廚房低能耗通風(fēng)系統(tǒng)研究

韓宇

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司

0 引言

近年在北方地區(qū)商業(yè)建筑改造中發(fā)現(xiàn)，項目重新規(guī)劃后，采暖總裝機容量不降反升，這一現(xiàn)象與國家倡導(dǎo)的建筑節(jié)能政策似乎背道而馳。建筑面積不變的情況下，為何僅僅業(yè)態(tài)調(diào)整就會導(dǎo)致能耗增加呢？在改造設(shè)計中可以看出餐飲能耗比重較大，如在北京大興新開業(yè)的大悅城項目廚房冬季計算負荷占總建筑負荷的33%，而實際使用時其能耗監(jiān)控平臺上顯示冬季日運行耗熱量占建筑總耗熱量的22%。

調(diào)研了已成功運營多年的商業(yè)體北京朝陽區(qū)愛琴海商業(yè)中心，也發(fā)現(xiàn)了類似的情況：2014 年剛開業(yè)時有22 家餐廳，而2019 年增加到40 家餐廳，對應(yīng)的餐飲排風(fēng)量也增大了45%，5 年時間業(yè)態(tài)的調(diào)整導(dǎo)致其耗熱量逐年上升。如今商業(yè)體更加重視餐飲帶來的效益，導(dǎo)致經(jīng)營模式發(fā)生了改變，但耗熱量的增大為何不能引起用能單位的重視呢？

位于北京石景山萬達廣場海底撈火鍋城建筑面積1650 m2，采用電磁爐為湯鍋加熱，由于具備完善的分項計量，可以得到其年分項能耗，并按照能源單價得到圖1 分項年運行費用占比。從結(jié)果上看，項目對應(yīng)的補風(fēng)年耗熱運行費用占比僅15%。在商業(yè)建筑中，餐廳用能往往由經(jīng)營者自行管理，15%的占比常得不到經(jīng)營者的關(guān)注，他們更容易關(guān)注68%對應(yīng)的內(nèi)容。因此常?？吹浇?jīng)營者在做節(jié)能改造時往往僅從升級爐灶、洗碗機等大型設(shè)備著手，新風(fēng)的能耗往往容易被忽略。

圖1 海底撈項目分項年運行費用占比

現(xiàn)行措施對廚房工藝的節(jié)能要求甚少，而在設(shè)計過程中暖通專業(yè)通常又將設(shè)計責(zé)任委托給廚房廠家，因此造了成廚房耗熱量增加而無人關(guān)注的現(xiàn)象。

1 降低新風(fēng)耗熱量的技術(shù)路線

一個合理的廚房通風(fēng)系統(tǒng)，補風(fēng)量和局部排風(fēng)量具備線性對應(yīng)關(guān)系，減少排風(fēng)量即可直接降低補風(fēng)能耗。在給定排風(fēng)罩的情況下只有設(shè)法降低控制流速0.5 m/s[2-4]才可以達到目的。另外工程上常見的節(jié)能方式是把補風(fēng)量拆成兩部分，一部分不經(jīng)過任何熱處理直接送入罩面附近，另一部分要經(jīng)過熱處理的空氣送到操作區(qū)域以維持室內(nèi)溫度，這樣也節(jié)約了能量。因此廚房通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能手段如圖2。

圖2 技術(shù)路線圖

2 典型上吸式排煙系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

2.1 代表污染物的選取

廚房煙氣主要由兩部分組成，一是，烹飪時油、菜高溫分解產(chǎn)生的油煙[1]。二是，燃料燃燒后所產(chǎn)生的污染物。

前一種污染物極為復(fù)雜，常包含甲醛、乙醛、飄塵、苯及同系物、二氧化硫等，其產(chǎn)生種類及釋放速率沒有規(guī)律可循，且常受如下幾方面影響：1）烹飪選用食材、調(diào)料及其用量，尤其酒精類調(diào)料是產(chǎn)生有害物的主要原因。2）烹飪的手法，如油炸過程產(chǎn)生有害物量最大，其后依 焗次排序是、炒、煮、蒸等手法。3）烹飪采用的鍋具材料及“火候”大小，采用粗糙表面的鍋具或采取大火烹飪產(chǎn)生的油煙量明顯更大。中餐的烹飪過程缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致在污染物的研究上存在較大的難度，因此無法采用油煙成分直接分析研究。

