高层住宅集中排烟系统的研究概述

杨统乾 王伯燕 赵羽声 叶至壮

（中家院（北京）检测认证有限公司，北京 100176）

随着房地产行业的发展，我国各个城市高层建筑如雨后春笋激增，城市向着更高空间的形态延展。伴随着人们生活质量的不断提升，人们开始追求更加健康的生活方式，同时也越来越关注室内的空气质量[1]。

俗话说，民以食为天。厨房是住宅的一个必备组成部分，同时也是室内空气污染物的主要源头，烹饪油烟会影响室内空气的质量[2]。从最原始的用火塘烧柴草，一直到现在使用天然气、电能等清洁能源的现代厨房，随着住宅建筑的不断发展，厨房的形式和排出烹饪烟气的方式也随着发生变化[3]。从最初的直接排放发展到通过烟囱排放，后来到利用排风扇辅助排放，今天绝大多数厨房通过吸油烟机将烹饪烟气排放到住宅的集中烟道内。

厨房烹饪油烟的直接排放不仅会污染建筑物，还会影响环境。为了将烹饪油烟排出，同时保证小区建筑的美观，住宅中开始设置有公用烟道集中排放油烟[4]。如果排放效果不好，厨房内烹饪过程中产生的油烟颗粒物及油脂热解后产生的有害物质会扩散到用户的客厅、卧室等其他区域，对用户造成持续危害，并影响用户的生活质量。厨房烹饪油烟和有害气体排放不佳会影响用户整个住宅的空气质量。更重要的是，烹饪油烟含有苯并芘、亚硝胺、烷烃等多种有害物质，会诱发包括鼻炎、气管炎、肝病等在内的多种疾病。厨房烹饪油烟和有害气体排放不畅，厨房内烹饪时产生的油烟和有害物质会扩散到用户的客厅、卧室等区域，对用户产生持续的危害，严重影响人们的生活质量[5-9]。因此对高层住宅建筑集中排烟系统进行研究，对其不断进行改进以实现更好的排烟效果是非常有必要的。

1 国外集中排烟系统的研究现状

西方国家因其用地面积较多，普通住宅多采用单体别墅形式。同时其烹饪方式和饮食习惯与我国有很大的差别，所以欧美国家主要关注宾馆、餐厅等公共多层建筑的通风和排烟问题[10]。在亚洲，日本和中国住宅同样是以多层和高层为主，对多层住宅排放也进行了很多的研究，开发出了多种类型的厨房集中通风系统。在日本使用最多的是进风口和出风口贯通的水平排风方式，这种排风方式需要室外风作为辅助[11]。日本拥有狭长的国土形状，同时四面环海，典型的海洋气候会带来很多的风，他们可以采用室外风作为辅助的水平排烟形式[12]。

除了集中排烟系统，国外专家和学者也研究了建筑物内部的空气质量的评价方法。美国ASHARE 标准中首次提出室内空气质量的主观评价方法[13]。英国的CIBSE 标准提出室内空气质量可接受的标准为：不超过50%的被测试者闻到任何气味，不超过20%的被测试者感觉不舒服，不超过10%的被试者感觉到鼻腔和呼吸道黏膜刺激，并且只有不超过5%的被测试者在少于2%的测试时间内感到烦躁[14]。丹麦的Fanger 教授认为被测试者的满意程度可以决定室内空气质量的高低[15]。这些建筑物内部空气质量的评价方法可以为我们提供参考。为进一步研究用户烹饪和吸油烟机的使用对室内空气质量的影响，有必要对厨房内空气流动情况进行分析。

厨房的尺寸会影响厨房内以及用户整个住宅内部空气流动情况。Abanto J 等利用数学建模方式分析了吸油烟机叶轮的几何参数。基于无量纲流量和载荷系数建立了吸油烟机的预测特性曲线，能较好吻合试验数据。最后将建立的吸油烟机参数化模型结合全尺寸厨房进行数值模拟，模拟吸油烟机使用状态下厨房内部的气体流动情况[16]。

厨房内空气质量受公共烟道系统的排出效率决定。Risto K等的研究指出必须保证整个系统对烟气的高效捕捉率，以防止厨房内烹饪油烟和有害物质的扩散。利用油烟捕捉效率模型来估算厨房的排气效率，得到厨房内部高度为2.3 m 时，对烹饪烟气的捕捉效率可达85%～90%[17]。

高层住宅建筑公共烟道内的压力分布会决定烟道排气罩的性能。Hwataik 提出垂直烟道内不均匀的压力分布会影响吸油烟机性能，导致吸油烟机排气流量不足，同时可能会导致严重的烟气泄漏，烟气通过间隙泄漏时还会发出噪声。对影响烟道内压力的高层建筑高度、公共烟道尺寸、建筑屋顶风机的特性、各楼层吸油烟机开机率以及室内外温差等因素进行了分析，利用模拟软件实现带有水平支管的垂直公共烟道的流体分析研究。同时给出了控制住宅垂直公共烟道内烟气压力的相关参数[18]。国外学者从排烟系统、建筑物内部空气质量、厨房尺寸几个方面对集中排烟系统也进行了很多研究和探讨。由于我国住宅主要以多层和高层建筑为主，与欧美国家和日本的差异较大，我国的气候环境也更加复杂多变。

