过渡季住宅厨房热环境CFD模拟研究

武志松，姜益强，郑文科，田 梦

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

厨房烹饪时产生的油烟是住宅内主要的污染源，它能引发各种疾病,给人们带来严重的安全隐患,而如果不能有组织地排至室外，将会扩散到客厅、餐厅等邻室，造成长时间污染。合理的通风系统与气流组织不仅会使厨房内人员拥有舒服的工作环境，更能使住宅内各房间保持合理的压力关系，从而防止厨房内的热油烟气外溢，有助于改善室内空气品质，营造良好的生活环境。鉴于厨房环境对人体健康和人体舒适的重要性，目前国内外学者对住宅厨房的热环境和空气品质进行了大量研究。

通过采用合理的通风技术、优化厨房结构、增设补风等手段可以改善厨房的气流组织，从而改善厨房的热环境。蒋达华对自由扩散及机械排风条件下厨房烹饪过程进行模拟研究，得到影响热羽流扩散现象的因素，提出了将油烟通过气流组织引入排烟罩的油烟区域控制方法[1]。刘晓凡等对置换通风技术与传统混合通风技术进行了比较，分析得出置换通风能够改善饮食业厨房工作区域的气流分布形式[2]。Bin Zhou等对典型住宅厨房的空气流速、温度和污染物分布进行了数值模拟和现场试验，提出推拉式通风系统可在夏季情况下降低空气温度，提高人员热舒适性[3]。

邹声华等人通过模拟分析比较了我国住宅厨房常见的三类通风方式的通风特性，指出要想获得较好的气流组织，需要合理布置好厨房的门、窗及排风口[4]。王淼等对不同窗台高度下的室内污染物浓度场进行模拟研究并与实测数据进行对比分析，得到厨房窗台高度对厨房污染物排放的影响[5]。Jiaqing Zhou等利用数值模拟对典型韩国公寓厨房在烹饪过程中的室内环境进行研究，得出通过减小气流和天花板之间的角度可以在厨房的呼吸平面中减小面积平均温度[6]。贾欣通过实验与数值模拟研究了住宅厨房在排油烟机、新风口及排风口不同的相对位置下的热环境,结果表明在无门窗的墙侧布置厨房灶台和吸油烟机,同时设置自然补新风系统时厨房热环境的改善效果最佳[7]。

李博利用CFD模拟了开启顶吸式排油烟机、同时设置自然通风和机械通风不同通风条件下住宅厨房的室内气流情况，论证了改善厨房气流组织的补风形式[8]。邱峰对设置下吸式排油烟机、同时增设排风系统和补风系统的厨房室内环境进行了研究,考察了不同工况对下吸式排油烟机控烟效果的影响，得到改善厨房工作环境最优的控制方案[9]。尚少文等对住宅厨房排油烟系统在无补风和有补风的条件下分别进行了模拟，结果表明0.162～0.184 kg/s的补风量能有效避免油烟等污染物外溢，可以降低系统能耗[10]。

此外可以通过优化排油烟设备内部结构，改善厨房的排油烟效果，从而改善室内的空气品质。田一平提出以风量、风压、本体阻力、噪声、油烟净化等作为住宅厨房排油烟机的主要设计依据[11]。霍星凯针对原型吸油烟机设计了导流板优化方案，通过仿真得出集烟罩形式、厨房补风方式对厨房排烟效率的影响，且指出排烟效果与补风口的位置密切相关[12]。谢军龙等对民居厨房中蝶型、平板型导烟板集烟罩的吸油烟机进行数值模拟，得到两种集烟罩达到排烟要求所需最小风量以及相同风量下蝶形导烟板集烟罩的吸油烟机排烟效果相对最佳[13]。

综合现有研究内容可知，国内外学者对通过采用上述的技术措施改善厨房热环境进行了较多研究，提出了多种控制方案，在一定程度上改善了厨房的气流组织分布，提高了室内空气品质。然而目前对于采用厨房屋顶排风及其不同排风量对厨房热环境的影响研究甚少，现有的改进措施对厨房上下部温度分层现象改善效果不佳，集聚在屋顶的高温烟气严重影响着人体的健康与舒适。本文提出通过增设屋顶排风扇带走烹饪过程中产生并在屋顶集聚的高温烟气，在提高室内空气品质的同时可降低能耗、节约能源。然而不同排风量下的排风效果不同，对厨房热环境及人体热舒适影响不同。因此考虑到厨房内人员的热舒适，本文将利用CFD模拟软件对采用传统顶吸式排油烟机、并在自然通风和增设屋顶排风(不同排风量)条件下的典型住宅厨房的温度场分别进行数值模拟计算，且对主要监测点的温度进行比较分析，为传统形式下住宅厨房合理的气流组织形式提供依据。