而后一種有害物只與采用燃料性質(zhì)、濃度及與空氣混合程度有關(guān)，小火烹飪產(chǎn)生大量的CO。而大火烹飪時，會產(chǎn)生較多的CO2。由于與第一種污染物相燃燒產(chǎn)物的研究要相對容易，結(jié)論也可靠，因此在本項目的模擬研究中采用充分燃燒后產(chǎn)生的CO2作為代表污染物。

2.2 物理模型建立與計算說明

根據(jù)某實際項目建立廚房模型，如圖3 所示：廚房整體模型尺寸為5 m×5.2 m×2.6 m，空調(diào)送風(fēng)口大小為1.2×0.5 m，壓差補風(fēng)口大小為1.25 m×0.4 m，出風(fēng)口大小為0.5 m×0.5 m，灶臺大小為2.2 m×1.2 m×0.8 m，爐灶為高0.1 m 直徑0.4 m 的圓柱。

圖3 建模說明

將整個廚房切割為兩部分，第一部分包含爐灶、排煙罩、局部補風(fēng)口，采用四面體網(wǎng)格進行劃分；第二部分為人員工作活動區(qū)域，采用六面體網(wǎng)格進行劃分，并且各個風(fēng)口、爐灶進行局部加密以保證計算準(zhǔn)確性，最終確定網(wǎng)格數(shù)為297865 個。運算控制方程[5]除采用連續(xù)性方程、能量方程、動量方程外還需要開啟組分傳輸方程。

在本模型中，按照規(guī)范取罩口截面風(fēng)速0.5 m/s 來確定總排風(fēng)量為5200 m3/h，工程上為避免房間負壓過大取80%的總排風(fēng)量作為空調(diào)送風(fēng)即4160 m3/h，其余1040 m3/h 為房間的壓差滲透風(fēng)量，并將這一工況定義為基準(zhǔn)工況?？照{(diào)送風(fēng)口溫度與廚房壁面溫度為18 ℃，局部補風(fēng)口進風(fēng)溫度為-3.6 ℃。忽略外界空氣中污染物，忽略模擬計算時人體散熱與各種設(shè)備散熱。邊界條件設(shè)計見表1。

表1 邊界條件設(shè)置

2.3 排煙罩效率的定義

排風(fēng)罩效率的理論可用于對產(chǎn)品研發(fā)的提升，但行業(yè)內(nèi)并沒有明確定義，因此在產(chǎn)品研制階段造成了多年的技術(shù)停滯，為了便于后續(xù)研究，這里有必要對其進行定義，選取如圖4 截面進行演示說明：模型中假設(shè)灶眼排放污染物的量為Sp（kg/s）；煙罩排風(fēng)量為P，平均排放濃度為Cf；同時空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的送入風(fēng)量為A，進風(fēng)中污染物濃度為C0，灶臺附近補風(fēng)空氣幕送風(fēng)量為S，進風(fēng)中污染物濃度為C0；由于擾動氣流等因素導(dǎo)致罩口附近有部分氣流逃逸進入人員活動區(qū)域，逃逸風(fēng)量為E，污染物濃度為Cf；根據(jù)風(fēng)量平衡，此負壓房間的壓差補風(fēng)量為P-A-S；假定污染物與室內(nèi)充分混合后的人員區(qū)平均濃度為CV，則根據(jù)風(fēng)量平衡，罩外進入罩內(nèi)的平均風(fēng)量為P+E-S，污染物濃度為CV。上述風(fēng)量單位為m3/s，濃度單位為kg/m3。

圖4 截面區(qū)域劃分及條件說明圖

參考相關(guān)資料[6]，即將密閉房間分為兩個部分，一個空間是油煙罩至灶臺面邊緣的空間，另一個其余部分，定義為人員活動區(qū)。如有擾動影響導(dǎo)致部分熱羽流量E（對應(yīng)濃度Cf）逃逸至人員區(qū)，那么在進入穩(wěn)定狀態(tài)后室內(nèi)污染物的（P+E-S）CV也會進入罩下的空間，相應(yīng)可以定義系統(tǒng)對應(yīng)的污染總量SP總=SP+(P+ES)CV，可以得到其效率：

