夏季不同補風方式下廚房內(nèi)PM2.5分布特性研究

馮鈺 蘭信穎

沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院

0 引言

烹飪是廚房內(nèi)PM2.5 主要產(chǎn)生源[1]，PM2.5 的化學成分有多環(huán)芳烴、化學元素（特別是重金屬）等[2]，人體長期吸入會對呼吸系統(tǒng)，心血管系統(tǒng)，生殖系統(tǒng)和血液系統(tǒng)造成嚴重損害[3]。由于烹飪時間短暫，PM2.5濃度的增量一定程度上可以代表油煙產(chǎn)生量[4]。因而，研究如何合理有效排除廚房內(nèi)PM2.5 是有必要的。

本文基于計算流體力學（CFD）方法，利用ANSYS FLUENT 軟件對廚房區(qū)域進行數(shù)值模擬，討論僅靠開窗戶和在灶臺四周增設回型風幕（如圖1 所示）這兩種補風方式對污染物控制的影響，驗證回型風幕補風方式的優(yōu)越性，以便為以后將風幕補風應用到廚房設計中提供參考。

圖1 回型風幕補風示意圖

1 研究對象

此廚房位于沈陽市某小區(qū)，樓間距符合設計規(guī)范，可認為無高大建筑物遮擋，滿足基本的自然通風需求。廚房位于房屋的西北方向，廚房的模型圖如圖2所示。沈陽屬于北溫帶受季風影響的半濕潤大陸性氣候，四季分明，全年氣溫、降水分布由南向東北和由東南向西北方向遞減。夏季多為西南風和東南風。夏季室外平均風速為2.6 m/s，夏季室外最多風向的平均風速可達3.5 m/s。夏季室外通風計算溫度為28.2 ℃[5]。

圖2 廚房模型圖

由于實際峰值油溫（112～177 ℃）大部分低于油煙點（107～234 ℃），因此油溫在一般家庭的烹飪中對空氣污染物排放率沒有顯著影響[6]。不同的菜肴、烹飪方式，每餐的菜肴數(shù)量，食用油的種類，燃料的種類以及油煙機的風速都有不同程度的影響。因此，選取做糖醋排骨（約為3 至4 人份）這道菜，烹飪方式為煸（把菜肴放在熱油里炒到半熟，以備加佐料加水），選用標準大豆油。鍋口徑為300 mm，高度為260 mm。此廚房使用的是功率為4.2 kW 的嵌入式燃氣灶，天然氣作為燃料，頂吸式自動清洗吸油煙機。廚房詳細尺寸如表1所示。

表1 廚房內(nèi)各參數(shù)尺寸

2 模型建立與研究方法

2.1 物理模型

采用ANSYS ICEM 建立廚房的三維模型，如圖3所示：人體站姿身高為1700 mm，人體嘴巴呼吸處簡化處理為25 mm×10 mm[7]。人體站立點距離灶臺100 mm，抽油煙機最低面距離灶臺平面750 mm。為便于之后的分析，截取人體嘴巴中心（距離地面1.5 m）為呼吸截面，即Z=1.5 m。截取人體嘴巴正前方，即Y=1.6 m。各截面如圖4 所示。

圖3 ANSYS ICEM 建立的物理模型

圖4 模擬截面圖

2.2 數(shù)學模型

為了簡化模擬計算，進行如下假設[8]：

1）不考慮太陽輻射。

2）廚房外墻、屋頂?shù)孛婢暈榻^熱壁面。

3）可視作穩(wěn)態(tài)湍流流動。

4）視作定常不可壓縮流體，認為符合Boussinesq假設。

5）忽略能量方程中由于黏性的作用而引起的能量耗散。

6）不考慮室外空氣濕度對室內(nèi)空氣流動的影響。

故本文采用ANSYS ICEM 建立完成三維模型之后，考慮實際情況，采用非結(jié)構網(wǎng)格對廚房計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格最大長度限度為64 mm，對嘴巴呼吸處進行局部加密處理，最大長度限度為8 mm，網(wǎng)格數(shù)為798921。

采用ANSYS FLUENT 軟件進行數(shù)值模擬計算，考慮Z 方向的重力作用。開啟能量方程，采用Standard k-ε 模型（k-epsilon 方程），同時開啟離散相模型（DPM）模擬穩(wěn)態(tài)下PM2.5 在廚房內(nèi)的擴散特性。選用SIMPLEC 算法進行速度與壓力的耦合，其他求解控制參數(shù)保持默認。欠松弛因子保持默認數(shù)值。Gauss-Seidel 迭代，連續(xù)性方程收斂殘差設為10-2，速度和k-ε 方程收斂殘差設定為10-4，能量方程收斂殘差設定為10-8。

2.3 邊界條件

廚房內(nèi)烹飪產(chǎn)生的油煙成分非常復雜，密度會發(fā)生改變，為了得到較為合理的計算結(jié)果，這里做了簡化處理：PM2.5 密度是由于做糖醋排骨而釋放PM2.5濃度的峰值[3]，即3.74 mg/m3，PM2.5 的散發(fā)強度為6.87×10-8kg/s，以2.5×10-6m 作為PM2.5 的粒徑。假定補風量完全等于排風量，則當僅開啟窗戶時，風速為0.35 m/s。當窗戶完全關閉，僅開啟風幕補風時，風速為1.96 m/s。燃氣灶的功率為4.2 kW，且做菜時僅打開右灶。門始終保持關閉的狀態(tài)，且不考慮滲透量。暫時不考慮人員的呼吸作用對氣流造成的影響。其它邊界條件的設定如表2 所示。

