低能耗住宅烹饪过程厨房及其邻室细颗粒物暴露评价*

马瑛超 苗艳姝 孟 冲 董建锴△ 徐先港

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部 重点实验室,哈尔滨;3.中国建筑科学研究院有限公司,北京)

0 引言

随着生活品质的提高,人们越来越关注生活环境的舒适性、安全性和健康性。据统计,居民超过70%的时间是在室内度过的,室内空气品质的好坏直接影响人们的身体健康。厨房作为居住建筑的重要组成部分,是室内颗粒污染物产生的重要来源,长期暴露在颗粒污染物中可引发心血管病、呼吸道疾病及肺癌[1],因此,该问题引起了人们的广泛关注。中式烹饪方式高油、高盐、高温等特性导致烹饪过程中散发有害气体和颗粒物较多,甘阳阳对蒸、卤、煎、炒烹饪方式下封闭厨房内的细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)浓度进行了实测,发现煎、炒时的浓度增长最快,PM2.5、PM10的峰值质量浓度分别为1 400、1 800 μg/m3[2]。同时,低能耗住宅具有高气密性的特点,影响烹饪污染物的有效排除。传统厨房通风设计不足、排风罩捕集效率低[3],导致低能耗住宅烹饪污染物在室内的扩散问题进一步加剧。相关学者提出利用气幕效应的补风槽、油烟机导风板、吊顶通风系统、热置换通风、吹吸式通风等补风方式[4-7],控制污染物的扩散,但未探究制约颗粒物在厨房及其邻室空间扩散的影响因素及关键参数。此外,现有研究关注暴露与排放关系,构建了人体吸入污染物量与室内污染源量之间的定量关系。刘昱结合人员停留时间和人体肺部颗粒物浓度箱模型,发现冬季门窗均关闭的情况下,烹饪人员对油烟污染物的吸入率最大[8]。研究人员对各季节5种典型通风工况进行模拟,发现厨房操作人员呼吸处油烟PM2.5暴露量冬季最大[9],组织良好的补风系统可以将个体暴露水平降低2～3 个数量级[10]。但以上研究大多采用数值模拟进行简化,研究工况单一,没有考虑不同人群具有不同的微环境时间安排、行为模式及呼吸速率,由此导致个体颗粒物评价结果表现出差异性。另外,厨房污染物对住宅整体环境的影响未受到关注,除了烹饪期间,人体在客厅、卧室等区域活动,对细颗粒污染物在邻室的传播及其影响因素研究较少,缺少邻室暴露量评价。

因此,针对上述问题,本文搭建了严寒地区低能耗住宅厨房实验台,设计了正交试验,对低能耗住宅烹饪污染物对厨房及其邻室人员的暴露问题进行了研究,分析了不同工况下厨房及其邻室细颗粒物质量浓度分布特性及影响因素,结合严寒地区人员烹饪特点、室内不同房间停留特点、行为模式及呼吸速率,评估厨房及其邻室不同性别人员的细颗粒物暴露量,为居住建筑环境健康风险评估提供依据。

1 实验设计

1.1 实验台

参考GB/T 50002—2013《建筑模数协调标准》[11]设计并搭建了严寒地区低能耗厨房环境实验台,厨房占地面积4.32 m2,客卧占地面积12.24 m2。厨房为L形普通操作厨房,尺寸为2.40 m×1.80 m×2.40 m(长×宽×高),厨房对外窗口尺寸为1 500 mm×450 mm,推拉门尺寸为1 700 mm×2 100 mm,实验过程中厨房门保持关闭状态,实验台设计图见图1。油烟机一挡排风量为600 m3/h,二挡排风量为900 m3/h。中餐厨房油烟大、通风量大,为满足改善厨房室内环境要求,根据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[12],利用厨房负压自然补风,补风口设于灶台下方,补风口直径为150 mm。油烟机一挡运行时,补风系统补风量为143 m3/h;油烟机二挡运行时,补风系统补风量为350 m3/h。采用压差法对实验台整体气密性进行检测,在室内外压差为50 Pa的情况下,实验台换气次数为2.55 h-1。

