詹立琴

（天津建科建筑節(jié)能環(huán)境檢測(cè)有限公司，天津 300221 ）

隨著城市化的發(fā)展以及建筑高層趨勢(shì)化，城市住宅的廚房設(shè)計(jì)存在著諸多問題，如設(shè)置隱蔽、空間狹小。由于中式傳統(tǒng)烹飪的時(shí)間長(zhǎng)，用油量大，且大部分廚房未設(shè)置有效的補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，廚房新風(fēng)不足，造成廚房煙氣質(zhì)量濃度高，危害人體健康。同時(shí)，公共煙道煙氣倒灌、串味、排煙不暢等問題頻頻出現(xiàn)。

1 高層住宅煙道系統(tǒng)形式

我國(guó)住宅廚房的排煙方式隨著住房方式和生活水平變化而不斷發(fā)展，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展過程，具體如圖1所示。主要包括自然通風(fēng)排煙和機(jī)械通風(fēng)排煙，其中，機(jī)械通風(fēng)排煙又經(jīng)歷了軸流風(fēng)機(jī)排煙、直排式排煙和集中煙道排煙3個(gè)階段。其中，集中煙道是現(xiàn)代化高層住宅普遍采用的煙道系統(tǒng)，集中煙道排煙是指高層住宅建筑共用豎向集中排煙道系統(tǒng)的形式，每戶廚房?jī)?nèi)安裝抽油煙機(jī)將煙氣引入豎向集中煙道，再經(jīng)過屋頂排至室外。集中煙道排煙又分為3種，即集中式系統(tǒng)、混合式系統(tǒng)和分散式系統(tǒng)。分散式排煙系統(tǒng)是指在屋頂采用無動(dòng)力風(fēng)帽，擺脫完全依靠各住戶安裝的排油煙機(jī)進(jìn)行排煙，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最普遍的排煙系統(tǒng)形式。

圖1 我國(guó)廚房煙道系統(tǒng)發(fā)展歷程

2 廚房煙道現(xiàn)狀問題及原因分析

根據(jù)調(diào)研分析可知，目前的高層住宅小區(qū)廚房排煙道主要采用豎向集中排煙系統(tǒng)，每戶設(shè)置抽油煙機(jī)將每戶廚房產(chǎn)生的油煙、水蒸氣等排放至公共排煙道，再通過屋頂設(shè)置的排風(fēng)口統(tǒng)一排放。從目前高層住宅小區(qū)使用的現(xiàn)狀來看，廚房豎向集中排油煙系統(tǒng)常存在以下問題。① 底層住戶排油煙效果不好，甚至出現(xiàn)油煙無法排出的現(xiàn)象。② 高層住戶主煙道氣流噪聲非常大，廚房使用高峰期高層住戶室內(nèi)背景噪聲值增大。③ 排煙失衡，系統(tǒng)內(nèi)不同樓層排煙量相差過大，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行阻力增大。④ 部分住戶還有“上下樓層鄰居做飯自家屋中飄香”的調(diào)侃。這種油煙“倒灌”“串味”的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在一些老舊小區(qū)，但也不乏出現(xiàn)在一些新建住宅小區(qū)。

針對(duì)以上調(diào)研出現(xiàn)的問題，本文梳理了幾點(diǎn)關(guān)于出現(xiàn)廚房煙道油煙問題的原因。

2.1 煙道系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)與施工問題

通過咨詢各大設(shè)計(jì)院可知，住宅廚房排煙道的選型設(shè)計(jì)主要由建筑專業(yè)負(fù)責(zé)，暖通專業(yè)基本不參與煙道設(shè)計(jì)，而建筑專業(yè)在煙道設(shè)計(jì)時(shí)常直接選用圖集上的標(biāo)準(zhǔn)形式，選用最普遍的等截面煙道系統(tǒng)。由于未考慮系統(tǒng)排煙效果、不計(jì)算換氣量、更未使用專業(yè)的計(jì)算方法，導(dǎo)致煙道系統(tǒng)選型不合理。同時(shí)迫于開發(fā)商的壓力，設(shè)計(jì)師需要設(shè)計(jì)出高出房率的商品房，增加樓盤售賣點(diǎn)，排煙道的尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)普遍會(huì)偏小。表1為調(diào)研所得天津市幾個(gè)新建住宅小區(qū)煙道尺寸數(shù)據(jù)。天津市各住宅小區(qū)典型戶型廚房煙道截面尺寸趨勢(shì)圖如圖2所示。根據(jù)圖2數(shù)據(jù)顯示，可知大致的趨勢(shì)是煙道截面尺寸大小基本隨著樓層高度的增加而增大，但也不乏個(gè)別住宅樓棟煙道截面尺寸面積小于其他相同樓層高度的住宅小區(qū)，甚至小于低樓層建筑的煙道截面。因此，該住宅樓的煙道排煙能力相對(duì)其他住宅小區(qū)較差，容易出現(xiàn)公共煙道在排煙高峰期出現(xiàn)排煙擁堵現(xiàn)象，煙氣倒灌、“串味”等問題都會(huì)隨之而來。