表2 邊界條件的設定

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同補風方式對溫度分布的影響

圖5 是僅依靠自然補風的Y=1.6 m 截面的溫度分布圖，從圖中可以看出，在人體正前方，即Y=1.6 m截面的溫度在301.5～308.5 K。由于采用的開窗戶的自然補風形式，從窗戶開啟部分補進的風的溫度為301 K，因此在窗戶開啟部分附近溫度較低。由于人體本身的體表溫度達到304 K，且在與灶臺間隔100 mm的位置，因此在人體正前方的溫度較高，且在右灶附近溫度達到最高307.5 K?？拷T的那面墻，由于門始終保持關閉的狀態(tài)，熱量分布比較均勻。圖6 是僅依靠回型風幕補風的Y=1.6 m 截面的溫度分布圖，從圖中可以看出，Y=1.6 m 截面的溫度在305.35～306.5 K。整個截面的溫度比較均勻，變化范圍較小。這是由于采用的是回型風幕補風的方式，補進的風溫度為301 K，可以直接將右灶產(chǎn)生的熱量帶走一部分，因此在回型風幕補風處，右灶附近的溫度略低于周圍溫度。

圖5 自然補風Y=1.6 m 溫度分布云圖

圖6 回型風幕補風Y=1.6 m 溫度分布云圖

3.2 不同補風方式下速度場結(jié)果分析

圖7 是僅依靠自然補風的Y=1.6 m 截面的速度矢量圖，從圖中能夠看出，此時廚房內(nèi)形成局部有組織的氣流，但是當氣流遇到人體、灶臺等障礙時會形成較大的漩渦，從窗戶（開啟部分）補進的風，由于抽油煙機的開啟，在附近形成較大風速，這樣在就導致部分PM2.5 顆粒不能及時被排出，不僅對廚房環(huán)境造成污染，而且對人體的健康造成影響。圖8 是僅依靠回型風幕補風的Y=1.6 m 截面的速度矢量圖，從圖中能夠看出，此時在廚房內(nèi)形成一定程度的有組織的氣流，由于此次試驗中僅使用右灶，左灶處于關閉狀態(tài)，而回型風幕式補風系統(tǒng)是在燃氣灶四周進行補風，所以在人體右側(cè)會形成一個漩渦，且在抽油煙機吸入面右側(cè)風速較大。

圖7 自然補風Y=1.6 m 速度矢量圖

圖8 回型風幕補風Y=1.6 m 速度矢量圖

3.3 不同補風方式對PM2.5 分布影響

圖9 是僅依靠開窗戶進行補風PM2.5 濃度分布圖，結(jié)合（a）、（b）可以看出，僅依靠窗戶進行補風，明顯看出，有部分PM2.5 顆粒溢出抽油煙機的捕捉范圍，造成污染物擴散，且廚房內(nèi)PM2.5 濃度相對較高。

圖9 開窗戶補風的PM2.5 濃度分布圖（Z=1.5 m）

圖10 是關閉窗戶，僅依靠回型風幕補風的PM2.5的濃度分布圖，結(jié)合（a）、（b）可以看出，通過在燃氣灶周圍增設補風口，形成了垂直灶臺向上的風幕，有效的阻止了右灶鍋口產(chǎn)生的PM2.5 顆粒的向外擴散，PM2.5 顆粒被直接排放到抽油煙機管道外，極大的降低了PM2.5 的濃度。

圖10 回型風幕補風的PM2.5 濃度分布圖（Z=1.5 m）

4 結(jié)語與展望

我國PM2.5 標準值為0.075 mg/m3即為達到了標準[10]，而做糖醋排骨時，所釋放的PM2.5 的濃度峰值可達到3.74 mg/m3，遠大于國家標準近50 倍。經(jīng)過對夏季兩種不同補風方式下廚房內(nèi)PM2.5 的分布特性研究，發(fā)現(xiàn)在沈陽地區(qū)僅依靠窗戶進行自然補風達不到排除廚房內(nèi)PM2.5 的目的。而在灶臺設置回型補風口時，可以很大程度上改善PM2.5 的擴散現(xiàn)象，有效的排除PM2.5 顆粒，降低PM2.5 的濃度。而且從節(jié)約資源的角度出發(fā)，當室外空氣被抽油煙機直接吸引至灶臺四周時，有助于燃燒的充分進行，減少能源的浪費，還可以減少因天然氣不完全燃燒而帶來的危害。

本文主要針對的是夏季普通居民住宅在燃氣灶四周增設風幕式補風與通過窗戶自然補風這兩種補風方式下，廚房內(nèi)PM2.5 的分布特性研究。以后還可以在以下方面進行研究：

1）考慮人體的呼吸作用對模擬研究產(chǎn)生的影響。

2）對廚房PM2.5 顆粒在回型風幕補風下進行非穩(wěn)態(tài)過程模擬研究。