低能耗住宅烹飪過程廚房及其鄰室細(xì)顆粒物暴露評價(jià)*

馬瑛超 苗艷姝 孟 沖 董建鍇△ 徐先港

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱;3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京)

0 引言

隨著生活品質(zhì)的提高,人們越來越關(guān)注生活環(huán)境的舒適性、安全性和健康性。據(jù)統(tǒng)計(jì),居民超過70%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的,室內(nèi)空氣品質(zhì)的好壞直接影響人們的身體健康。廚房作為居住建筑的重要組成部分,是室內(nèi)顆粒污染物產(chǎn)生的重要來源,長期暴露在顆粒污染物中可引發(fā)心血管病、呼吸道疾病及肺癌[1],因此,該問題引起了人們的廣泛關(guān)注。中式烹飪方式高油、高鹽、高溫等特性導(dǎo)致烹飪過程中散發(fā)有害氣體和顆粒物較多,甘陽陽對蒸、鹵、煎、炒烹飪方式下封閉廚房內(nèi)的細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)濃度進(jìn)行了實(shí)測,發(fā)現(xiàn)煎、炒時(shí)的濃度增長最快,PM2.5、PM10的峰值質(zhì)量濃度分別為1 400、1 800 μg/m3[2]。同時(shí),低能耗住宅具有高氣密性的特點(diǎn),影響烹飪污染物的有效排除。傳統(tǒng)廚房通風(fēng)設(shè)計(jì)不足、排風(fēng)罩捕集效率低[3],導(dǎo)致低能耗住宅烹飪污染物在室內(nèi)的擴(kuò)散問題進(jìn)一步加劇。相關(guān)學(xué)者提出利用氣幕效應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)槽、油煙機(jī)導(dǎo)風(fēng)板、吊頂通風(fēng)系統(tǒng)、熱置換通風(fēng)、吹吸式通風(fēng)等補(bǔ)風(fēng)方式[4-7],控制污染物的擴(kuò)散,但未探究制約顆粒物在廚房及其鄰室空間擴(kuò)散的影響因素及關(guān)鍵參數(shù)。此外,現(xiàn)有研究關(guān)注暴露與排放關(guān)系,構(gòu)建了人體吸入污染物量與室內(nèi)污染源量之間的定量關(guān)系。劉昱結(jié)合人員停留時(shí)間和人體肺部顆粒物濃度箱模型,發(fā)現(xiàn)冬季門窗均關(guān)閉的情況下,烹飪?nèi)藛T對油煙污染物的吸入率最大[8]。研究人員對各季節(jié)5種典型通風(fēng)工況進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)廚房操作人員呼吸處油煙PM2.5暴露量冬季最大[9],組織良好的補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)可以將個(gè)體暴露水平降低2～3 個(gè)數(shù)量級[10]。但以上研究大多采用數(shù)值模擬進(jìn)行簡化,研究工況單一,沒有考慮不同人群具有不同的微環(huán)境時(shí)間安排、行為模式及呼吸速率,由此導(dǎo)致個(gè)體顆粒物評價(jià)結(jié)果表現(xiàn)出差異性。另外,廚房污染物對住宅整體環(huán)境的影響未受到關(guān)注,除了烹飪期間,人體在客廳、臥室等區(qū)域活動,對細(xì)顆粒污染物在鄰室的傳播及其影響因素研究較少,缺少鄰室暴露量評價(jià)。

因此,針對上述問題,本文搭建了嚴(yán)寒地區(qū)低能耗住宅廚房實(shí)驗(yàn)臺,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),對低能耗住宅烹飪污染物對廚房及其鄰室人員的暴露問題進(jìn)行了研究,分析了不同工況下廚房及其鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度分布特性及影響因素,結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)人員烹飪特點(diǎn)、室內(nèi)不同房間停留特點(diǎn)、行為模式及呼吸速率,評估廚房及其鄰室不同性別人員的細(xì)顆粒物暴露量,為居住建筑環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評估提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺

參考GB/T 50002—2013《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》[11]設(shè)計(jì)并搭建了嚴(yán)寒地區(qū)低能耗廚房環(huán)境實(shí)驗(yàn)臺,廚房占地面積4.32 m2,客臥占地面積12.24 m2。廚房為L形普通操作廚房,尺寸為2.40 m×1.80 m×2.40 m(長×寬×高),廚房對外窗口尺寸為1 500 mm×450 mm,推拉門尺寸為1 700 mm×2 100 mm,實(shí)驗(yàn)過程中廚房門保持關(guān)閉狀態(tài),實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)圖見圖1。油煙機(jī)一擋排風(fēng)量為600 m3/h,二擋排風(fēng)量為900 m3/h。中餐廚房油煙大、通風(fēng)量大,為滿足改善廚房室內(nèi)環(huán)境要求,根據(jù)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[12],利用廚房負(fù)壓自然補(bǔ)風(fēng),補(bǔ)風(fēng)口設(shè)于灶臺下方,補(bǔ)風(fēng)口直徑為150 mm。油煙機(jī)一擋運(yùn)行時(shí),補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)補(bǔ)風(fēng)量為143 m3/h;油煙機(jī)二擋運(yùn)行時(shí),補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)補(bǔ)風(fēng)量為350 m3/h。采用壓差法對實(shí)驗(yàn)臺整體氣密性進(jìn)行檢測,在室內(nèi)外壓差為50 Pa的情況下,實(shí)驗(yàn)臺換氣次數(shù)為2.55 h-1。

注:PW1為廚房細(xì)顆粒物濃度測點(diǎn),PW2為鄰室細(xì)顆粒物濃度測點(diǎn),安裝高度為1.10 m(對應(yīng)人體坐姿時(shí)的頭部與站姿時(shí)的腹部)。

采用的顆粒物濃度測試儀器的測試范圍為0.001～400 mg/m3,測試精度為0.001 mg/m3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

由于不同環(huán)境參數(shù)會對廚房及其鄰室污染物濃度造成影響,實(shí)驗(yàn)中的變量為烹飪方式、補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)、油煙機(jī)狀態(tài)與窗戶啟閉狀態(tài)。根據(jù)中式烹飪方式特點(diǎn),選取煮、蒸、炒、炸4種工況;補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)選取開啟、關(guān)閉2種工況;油煙機(jī)狀態(tài)選取關(guān)閉、開啟一擋、開啟二擋運(yùn)行3種工況;窗戶選取開啟、關(guān)閉2種工況。為了快速有效地分析以上4個(gè)變量在不同工況下對嚴(yán)寒地區(qū)低能耗住宅室內(nèi)環(huán)境的影響,通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定了16種實(shí)驗(yàn)方案,如表1所示。實(shí)驗(yàn)劃分為背景濃度測試階段、烹飪階段與烹飪后階段,其中食材烹飪階段為15 min,烹飪后階段為30 min。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 暴露評價(jià)方法

顆粒物暴露評價(jià)指標(biāo)主要分為暴露量與劑量。暴露量指一段時(shí)間內(nèi),顆粒物接觸人體外邊界的總量;劑量指在一段時(shí)間內(nèi)人體吸收或沉積顆粒物的量。本文采用微環(huán)境綜合顆粒物暴露評價(jià)方法[4],對廚房及其鄰室的細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行暴露評價(jià)。評價(jià)指標(biāo)包括綜合暴露量、平均綜合暴露量、綜合潛在劑量、平均綜合潛在劑量,見式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由于人們生活方式不同,不同性別人員在住宅內(nèi)不同功能房間停留時(shí)間也不同,導(dǎo)致顆粒物暴露量和劑量的差異。本文根據(jù)住宅健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)調(diào)查[8],確定了哈爾濱市不同性別操作人員在住宅內(nèi)包括工作日和休息日不同時(shí)間段、不同房間的停留時(shí)間,見表2。

表2 哈爾濱市不同操作人員廚房及其鄰室停留時(shí)間統(tǒng)計(jì) h

男性人員、女性人員不同活動狀態(tài)下呼吸速率也會對廚房及其鄰室細(xì)顆粒物潛在劑量產(chǎn)生影響。因此,根據(jù)文獻(xiàn)[13],得到了黑龍江省不同操作人員在不同活動狀態(tài)下的短期呼吸速率,見表3。