2 国内排烟系统的研究现状

2.1 标准依据

我们国家提出了相关标准和操作规程，为住宅中的燃气具的安装和公共烟道的设计提供参考和依据。CJJ 12-2013《家用燃气燃烧器具安装及验收规程》中规定：屋顶烟道出口应避开正压区。公共烟道的顶端应安装有效的防风、防雨、防雪的风帽装置。住宅的公共烟道应有良好的防止油烟倒灌和防止用户厨房串烟的功能[19]。GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》中规定：厨房中吸油烟机的风量应至少为5 m3/min，吸油烟机的风压应至少为排气系统总阻力值的1.2 倍，同时厨房内需安装吸油烟机或其他机械排气装置实现厨房的排烟和换气[20]。GB/T 17713-2011《吸油烟机》中要求吸油烟机在最高挡位工作时，风量至少为7 m3/min[21]。吸油烟机在能效标识目录中，按照GB 29539-2013《吸油烟机能效限定值及能效等级》的要求，其常态气味降低度应不低于90%[22]。

2.2 集中排烟系统的影响因素

高层住宅集中排烟系统是由吸油烟机、止回阀、公共烟道、烟道顶部风帽等几个主要部分组成。目前高层住宅集中排烟道系统主要型式有字母型、变压型、变截面型和等截面型四种，如图1 所示。

图1 四种类型烟道

当高层用户同时向公共烟道排烟时，公共烟道内会形成多种动力源汇流的复杂工作状态。张海峰等利用两相流理论对多层住宅公共烟道内部流场进行Fluent 仿真模拟，得到了公共烟道内的压强、速度和体积分数分布图，从一层到三层用户厨房支烟道与公用烟道的交汇处油烟的体积分数梯度呈逐层减小趋势[23]。雄健通过结合CFD 模拟计算和模型试验方法，分别对10 层、20 层、30 层高层住宅建筑建立模型，对高层住宅建筑的公共烟道系统进行了分析研究，研究表明高层住宅集中系统排烟效果受吸油烟机开启率、烟道截面尺寸、楼层高度、吸油烟机型号和楼层分段匹配形式等因素的影响[24-25]。周金辉对高层住宅等截面式公共烟道建立连续性方程，并对各流量线上的能量建立方程，计算出每层用户的排烟量以及住宅公共烟道内沿程的流量计压力分布，研究发现，用户厨房油烟的温度与室外环境的温差也会影响高层住宅的排烟效果[26]。焦春玲、苏伟运用Fluent 数值模拟的方法分析公共烟道内烟气热压作用下对系统排烟的影响，发现室内外温差是影响公共烟道排烟能力的主要因素[27]。

2.3 目前存在问题及原因分析

目前，高层住宅主要采用竖井的集中排烟系统，该排烟方式存在底部油烟无法完全排出，楼层之间串烟串味、倒烟等问题；在整个排烟道系统中，排烟不均匀。同一排烟系统内的用户吸油烟机开启率越大，集中排烟系统干管内的静压越高，用户的排烟阻力也随之增大；用户吸油烟机出口处的余压对集中排烟道内整体压力分布也会影响，余压越大，排烟阻力越大[24]。另外，公用烟道的尺寸也会影响用户的排烟效果。用户家中没有安装止逆阀或止逆阀不严密，就会出现串烟、倒烟现象。目前常用的止回阀很多是塑料材质，承压能力低且不严密。在烟

气熏蒸和压力作用下，叶片容易发生变形，止回阀就更为不严密[28]。由于不同用户使用的吸油烟机存在差异，用户在排放油烟时也会对其他用户产生影响，并造成相互干扰，特别是低层用户的排放会受到中高层用户的同时影响。

2.4 解决方案

针对目前高层住宅集中排烟存在的问题，大量学者提出了一些解决方法。陈青青研究发现，截面为500 mm×400 mm公共烟道可满足33 层高住宅中用户250 m3/h 的最小排烟量需求[29]。邵治民等研究表明FPQ 型排气道中设置的导流装置可提升排烟系统的使用效果；在高层住宅建筑屋顶安装风机来改善竖向公共烟道内的静压分布，可提高公共烟道排烟效果[30]。张轲等运用CFD 方法对解决方案的效果进行数值模拟和结果分析，发现住户分区选用不同性能的吸油烟机产品后，住宅中各住户的排烟均匀性有很大提高，各用户的最大排气量与最小值的差值减小了81.6%，同时各用户平均排气量增加了9.2%[31]。吸油烟机和辅助排气装置的合理选型也会影响厨房的排烟效果。赵长秋、金吉彪根据厨房排烟净化设备的设计、制造、安装实践经验，提出了厨房理论排烟量的计算方法，分析了厨房油烟排风系统的设计中排气量计算原则和辅助排气装置的选型，还对油烟排风系统与后端净化系统的匹配进行了分析。给出了饮食业吸油烟机和油烟净化器的选型建议[32]。对住宅公用烟道系统的竖井进行优化设计也能改善用户排烟效果。吕铁成提出了公共烟道系统的优化设计方案，在竖井系统中增加排烟风机和环形水平干管，可减小水平排烟支管尺寸和公共烟道竖井截面积，同时还能降低公共烟道风机风量[33]。

3 结束语

本文综述了高层住宅集中排烟系统的研究进展。分析了高层住宅集中排烟系统存在的问题：一是高层住宅中低楼层用户厨房油烟排放效果差，残留的油烟和其他有害气体，会降低室内空气质量，影响用户的身体和心理健康；二是有些老旧建筑公共烟道缺少防倒烟装置，用户厨房存在倒烟、串味等问题。对存在的问题进行了原因分析，列举了目前的问题解决方案。目前对于高层住宅集中排烟系统中各个部件对整个排烟系统的影响研究尚少，另外随着人们开始关注厨房烹饪油烟和室内空气质量，高层住宅集中排烟系统对于用户吸油烟机使用效果影响的研究会是人们更加关注的重点。