高層住宅集中排煙系統(tǒng)的研究概述

楊統(tǒng)乾 王伯燕 趙羽聲 葉至壯

（中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司，北京 100176）

隨著房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，我國各個城市高層建筑如雨后春筍激增，城市向著更高空間的形態(tài)延展。伴隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，人們開始追求更加健康的生活方式，同時也越來越關(guān)注室內(nèi)的空氣質(zhì)量[1]。

俗話說，民以食為天。廚房是住宅的一個必備組成部分，同時也是室內(nèi)空氣污染物的主要源頭，烹飪油煙會影響室內(nèi)空氣的質(zhì)量[2]。從最原始的用火塘燒柴草，一直到現(xiàn)在使用天然氣、電能等清潔能源的現(xiàn)代廚房，隨著住宅建筑的不斷發(fā)展，廚房的形式和排出烹飪煙氣的方式也隨著發(fā)生變化[3]。從最初的直接排放發(fā)展到通過煙囪排放，后來到利用排風(fēng)扇輔助排放，今天絕大多數(shù)廚房通過吸油煙機將烹飪煙氣排放到住宅的集中煙道內(nèi)。

廚房烹飪油煙的直接排放不僅會污染建筑物，還會影響環(huán)境。為了將烹飪油煙排出，同時保證小區(qū)建筑的美觀，住宅中開始設(shè)置有公用煙道集中排放油煙[4]。如果排放效果不好，廚房內(nèi)烹飪過程中產(chǎn)生的油煙顆粒物及油脂熱解后產(chǎn)生的有害物質(zhì)會擴散到用戶的客廳、臥室等其他區(qū)域，對用戶造成持續(xù)危害，并影響用戶的生活質(zhì)量。廚房烹飪油煙和有害氣體排放不佳會影響用戶整個住宅的空氣質(zhì)量。更重要的是，烹飪油煙含有苯并芘、亞硝胺、烷烴等多種有害物質(zhì)，會誘發(fā)包括鼻炎、氣管炎、肝病等在內(nèi)的多種疾病。廚房烹飪油煙和有害氣體排放不暢，廚房內(nèi)烹飪時產(chǎn)生的油煙和有害物質(zhì)會擴散到用戶的客廳、臥室等區(qū)域，對用戶產(chǎn)生持續(xù)的危害，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量[5-9]。因此對高層住宅建筑集中排煙系統(tǒng)進行研究，對其不斷進行改進以實現(xiàn)更好的排煙效果是非常有必要的。

1 國外集中排煙系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

西方國家因其用地面積較多，普通住宅多采用單體別墅形式。同時其烹飪方式和飲食習(xí)慣與我國有很大的差別，所以歐美國家主要關(guān)注賓館、餐廳等公共多層建筑的通風(fēng)和排煙問題[10]。在亞洲，日本和中國住宅同樣是以多層和高層為主，對多層住宅排放也進行了很多的研究，開發(fā)出了多種類型的廚房集中通風(fēng)系統(tǒng)。在日本使用最多的是進風(fēng)口和出風(fēng)口貫通的水平排風(fēng)方式，這種排風(fēng)方式需要室外風(fēng)作為輔助[11]。日本擁有狹長的國土形狀，同時四面環(huán)海，典型的海洋氣候會帶來很多的風(fēng)，他們可以采用室外風(fēng)作為輔助的水平排煙形式[12]。

除了集中排煙系統(tǒng)，國外專家和學(xué)者也研究了建筑物內(nèi)部的空氣質(zhì)量的評價方法。美國ASHARE 標(biāo)準(zhǔn)中首次提出室內(nèi)空氣質(zhì)量的主觀評價方法[13]。英國的CIBSE 標(biāo)準(zhǔn)提出室內(nèi)空氣質(zhì)量可接受的標(biāo)準(zhǔn)為：不超過50%的被測試者聞到任何氣味，不超過20%的被測試者感覺不舒服，不超過10%的被試者感覺到鼻腔和呼吸道黏膜刺激，并且只有不超過5%的被測試者在少于2%的測試時間內(nèi)感到煩躁[14]。丹麥的Fanger 教授認(rèn)為被測試者的滿意程度可以決定室內(nèi)空氣質(zhì)量的高低[15]。這些建筑物內(nèi)部空氣質(zhì)量的評價方法可以為我們提供參考。為進一步研究用戶烹飪和吸油煙機的使用對室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響，有必要對廚房內(nèi)空氣流動情況進行分析。

