空氣幕對廚房內(nèi)PM2.5控制效果的模擬與分析

甘陽陽，李志生

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

近年來，室內(nèi)空氣品質(zhì)問題備受關(guān)注。PM2.5是室內(nèi)空氣的主要污染源，可進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)，對人體健康造成很大威脅。廚房烹飪是PM2.5的重要來源，高溫烹調(diào)油和食物能釋放各種有害的顆粒物和有機(jī)化合物，包括揮發(fā)性有機(jī)物、油脂、烴類、醛酮類和多環(huán)芳香烴[1-2]等。國內(nèi)外對于廚房顆粒物的研究主要集中在了排放特征[3-5]、油煙散發(fā)實測[6-7]、濃度影響因素分析[8-10]等方面，關(guān)于廚房內(nèi)氣流組織、溫度和PM2.5濃度分布的數(shù)值模擬研究不足。深入研究廚房PM2.5的運輸、分布特征及其控制策略，可以有效防治廚房PM2.5污染，減少人員暴露時間。

盡管現(xiàn)有的抽油煙機(jī)已經(jīng)可以控制大部分烹飪煙氣，但由于烹飪油煙散發(fā)快速且劇烈，廚房內(nèi)依然存在空氣質(zhì)量不良和熱舒適性差的現(xiàn)象[11]。利用空氣幕射流[12]作為動力進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，可將PM2.5輸送到抽油煙機(jī)排風(fēng)口，幫助其排除；同時，利用射流產(chǎn)生的風(fēng)幕阻隔、控制PM2.5的擴(kuò)散。Simone等[13]研究表明，預(yù)測平均投票數(shù)/不滿意者百分?jǐn)?shù)(predicted mean vote/predicted percentage of dissatisfied, PMV/PPD)指數(shù)并不適用于廚房熱環(huán)境。Zhang等[14]研究了空氣幕的風(fēng)量和噴射角對煙氣控制的影響。Zhou等[15]結(jié)合實驗和數(shù)值模擬，研究了空氣幕對CO2的控制效果，結(jié)果表明：空氣幕射流速度在0～1 m/s，4個射流角都為90°時，控制效果最佳。

本文研究對象為典型民居廚房，面積適中，窗戶在烹飪區(qū)側(cè)后方，區(qū)別于前人研究較多的側(cè)面通風(fēng)。基于計算流體動力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)的數(shù)值模擬在預(yù)測空氣運動和顆粒物模擬方面較實驗研究具有優(yōu)勢，并在流場分布及其優(yōu)化控制研究上得到廣泛應(yīng)用[16-17]。因此，為對廚房PM2.5污染物和余熱進(jìn)行有效控制，采用空氣幕送風(fēng)方式，使用Fluent 16.0軟件對其控制效果進(jìn)行模擬分析，以期改善廚房內(nèi)的空氣質(zhì)量和熱舒適性。通過氣流組織分析揭示了空氣幕的作用原理與效果，量化分析了3種空氣幕射流速度的降溫幅度和PM2.5排除率。研究結(jié)論可對廚房PM2.5控制策略提供參考，為空氣幕送風(fēng)系統(tǒng)的研究提供模擬數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 物理模型

民居廚房尺寸為2.0 m×2.2 m×2.4 m(長×寬×高)，內(nèi)部布局為L型，廚房門、窗尺寸分別為1.96 m×0.69 m×0.1 m和1.27 m×0.75 m×0.15 m。廚房物理模型在實際測量的基礎(chǔ)上參考相關(guān)文獻(xiàn)[15,18-19]進(jìn)行了適當(dāng)簡化，結(jié)果如圖1所示。廚房內(nèi)有大氣嵌入式雙眼灶，灶簡化為兩個尺寸為0.24 m×0.22 m×0.07 m的污染源。抽油煙機(jī)為側(cè)吸式，雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，擁有兩檔標(biāo)稱排風(fēng)量15 m3/min和17 m3/min。排風(fēng)口直徑為0.22 m，側(cè)面布置；油煙分離板、油槽等均被簡化?？諝饽环胖迷谂腼冊粗車挥诔橛蜔煓C(jī)正下方，如圖2所示?？諝饽挥?個長槽和2個短槽組成，長度分別為0.84 m和0.39 m，槽寬均為0.03 m。人體高度168 cm，高度劃分遵循以下比例：身體頭部部分18%，上半身40%，下半身42%；與操作臺外圍的水平距離為0.2 m。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖 1 廚房灶臺實物及簡化物理模型Fig.1 Physical diagram of kitchen’s hearth & simplified physical model of kitchen

