劉智 曲紹鶴 李忠華 高軍 侯玉梅 謝午豪

1.佛山市順德區(qū)美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528311；

2.同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)研究所 上海 200092

0 引言

油煙污染是室內(nèi)主要的污染源之一（包含顆粒物、PAHs以及VOCs、COx、NOx等氣態(tài)污染物）[1]，烹飪油煙污染成分極其復(fù)雜且具有高度不確定性。事實(shí)證明，暴露于食用油煙，可能會(huì)導(dǎo)致肺癌、慢性阻塞性肺疾病、缺血性心臟病和急性下呼吸道感染，且與不吸煙者的健康狀況有關(guān)[2]。吸油煙機(jī)作為廚房污染控制最為簡(jiǎn)單直接的方式，且往往難以實(shí)現(xiàn)高效捕集，且在高層住宅廚房集中排煙系統(tǒng)中，多動(dòng)力源匯流系統(tǒng)容易出現(xiàn)上部用戶排煙量大、下部用戶排煙量小的情況，極端工況下會(huì)發(fā)生底層用戶油煙排不出去，甚至出現(xiàn)倒灌的現(xiàn)象，致使吸油煙機(jī)排風(fēng)量難以滿足用戶要求，污染物易溢出至廚房室內(nèi)環(huán)境，急需其他處理溢出油煙污染的方式。最近許多研究者設(shè)置了向上或向下的氣幕，從射流速度、射流角度、射流口寬度探討對(duì)吸油煙機(jī)捕獲效率的影響，以建立良好的室內(nèi)熱舒適性和健康環(huán)境[3,4]，但系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜，實(shí)用性有待考證。已有研究表明，合適的氣流組織方式是高效室內(nèi)污染物凈化效果實(shí)現(xiàn)重要的一環(huán)[5,6]，本研究將空氣凈化器與外排吸油煙機(jī)一體化設(shè)計(jì)并應(yīng)用于廚房中，采用CFD仿真尋優(yōu)手段，分別從出風(fēng)速度以及出風(fēng)角度來尋找循環(huán)凈化參數(shù)。研究為治理高污染濃度暴露的廚房烹飪環(huán)境提供了新思路，以期達(dá)到“健康烹飪”[7]。

1 數(shù)值模擬研究

根據(jù)典型中式烹飪廚房構(gòu)建仿真模型，如圖1 a)所示，廚房計(jì)算模型長(zhǎng)為3.5 m，寬2.7 m，高2.5 m。廚房烹飪區(qū)域考慮左、右灶同時(shí)烹飪工況，灶位間距設(shè)計(jì)參考實(shí)際燃?xì)庠罹叱叽?，兩個(gè)爐灶中心間距為390 mm。如圖1 b)定義兩個(gè)特征區(qū)域，其中呼吸區(qū)位于離地面1.45 m～1.5 m位置，寬度與高度都為5 cm，長(zhǎng)度與吸油煙機(jī)等長(zhǎng)；廚房空間為烹飪爐灶上側(cè)與吸油煙機(jī)下側(cè)區(qū)域以及吸油煙機(jī)與排煙管路本身外的整個(gè)室內(nèi)空間。為貼近常見家用自然開窗補(bǔ)風(fēng)方式，此次仿真開啟廚房右下角下懸窗補(bǔ)風(fēng)。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，其網(wǎng)格數(shù)量最終為65萬(wàn)，網(wǎng)格類型為以六面體為核心多面體過渡的混合網(wǎng)格，采用Realizable k-ε湍流模型對(duì)廚房?jī)?nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，除壓力項(xiàng)采用Body force weighted離散格式外，其他項(xiàng)均采用了二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，并采用SIMPLE算法對(duì)離散方程組進(jìn)行求解。鍋設(shè)置為速度入口，熱功率為2.4 kW/灶，鍋散發(fā)溫度為300℃，仿真選取丙烯醛作為特征污染物，吸油煙機(jī)的排風(fēng)口排出為速度邊界，油煙機(jī)排風(fēng)量本次仿真設(shè)置為600 m3/h，窗戶補(bǔ)風(fēng)設(shè)置為壓力入口，循環(huán)凈化單元布置在主風(fēng)道正面，如圖2所示，凈化單元采取從兩側(cè)回風(fēng)，正面出風(fēng)的循環(huán)方式，并通過設(shè)置不同的出風(fēng)口寬度，分別模擬出風(fēng)1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s時(shí)，以水平出風(fēng)和斜上45°出風(fēng)的循環(huán)凈化效果和吸油煙機(jī)單獨(dú)開啟無(wú)凈化基準(zhǔn)工況，仿真計(jì)算中保持循環(huán)凈化進(jìn)出風(fēng)溫度一致，為便于對(duì)比，統(tǒng)一設(shè)置仿真過程中凈化效率為100%。為對(duì)比烹飪過程中，帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)與無(wú)循環(huán)凈化單獨(dú)吸油煙機(jī)開啟下的污染物控制效果，定義了對(duì)濃度減少率進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算如下式：