表3 黑龍江省不同操作人員在不同活動狀態(tài)下的短期呼吸速率 L/min

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 廚房及鄰室環(huán)境

不同工況下烹飪過程中廚房細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度見圖2。住宅烹飪過程中廚房細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度平均值為0.52 mg/m3,超出了國家室內(nèi)環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]對細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的限值(≤0.075 mg/m3)。其中工況3、5、8、15、16細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度符合國家室內(nèi)環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),說明補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)開啟有利于油煙機(jī)將細(xì)顆粒物及時(shí)排至室外。不同工況下烹飪過程中鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度見圖3,可以看出,除了工況13炸制、關(guān)閉廚房補(bǔ)風(fēng)、關(guān)閉油煙機(jī)的情況,實(shí)驗(yàn)所涉及的其余15個(gè)工況細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度均符合國家室內(nèi)環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。工況13廚房及其鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度波動最大,廚房及其鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度分別為規(guī)范限值的53.2、28.1倍。主要原因是油炸工況烹飪強(qiáng)度大,短時(shí)間會產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒物,且排風(fēng)系統(tǒng)與補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)均處于關(guān)閉狀態(tài),細(xì)顆粒物在廚房內(nèi)堆積進(jìn)而擴(kuò)散到鄰室。

圖2 不同工況下廚房細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度

圖3 不同工況下鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度

圖4顯示了不同烹飪方式下住宅廚房細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化。從圖4可以看出:其他3種烹飪方式煮、蒸、炒對廚房細(xì)顆粒物分布也有一定影響,其平均質(zhì)量濃度分別為0.11、0.08、0.79 mg/m3;煮、蒸、炒與炸的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度開始升高時(shí)間分別為5.0、1.0、3.0、12.5 min,高水平質(zhì)量濃度持續(xù)時(shí)間分別為10、20、12.5、10 min;蒸制細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度上升曲線斜率較小,炒與炸的上升曲線斜率較大,4種烹飪方式下細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度下降斜率類似,廚房對細(xì)顆粒物散發(fā)敏感,采取一定的排風(fēng)措施,積極促進(jìn)室內(nèi)空氣流動,可使廚房細(xì)顆粒物均以較大速率回歸正常濃度。如果油煙機(jī)關(guān)閉,細(xì)顆粒物難以及時(shí)排至室外,在廚房與鄰室壓差及濃度差的作用下,細(xì)顆粒物從廚房空間擴(kuò)散到鄰室內(nèi),鄰室距離排風(fēng)系統(tǒng)、補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)較遠(yuǎn),排風(fēng)系統(tǒng)捕集范圍有限且補(bǔ)風(fēng)量不足,導(dǎo)致鄰室換氣次數(shù)小,室內(nèi)氣流擾動微弱,鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度長時(shí)間難以降到規(guī)范限值。因此,廚房及鄰室需要形成合理的氣流組織,對細(xì)顆粒物進(jìn)行有效控制,避免高強(qiáng)度烹飪下產(chǎn)生的細(xì)顆粒物在廚房內(nèi)堆積,繼而擴(kuò)散到廚房鄰室空間,污染住宅環(huán)境,危害人體健康。

圖4 不同烹飪方式下住宅廚房細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

3.2 環(huán)境影響因素分析

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析,通常有2種方法:一種是極差分析法(最好水平與最差水平之差稱為極差);另一種是方差分析法。本文采用極差分析法對廚房及鄰室不同影響因素下的極差進(jìn)行分析,如圖5、6所示?？梢钥闯?廚房細(xì)顆粒物濃度的影響程度由高到低排序?yàn)橛蜔煓C(jī)狀態(tài)>補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)啟閉>烹飪方式>窗戶啟閉;鄰室細(xì)顆粒物濃度的影響程度由高到低排序?yàn)檠a(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)啟閉>窗戶啟閉>油煙機(jī)狀態(tài)>烹飪方式。補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)對鄰室細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響程度最高,一方面油煙機(jī)在不同氣流條件下捕集性能不同,當(dāng)補(bǔ)風(fēng)不足時(shí),油煙機(jī)難以在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,捕集效率下降;另一方面,廚房補(bǔ)風(fēng)的位置影響鄰室細(xì)顆粒物濃度,建立適當(dāng)?shù)膲毫μ荻?有利于削弱細(xì)顆粒物向鄰室的傳播。

