夏季不同补风方式下厨房内PM2.5分布特性研究

冯钰 兰信颖

沈阳工业大学建筑与土木工程学院

0 引言

烹饪是厨房内PM2.5 主要产生源[1]，PM2.5 的化学成分有多环芳烃、化学元素（特别是重金属）等[2]，人体长期吸入会对呼吸系统，心血管系统，生殖系统和血液系统造成严重损害[3]。由于烹饪时间短暂，PM2.5浓度的增量一定程度上可以代表油烟产生量[4]。因而，研究如何合理有效排除厨房内PM2.5 是有必要的。

本文基于计算流体力学（CFD）方法，利用ANSYS FLUENT 软件对厨房区域进行数值模拟，讨论仅靠开窗户和在灶台四周增设回型风幕（如图1 所示）这两种补风方式对污染物控制的影响，验证回型风幕补风方式的优越性，以便为以后将风幕补风应用到厨房设计中提供参考。

图1 回型风幕补风示意图

1 研究对象

此厨房位于沈阳市某小区，楼间距符合设计规范，可认为无高大建筑物遮挡，满足基本的自然通风需求。厨房位于房屋的西北方向，厨房的模型图如图2所示。沈阳属于北温带受季风影响的半湿润大陆性气候，四季分明，全年气温、降水分布由南向东北和由东南向西北方向递减。夏季多为西南风和东南风。夏季室外平均风速为2.6 m/s，夏季室外最多风向的平均风速可达3.5 m/s。夏季室外通风计算温度为28.2 ℃[5]。

图2 厨房模型图

由于实际峰值油温（112～177 ℃）大部分低于油烟点（107～234 ℃），因此油温在一般家庭的烹饪中对空气污染物排放率没有显著影响[6]。不同的菜肴、烹饪方式，每餐的菜肴数量，食用油的种类，燃料的种类以及油烟机的风速都有不同程度的影响。因此，选取做糖醋排骨（约为3 至4 人份）这道菜，烹饪方式为煸（把菜肴放在热油里炒到半熟，以备加佐料加水），选用标准大豆油。锅口径为300 mm，高度为260 mm。此厨房使用的是功率为4.2 kW 的嵌入式燃气灶，天然气作为燃料，顶吸式自动清洗吸油烟机。厨房详细尺寸如表1所示。

表1 厨房内各参数尺寸

2 模型建立与研究方法

2.1 物理模型

采用ANSYS ICEM 建立厨房的三维模型，如图3所示：人体站姿身高为1700 mm，人体嘴巴呼吸处简化处理为25 mm×10 mm[7]。人体站立点距离灶台100 mm，抽油烟机最低面距离灶台平面750 mm。为便于之后的分析，截取人体嘴巴中心（距离地面1.5 m）为呼吸截面，即Z=1.5 m。截取人体嘴巴正前方，即Y=1.6 m。各截面如图4 所示。

图3 ANSYS ICEM 建立的物理模型

图4 模拟截面图

2.2 数学模型

为了简化模拟计算，进行如下假设[8]：

1）不考虑太阳辐射。

2）厨房外墙、屋顶地面均视为绝热壁面。

3）可视作稳态湍流流动。

4）视作定常不可压缩流体，认为符合Boussinesq假设。

5）忽略能量方程中由于黏性的作用而引起的能量耗散。

6）不考虑室外空气湿度对室内空气流动的影响。

故本文采用ANSYS ICEM 建立完成三维模型之后，考虑实际情况，采用非结构网格对厨房计算区域进行网格划分。全局网格最大长度限度为64 mm，对嘴巴呼吸处进行局部加密处理，最大长度限度为8 mm，网格数为798921。

采用ANSYS FLUENT 软件进行数值模拟计算，考虑Z 方向的重力作用。开启能量方程，采用Standard k-ε 模型（k-epsilon 方程），同时开启离散相模型（DPM）模拟稳态下PM2.5 在厨房内的扩散特性。选用SIMPLEC 算法进行速度与压力的耦合，其他求解控制参数保持默认。欠松弛因子保持默认数值。Gauss-Seidel 迭代，连续性方程收敛残差设为10-2，速度和k-ε 方程收敛残差设定为10-4，能量方程收敛残差设定为10-8。

2.3 边界条件

厨房内烹饪产生的油烟成分非常复杂，密度会发生改变，为了得到较为合理的计算结果，这里做了简化处理：PM2.5 密度是由于做糖醋排骨而释放PM2.5浓度的峰值[3]，即3.74 mg/m3，PM2.5 的散发强度为6.87×10-8kg/s，以2.5×10-6m 作为PM2.5 的粒径。假定补风量完全等于排风量，则当仅开启窗户时，风速为0.35 m/s。当窗户完全关闭，仅开启风幕补风时，风速为1.96 m/s。燃气灶的功率为4.2 kW，且做菜时仅打开右灶。门始终保持关闭的状态，且不考虑渗透量。暂时不考虑人员的呼吸作用对气流造成的影响。其它边界条件的设定如表2 所示。