注:PW1为厨房细颗粒物浓度测点,PW2为邻室细颗粒物浓度测点,安装高度为1.10 m(对应人体坐姿时的头部与站姿时的腹部)。

采用的颗粒物浓度测试仪器的测试范围为0.001～400 mg/m3,测试精度为0.001 mg/m3。

1.2 实验方案

由于不同环境参数会对厨房及其邻室污染物浓度造成影响,实验中的变量为烹饪方式、补风系统状态、油烟机状态与窗户启闭状态。根据中式烹饪方式特点,选取煮、蒸、炒、炸4种工况;补风系统状态选取开启、关闭2种工况;油烟机状态选取关闭、开启一挡、开启二挡运行3种工况;窗户选取开启、关闭2种工况。为了快速有效地分析以上4个变量在不同工况下对严寒地区低能耗住宅室内环境的影响,通过设计正交试验确定了16种实验方案,如表1所示。实验划分为背景浓度测试阶段、烹饪阶段与烹饪后阶段,其中食材烹饪阶段为15 min,烹饪后阶段为30 min。

表1 正交试验设计方案

2 暴露评价方法

颗粒物暴露评价指标主要分为暴露量与剂量。暴露量指一段时间内,颗粒物接触人体外边界的总量;剂量指在一段时间内人体吸收或沉积颗粒物的量。本文采用微环境综合颗粒物暴露评价方法[4],对厨房及其邻室的细颗粒物浓度进行暴露评价。评价指标包括综合暴露量、平均综合暴露量、综合潜在剂量、平均综合潜在剂量,见式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由于人们生活方式不同,不同性别人员在住宅内不同功能房间停留时间也不同,导致颗粒物暴露量和剂量的差异。本文根据住宅健康风险相关调查[8],确定了哈尔滨市不同性别操作人员在住宅内包括工作日和休息日不同时间段、不同房间的停留时间,见表2。

表2 哈尔滨市不同操作人员厨房及其邻室停留时间统计 h

男性人员、女性人员不同活动状态下呼吸速率也会对厨房及其邻室细颗粒物潜在剂量产生影响。因此,根据文献[13],得到了黑龙江省不同操作人员在不同活动状态下的短期呼吸速率,见表3。

表3 黑龙江省不同操作人员在不同活动状态下的短期呼吸速率 L/min

3 实验结果与分析

3.1 厨房及邻室环境

不同工况下烹饪过程中厨房细颗粒物质量浓度见图2。住宅烹饪过程中厨房细颗粒物质量浓度平均值为0.52 mg/m3,超出了国家室内环境相关标准[14]对细颗粒物质量浓度的限值(≤0.075 mg/m3)。其中工况3、5、8、15、16细颗粒物质量浓度符合国家室内环境相关标准,说明补风系统开启有利于油烟机将细颗粒物及时排至室外。不同工况下烹饪过程中邻室细颗粒物质量浓度见图3,可以看出,除了工况13炸制、关闭厨房补风、关闭油烟机的情况,实验所涉及的其余15个工况细颗粒物质量浓度均符合国家室内环境相关标准。工况13厨房及其邻室细颗粒物质量浓度波动最大,厨房及其邻室细颗粒物质量浓度分别为规范限值的53.2、28.1倍。主要原因是油炸工况烹饪强度大,短时间会产生大量的细颗粒物,且排风系统与补风系统均处于关闭状态,细颗粒物在厨房内堆积进而扩散到邻室。