圖1 a) 廚房模型示意圖和b) 呼吸區(qū)

圖2 循環(huán)凈化出風(fēng)口和回風(fēng)口布置示意圖

式中，Crr是濃度減少率，可分別應(yīng)用于呼吸區(qū)或廚房空間；Cy+j是吸油煙機(jī)與循環(huán)凈化單元同時(shí)開啟時(shí)，呼吸區(qū)或廚房空間的體積平均濃度；Cy是吸油煙機(jī)單獨(dú)開啟時(shí)，呼吸區(qū)或廚房空間的體積平均濃度。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用美的炒菜機(jī)器人加熱攪拌干辣椒的過程來模擬烹飪中釋放顆粒物和VOC的過程。測(cè)試分析吸油煙機(jī)在特定排風(fēng)量下（600 m3/h），開啟循環(huán)凈化單元（循環(huán)風(fēng)量100 m3/h，采用CFD仿真分析得到的較優(yōu)循環(huán)凈化參數(shù)）對(duì)廚房?jī)?nèi)呼吸區(qū)和空間濃度的降低程度。在吸油煙機(jī)前側(cè)下方、高度1.475 m處布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（Pb）表征烹飪過程的呼吸區(qū)濃度；在廚房中心線高度2.2 m（P2.2）、1.5 m（P1.5）以及0.5 m（P0.5）布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)表征廚房空間濃度，如圖3所示。開啟循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)時(shí)的測(cè)試濃度記為CHood＋AC，關(guān)閉循環(huán)凈化單元，單獨(dú)開啟吸油煙機(jī)時(shí)的測(cè)試濃度記為CHood。

圖3 廚房空間PM2.5以及TVOC實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）開啟吸油煙機(jī)至設(shè)定排風(fēng)量，單獨(dú)吸油煙機(jī)工況為只開啟外排吸油煙機(jī)的工作狀態(tài)，帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)工況為外排吸油煙機(jī)+循環(huán)凈化同時(shí)開啟的工作狀態(tài)；

（2）使用電子天平稱取普通干辣椒待用；

（3）開啟炒菜機(jī)器人，待鍋底溫度加熱至穩(wěn)定后開啟自動(dòng)攪拌，倒入干辣椒；

（4）開啟TSI-8532型DUSKTRAKTM Ⅱ氣溶膠監(jiān)測(cè)儀和PGM7240有機(jī)氣體檢測(cè)儀連續(xù)測(cè)量呼吸區(qū)PM2.5和TVOC濃度12 min，然后依次測(cè)量廚房空間2.2 m、1.5 m、0.5 m高度測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)1 min；

（5）加熱約15 min后停止測(cè)試，排出廚房空間殘留油煙污染物，待測(cè)點(diǎn)濃度降至背景濃度；每組工況重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果分析

吸油煙機(jī)單獨(dú)開啟以600 m3/h排風(fēng)時(shí)，如圖4所示，廚房空間上部污染物濃度較高，形成明顯分層，且油煙受補(bǔ)風(fēng)的橫向氣流影響主要從煙機(jī)的右前側(cè)溢出。如圖5和圖6所示，分別展示了1～4 m/s速度出風(fēng)時(shí)，水平出風(fēng)以及斜上45°出風(fēng)時(shí)的污染物濃度云圖。隨著出風(fēng)速度的增大，出風(fēng)擾動(dòng)能力加大，煙機(jī)前側(cè)誘導(dǎo)氣流溢出增加，并破壞原集中上部的溢出油煙，空間濃度被攪拌均勻，油煙前側(cè)誘導(dǎo)氣流溢出風(fēng)險(xiǎn)增加，當(dāng)出風(fēng)速度小于回風(fēng)速度時(shí)，回風(fēng)對(duì)于右前側(cè)的溢出氣流起主要作用，當(dāng)出風(fēng)速度大于回風(fēng)速度時(shí)，出風(fēng)口對(duì)于右前側(cè)的溢出氣流影響作用更大。水平出風(fēng)時(shí)，當(dāng)出風(fēng)速度接近回風(fēng)速度時(shí)，即出風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，側(cè)面回風(fēng)氣流與出風(fēng)氣流形成相互牽制干擾，此時(shí)廚房空間污染物濃度較高，為最不利；而水平出風(fēng)，出風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，出風(fēng)對(duì)烹飪羽流誘導(dǎo)溢出效應(yīng)明顯。整體斜上45°出風(fēng)時(shí)，空間中污染物濃度較水平出風(fēng)時(shí)更低，出風(fēng)宜斜向上擾動(dòng)上部氣流，減少來自左側(cè)橫向氣流對(duì)于右側(cè)回風(fēng)口循環(huán)吸收右前側(cè)溢出氣流的干擾，在出風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，斜上45°循環(huán)凈化效果較好。