表1 天津市各住宅小區(qū)典型戶型廚房煙道截面尺寸

圖2 天津市各住宅小區(qū)典型戶型廚房煙道截面尺寸趨勢(shì)圖

在材料采購(gòu)階段，不少開發(fā)商為降低投資成本，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)比較低的排煙道，其質(zhì)量和使用效果較差。高層住宅建筑煙道系統(tǒng)是由一截一截的成品煙囪組成，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，可能會(huì)由于個(gè)別施工人員在煙囪拼接時(shí)密閉不嚴(yán)實(shí)導(dǎo)致油煙滲漏。對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的煙道系統(tǒng)，如子母型煙道，若施工時(shí)誤將水泥砂漿等落入子煙道極易導(dǎo)致住戶排煙不暢等現(xiàn)象。又如變截面煙道，由于煙道截面尺寸大小不同，拼接難度大，容易出現(xiàn)主煙道密閉不嚴(yán)實(shí)造成“串味”現(xiàn)象。

2.2 熱壓作用影響

根據(jù)流體力學(xué)原理，熱壓可用式（1）表達(dá)。

式中：g—空氣密度，kg/m3；

h—排煙高度，m；

ρw—室外空氣密度，kg/m3；

ρn—排煙道內(nèi)油煙密度，kg/m3。

大氣中的壓力與海拔高度有關(guān)，海拔高度越高，大氣壓力越小。在不同溫度環(huán)境下，相同高程差之間的兩個(gè)位置也會(huì)因?yàn)槊芏鹊牟煌煌?。因此，根?jù)上述熱壓作用公式可知，由于排煙道內(nèi)、外空氣存在溫度差，煙道進(jìn)出口存在高度差，便能產(chǎn)生熱壓作用的“煙囪效應(yīng)”。

2.3 排油煙機(jī)對(duì)排煙系統(tǒng)影響

就油煙機(jī)對(duì)系統(tǒng)排煙效果的影響而言，最直觀的表現(xiàn)就是油煙機(jī)的排風(fēng)量。有些老舊小區(qū)住戶使用的油煙機(jī)老舊，油煙機(jī)排風(fēng)量低，補(bǔ)風(fēng)效率小，相應(yīng)的排煙效果差；選用排風(fēng)量大、補(bǔ)風(fēng)效率高的油煙機(jī)排煙效果就好。油煙機(jī)排風(fēng)量是否越大越好還值得商榷。有研究表明當(dāng)風(fēng)量增加到一定值時(shí)，再增加風(fēng)量不僅不能改善廚房排煙效果作用，還會(huì)造成能源浪費(fèi)。當(dāng)油煙機(jī)風(fēng)量達(dá)到一定值時(shí)，影響油煙捕集效率和廚房排煙效果的主要因素不再是油煙機(jī)風(fēng)量，還受到煙道各層主、支煙道交匯界面壓力的影響。在不同截面尺寸、不同樓層高度的各層煙道主、支管處的壓力值也各不相同，甚至存在很大的壓差。對(duì)于油煙機(jī)的動(dòng)力要求各不相同。即便是相同煙道截面尺寸、相同樓層高度，在不同開啟率、不同開啟分布的情況下，各層主、支管的壓力值也不盡相同。因此對(duì)于不同煙道截面尺寸、不同樓層住戶的油煙機(jī)動(dòng)力選型是不同的，而現(xiàn)有煙機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于油煙機(jī)的選型只是整體籠統(tǒng)地給出風(fēng)壓和排煙量的要求，并未針對(duì)不同煙道形式、樓層高度對(duì)油煙機(jī)提出更加細(xì)化的分區(qū)要求。