圖5 廚房不同影響因素下的極差

圖6 鄰室不同影響因素下的極差

3.3 人員細(xì)顆粒物暴露評價(jià)

3.3.1人員細(xì)顆粒物暴露評價(jià)

在單次烹飪過程中定義3個(gè)暴露評價(jià)微環(huán)境,其中前期準(zhǔn)備時(shí)間為20 min,烹飪中時(shí)間為15 min,活動狀態(tài)為輕微活動,烹飪后時(shí)間為5 min,活動狀態(tài)為靜坐。根據(jù)式(1)～(4),得到不同性別操作人員廚房及其鄰室細(xì)顆粒物暴露評價(jià)結(jié)果,見表4?？梢钥闯?廚房中女性人員的綜合暴露量略高于男性人員,由于男性人員短期呼吸速率略高于女性人員,廚房中男性人員、女性人員綜合潛在劑量基本一致;在客廳環(huán)境,男性人員、女性人員停留時(shí)間相差不大,故暴露指標(biāo)基本一致,平均值均超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。

表4 細(xì)顆粒物暴露評價(jià)結(jié)果

圖7、8分別顯示了不同性別人員廚房暴露量和鄰室暴露量?？梢钥闯?工況9、11、13暴露量出現(xiàn)峰值,工況9屬于廚房細(xì)顆粒物暴露量最不利工況,男性人員、女性人員廚房最大綜合暴露量分別可達(dá)1 154.36、1 173.81 μg·h/m3;工況13屬于鄰室細(xì)顆粒物暴露量最不利工況,男性人員、女性人員鄰室最大綜合暴露量分別可達(dá)304.91、307.25 μg·h/m3。工況9開啟廚房補(bǔ)風(fēng),可以抑制污染物向鄰室傳播,降低鄰室污染物濃度,而工況13開啟窗戶,促進(jìn)了氣流向鄰室傳播。因此,為減少廚房釋放的顆粒物向鄰室傳播需要合理設(shè)置壓力梯度,這對廚房補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的位置、風(fēng)速、風(fēng)量、角度等都提出了較高的要求。

圖7 不同性別人員廚房暴露量

圖8 不同性別人員鄰室暴露量

3.3.2人員細(xì)顆粒物暴露評價(jià)影響因素

廚房及其鄰室不同影響因素下的暴露量如圖9所示?？梢钥闯?油煙機(jī)關(guān)閉對廚房及其鄰室暴露量影響程度最高,廚房綜合暴露量為581.61 μg·h/m3,鄰室綜合暴露量為217.51 μg·h/m3,分別為平均值的2.51、1.81倍,而油煙機(jī)開啟能分別有效降低廚房及其鄰室污染物暴露量的79%～83%和58%～62%;傳統(tǒng)中式烹飪方式中炒、炸對廚房及其鄰室暴露量影響較大,炒制時(shí)廚房及其鄰室綜合暴露量分別為460.41、132.11 μg·h/m3,炸制時(shí)廚房及其鄰室綜合暴露量分別為279.37、212.61 μg·h/m3,但煮、蒸對廚房及其鄰室暴露量影響不大;開啟補(bǔ)風(fēng),廚房及其鄰室綜合暴露量分別為192.42、45.23 μg·h/m3,明顯可以看出,開啟補(bǔ)風(fēng)能夠降低鄰室暴露量的77%,使鄰室暴露量達(dá)到最低水平,為平均值的38%,可顯著改善住宅空間環(huán)境,減少細(xì)顆粒物對人體產(chǎn)生持續(xù)性的負(fù)面影響;由于風(fēng)向、風(fēng)量、室外溫度的動態(tài)變化及不確定性,無組織的自然通風(fēng)使得窗戶啟閉對廚房及其鄰室暴露量的影響區(qū)別不大。

