陳潔 高軍* 杜博文

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

傳統(tǒng)的中式烹飪高溫、 多油， 在烹飪過程中會(huì)產(chǎn)生大量的空氣污染物，包括氣態(tài)污染物和顆粒物， 造成廚房空間內(nèi)油煙污染嚴(yán)重， 熱環(huán)境惡劣， 并對(duì)烹飪個(gè)體有潛在的健康危害[1-5]。研究發(fā)現(xiàn)中式烹飪對(duì)室內(nèi)0.5～5 μm的顆粒物濃度貢獻(xiàn)率約為 30%[6]，中式燒烤會(huì)導(dǎo)致亞微米級(jí)顆粒物和PM2.5濃度升高， 甚至分別高于正常值的5倍、90倍 [7] 。近年來， 國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法， 將顆粒物的室內(nèi)暴露濃度與油煙散發(fā)過程或散發(fā)條件關(guān)聯(lián)起來。曹昌盛等 [8] 用激光粒度儀測(cè)量了0.1～10μm的粒徑， 發(fā)現(xiàn)烹飪過程中 1.0-4.0 μm油煙顆粒源散發(fā)強(qiáng)度近似為 PM0.1-10總散發(fā)強(qiáng)度的100%。 Lai和Ho [9] 通過假定3.5μm的恒定粒徑， 研究了住宅廚房烹飪產(chǎn)生顆粒物的空間濃度變化。本文擬研究確定廚房空間內(nèi)簡(jiǎn)化的烹飪過程—— —熱油過程所產(chǎn)生的顆粒物散發(fā)特性， 用于下一步預(yù)測(cè)廚房空間內(nèi)油煙顆粒物的分布及烹飪個(gè)體的暴露濃度。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試方法

1.1 顆粒源散發(fā)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及儀器

圖 1是油煙污染源散發(fā)特性研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置圖。油煙顆粒源散發(fā)特性的測(cè)量全部在該標(biāo)準(zhǔn)化的圓柱錐頂散發(fā)艙 （半徑0.8m、 高0.75m， 材料為耐高溫的不銹鋼） 內(nèi)進(jìn)行， 這樣可以保證除少部分的沉降外， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的油煙顆粒散發(fā)量能夠被準(zhǔn)確捕集。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置包括： 一臺(tái)電磁爐， 一個(gè)烹飪炒鍋， 一套油溫加熱裝置， 一套排風(fēng)裝置 （包括一條排風(fēng)管 （排風(fēng)管上有一段標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量段） 及風(fēng)量控制閥門、 采樣分歧管， 離心風(fēng)機(jī)）。采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距離排風(fēng)罩出風(fēng)口水平0.8m處的排風(fēng)管內(nèi)，通過采樣分歧管連接各個(gè)采樣監(jiān)測(cè)儀器。由于離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量大， 且采樣分歧管所在斷面距離局部阻力構(gòu)件 （彎頭） 的距離大于 5倍管道直徑 （0.06m）， 可近似認(rèn)為烹飪過程中散發(fā)的油煙顆粒在此處已經(jīng)混合均勻。顆粒物的 PM2.5質(zhì)量濃度利用 DUSTTRAK II氣溶膠監(jiān)測(cè)儀 8532 測(cè)量， 采樣流量 3.0 l/min，質(zhì)量濃度范圍為 0.001～150mg/m3。顆粒物的數(shù)量濃度利用 CPC醇基凝聚核粒子計(jì)數(shù)器3775 測(cè)量， 粒徑范圍 ＞4 nm， 顆粒物粒子數(shù)量濃度范圍為 0-107 個(gè) /cm3。排風(fēng)量利用接至標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的KIMO數(shù)字微壓計(jì)測(cè)量。 考慮到烹飪鍋底及鍋內(nèi)壁、 外壁溫度的不同， 將鍋面分為鍋底和鍋內(nèi)， 外壁三個(gè)部分，利 用VarioCAMhr research紅外熱成像儀測(cè)試獲得烹飪過程中油和鍋的平均溫度。

圖1 油煙污染源散發(fā)特性研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.2 熱油過程顆粒源散發(fā)特性實(shí)驗(yàn)方法及流程