2.4 止逆閥影響

各層住戶一般會(huì)在煙道支管上安裝止逆閥。止逆閥的作用是使煙氣單向流動(dòng)，當(dāng)家中油煙機(jī)開啟時(shí)在煙機(jī)機(jī)械能作用下頂開止逆閥閥片，煙氣進(jìn)入主煙道；當(dāng)煙機(jī)停機(jī)不工作時(shí)，止逆閥閥片閉合，并且密閉效果極好，能夠起到很好的防倒灌和防串味的作用，是保證排煙系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要影響因素。但實(shí)際中多存在煙道支管未設(shè)置止逆閥，結(jié)果導(dǎo)致煙氣互串。止逆閥的閥片被油煙粘黏而失靈，不但防止油煙倒灌的作用消失，反而增加了系統(tǒng)阻力。選用的止逆閥材質(zhì)普遍都是塑料的，在油煙和壓力的作用下，葉片容易變形，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，效果差。

另外，室外環(huán)境風(fēng)壓以及屋頂風(fēng)帽、屋頂風(fēng)機(jī)的選型不當(dāng)、布置位置和出屋面的高度設(shè)計(jì)不合理等均會(huì)造成煙道系統(tǒng)排煙不暢。

3 不同樓層高度建筑煙道模擬分析

選用集中煙道排煙系統(tǒng)中最常見且應(yīng)用較廣泛的等截面排氣道，進(jìn)行 CFD 模擬分析。分別模擬了10F、20 F、30 F 居住建筑在排油煙機(jī) 100% 開啟率下，排煙煙道系統(tǒng)豎向壓力分布情況、排煙量情況，總結(jié)出在不同樓層高度中住宅建筑排煙壓力的豎向分布規(guī)律。根據(jù)模擬分析得出的初步規(guī)律進(jìn)而選取30F 建筑排煙煙道進(jìn)行豎向動(dòng)力合理分區(qū)分析模擬，對(duì)比在無豎向動(dòng)力分區(qū)和二段分區(qū)、四段分區(qū)下系統(tǒng)的壓力分區(qū)情況和排煙量差別，最終整理出適合高層居住建筑豎向動(dòng)力分區(qū)的合理化建議，可為實(shí)際工程起到借鑒意義。

3.1 不同層居住建筑在排油煙機(jī) 100% 開啟率下的模擬分析

3.1.1 邊界條件設(shè)置

根據(jù)國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集07J 916-1《住宅排氣道（一）》中對(duì)等截面煙道的煙道截面尺寸的推薦值，本文分別對(duì)10F 住宅采用300mm×300 mm 的集中煙道截面尺寸、20 F 住宅采用450mm×450 mm 的集中煙道截面尺寸、30 F 住宅采用500mm×500 mm 的集中煙道截面尺寸進(jìn)行分析計(jì)算；建筑層高均為 3.0 m。支風(fēng)管為直徑150mm 的圓形風(fēng)管，長(zhǎng)度 1.0 m，離地面距離為 2.6 m。在實(shí)際的過程中，煙道內(nèi)的氣流是一個(gè)多相流，不是單一的空氣，為了方便分析計(jì)算，做了簡(jiǎn)化處理，假設(shè)煙道內(nèi)的氣流是單一的空氣?？紤]煙氣的熱壓作用。3個(gè)工況的設(shè)置如表2所示。

表2 3個(gè)工況下煙道參數(shù)

根據(jù)中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《住宅通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定廚房應(yīng)設(shè)置抽油煙機(jī)等局部排風(fēng)設(shè)備，換氣次數(shù) ≥30次/h。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，市面上抽油煙機(jī)普遍為 800～1500m3/h 左右，一般廚房面積為 4～10 m2，相當(dāng)于在油煙機(jī)使用時(shí)換氣次數(shù)能超過30次/h，所以每層住戶的排風(fēng)設(shè)計(jì)值選取1000 m3/h。邊界條件設(shè)置如下。