图2 不同工况下厨房细颗粒物质量浓度

图3 不同工况下邻室细颗粒物质量浓度

图4显示了不同烹饪方式下住宅厨房细颗粒物质量浓度随时间的变化。从图4可以看出:其他3种烹饪方式煮、蒸、炒对厨房细颗粒物分布也有一定影响,其平均质量浓度分别为0.11、0.08、0.79 mg/m3;煮、蒸、炒与炸的细颗粒物质量浓度开始升高时间分别为5.0、1.0、3.0、12.5 min,高水平质量浓度持续时间分别为10、20、12.5、10 min;蒸制细颗粒物质量浓度上升曲线斜率较小,炒与炸的上升曲线斜率较大,4种烹饪方式下细颗粒物质量浓度下降斜率类似,厨房对细颗粒物散发敏感,采取一定的排风措施,积极促进室内空气流动,可使厨房细颗粒物均以较大速率回归正常浓度。如果油烟机关闭,细颗粒物难以及时排至室外,在厨房与邻室压差及浓度差的作用下,细颗粒物从厨房空间扩散到邻室内,邻室距离排风系统、补风系统较远,排风系统捕集范围有限且补风量不足,导致邻室换气次数小,室内气流扰动微弱,邻室细颗粒物质量浓度长时间难以降到规范限值。因此,厨房及邻室需要形成合理的气流组织,对细颗粒物进行有效控制,避免高强度烹饪下产生的细颗粒物在厨房内堆积,继而扩散到厨房邻室空间,污染住宅环境,危害人体健康。

图4 不同烹饪方式下住宅厨房细颗粒物质量浓度随时间的变化

3.2 环境影响因素分析

对实验数据的处理分析,通常有2种方法:一种是极差分析法(最好水平与最差水平之差称为极差);另一种是方差分析法。本文采用极差分析法对厨房及邻室不同影响因素下的极差进行分析,如图5、6所示。可以看出:厨房细颗粒物浓度的影响程度由高到低排序为油烟机状态>补风系统启闭>烹饪方式>窗户启闭;邻室细颗粒物浓度的影响程度由高到低排序为补风系统启闭>窗户启闭>油烟机状态>烹饪方式。补风系统对邻室细颗粒物质量浓度影响程度最高,一方面油烟机在不同气流条件下捕集性能不同,当补风不足时,油烟机难以在设计工况下运行,捕集效率下降;另一方面,厨房补风的位置影响邻室细颗粒物浓度,建立适当的压力梯度,有利于削弱细颗粒物向邻室的传播。

图5 厨房不同影响因素下的极差

图6 邻室不同影响因素下的极差

3.3 人员细颗粒物暴露评价

3.3.1人员细颗粒物暴露评价

在单次烹饪过程中定义3个暴露评价微环境,其中前期准备时间为20 min,烹饪中时间为15 min,活动状态为轻微活动,烹饪后时间为5 min,活动状态为静坐。根据式(1)～(4),得到不同性别操作人员厨房及其邻室细颗粒物暴露评价结果,见表4。可以看出:厨房中女性人员的综合暴露量略高于男性人员,由于男性人员短期呼吸速率略高于女性人员,厨房中男性人员、女性人员综合潜在剂量基本一致;在客厅环境,男性人员、女性人员停留时间相差不大,故暴露指标基本一致,平均值均超过国家相关标准限值。

表4 细颗粒物暴露评价结果

图7、8分别显示了不同性别人员厨房暴露量和邻室暴露量。可以看出:工况9、11、13暴露量出现峰值,工况9属于厨房细颗粒物暴露量最不利工况,男性人员、女性人员厨房最大综合暴露量分别可达1 154.36、1 173.81 μg·h/m3;工况13属于邻室细颗粒物暴露量最不利工况,男性人员、女性人员邻室最大综合暴露量分别可达304.91、307.25 μg·h/m3。工况9开启厨房补风,可以抑制污染物向邻室传播,降低邻室污染物浓度,而工况13开启窗户,促进了气流向邻室传播。因此,为减少厨房释放的颗粒物向邻室传播需要合理设置压力梯度,这对厨房补风系统的位置、风速、风量、角度等都提出了较高的要求。