圖4 單獨(dú)吸油煙機(jī)開啟循環(huán)凈化單元關(guān)閉濃度云圖

圖5 循環(huán)凈化單元水平出風(fēng)時(shí)不同出風(fēng)速度濃度云圖

圖6 循環(huán)凈化單元斜上45°出風(fēng)時(shí)不同出風(fēng)速度濃度云圖

為定量描述不同循環(huán)凈化單元出風(fēng)角度以及出風(fēng)速度帶來的影響，對(duì)比了不同循環(huán)凈化參數(shù)下的呼吸區(qū)以及廚房空間濃度減少率。如圖7所示，呼吸區(qū)濃度減少率與廚房空間濃度減少率變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)比循環(huán)凈化單元的不同出風(fēng)角度發(fā)現(xiàn)，不同速度下斜上45°出風(fēng)的呼吸區(qū)濃度減少率范圍為：35.9%～64.8%；而水平出風(fēng)時(shí)的廚房空間濃度減少率范圍為：35.1%～66.5%，呼吸區(qū)減少率斜上45°出風(fēng)與水平出風(fēng)較為接近，且由于出風(fēng)速度加大，對(duì)于烹飪羽流的誘導(dǎo)卷吸效應(yīng)增強(qiáng)，當(dāng)出風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，呼吸區(qū)濃度減少率都比較低。不同速度下斜上45°出風(fēng)的廚房空間濃度減少率范圍為：67.1%～86.7%；而水平出風(fēng)時(shí)的廚房空間濃度減少率范圍為：26.2%～65.4%，廚房空間濃度減少率斜上45°出風(fēng)明顯高于水平出風(fēng)，而出風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，循環(huán)凈化回風(fēng)與出風(fēng)相互牽制干擾，無(wú)法形成有效循環(huán)凈化氣流，致使廚房空間濃度減少率最低，綜上發(fā)現(xiàn)，以速度3 m/s以及角度斜上45°出風(fēng)循環(huán)凈化效果較優(yōu)，較單獨(dú)吸油煙機(jī)開啟，該帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)氣流組織形式下呼吸區(qū)以及廚房空間濃度能減少66.5%和86.7%，預(yù)期可有效改善廚房高污染濃度暴露環(huán)境。

圖7 各種循環(huán)凈化參數(shù)下呼吸區(qū)和廚房空間濃度減少率

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

基于CFD仿真分析優(yōu)化結(jié)果，利用速度3 m/s以及角度斜上45°的較優(yōu)循環(huán)凈化參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)的污染物控制效果。如圖8 a)和圖8 b)所示，在實(shí)際烹飪炒干辣椒的實(shí)驗(yàn)中，使用帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)時(shí)，表征人體呼吸暴露的Pb測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度為0.054 mg/m3，較單獨(dú)吸油煙機(jī)時(shí)的PM2.5濃度：0.114 mg/m3，能減少約53%；而對(duì)于TVOC濃度，呼吸區(qū)（Pb）濃度也能從單獨(dú)吸油煙機(jī)時(shí)的288 ppb減少為使用帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)時(shí)的208 ppb，TVOC濃度減少率為28%。由于實(shí)際循環(huán)凈化單元對(duì)TVOC凈化效率低于PM2.5的凈化效率，所以TVOC的濃度減少率低于PM2.5。對(duì)于廚房空間測(cè)點(diǎn)，在污染物濃度較高的1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度分別能減少62%和70%，分別從0.084 mg/m3和0.072 mg/m3，減少為0.025 mg/m3和0.027 mg/m3，而1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）測(cè)點(diǎn)TVOC濃度分別能減少27%和30%。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試測(cè)點(diǎn)a) PM2.5濃度，b) TVOC濃度

4 結(jié)論

本文利用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)比了不同循環(huán)凈化參數(shù)下帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)較單獨(dú)吸油煙機(jī)開啟下的污染物控制的提升效果，不同速度下斜上45°出風(fēng)的呼吸區(qū)濃度減少率與水平出風(fēng)時(shí)較為接近，當(dāng)出風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，呼吸區(qū)濃度減少率最低；同一速度下斜上45°出風(fēng)的廚房空間濃度減少率高于水平出風(fēng)：1.8%～54.6%。在本文討論參數(shù)范圍內(nèi)，速度3 m/s以及角度斜上45°出風(fēng)循環(huán)凈化效果較優(yōu)，較單獨(dú)吸油煙機(jī)開啟，該帶循環(huán)凈化單元的吸油煙機(jī)氣流組織形式下呼吸區(qū)以及廚房空間濃度能減少66.5%和86.7%。基于CFD仿真分析優(yōu)化結(jié)果，采用速度3 m/s以及角度斜上45°的較優(yōu)循環(huán)凈化參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其污染物控制效果，呼吸區(qū)PM2.5和TVOC濃度分別能減少53%和28%，在污染物分布較多的廚房空間上部，PM2.5濃度能減少60%～70%，TVOC濃度能減少27%～30%。