圖 2 空氣幕安裝示意圖Fig.2 Air curtain installation diagram

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬的前提和重要組成部分，劃分質(zhì)量將直接決定計算的精度、時間和收斂性。本文采用靈活性較高的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用ICEM CFD軟件進(jìn)行劃分。為確保模擬結(jié)果的合理和準(zhǔn)確，對網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行了管理和控制，具體如下：

(1) 模型表面和內(nèi)部空間分別使用三角形和四面體網(wǎng)格單元。(2) 對排風(fēng)口、空氣幕、門和窗附近速度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。(3) 對顆粒物散發(fā)源即爐灶及附近區(qū)域、溫度梯度較大區(qū)域和人體進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。(4) 通過不斷調(diào)整設(shè)置因子和最大允許數(shù)值排除網(wǎng)格質(zhì)量不好的單元。(5) 控制網(wǎng)格參數(shù)縱橫比和扭曲率等處在良好或可接受范圍內(nèi)。

此外，為確保網(wǎng)格數(shù)量差異對計算結(jié)果沒有影響，對廚房模型進(jìn)行了網(wǎng)格獨立性檢驗。從計算精度、時間和對計算器的要求3個方面綜合考慮，在數(shù)值模擬中選擇了427 896網(wǎng)格數(shù)量的方案。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖 3 廚房網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Kitchen interior meshing chart

1.3 數(shù)學(xué)模型

引入雷諾平均模擬法，將瞬時Navier-Stokes方程對時間進(jìn)行統(tǒng)計平均，連續(xù)相模型選用常見的RNG k-ε，組建包括連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、k方程和ε方程在內(nèi)的一整套封閉方程組。近壁面區(qū)的流動計算采用壁面函數(shù)法。顆粒相模型選擇離散相模型(DPM)。DPM基于歐拉-拉格朗日方法，對大量顆粒軌道進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得到顆粒群的運動特征。但由于逐一計算單個顆粒的運動軌跡，計算量較大，要求顆粒相的體積分?jǐn)?shù)小于10%。顆粒相在X方向的運動控制方程如式(1)所示。

式中， up、u 分 別為顆粒相、空氣的速度，m/s；t為時間，s； FD為 斯托克斯阻力系數(shù)，即弛豫時間，s-1； ρp、ρ 分別為顆粒相、空氣的密度，kg/m3； gx為重力加速度，m/s2； Fx為顆粒相所受其他單位質(zhì)量力，m/s2。

1.4 工況及邊界條件

模擬工況共設(shè)置4組，工況1、2、3的空氣幕射流速度分別為0.3 m/s、0.6 m/s、0.9 m/s，工況4作為沒有使用空氣幕的對照組。由于單、雙灶的差異主要體現(xiàn)在PM2.5的散發(fā)數(shù)量級上，對氣流組織影響相對不大，故為減少變量，4種工況啟用的均是左邊的爐灶和抽油煙機(jī)。邊界條件設(shè)置參考了相關(guān)文獻(xiàn)[15,18-21]。廚房維護(hù)結(jié)構(gòu)為固體壁面邊界，關(guān)閉房門，傳熱系數(shù)均為1.5 w/(m2·k)。窗戶保持開啟，為壓力出口邊界。假設(shè)人體站立并做少量機(jī)械功，設(shè)為恒溫31 ℃的壁面邊界。操作臺定義為絕熱邊界?？紤]油煙分離板等的影響，抽油煙機(jī)排風(fēng)口設(shè)為速度入口邊界，方向為負(fù)值，風(fēng)速為2.5 m/s。將爐灶定義為污染源和熱源，設(shè)為速度入口邊界，速度為0.6 m/s，溫度為50 ℃?？諝饽煌瑯釉O(shè)為速度入口邊界，射流角度為90°，溫度為25 ℃。

