9m、2.1m和2.3m分别进行模拟分析。
图1~图5表示窗口与抽油烟机不同距离时在人体呼吸区Z=1.5m处有害物的浓度变化趋势；图6为窗口与抽油烟机不同距离时实测有害物摩尔浓度的变化趋势。
图1 窗口与抽油烟机距离1.5m
图2 窗口与抽油烟机距离1.7m
图3 窗口与抽油烟机距离1.9m
图4 窗口与抽油烟机距离2.1m
图5 窗口与抽油烟机距离2.3m
图6 窗口与抽油烟机距离不同距离时污染物摩尔浓度
由图6可知：
当窗口与抽油烟机的距离为1.9m时，人员呼吸区的实测数据为：Z=1.5m处的有害物摩尔浓度为4.21E-05 mol/L。对于窗口与抽油烟机的距离为1.9m的实测模型进行模拟计算，由图4可以得出Z=1.5m处有害物浓度为4.11E-05 mol/L。通过模拟计算可知Z=1.5m时模拟计算值与实测值仅相差3.23%，由此可证明模拟计算的结果与实际是吻合的。
由图1-图5窗口与抽油烟机不同距离的浓度场分布截面分析可得，当窗口与抽油烟机距离为1.5m时，在Z=1.5m有害物摩尔浓度为8.00E-05 mol/L，超过规范要求48.8%。当窗口与抽油烟机距离为1.7m时，在Z=1.5m有害物摩尔浓度为5.50E-05 mol/L，超过规范要求25.5%。当窗口与抽油烟机距离为1.9m时，在Z=1.5m有害物摩尔浓度为4.0E-05 mol/L，符合规范要求。当窗口与抽油烟机距离为2.1m时，在Z=1.5m有害物摩尔浓度为5.0E-05 mol/L，超过规范要求18%。当窗口与抽油烟机距离为2.3m时，在Z=1.5m有害物摩尔浓度为6.5E-05 mol/L，超过规范要求36.9%。
3 结束语
通过模拟与实测数据对比，结果表明窗口与抽油烟机的距离对厨房内有害物分布有一定的影响，由图6可知，当厨房的窗口与抽油烟机距离为1.8～2.0m时，有利于厨房有害气体的排放，人体呼吸区的有害物的浓度能满足规范的要求。
在一定范围内，厨房的窗口与抽油烟机距离增加是有利于厨房有害气体的排放，当厨房的窗口与抽油烟机距离增加到一定距离后继续增加窗口与抽油烟机的距离，不利于厨房有害气体的排放。
由于条件受限，本文仅仅针对0.8m时的窗台高度进行实测数据与模拟计算的对比分析。因此，部分实测及模拟数据有待进一步的验证，以确保厨房的有害物浓度能满足规范及人员健康的要求。