1 模型建立

根据实际建筑尺寸与厨具设备的布置情况，建立厨房模型(图1)，几何尺寸为2.4 m×1.8 m×2.4 m,其中含有门，窗，橱柜，抽油烟机，人，锅，排气扇等。抽油烟机包含排烟口与烟罩，对应下方的燃气灶。燃气灶燃烧产生的火焰简化为一个凸起圆柱，圆柱中心为烟气产生区，周边为高温火焰辐射区，燃气灶上放置炒锅。

仿真过程中采用稳态湍流k-ω模型对该厨房气流进行三维不可压缩流动进行数值模拟。对流项采用二阶迎风格式。选用PISO算法进行速度与压力的耦合，残差各项设置为10-4。辐射采用DO辐射模型。空气密度为变密度模型，即随着温升，空气密度变小。窗外空气含有一定的H2O与CO2，其中水蒸气的质量分数为0.0073(相对湿度为50.1%)，CO2的质量分数为0.000 55(浓度550 ppm)，边界条件设置见表1。

设置15个监测点(图2)并监测其温度随时间变化情况，在人正前方竖直方向有9点，从最下方0.1 m处至最上方2.4 m处分别为1～9，人体呼吸区为监测点6，水平方向高1.6 m处人前方有点10～12，背后有点13～15。

图1 厨房模型

图2 监测点分布

表1 边界条件

2 模拟计算结果分析

2.1 自然通风情况

首先对自然通风条件下的家用厨房环境进行气流组织仿真。由图3、图4可知，炉灶产生的高温烟气沿炒锅锅底向上运动，由于抽油烟机的抽吸与空气浮力作用，高温烟气由灶向抽油烟机流动，并被抽油烟机排出室外，抽油烟机的抽吸作用造成局部低压，使得空气通过窗户进入到厨房内部。由于受到从窗户进入的室外空气的影响，部分热烟气被卷吸，逃逸出排烟罩，并流向厨房屋顶。随着做饭时间的持续，高温烟气不断在屋顶聚集，形成热空气层，使得厨房上部和下部空气分层明显。热空气层的厚度逐渐增加，并逐渐接近窗户的上沿。当高温烟气开始从窗户溢出室内时，热空气层的厚度不再增加，室内温度场保持稳定。

图5描绘了竖直方向上各监测点的温度变化情况。由图可知，人体下半身(点1～3)的温度在整个做饭过程中基本维持室温，最后稳定在21.4 ℃。人体上半身(点4～6)由于受到火焰辐射的影响，在开始做饭后温度迅速升高，且监测点4,5距火焰更近，受火焰辐射影响更大，温度要高于监测点6,最后温度稳定在23.1 ℃。由于人体呼吸区处(点6)靠近窗户，室外新风使此处温度降低，由于受窗户来流持续影响，最后温度稳定在21.6 ℃。随做饭时间的持续，从抽油烟机逃逸的烟气越来越多，屋顶处(点7～9)集聚越来越多的高温烟气，此处温度逐渐升高，最后监测点7处温度稳定在24.5 ℃，监测点8,9处温度稳定在26.3 ℃。

图3 自然通风情况温度渲染图

图4 自然通风情况温度云图

图5 竖直方向监测点温度变化

图6 水平方向监测点温度变化

图6描绘了水平方向各监测点的温度变化情况。由图可知，监测点10,11位于人体呼吸区前方及抽油烟机下方，受到高温烟气的影响，此处温度逐渐升高，最后温度稳定在24 ℃，低于屋顶处温度。监测点12位于抽油烟机抽风口下部靠墙一侧，在做饭初始时，高温烟气随抽油烟机排走，点12温度最高，达到40 ℃，随着做饭时间的延续，高温烟气大部分排放到抽油烟机的侧方，室外新风占据了抽油烟机下方的大部分空间，此时点12的温度降低，最后温度稳定在25 ℃。人体背后(点13～15)温度随着室温的升高而升高，由于距离灶台较远，因此温度低于人体前部的点。由于监测点13在窗户前侧更易受室外新风的影响，温度低于监测点14,15，最后监测点13温度稳定在22.6 ℃，监测点14,15温度稳定在23.3 ℃。

2.2 加设排风情况

在厨房屋顶处加设排风扇，此处排风量分别为30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h、150 m3/h，比较分析其与自然通风条件下对厨房温度场的影响。

由图7～图14可知，在做饭时间持续到室温趋于稳定状态时，相对于自然通风情况，排风扇风量较小时(30～120 m3/h)做饭过程产生的高温油烟可较好的被抽油烟机带走排出室外，可改善厨房上部下部的热空气分层现象，人体表面环境温度也更为均匀。但当排放量增大至150 m3/h，大量的高温油烟逃逸出排烟罩，使得厨房内的温度分层现象更加明显，人体表面环境温度梯度递增现象更加严重。这说明在屋顶加设排风可使从抽油烟机逃溢出的高温烟气从排风口排出室外，减小热空气层在厨房内的集聚，但过大的排风风速会显著改变厨房内的气流组织，使得大量油烟逸出抽油烟机并聚集在屋顶，加剧了厨房上下部温度分层现象，导致热环境恶化，影响人体热舒适。