廚房的尺寸會影響廚房內(nèi)以及用戶整個住宅內(nèi)部空氣流動情況。Abanto J 等利用數(shù)學(xué)建模方式分析了吸油煙機葉輪的幾何參數(shù)?；跓o量綱流量和載荷系數(shù)建立了吸油煙機的預(yù)測特性曲線，能較好吻合試驗數(shù)據(jù)。最后將建立的吸油煙機參數(shù)化模型結(jié)合全尺寸廚房進行數(shù)值模擬，模擬吸油煙機使用狀態(tài)下廚房內(nèi)部的氣體流動情況[16]。

廚房內(nèi)空氣質(zhì)量受公共煙道系統(tǒng)的排出效率決定。Risto K等的研究指出必須保證整個系統(tǒng)對煙氣的高效捕捉率，以防止廚房內(nèi)烹飪油煙和有害物質(zhì)的擴散。利用油煙捕捉效率模型來估算廚房的排氣效率，得到廚房內(nèi)部高度為2.3 m 時，對烹飪煙氣的捕捉效率可達(dá)85%～90%[17]。

高層住宅建筑公共煙道內(nèi)的壓力分布會決定煙道排氣罩的性能。Hwataik 提出垂直煙道內(nèi)不均勻的壓力分布會影響吸油煙機性能，導(dǎo)致吸油煙機排氣流量不足，同時可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的煙氣泄漏，煙氣通過間隙泄漏時還會發(fā)出噪聲。對影響煙道內(nèi)壓力的高層建筑高度、公共煙道尺寸、建筑屋頂風(fēng)機的特性、各樓層吸油煙機開機率以及室內(nèi)外溫差等因素進行了分析，利用模擬軟件實現(xiàn)帶有水平支管的垂直公共煙道的流體分析研究。同時給出了控制住宅垂直公共煙道內(nèi)煙氣壓力的相關(guān)參數(shù)[18]。國外學(xué)者從排煙系統(tǒng)、建筑物內(nèi)部空氣質(zhì)量、廚房尺寸幾個方面對集中排煙系統(tǒng)也進行了很多研究和探討。由于我國住宅主要以多層和高層建筑為主，與歐美國家和日本的差異較大，我國的氣候環(huán)境也更加復(fù)雜多變。

2 國內(nèi)排煙系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

我們國家提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程，為住宅中的燃?xì)饩叩陌惭b和公共煙道的設(shè)計提供參考和依據(jù)。CJJ 12-2013《家用燃?xì)馊紵骶甙惭b及驗收規(guī)程》中規(guī)定：屋頂煙道出口應(yīng)避開正壓區(qū)。公共煙道的頂端應(yīng)安裝有效的防風(fēng)、防雨、防雪的風(fēng)帽裝置。住宅的公共煙道應(yīng)有良好的防止油煙倒灌和防止用戶廚房串煙的功能[19]。GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：廚房中吸油煙機的風(fēng)量應(yīng)至少為5 m3/min，吸油煙機的風(fēng)壓應(yīng)至少為排氣系統(tǒng)總阻力值的1.2 倍，同時廚房內(nèi)需安裝吸油煙機或其他機械排氣裝置實現(xiàn)廚房的排煙和換氣[20]。GB/T 17713-2011《吸油煙機》中要求吸油煙機在最高擋位工作時，風(fēng)量至少為7 m3/min[21]。吸油煙機在能效標(biāo)識目錄中，按照GB 29539-2013《吸油煙機能效限定值及能效等級》的要求，其常態(tài)氣味降低度應(yīng)不低于90%[22]。

2.2 集中排煙系統(tǒng)的影響因素

高層住宅集中排煙系統(tǒng)是由吸油煙機、止回閥、公共煙道、煙道頂部風(fēng)帽等幾個主要部分組成。目前高層住宅集中排煙道系統(tǒng)主要型式有字母型、變壓型、變截面型和等截面型四種，如圖1 所示。

圖1 四種類型煙道

當(dāng)高層用戶同時向公共煙道排煙時，公共煙道內(nèi)會形成多種動力源匯流的復(fù)雜工作狀態(tài)。張海峰等利用兩相流理論對多層住宅公共煙道內(nèi)部流場進行Fluent 仿真模擬，得到了公共煙道內(nèi)的壓強、速度和體積分?jǐn)?shù)分布圖，從一層到三層用戶廚房支煙道與公用煙道的交匯處油煙的體積分?jǐn)?shù)梯度呈逐層減小趨勢[23]。雄健通過結(jié)合CFD 模擬計算和模型試驗方法，分別對10 層、20 層、30 層高層住宅建筑建立模型，對高層住宅建筑的公共煙道系統(tǒng)進行了分析研究，研究表明高層住宅集中系統(tǒng)排煙效果受吸油煙機開啟率、煙道截面尺寸、樓層高度、吸油煙機型號和樓層分段匹配形式等因素的影響[24-25]。周金輝對高層住宅等截面式公共煙道建立連續(xù)性方程，并對各流量線上的能量建立方程，計算出每層用戶的排煙量以及住宅公共煙道內(nèi)沿程的流量計壓力分布，研究發(fā)現(xiàn)，用戶廚房油煙的溫度與室外環(huán)境的溫差也會影響高層住宅的排煙效果[26]。焦春玲、蘇偉運用Fluent 數(shù)值模擬的方法分析公共煙道內(nèi)煙氣熱壓作用下對系統(tǒng)排煙的影響，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外溫差是影響公共煙道排煙能力的主要因素[27]。

