食堂烹飪過(guò)程對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響及改善方法研究

蔣 選，崔惟霖，唐璐璐，梁 濤

（1.江蘇新東博建筑科技有限公司，南京 210000；2.盱眙縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 淮安 211700）

室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，隨著空氣中顆粒物研究的深入，越來(lái)越多的資料顯示，人體呼吸道疾病、心血管疾病和癌癥等健康問(wèn)題與空氣中的顆粒物污染密切相關(guān)。高校食堂烹飪集中，人員密集，而做飯等燃燒過(guò)程是最主要的室內(nèi)顆粒物發(fā)生源，烹飪時(shí)所用的食用油和食物在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱氧化分解產(chǎn)物，即有機(jī)煙氣，其與烹飪爐灶明火燃燒產(chǎn)生的煙氣被油煙機(jī)抽取到煙道內(nèi)混合，形成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3 類(lèi)污染物，合稱油煙。其主要以液體氣溶膠和固體氣溶膠形態(tài)存在，粒徑介于0.001 ～10.000 μm，可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中。油脂及食物本身所含脂質(zhì)熱氧化分解，食物中碳水化合物、蛋白氨基酸等發(fā)生米拉德反應(yīng)，產(chǎn)物眾多，主要是脂肪酸、烷烴、烯烴、醛類(lèi)、酮、醇、酯、芳香化合物和雜環(huán)化合物等。同時(shí)，人員活動(dòng)引起的二次懸浮物也會(huì)增加顆粒物污染。

除了氣味讓人覺(jué)得難受外，油煙含有甲醛等醛類(lèi)化合物，對(duì)人體危害很大，常引起眼睛和呼吸道黏膜的各種癥狀，如流淚、咳嗽、結(jié)膜炎、支氣管痙攣等，較高濃度的油煙具有肺臟毒性。研究表明，烹飪油煙中存在能引起基因突變、脫氧核糖核酸（DNA）損傷、染色體損傷等的細(xì)胞遺傳性毒性物質(zhì)，其不但具有遺傳毒性，而且具有潛在致癌性。因此，有必要研究高校食堂內(nèi)可吸入顆粒物的分布情況，分析以顆粒物形式存在的污染物和附著于顆粒物的污染物，了解和改善食堂就餐環(huán)境。本文基于某大學(xué)典型布局食堂內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)各食堂內(nèi)顆粒物濃度和分布進(jìn)行比較，綜合了解食堂內(nèi)空氣品質(zhì)的普遍狀況。需要說(shuō)明的是，本研究只測(cè)定了顆粒物作為污染物的代表，而沒(méi)有測(cè)定其他污染物。由于烹飪過(guò)程產(chǎn)生的污染物以顆粒物形式存在或附著于顆粒物，因此這個(gè)測(cè)試簡(jiǎn)化具有代表意義和可信度。在此基礎(chǔ)上，借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)輔助模擬污染狀況，從食堂體型、烹飪區(qū)排煙和布置、就餐區(qū)通風(fēng)條件等方面探究各改善方案的有效性。

1 食堂室內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)采集

2018年12月15—22日，分別對(duì)A 食堂、B 食堂和C 食堂內(nèi)空氣進(jìn)行不同粒徑顆粒物濃度分布的測(cè)試。測(cè)點(diǎn)均勻分布在各食堂的就餐區(qū)和烹飪區(qū)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣3 次；采樣時(shí)間集中在中午和晚上的就餐高峰時(shí)段，為1 ～2 h。

1.2 測(cè)試儀器

采用美國(guó)福祿克電子儀器儀表公司生產(chǎn)的Fluke 983 粒子計(jì)數(shù)器，6 通道同時(shí)測(cè)量和顯示粒子的尺寸分布、溫度和濕度，可測(cè)量的粒子尺寸最小為0.3 μm。當(dāng)測(cè)量粒徑大于0.45 μm 時(shí)，計(jì)數(shù)效率可達(dá)100%，采樣相對(duì)誤差為5%。測(cè)量濃度上限為7.2×10個(gè)/m。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

A 食堂、B 食堂和C 食堂是高校食堂的3 種典型烹飪間與就餐區(qū)布局的代表。3 座食堂的菜式基本相同，主要有川菜、家常菜、燒烤和麻辣燙等菜色。據(jù)就餐學(xué)生普遍反映，A 食堂內(nèi)空氣品質(zhì)較好，B 食堂和C 食堂油煙味較重。取同一個(gè)食堂就餐區(qū)采樣點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，以室外顆粒物粒徑計(jì)數(shù)濃度為基準(zhǔn)，比較各食堂就餐區(qū)顆粒物粒徑計(jì)數(shù)濃度，如圖1 所示。A 食堂與B 食堂粒徑分布和計(jì)數(shù)濃度接近，C 食堂遠(yuǎn)高于二者。

圖1 各食堂就餐區(qū)顆粒物粒徑計(jì)數(shù)濃度比較

2 改善方法探究

在污染物控制中，很重要的兩個(gè)手段是污染源的控制和擴(kuò)散過(guò)程的改進(jìn)。

2.1 污染源的控制

2.1.1 合理選擇排煙方式

A 食堂采用的是上排煙形式，而B(niǎo) 食堂采用的是側(cè)排煙形式。這兩種排煙形式對(duì)排煙效果的影響是不同的。由于熱浮升力的作用，煙氣向上擴(kuò)散。對(duì)于上排煙方式，油煙在鍋上方集中后直接進(jìn)入排煙罩，油煙擴(kuò)散到人呼吸區(qū)的濃度較低。對(duì)于側(cè)排煙方式，煙氣受上擋板遮擋回落，靠近排風(fēng)口一側(cè)的煙氣被及時(shí)排走，而另一側(cè)的煙氣在廚房?jī)?nèi)擴(kuò)散。因此，要合理選擇排煙方式。