實際灶眼以圓形居多，但由于烹飪期間食物的PM2.5散發(fā)量遠(yuǎn)大于灶眼，故可以忽略灶眼形狀的影響；同時為與現(xiàn)有文獻(xiàn)所使用的方形散發(fā)源作對照，并假設(shè)使用平底鍋，故將散發(fā)源簡化為面源[18-19,21]。不考慮室外顆粒物通過門、窗或維護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透效應(yīng)。顆粒物粒徑設(shè)為2.5 μm，材料為默認(rèn)無煙煤細(xì)顆粒，密度為950 kg/m3，散發(fā)量為3×10-8kg/s[21-22]，接近煎炒烹飪方式。顆粒相與連續(xù)相的耦合采用雙向耦合方式。連續(xù)相迭代10次后，對顆粒物進(jìn)行一次軌跡計算，采用穩(wěn)態(tài)追蹤方式。速度出口和壓力出口的DPM邊界條件設(shè)為逃逸，其余設(shè)置為反射。

2 結(jié)果與討論

2.1 對廚房內(nèi)氣流組織的影響

圖4是以空氣幕作為流線出發(fā)點的室內(nèi)流線云圖，可以看出：工況1、2、3情況下，空氣幕射流氣流對烹飪區(qū)域產(chǎn)生了很好的包裹效應(yīng)。氣流垂直均勻向上運動，一部分氣流被排風(fēng)口所吸入，另一部分則繼續(xù)向上運動到達(dá)天花，在廚房內(nèi)產(chǎn)生繞流或經(jīng)窗戶流出。工況2、3的流線相較工況1更均勻，但有不同程度的繞流。因此可見，空氣幕提供了均勻、穩(wěn)定的流場；良好的氣流組織可以使PM2.5和熱流得到更好的控制。主要原因是：(1)空氣幕射流可以使室內(nèi)外壓差減少，降低窗戶進(jìn)氣量，使烹飪區(qū)內(nèi)部獲得穩(wěn)定低壓區(qū)域，有利于抽油煙機(jī)排出更多油煙。(2)由于PM2.5受空氣分布影響很大，所以空氣幕射流能夠有效阻隔PM2.5的擴(kuò)散。

2.2 對廚房內(nèi)溫度分布的影響

工況1～4下廚房內(nèi)的溫度分布見圖5，可以看出：與工況4相比，使用了空氣幕的工況1、2、3的溫度明顯更低。溫度分布以操作臺為界線大致分為兩部分。一部分是操作臺上部，煙氣主體在烹飪區(qū)域內(nèi)部能達(dá)到50 ℃，隨著空氣幕射流速度的增加，煙氣上部截面逐漸變窄；在烹飪區(qū)外圍，工況1、2、3的溫度約在28～35 ℃，而工況4在36 ℃左右。另一部分是操作臺外部，人體周圍的空氣溫度較低，約在25～29 ℃；呼吸區(qū)域的溫度約在29 ℃，小于工況4的31 ℃。此外，工況3相比工況2溫度更高，可能的原因是空氣幕射流速度偏高，排風(fēng)口難以將所有氣流排出，致使烹飪煙氣外泄，溫度升高。因此可見，空氣幕很好地控制了高溫氣體的蔓延，改善了人體呼吸區(qū)域的熱舒適性。

圖 4 室內(nèi)流線云圖Fig.4 Interior streamline chart

2.3 對廚房內(nèi)PM2.5濃度分布的影響

工況1～4下廚房內(nèi)PM2.5濃度分布見圖6?？梢钥闯觯弘m然抽油煙機(jī)和空氣幕有效控制了大部分PM2.5，但依然有部分PM2.5在散發(fā)過程中會向外逃逸，進(jìn)而向周圍擴(kuò)散、懸浮或沉降。工況1、4的PM2.5分別在天花、地板和氣流渦旋區(qū)有積聚。將工況1、2、3與工況4對比，可以看出空氣幕顯著降低了廚房內(nèi)的PM2.5濃度，射流氣流也有效阻隔了PM2.5向外的擴(kuò)散。在烹飪區(qū)上部，工況4的PM2.5濃度可達(dá)到5×10-7kg/m3，工況1、2、3的PM2.5濃度約在1×10-7～2.5×10-7kg/m3；而在操作臺外部，工況4的PM2.5濃度約在1×10-7～4×10-7kg/m3，工況2、3的PM2.5濃度基本在1.5×10-7kg/m3以下，說明使用空氣幕后，PM2.5濃度明顯降低。