（1）主煙道出口。設(shè)置為壓力出口類型（Outlet），P1=0 Pa。

（2）支煙道進(jìn)口。根據(jù)油煙機(jī)排煙量1000 m3/h 的要求，換算為支管排煙量速度，取速度進(jìn)口類型（Velocityinlet），入口速度取 3.93 m/s；入口溫度取油煙機(jī)入口處煙氣溫度最高值35℃。

（3）主、支管壁面:取壁面邊界（Wall），絕對(duì)粗糙度取K=1.5 mm。

（4）大氣環(huán)境溫度為冬季，取 －7 ℃。

3.1.2 模擬結(jié)果

建筑樓層10F、20 F、30 F 建筑排煙道在支管排油煙機(jī)風(fēng)機(jī) 100% 開啟的情況下，煙道壓力分布曲線如圖3所示。由圖3各層壓力分布曲線圖可以看出，主煙道內(nèi)壓力值整體變化規(guī)律都是隨著樓層的增高而減小，底層壓力最大，頂層壓力最小，主煙道內(nèi)壓力一部分要克服煙道內(nèi)沿程阻力和局部阻力，一部分隨著樓層增高轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓，底層排煙最不利，總體壓力分布以一條彎曲向下的曲線表現(xiàn)。低層壓力變化幅度較高層變化小，高層區(qū)域壓力變化呈現(xiàn)快速下滑。30 F 建筑煙道壓力最大值為332Pa；20 F 建筑煙道壓力最大值為227Pa；10 層建筑煙道壓力最大值為213Pa，10 F 和20F 壓力最大值比較接近，但是30F 壓力最大值明顯高于前兩種工況，最大壓力值比10F 壓力最大值增加了 55.8%，可見樓層越高排煙越不暢。這種排煙不暢的現(xiàn)象在高層住宅中更為明顯、問題更為突出、發(fā)生煙氣倒灌的風(fēng)險(xiǎn)更大。

圖3 3 種工況 10、20、30 F 住宅煙道壓力分布曲線圖

10 層樓住宅支管排煙量柱狀圖如圖4所示。由圖4可知，在風(fēng)機(jī) 100% 開啟率下，排煙量分布與壓力值變化正好成相反趨勢(shì)。從第一層的280m3/h 增加到頂層的890m3/h，最大排煙量是最小排煙量的3倍左右，最小排煙量出現(xiàn)在低層，最大排煙量在頂層。同樣也是隨著樓層數(shù)的增加，排煙量增加，排煙效果越差。排煙量越大，系統(tǒng)整體排煙量變化過大，存在排煙不均衡問題。

圖4 工況 1（10 F 住宅）支管排煙量柱狀圖

3.2 30 層樓住宅建筑排煙煙道系統(tǒng)豎向動(dòng)力分區(qū)模擬分析

3.2.1 邊界條件設(shè)置

表3 分別對(duì)3種分區(qū)方式，選用風(fēng)機(jī)代號(hào) a、b、c3種類型風(fēng)機(jī)特性曲線的排油煙機(jī)進(jìn)行匹配分析。

表3 不同分區(qū)方式選用風(fēng)機(jī)類型

3.2.2 模擬結(jié)果分析

3 種分區(qū)方式下30層樓住宅煙道壓力曲線圖如圖5所示。

圖5 3 種分區(qū)方式下30樓層住宅煙道壓力曲線圖

根據(jù)圖5 壓力分布曲線圖可以看出，3 條曲線走勢(shì)分布和前文的模擬結(jié)果基本保持一致，壓力均隨著樓層的增加而減少。這說明煙道內(nèi)的壓力分布規(guī)律不因油煙機(jī)風(fēng)壓不同而發(fā)生改變。從數(shù)值上三段式分區(qū)方式的整體壓力值小于兩段式分區(qū)，兩段式分區(qū)方式壓力值又小于豎向未分區(qū)的情況，因此豎向分區(qū)的方式有利于改善排煙不暢的問題，減輕排煙不平衡的問題。豎向未分區(qū)和兩段式分區(qū)最底層壓力值從332Pa 降低為280Pa，壓力差值為52Pa。高層區(qū)域壓力值降低幅度減緩，這說明采用豎向排煙分區(qū)的方式對(duì)底層住戶的壓力值有明顯改進(jìn)作用，但對(duì)于高層住戶作用不是很明顯。3 種分區(qū)方式下，無論風(fēng)機(jī)風(fēng)壓最大值為多少，高層住戶的壓力值大小差值不大，這說明高層住戶對(duì)于購(gòu)買排油煙機(jī)的性能要求較底層住戶低，同時(shí)高層住戶可購(gòu)買余壓范圍較小的油煙機(jī)以減輕對(duì)底層住戶的排煙壓力。