2.4 風(fēng)幕設(shè)置方式對排風(fēng)效率的影響

風(fēng)幕可以在人員區(qū)與污染物間形成隔絕，將爐灶產(chǎn)生的污染物封閉在一定區(qū)域。有些工程設(shè)置了沿?zé)熣诌呄蛳滤惋L(fēng)風(fēng)幕（這里簡稱下送風(fēng)幕）。與之對比本文提出采用在灶臺邊設(shè)置風(fēng)口向上送風(fēng)的方式（這里簡稱上送風(fēng)幕）見圖5。

圖5 兩種補風(fēng)情況流線圖

由表2 計算結(jié)果可知設(shè)置上送風(fēng)幕時排放效率明顯高于未設(shè)置情況，而設(shè)置下送風(fēng)幕時排放效率較未設(shè)置情況并沒有明顯變化。這是因為下送風(fēng)幕風(fēng)口安裝在排煙罩上距離排煙罩出風(fēng)口較近，部分風(fēng)還未形成風(fēng)幕就被吸入出風(fēng)口，形成了短路，因此效率基本不變。

表2 兩種送風(fēng)方式的效率比較

而下送風(fēng)幕與上送風(fēng)幕的人員工作區(qū)域平均CO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)均比不設(shè)置風(fēng)幕工況有所下降，說明只要設(shè)置風(fēng)幕污染物擴散至人員工作區(qū)域量就會變小，對于提升人員工作區(qū)域空氣品質(zhì)有明顯作用。因此對于排油煙系統(tǒng)，設(shè)置風(fēng)幕即可改善人員區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，但只有設(shè)置向上送風(fēng)風(fēng)幕才可明顯提高煙罩的排風(fēng)效率。

2.5 風(fēng)速選取對排風(fēng)效率的影響

在上送風(fēng)幕的基礎(chǔ)上繼續(xù)探究其風(fēng)速對排煙罩排放效率的影響，設(shè)置補風(fēng)口寬度為0.05 m 的條縫，沿灶臺三邊布置，各工況計算結(jié)果如表3 所示：

表3 不同風(fēng)速對效率的影響表

由計算可知隨著送風(fēng)風(fēng)速的增大，排煙罩的排放效率存在先增大后減小的情況，而廚房內(nèi)人員工作區(qū)域CO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)先減小后增大，但均優(yōu)于不設(shè)置風(fēng)幕的情況。在圖6 至圖9 中可以根據(jù)室內(nèi)CO2的濃度分布來直觀說明，淺藍色表示了污染物的聚集情況。隨著風(fēng)速的變大，風(fēng)幕效果逐步明顯，對污染物的控制能力逐步增強，因此排風(fēng)效率上升。風(fēng)速在1.5 m/s時效率最高為70.7%，但風(fēng)速繼續(xù)增大，其排煙罩上部邊緣污染物隨風(fēng)幕空氣混合溢出反而導(dǎo)致效率下降，因此并不能一味追求增大送風(fēng)流速。

圖6 無風(fēng)幕工況下的CO2 濃度分布圖

圖7 工況A 0.5 m/s 送風(fēng)下的CO2 濃度分布圖

圖8 工況C 1.5 m/s 送風(fēng)下的CO2 濃度分布圖

圖9 工況E 2.5 m/s 送風(fēng)下的CO2 濃度分布圖

另外對比風(fēng)速為1.5 m/s 與2 m/s 的速度分布云圖通過求解可知，下送風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s 時，在靠近灶臺處平均風(fēng)速約為0.2 m/s。當(dāng)下送風(fēng)風(fēng)速提升為2 m/s 時，平均風(fēng)速約為0.4 m/s（見圖10 及圖11 內(nèi)紅框內(nèi)）。提高送風(fēng)風(fēng)速同樣造成在操作區(qū)域的風(fēng)速明顯增大降低了舒適性，為了保證人員舒適度不受影響，風(fēng)口風(fēng)速定為1.5 m/s 最為適宜。

圖10 工況C 風(fēng)幕風(fēng)速1.5 m/s 速度分布圖

圖11 工況D 風(fēng)幕風(fēng)速2 m/s 速度分布圖

2.6 上送風(fēng)風(fēng)幕風(fēng)速設(shè)置的節(jié)能作用分析

通過前述研究分析，設(shè)置上送風(fēng)幕且當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s 時可以提高排煙效率。那么此時若保證與無風(fēng)幕條件同等效率時對應(yīng)的排煙量是多少呢？通過多次設(shè)定排風(fēng)量，篩選出接近數(shù)據(jù)見表4：