表2 边界条件的设定

3 模拟结果与分析

3.1 不同补风方式对温度分布的影响

图5 是仅依靠自然补风的Y=1.6 m 截面的温度分布图，从图中可以看出，在人体正前方，即Y=1.6 m截面的温度在301.5～308.5 K。由于采用的开窗户的自然补风形式，从窗户开启部分补进的风的温度为301 K，因此在窗户开启部分附近温度较低。由于人体本身的体表温度达到304 K，且在与灶台间隔100 mm的位置，因此在人体正前方的温度较高，且在右灶附近温度达到最高307.5 K。靠近门的那面墙，由于门始终保持关闭的状态，热量分布比较均匀。图6 是仅依靠回型风幕补风的Y=1.6 m 截面的温度分布图，从图中可以看出，Y=1.6 m 截面的温度在305.35～306.5 K。整个截面的温度比较均匀，变化范围较小。这是由于采用的是回型风幕补风的方式，补进的风温度为301 K，可以直接将右灶产生的热量带走一部分，因此在回型风幕补风处，右灶附近的温度略低于周围温度。

图5 自然补风Y=1.6 m 温度分布云图

图6 回型风幕补风Y=1.6 m 温度分布云图

3.2 不同补风方式下速度场结果分析

图7 是仅依靠自然补风的Y=1.6 m 截面的速度矢量图，从图中能够看出，此时厨房内形成局部有组织的气流，但是当气流遇到人体、灶台等障碍时会形成较大的漩涡，从窗户（开启部分）补进的风，由于抽油烟机的开启，在附近形成较大风速，这样在就导致部分PM2.5 颗粒不能及时被排出，不仅对厨房环境造成污染，而且对人体的健康造成影响。图8 是仅依靠回型风幕补风的Y=1.6 m 截面的速度矢量图，从图中能够看出，此时在厨房内形成一定程度的有组织的气流，由于此次试验中仅使用右灶，左灶处于关闭状态，而回型风幕式补风系统是在燃气灶四周进行补风，所以在人体右侧会形成一个漩涡，且在抽油烟机吸入面右侧风速较大。

图7 自然补风Y=1.6 m 速度矢量图

图8 回型风幕补风Y=1.6 m 速度矢量图

3.3 不同补风方式对PM2.5 分布影响

图9 是仅依靠开窗户进行补风PM2.5 浓度分布图，结合（a）、（b）可以看出，仅依靠窗户进行补风，明显看出，有部分PM2.5 颗粒溢出抽油烟机的捕捉范围，造成污染物扩散，且厨房内PM2.5 浓度相对较高。

图9 开窗户补风的PM2.5 浓度分布图（Z=1.5 m）

图10 是关闭窗户，仅依靠回型风幕补风的PM2.5的浓度分布图，结合（a）、（b）可以看出，通过在燃气灶周围增设补风口，形成了垂直灶台向上的风幕，有效的阻止了右灶锅口产生的PM2.5 颗粒的向外扩散，PM2.5 颗粒被直接排放到抽油烟机管道外，极大的降低了PM2.5 的浓度。

图10 回型风幕补风的PM2.5 浓度分布图（Z=1.5 m）

4 结语与展望

我国PM2.5 标准值为0.075 mg/m3即为达到了标准[10]，而做糖醋排骨时，所释放的PM2.5 的浓度峰值可达到3.74 mg/m3，远大于国家标准近50 倍。经过对夏季两种不同补风方式下厨房内PM2.5 的分布特性研究，发现在沈阳地区仅依靠窗户进行自然补风达不到排除厨房内PM2.5 的目的。而在灶台设置回型补风口时，可以很大程度上改善PM2.5 的扩散现象，有效的排除PM2.5 颗粒，降低PM2.5 的浓度。而且从节约资源的角度出发，当室外空气被抽油烟机直接吸引至灶台四周时，有助于燃烧的充分进行，减少能源的浪费，还可以减少因天然气不完全燃烧而带来的危害。

本文主要针对的是夏季普通居民住宅在燃气灶四周增设风幕式补风与通过窗户自然补风这两种补风方式下，厨房内PM2.5 的分布特性研究。以后还可以在以下方面进行研究：

1）考虑人体的呼吸作用对模拟研究产生的影响。

2）对厨房PM2.5 颗粒在回型风幕补风下进行非稳态过程模拟研究。