因烹飪過程的多樣性和復(fù)雜性， 油煙顆粒濃度測(cè)試穩(wěn)定性難以控制， 采用簡(jiǎn)化的烹飪過程—— —靜態(tài)食用油加熱的方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的油煙散發(fā)過程。根據(jù)已搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)， 從熱油過程切入， 通過實(shí)驗(yàn)對(duì) 4種植物油的加熱油煙顆粒源散發(fā)率進(jìn)行了研究， 并在此基礎(chǔ)上， 確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可控散發(fā)工況， 進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)得到該工況下油煙顆粒源散發(fā)強(qiáng)度及規(guī)律。油溫加熱過程采用溫度控制的辦法， 各工況均從起始環(huán)境溫度加熱至260℃左右。 實(shí)驗(yàn)用油有： 花生油， 菜籽油，大豆油及葵花籽油， 油量為300ml。

實(shí)驗(yàn)流程： 先設(shè)置加熱裝置上的最終穩(wěn)定油溫為260 ℃， 并開啟散發(fā)艙的離心風(fēng)機(jī)， 調(diào)整風(fēng)閥開度， 使排風(fēng)量保持300m3/h。接著開啟門， 窗和各監(jiān)測(cè)儀器，運(yùn)行風(fēng)機(jī) 60min， 降低散發(fā)艙的環(huán)境背景濃度至相對(duì)穩(wěn)定值。隨后開啟加熱裝置 （和攪拌器）， 從 25℃左右室溫加熱食用油，至第 4min時(shí)加熱到260℃后繼續(xù)加熱 10min。然后關(guān)閉加熱裝置。在實(shí)驗(yàn)的14min 內(nèi)利用 DUSTTRAK 和 CPC 3775 記錄油煙顆粒物的濃度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 開啟門窗并調(diào)大排風(fēng)量，增大艙體的換氣次數(shù)， 快速降低艙內(nèi)的油煙顆粒濃度至較低值， 刷洗烹飪鍋， 再次測(cè)量背景濃度至穩(wěn)定值，然后進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。散發(fā)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同種類油品的油煙顆粒源散發(fā)濃度

圖 2是 4種實(shí)驗(yàn)用植物油840 s 內(nèi) 0.04 μm 以上顆粒物數(shù)量濃度隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 （圖中橫坐標(biāo)的0時(shí)刻對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)開始加熱的時(shí)間，誤差條為標(biāo)準(zhǔn)偏差）。從圖中可以看出，4種油的顆粒物數(shù)量濃度變化規(guī)律趨于一致， 先急劇增加， 460 s時(shí)達(dá)到最大， 隨后緩慢下降。但不同種類油的峰值濃度有顯著差異，0.04μm以上顆粒物數(shù)量濃度的峰值濃度按油品排序?yàn)榛ㄉ停静俗延停敬蠖褂停究ㄗ延?，?生油的峰值濃度最大（ 9.19×104個(gè) /cm3） ，葵 花籽油的峰值濃度最?。?4.17×104個(gè)/cm3） ，最 大值為最小值的 2.2倍。在實(shí)驗(yàn)過程中，確 實(shí)發(fā)現(xiàn)加熱花生油時(shí)，油 煙散發(fā)量明顯比其他幾種植物油要多。因此，對(duì) 于中式高溫烹飪，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用花生油，推 薦使用葵花籽油等油煙顆粒散發(fā)量小的油品。

圖2 熱油過程6種植物油0.04 μm以上顆粒物數(shù)量濃度變化曲線

2.2 植物油加熱過程的動(dòng)態(tài)油溫

油煙顆粒源散發(fā)強(qiáng)度可作為室內(nèi)油煙顆粒動(dòng)力學(xué)計(jì)算廚房空間的油煙顆粒物分布及個(gè)體暴露的重要初始邊界條件， 因此在前述的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上， 選定相對(duì)不利的油品—— —花生油作為散發(fā)油品。綜合考慮到實(shí)際烹飪過程中有添加調(diào)料， 且鍋鏟不斷翻動(dòng)食材的動(dòng)作，本實(shí)驗(yàn)的散發(fā)工況最終定為花生油 200ml， 辣椒粉 10 g（均勻?yàn)M油面）， 電動(dòng)攪拌器（轉(zhuǎn)速120 rpm） 在加熱過程中勻速攪拌鍋內(nèi)的油。