表4 接近效率下的風(fēng)量值比較表

由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，當(dāng)設(shè)置上送風(fēng)幕且風(fēng)速為1.5 m/s 時，總風(fēng)量為4100 m3/h 排煙罩排放效率可以達到基礎(chǔ)工況（總風(fēng)量5200 m3/h）對應(yīng)值，可見起到了節(jié)能的效果，此時節(jié)能率約為21.2%，折合罩內(nèi)控制風(fēng)速為0.395 m/s。因此可以理解為在設(shè)置1.5 m/s向上送風(fēng)風(fēng)幕的系統(tǒng)中，罩內(nèi)控制風(fēng)速約為0.4 m/s，而對應(yīng)節(jié)能率約為20%。

3 帶送風(fēng)空氣幕灶臺的構(gòu)造

帶風(fēng)幕灶具研發(fā)后的構(gòu)造如下：出風(fēng)口的設(shè)計需要在灶臺面三個邊長布置，采用寬度為5 cm 的條縫風(fēng)口，送風(fēng)機布置在灶具內(nèi)部并在灶臺背板預(yù)留新風(fēng)閥門和接口，見圖12、13：

圖12 向上送風(fēng)幕灶臺剖面圖

圖13 灶具內(nèi)部風(fēng)道布置平面

4 北方地區(qū)帶風(fēng)幕灶臺的經(jīng)濟性分析

在上述雙眼灶具模型中（與數(shù)值模擬尺寸同），考慮出風(fēng)口的有效系數(shù)為0.7，在1.5 m/s 的送風(fēng)速度下，可計算得到其風(fēng)幕風(fēng)量，將如下兩種工況的補風(fēng)量進行計算（表5）：

表5 帶風(fēng)幕灶具及無風(fēng)幕系統(tǒng)的補風(fēng)量計算表

按照上述工況，以北京地區(qū)為例，如每日2 餐，操作過程3 h/餐，在整個供暖季運行過程中將不設(shè)置風(fēng)幕和帶上送風(fēng)風(fēng)幕情況的年耗熱量分別計算對比如表6：

表6 帶風(fēng)幕灶具及無風(fēng)幕系統(tǒng)的年能耗計算表

在上述計算中風(fēng)幕空氣不再進行熱處理，即直接送入室內(nèi)，這樣進一步的降低了新風(fēng)的耗熱量?？梢钥闯鲎罱K兩者的能耗差距為16438 kWh-9693 kWh=6745 kWh（24.25GJ），按照北京市政供熱70 元/GJ 的能源單價，每年可省下運行費用1698 元，折合年節(jié)能率為41%。那么對于不使用風(fēng)幕工況下每10000 m3/h排風(fēng)量采取相應(yīng)的技術(shù)措施后可節(jié)省運行費用3265元/10000 m3/h 排風(fēng)量。

5 結(jié)論

1）原有經(jīng)營方向發(fā)生變化，越來越多的商業(yè)綜合體傾向于擴大餐飲經(jīng)營面積，導(dǎo)致了北方地區(qū)廚房補風(fēng)能耗上升。除此又由于冬季補風(fēng)能耗占整個餐廳本身用能比例不大，使得經(jīng)營者也并未給予高度關(guān)注。

2）熱加工間的節(jié)能方向應(yīng)盡量減少新風(fēng)耗熱量，方式可采用減少局部排風(fēng)量或者減少需要熱處理的新風(fēng)量來解決。

3）通過對上吸式排煙系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，得到設(shè)置口速度為1.5 m/s 向上送風(fēng)空氣幕，可以有效縮減排風(fēng)所需風(fēng)量，起到節(jié)能的效果，節(jié)能率約為20%，此時的控制風(fēng)速可以取0.4 m/s。風(fēng)幕的空氣可直接采用冬季室外新風(fēng)，這樣補風(fēng)熱消耗更低。對比未采取任何措施的系統(tǒng)節(jié)能率（熱耗）可達到41%，預(yù)計可節(jié)省運行費用指標(biāo)為3265 元/(10000 m3/h)排風(fēng)量。