4 結(jié)語

針對(duì)近年來出現(xiàn)的高層住宅出現(xiàn)的公共煙道煙氣倒灌、串味、排煙不暢等問題，本文進(jìn)行原因的全面分析。通過對(duì)不同樓層高度的建筑進(jìn)行 CFD 模擬分析，總結(jié)出不同樓層高度煙道內(nèi)壓力分布規(guī)律。通過以上分析，對(duì)于高層居住建筑公共煙道排煙問題，可采用以下幾種優(yōu)化策略。

（1）豎向動(dòng)力分區(qū)。由于煙道壓力值分布規(guī)律為壓力值隨著樓層的增高而減小，底層壓力最大，頂層壓力最小，總體壓力分布為一條彎曲向下的曲線。樓層數(shù)越高整體壓力值越大，排煙量越大，存在排煙不均衡問題，發(fā)生煙氣倒灌的風(fēng)險(xiǎn)更大。影響系統(tǒng)效果排煙的因素有系統(tǒng)開機(jī)率、風(fēng)機(jī)開啟的不均勻分布、煙道截面尺寸等諸多原因。本文僅分析了在風(fēng)機(jī) 100% 開啟率下進(jìn)行3種方式下的豎向動(dòng)力分區(qū)分析研究，豎向動(dòng)力分區(qū)不改變煙道內(nèi)壓力分布規(guī)律。豎向動(dòng)力分區(qū)段數(shù)越多，系統(tǒng)的排煙均衡性越好。在實(shí)際生活中，住戶可以根據(jù)自己所住建筑的樓層總數(shù)和自身所處樓層數(shù)進(jìn)行分區(qū)購(gòu)買油煙機(jī)，高層住戶可購(gòu)買余壓范圍較小的油煙機(jī)既能減輕對(duì)底層住戶的排煙壓力又可以減少功率過大帶來的不必要的能源消耗。

（2）止逆閥。止逆閥分為煙道止逆閥和油煙機(jī)止逆閥，可解決共用煙道“串味”問題。對(duì)于煙道支管未設(shè)置止逆閥的老舊小區(qū)，建議住戶可自行在油煙機(jī)的出風(fēng)口處安裝油煙機(jī)止逆閥，如此既不會(huì)改動(dòng)油煙機(jī)原有的結(jié)構(gòu)，也不會(huì)破壞家里原有的裝飾。新建住宅小區(qū)在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)設(shè)置煙道止逆閥，無論從防火角度還是煙氣倒灌角度均應(yīng)該設(shè)置煙道止逆閥，同時(shí)住戶可選購(gòu)自帶止逆閥油煙機(jī)。止逆閥設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)選擇合適耐用的止逆閥。根據(jù)閥片的復(fù)位方式可分為重力式、彈力式和電磁式；根據(jù)閥片的開啟方向又分為上開式、下開式和側(cè)開。各種形式的止逆閥各有優(yōu)缺點(diǎn)，在選型時(shí)應(yīng)盡量避免選用不耐油煙高溫作用的塑料材質(zhì)。

（3）排油煙機(jī)動(dòng)力優(yōu)化。對(duì)于油煙機(jī)選型問題，應(yīng)進(jìn)行豎向分析，首先建議選用排風(fēng)量較大，油煙分離率高的降低油煙對(duì)止逆閥造成的粘黏影響。高層的住戶在選用油煙機(jī)時(shí)可不必選用排風(fēng)量太大的油煙機(jī)，功率太大的油煙機(jī)不但不節(jié)能而且排煙效率也無明顯提高。選用的油煙機(jī)風(fēng)機(jī)余壓分布范圍大，對(duì)流量變化較敏感的特點(diǎn)，適合壓力變化大但流量變化小的集中式排煙道，更有利于解決多動(dòng)力源集中排煙系統(tǒng)中存在的排煙不平衡的問題。

（4）還可以從屋頂風(fēng)機(jī)選型、新型屋頂風(fēng)機(jī)、新型煙道等進(jìn)行展望分析。