2.3 目前存在問題及原因分析

目前，高層住宅主要采用豎井的集中排煙系統(tǒng)，該排煙方式存在底部油煙無法完全排出，樓層之間串煙串味、倒煙等問題；在整個排煙道系統(tǒng)中，排煙不均勻。同一排煙系統(tǒng)內(nèi)的用戶吸油煙機開啟率越大，集中排煙系統(tǒng)干管內(nèi)的靜壓越高，用戶的排煙阻力也隨之增大；用戶吸油煙機出口處的余壓對集中排煙道內(nèi)整體壓力分布也會影響，余壓越大，排煙阻力越大[24]。另外，公用煙道的尺寸也會影響用戶的排煙效果。用戶家中沒有安裝止逆閥或止逆閥不嚴(yán)密，就會出現(xiàn)串煙、倒煙現(xiàn)象。目前常用的止回閥很多是塑料材質(zhì)，承壓能力低且不嚴(yán)密。在煙

氣熏蒸和壓力作用下，葉片容易發(fā)生變形，止回閥就更為不嚴(yán)密[28]。由于不同用戶使用的吸油煙機存在差異，用戶在排放油煙時也會對其他用戶產(chǎn)生影響，并造成相互干擾，特別是低層用戶的排放會受到中高層用戶的同時影響。

2.4 解決方案

針對目前高層住宅集中排煙存在的問題，大量學(xué)者提出了一些解決方法。陳青青研究發(fā)現(xiàn)，截面為500 mm×400 mm公共煙道可滿足33 層高住宅中用戶250 m3/h 的最小排煙量需求[29]。邵治民等研究表明FPQ 型排氣道中設(shè)置的導(dǎo)流裝置可提升排煙系統(tǒng)的使用效果；在高層住宅建筑屋頂安裝風(fēng)機來改善豎向公共煙道內(nèi)的靜壓分布，可提高公共煙道排煙效果[30]。張軻等運用CFD 方法對解決方案的效果進行數(shù)值模擬和結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)住戶分區(qū)選用不同性能的吸油煙機產(chǎn)品后，住宅中各住戶的排煙均勻性有很大提高，各用戶的最大排氣量與最小值的差值減小了81.6%，同時各用戶平均排氣量增加了9.2%[31]。吸油煙機和輔助排氣裝置的合理選型也會影響廚房的排煙效果。趙長秋、金吉彪根據(jù)廚房排煙凈化設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝實踐經(jīng)驗，提出了廚房理論排煙量的計算方法，分析了廚房油煙排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計中排氣量計算原則和輔助排氣裝置的選型，還對油煙排風(fēng)系統(tǒng)與后端凈化系統(tǒng)的匹配進行了分析。給出了飲食業(yè)吸油煙機和油煙凈化器的選型建議[32]。對住宅公用煙道系統(tǒng)的豎井進行優(yōu)化設(shè)計也能改善用戶排煙效果。呂鐵成提出了公共煙道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，在豎井系統(tǒng)中增加排煙風(fēng)機和環(huán)形水平干管，可減小水平排煙支管尺寸和公共煙道豎井截面積，同時還能降低公共煙道風(fēng)機風(fēng)量[33]。

3 結(jié)束語

本文綜述了高層住宅集中排煙系統(tǒng)的研究進展。分析了高層住宅集中排煙系統(tǒng)存在的問題：一是高層住宅中低樓層用戶廚房油煙排放效果差，殘留的油煙和其他有害氣體，會降低室內(nèi)空氣質(zhì)量，影響用戶的身體和心理健康；二是有些老舊建筑公共煙道缺少防倒煙裝置，用戶廚房存在倒煙、串味等問題。對存在的問題進行了原因分析，列舉了目前的問題解決方案。目前對于高層住宅集中排煙系統(tǒng)中各個部件對整個排煙系統(tǒng)的影響研究尚少，另外隨著人們開始關(guān)注廚房烹飪油煙和室內(nèi)空氣質(zhì)量，高層住宅集中排煙系統(tǒng)對于用戶吸油煙機使用效果影響的研究會是人們更加關(guān)注的重點。