圖9 廚房及其鄰室不同影響因素下的暴露量

除了烹飪方式、通風(fēng)方式造成的廚房及其鄰室人員顆粒物暴露量的差異,通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)暴露量在不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同室外條件等情況下也存在較大差異,如表5所示。暴露量產(chǎn)生差異的主要原因?yàn)楸┞秴?shù)的選取不同。首先,暴露量與污染物濃度直接相關(guān)。嚴(yán)寒地區(qū)冬季門窗關(guān)閉,污染物難以散發(fā),導(dǎo)致住宅廚房油煙PM2.5暴露量春秋季關(guān)門<春秋季開門<夏季開門<夏季關(guān)門<冬季關(guān)門[9]。其次,暴露量與不同微環(huán)境活動時(shí)長有關(guān)。老人及嬰幼兒在室內(nèi)時(shí)間長,導(dǎo)致老年人和嬰幼兒的PM2.5潛在暴露量明顯高于其他年齡段人群[17]。另外,各功能房間不同人群停留時(shí)間有很大差異,除了廚房,控制臥室的空氣品質(zhì)對人員的健康有最好的效果[19]。除了客觀因素,暴露量的差異受不同職業(yè)、不同性別、不同年齡段的影響。暴露量隨年齡增大而減小[20],男性平均綜合暴露量和平均綜合潛在劑量由于呼吸速率的區(qū)別比女性高20%左右[15]。現(xiàn)實(shí)生活中因存在多種多樣的污染源,都會產(chǎn)生細(xì)顆粒物,隨著向綠色發(fā)展模式的探索轉(zhuǎn)變,中國居民PM2.5暴露水平從61.8 μg·h/m3下降到42.0 μg·h/m3,下降了32%。但是為了降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),需要進(jìn)一步促使空氣品質(zhì)的改善,打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。

表5 國內(nèi)外不同位置、不同時(shí)間、不同建筑類型暴露量

4 結(jié)論

本文對居住建筑不同烹飪方式下廚房及其鄰室細(xì)顆粒物分布特征進(jìn)行了實(shí)測分析,并進(jìn)行了不同性別人員的暴露評價(jià),主要結(jié)論如下:

1) 居住建筑烹飪過程中廚房及其鄰室細(xì)顆粒物平均質(zhì)量濃度分別為0.52、0.19 mg/m3,均超出了空氣細(xì)顆粒物濃度限值(≤0.075 mg/m3);煮、蒸、炒、炸不同烹飪方式對廚房細(xì)顆粒物分布有一定影響,平均質(zhì)量濃度分別為0.11、0.08、0.79、1.09 mg/m3。

2) 對廚房細(xì)顆粒物濃度的影響程度由高到低排序?yàn)橛蜔煓C(jī)狀態(tài)>補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)啟閉>烹飪方式>窗戶啟閉;對鄰室細(xì)顆粒物濃度的影響程度由高到低排序?yàn)檠a(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)啟閉>窗戶啟閉>油煙機(jī)狀態(tài)>烹飪方式。

3) 烹飪過程中廚房及其鄰室女性人員的綜合暴露量略高于男性人員,但與男性人員差別不大。對于廚房細(xì)顆粒物,男性人員、女性人員綜合暴露量分別為206.14、257.77 μg·h/m3,平均綜合暴露量分別為298.76、193.09 μg/m3,平均綜合潛在劑量分別為168.32、87.33 μg/h;對于鄰室細(xì)顆粒物,男性人員、女性人員平均綜合暴露量分別為48.73、47.86 μg/m3,平均綜合潛在劑量分別為26.51、20.77 μg/h。

4) 油煙機(jī)關(guān)閉對廚房及其鄰室暴露量影響程度最高,傳統(tǒng)中式烹飪方式中炒、炸對廚房及其鄰室暴露量影響較大,開啟補(bǔ)風(fēng)能夠降低鄰室暴露量的77%,使鄰室暴露量達(dá)到最低水平;暴露評價(jià)中暴露參數(shù)的選取對結(jié)果會產(chǎn)生較大影響,與污染物濃度、通風(fēng)條件、不同微環(huán)境活動時(shí)長、不同職業(yè)、不同性別及室外條件等因素相關(guān)。