圖 5 廚房內(nèi)的溫度體繪制圖Fig.5 Temperature volume rendering in kitchen

圖 6 廚房內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度體繪制圖Fig.6 PM2.5 mass concentration volume rendering in kitchen

此外，工況2、3相比工況1對PM2.5的擴(kuò)散有更好的阻隔，特別是在抽油煙機(jī)上部和人體前方。雖然工況3在天花附近較工況2有更嚴(yán)重的積聚，但依然可以看出：更高的空氣幕射流速度導(dǎo)致了更低的PM2.5濃度；同時，有效降低了烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)的暴露量。

工況1～4下廚房內(nèi)平均溫度、PM2.5平均質(zhì)量濃度及其控制效果見表1。從表1可知：在0.3 m/s、0.6 m/s和0.9 m/s 三種射流速度下，三者的降溫幅度分別為1.07、2.28和1.64 ℃；PM2.5的排除幅度分別為7.84×10-8kg/m3、1.33×10-7kg/m3和1.34×10-7kg/m3。與工況4相比，使用了空氣幕的工況1、2、3的廚房平均降溫幅度在1～2 ℃，PM2.5濃度排除率提高了44%～75%。以上結(jié)果說明空氣幕的使用有效改善了廚房內(nèi)的熱環(huán)境和空氣質(zhì)量。

表 1 不同工況下廚房內(nèi)的平均溫度和PM2.5平均質(zhì)量濃度Table 1 Average temperature & PM2.5 concentration in the kitchen under different cases

從表1還可以得知，當(dāng)空氣幕射流速度為0.3 m/s時，PM2.5的排除率和降溫效果最差。但是，在0.6 m/s和0.9 m/s的情況下，PM2.5的排除率已相差無幾；而0.6 m/s情況下的降溫效果還要優(yōu)于0.9 m/s。這是因為過高的射流速度會對烹飪煙氣的運動產(chǎn)生擾動，可能導(dǎo)致抽油煙機(jī)難以將所有氣流排出，從而導(dǎo)致PM2.5的排除率降低。顯然，空氣幕射流速度的選取并不是越大越好，存在控制效果最佳的射流速度。

此外，當(dāng)送風(fēng)速度大于0.3 m/s時還會對人造成吹風(fēng)感[23]。在0.3 m/s、0.6 m/s和0.9 m/s 這3種風(fēng)速條件下，風(fēng)速越小則吹風(fēng)感越低；而從能耗角度考慮，送風(fēng)速度越高，意味著空氣幕的能耗也越高。為降低廚房內(nèi)污染物濃度，應(yīng)同時提高抽油煙機(jī)的排風(fēng)量，僅僅依靠提高空氣幕射流速度是不合理的。綜上所述，本文認(rèn)為空氣幕射流速度的最佳值為0.6 m/s是比較合理的。

3 結(jié)論

本文提出運用空氣幕與抽油煙機(jī)結(jié)合的方式對廚房PM2.5進(jìn)行有效控制。模擬得出了廚房內(nèi)的氣流組織、溫度場和PM2.5濃度場。具體結(jié)論如下：(1) 氣流組織對PM2.5分布影響很大，空氣幕射流氣流對烹飪區(qū)域產(chǎn)生了很好的包裹效應(yīng)，提供了更加均勻、穩(wěn)定的流場，可以阻隔PM2.5的擴(kuò)散；同時減少窗戶的進(jìn)氣量，有利于抽油煙機(jī)工作。(2) 使用了空氣幕的工況1、2、3與沒有使用空氣幕相比，無論是在溫度還是PM2.5的控制上都有顯著效果，可以改善廚房內(nèi)的熱環(huán)境和空氣質(zhì)量。廚房平均降溫幅度分別為1.08 ℃、2.28 ℃、1.64 ℃，PM2.5排除率分別為44%、74%、75%。(3) 從降溫、控制效果、能耗和吹風(fēng)感綜合考慮，選擇0.6 m/s作為空氣幕的最佳射流速度。