2.1.2 設(shè)置烹飪間，阻隔污染物擴(kuò)散

A 食堂采用小隔墻將烹飪區(qū)與外界隔離。隔墻明顯對(duì)油煙擴(kuò)散起到阻礙作用。下面利用CFD 模擬的方法，研究隔墻對(duì)油煙顆粒擴(kuò)散的影響。模擬結(jié)果表明，采用隔墻后，門(mén)洞處的顆粒物衰減率由原來(lái)的80%下降到60%，作用明顯。

2.2 擴(kuò)散過(guò)程的改進(jìn)

2.2.1 實(shí)際擴(kuò)散模擬

下面利用模擬軟件，研究A 食堂和B 食堂內(nèi)油煙的擴(kuò)散過(guò)程，如圖2、圖3 所示。柱狀圖代表實(shí)測(cè)的顆粒數(shù)，由圖2、圖3 可以看出，A 食堂三面通風(fēng)，與室外相比，顆粒物濃度并非增加很多；B 食堂通風(fēng)效果較差，顆粒物濃度遠(yuǎn)高于室外。針對(duì)食堂就餐區(qū)通風(fēng)不理想的情況，筆者嘗試提出一些改進(jìn)方案，并利用CONTAM 軟件驗(yàn)證改善情況。

圖2 A 食堂實(shí)測(cè)顆粒數(shù)柱狀圖

圖3 B 食堂實(shí)測(cè)顆粒數(shù)柱狀圖

2.2.2 就餐區(qū)增加通風(fēng)口

按照B 食堂的基本體型建立模型，室外參數(shù)為溫度12 ℃、相對(duì)濕度13%、北風(fēng)。食堂各窗戶采用細(xì)縫風(fēng)口和滲透進(jìn)風(fēng)。由于模擬目的是比較就餐區(qū)的污染物濃度變化情況，對(duì)濃度的準(zhǔn)確度要求不是太高，因此試驗(yàn)采用CH作為污染源，其濃度為1.17 mg/m，擴(kuò)散速度為0.5 m/s。各設(shè)定參數(shù)不變，通過(guò)增加風(fēng)口面積和天窗降低室內(nèi)污染物濃度。

2.2.3 改進(jìn)效果分析

試驗(yàn)?zāi)M的就餐區(qū)CH濃度情況如表1 所示。由模擬結(jié)果可知，烹飪區(qū)風(fēng)窗關(guān)閉，僅靠滲透進(jìn)風(fēng)時(shí)，就餐區(qū)CH濃度為0.151 10 kg/kg。當(dāng)風(fēng)窗開(kāi)度增大到0.1 m時(shí)，就餐區(qū)CH濃度減少到0.072 56 kg/kg；當(dāng)風(fēng)窗開(kāi)度增大到1 m時(shí)，就餐區(qū)CH濃度減小到0.004 470 kg/kg。由此可見(jiàn)，增大風(fēng)窗開(kāi)度可以使油煙濃度明顯下降，但為了防止室內(nèi)熱量的過(guò)度散失，不應(yīng)使風(fēng)窗開(kāi)度過(guò)大。

表1 試驗(yàn)?zāi)M的就餐區(qū)污染物濃度

試驗(yàn)結(jié)果表明，增加天窗可以明顯降低就餐區(qū)煙氣濃度。僅在烹飪區(qū)增加0.1 m的天窗，就可使降低CH濃度的效果達(dá)到風(fēng)窗開(kāi)度增大到1 m。但實(shí)際上，在就餐區(qū)再增加天窗，效果并非很顯著。從模擬結(jié)果可以看到，氣流從北面進(jìn)入B 食堂，而B(niǎo) 食堂北面的窗口是那些油煙產(chǎn)生量較大的烹飪食品，如烤肉串、麻辣燙等，這對(duì)污染物的擴(kuò)散起到很不好的作用。

3 結(jié)論

經(jīng)分析，本文提出了食堂設(shè)計(jì)的普適性建議。一是食堂服務(wù)區(qū)域調(diào)研。在建造食堂前，應(yīng)對(duì)食堂的服務(wù)區(qū)大小進(jìn)行調(diào)研，估計(jì)大致的就餐人數(shù)，從而確定食堂面積，進(jìn)而確定烹飪間與就餐區(qū)的分配比例。二是烹飪間科學(xué)布置。應(yīng)對(duì)食堂進(jìn)行流場(chǎng)分析，盡量將油煙產(chǎn)量大的烹飪間布置在下風(fēng)向。烹飪間應(yīng)采用上排煙方式，并利用隔墻阻止油煙擴(kuò)散。排風(fēng)量并非越大越好，應(yīng)該結(jié)合排風(fēng)量和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，合理選擇排風(fēng)量。三是提高就餐區(qū)空氣流通速度?？刹捎迷黾语L(fēng)口面積、增布天窗等方式，促進(jìn)就餐區(qū)的空氣流通。