图7 不同性别人员厨房暴露量

图8 不同性别人员邻室暴露量

3.3.2人员细颗粒物暴露评价影响因素

厨房及其邻室不同影响因素下的暴露量如图9所示。可以看出:油烟机关闭对厨房及其邻室暴露量影响程度最高,厨房综合暴露量为581.61 μg·h/m3,邻室综合暴露量为217.51 μg·h/m3,分别为平均值的2.51、1.81倍,而油烟机开启能分别有效降低厨房及其邻室污染物暴露量的79%～83%和58%～62%;传统中式烹饪方式中炒、炸对厨房及其邻室暴露量影响较大,炒制时厨房及其邻室综合暴露量分别为460.41、132.11 μg·h/m3,炸制时厨房及其邻室综合暴露量分别为279.37、212.61 μg·h/m3,但煮、蒸对厨房及其邻室暴露量影响不大;开启补风,厨房及其邻室综合暴露量分别为192.42、45.23 μg·h/m3,明显可以看出,开启补风能够降低邻室暴露量的77%,使邻室暴露量达到最低水平,为平均值的38%,可显著改善住宅空间环境,减少细颗粒物对人体产生持续性的负面影响;由于风向、风量、室外温度的动态变化及不确定性,无组织的自然通风使得窗户启闭对厨房及其邻室暴露量的影响区别不大。

图9 厨房及其邻室不同影响因素下的暴露量

除了烹饪方式、通风方式造成的厨房及其邻室人员颗粒物暴露量的差异,通过文献调研发现暴露量在不同地区、不同季节、不同室外条件等情况下也存在较大差异,如表5所示。暴露量产生差异的主要原因为暴露参数的选取不同。首先,暴露量与污染物浓度直接相关。严寒地区冬季门窗关闭,污染物难以散发,导致住宅厨房油烟PM2.5暴露量春秋季关门<春秋季开门<夏季开门<夏季关门<冬季关门[9]。其次,暴露量与不同微环境活动时长有关。老人及婴幼儿在室内时间长,导致老年人和婴幼儿的PM2.5潜在暴露量明显高于其他年龄段人群[17]。另外,各功能房间不同人群停留时间有很大差异,除了厨房,控制卧室的空气品质对人员的健康有最好的效果[19]。除了客观因素,暴露量的差异受不同职业、不同性别、不同年龄段的影响。暴露量随年龄增大而减小[20],男性平均综合暴露量和平均综合潜在剂量由于呼吸速率的区别比女性高20%左右[15]。现实生活中因存在多种多样的污染源,都会产生细颗粒物,随着向绿色发展模式的探索转变,中国居民PM2.5暴露水平从61.8 μg·h/m3下降到42.0 μg·h/m3,下降了32%。但是为了降低环境风险,需要进一步促使空气品质的改善,打赢蓝天保卫战。

表5 国内外不同位置、不同时间、不同建筑类型暴露量

4 结论

本文对居住建筑不同烹饪方式下厨房及其邻室细颗粒物分布特征进行了实测分析,并进行了不同性别人员的暴露评价,主要结论如下:

1) 居住建筑烹饪过程中厨房及其邻室细颗粒物平均质量浓度分别为0.52、0.19 mg/m3,均超出了空气细颗粒物浓度限值(≤0.075 mg/m3);煮、蒸、炒、炸不同烹饪方式对厨房细颗粒物分布有一定影响,平均质量浓度分别为0.11、0.08、0.79、1.09 mg/m3。

2) 对厨房细颗粒物浓度的影响程度由高到低排序为油烟机状态>补风系统启闭>烹饪方式>窗户启闭;对邻室细颗粒物浓度的影响程度由高到低排序为补风系统启闭>窗户启闭>油烟机状态>烹饪方式。

3) 烹饪过程中厨房及其邻室女性人员的综合暴露量略高于男性人员,但与男性人员差别不大。对于厨房细颗粒物,男性人员、女性人员综合暴露量分别为206.14、257.77 μg·h/m3,平均综合暴露量分别为298.76、193.09 μg/m3,平均综合潜在剂量分别为168.32、87.33 μg/h;对于邻室细颗粒物,男性人员、女性人员平均综合暴露量分别为48.73、47.86 μg/m3,平均综合潜在剂量分别为26.51、20.77 μg/h。

4) 油烟机关闭对厨房及其邻室暴露量影响程度最高,传统中式烹饪方式中炒、炸对厨房及其邻室暴露量影响较大,开启补风能够降低邻室暴露量的77%,使邻室暴露量达到最低水平;暴露评价中暴露参数的选取对结果会产生较大影响,与污染物浓度、通风条件、不同微环境活动时长、不同职业、不同性别及室外条件等因素相关。