圖3 紅外熱成像儀拍攝的熱油過程油和鍋的平均溫度

圖3 （a） 是紅外熱成像儀拍攝測(cè)量的鍋底、 鍋內(nèi)壁表面溫度， 第一部分鍋底溫度， 第二部分鍋內(nèi)壁表面溫度， 圖 3 （b） 是鍋外壁表面溫度。 圖4是4min熱油過程中油溫、 鍋內(nèi) （外） 壁溫的動(dòng)態(tài)變化曲線。油溫曲線呈現(xiàn)單峰分布， 峰值出現(xiàn)在第 310 s， 即在前 4min 內(nèi)迅速從環(huán)境溫度加熱到 260℃，然后降低到 250℃左右的穩(wěn)定溫度。溫度高于200 ℃在中式烹飪中非常普遍， 例如炒菜和油炸等烹飪操作。鍋內(nèi) （外） 壁溫的變化模式幾乎相同， 在前4min內(nèi)迅速達(dá)到較高溫度后，緩慢增加。

圖4 熱油過程油溫、鍋內(nèi)（外）壁溫曲線

圖5 熱油過程油煙顆粒物濃度曲線

2.3 花生油加熱過程顆粒物濃度與散發(fā)強(qiáng)度

圖5 是花生油加熱過程中散發(fā)的0.04μm 以上油煙顆粒物數(shù)量濃度曲線和PM2.5質(zhì)量濃度曲線，與 溫度變化曲線趨勢(shì)切合，表 明隨著溫度升高而油煙散發(fā)增強(qiáng)。圖中給出了三組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，可 以看出實(shí)驗(yàn)重復(fù)性和一致性很好。花生油加熱過程中0.04μm 以上油煙顆粒物數(shù)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度曲線均呈單峰分布。隨著鍋溫不斷上升，顆 粒物濃度不斷攀升，如 圖 5（ a），數(shù) 量濃度在第 185 s 達(dá)到峰值，約 1.45×105個(gè) /cm3， 如 圖 5（ b），PM2.5 質(zhì)量濃度在第250 s達(dá)到峰值，5247.52 μg /m3。 而后，逐漸呈下降趨勢(shì)。顆粒物濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間早于溫度峰值，其 下降趨勢(shì)比溫度曲線的下降趨勢(shì)大。這說明油煙散發(fā)顆粒物與溫度之間有密切而復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。

顆粒源的散發(fā)強(qiáng)度由體積濃度法得來，即將圖 5中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的顆粒物濃度值乘以油煙機(jī)排風(fēng)量300m3/ h，結(jié) 果如圖6所示。散發(fā)強(qiáng)度的變化規(guī)律和濃度一樣。花生油加熱過程數(shù)量散發(fā)強(qiáng)度峰值為 1.21×1010個(gè) /s，PM2.5 質(zhì)量散發(fā)強(qiáng)度峰值為 437.293 μg /s。在整個(gè)烹飪過程中的累計(jì)散發(fā)量分別為 3.92×1011個(gè)和45.79μg 。

圖6 熱油過程油煙顆粒物散發(fā)強(qiáng)度

3 結(jié)論

本文通過住宅廚房油煙顆粒源散發(fā)特性研究實(shí)驗(yàn)，對(duì)4種植物油的加熱油煙顆粒源散發(fā)率進(jìn)行了研究， 并在此基礎(chǔ)上， 確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可控散發(fā)工況， 進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)得到該工況下油煙顆粒源散發(fā)強(qiáng)度及規(guī)律。獲得的主要結(jié)論如下：

1） 油煙顆粒的源散發(fā)強(qiáng)度與油的種類密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中， 花生油的峰值濃度最大 （9.19×104個(gè) /cm3）， 葵花籽油的最小 （4.17×104個(gè) /cm3）， 最大值為最小值的2.2倍。

2）油煙散發(fā)顆粒物與溫度之間有密切而復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。

3） 花生油加熱過程的0.04μm以上油煙顆粒物數(shù)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度曲線均呈單峰分布。數(shù)量濃度在第185 s 達(dá)到峰值，約1.45×105個(gè)/cm3，PM2.5質(zhì)量濃度在第250 s達(dá)到峰值，5247.52μg /m3；

4）顆 粒物濃度值乘以油煙機(jī)排風(fēng)量得到了相應(yīng)的顆粒源散發(fā)強(qiáng)度，花 生油加熱過程數(shù)量散發(fā)強(qiáng)度峰值為 1.21 ×1010個(gè) /s，PM2.5 質(zhì) 量 散 發(fā) 強(qiáng) 度 峰 值 為437.293μg /s。在 整個(gè)烹飪過程中的累計(jì)散發(fā)量分別為3.92×1011個(gè)和45.79μg 。油煙顆粒源散發(fā)強(qiáng)度可作為室內(nèi)油煙顆粒動(dòng)力學(xué)計(jì)算廚房空間的油煙顆粒物分布及個(gè)體暴露的重要初始邊界條件。

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