图7 30 m3/h排风量温度渲染图

图8 30 m3/h排风量温度云图

图9 80 m3/h排风量温度渲染图

图10 80 m3/h排风量温度云图

图11 120 m3/h排风量温度渲染图

图12 120 m3/h排风量温度云图

图13 150 m3/h排风量温度渲染图

图14 150 m3/h排风量温度云图

图15 30 m3/h排风量竖直方向监测点温度变化

图16 30 m3/h排风量水平方向监测点温度变化

2.3 不同排风量对室温影响

图15～图20描绘了30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h排风量下竖直、水平方向各监测点温度变化情况。由图可知，人体腿部(点1～3)的温度在做饭过程中基本维持室温。人体上半身(点4,5,6)由于受到火焰辐射的影响，在开始做饭后温度迅速升高，且监测点4,5距火焰更近，受火焰辐射影响更大，温度要高于监测点6,在小排风量时(30～120 m3/h)随排风量的增加，越来越多的高温烟气被排出，此处温度降低，由于人体呼吸区处(点6)靠近窗户，受室外新风的影响，此处的温度降低至和室温接近。

图18 80 m3/h排风量水平方向监测点温度变化

图19 120 m3/h排风量竖直方向监测点温度变化

图20 120 m3/h排风量水平方向监测点温度变化

在做饭初始时，由于做饭产生的高温烟气不能及时被抽油烟机和排风扇带走，大量高温烟气在屋顶处(点7,8,9)集聚，此处温度迅速升高，后随做饭时间的持续，在排风量为30 m3/h时，屋顶处气流组织逐渐稳定，温度趋于稳定。随排风量的增大(80 m3/h、120 m3/h)，高温烟气被排出室外，此处温度开始降低。

在做饭初始时，人体前方(点10,11)监测点温度在小排风量(30 m3/h)时迅速升高，随排风量的增加，高温烟气被排出室外，受窗户来流的影响，温度和室外新风温度接近。随做饭时间的持续，小排风量下此处温度趋于稳定，大排风量下温度先升高后趋于稳定。由于监测点11更接近灶台，所以监测点11的温度高于监测点10。

在做饭初始时，高温烟气随抽油烟机排走，抽油烟机下方(点12)温度最高，随着做饭时间的延续，高温烟气大部分排放到抽油烟机的侧方，室外新风占据了抽油烟机下方的大部分空间，此时温度降低，小排风量(30～120 m3/h)时，随做饭时间持续温度逐渐趋于稳定。

在做饭初始时，由于高温烟气溢出现象不明显，人体背后(点13～15)监测点基本维持室温，随做饭时间持续，此处受高温烟气影响，温度缓慢升高，随排风量(30～120 m3/h)增加温度升高幅度减小，由于监测点13在窗户前侧更易受室外新风的影响，故温度低于监测点14,15。

图21、图22描绘了150 m3/h排风量下竖直、水平方向各监测点温度变化情况。由图可知，人体腿部(点1～3)的温度在做饭过程中基本维持室温。在做饭初始时，大量的高温油烟逃逸出排烟罩，人体上半身(点4～6)处聚集大量高温烟气，温度随之上升，后随做饭时间的持续，温度趋于稳定。在做饭初始时，较大的排风量将高温油烟及时带走，屋顶(点7～9)处温度变化不大，随做饭时间持续，排风扇的抽吸作用使大量烟气都聚向屋顶处，此处温度急剧升高。

图21 150 m3/h排风量竖直方向监测点温度变化

图22 150 m3/h排风量水平方向监测点温度变化

人体前方(点10,11)处温度在做饭初始时，受窗户来流的影响，温度和室外新风温度接近，后随做饭时间的持续，温度急剧升高到峰值后开始呈下降趋势。由于监测点11更接近灶台，所以监测点11的温度高于监测点10。在做饭初始时，高温烟气随抽油烟机排走，抽油烟机下方(点12)温度最高，随做饭时间的持续，较大的排风量使越来越多的高温烟气被排风扇排至室外，此处温度开始降低，随后趋于稳定。在做饭初始时，人体背后(点13～15)处温度接近室温，后受大风量的抽吸作用影响，随做饭时间持续，此处温度急剧升高。

表2 主要监测点温度/℃

对比主要监测点的温度变化情况，由表2可得，与自然通风情况相比，在竖直方向上，加设排风对人体腿部附近的温度影响不大，对人体上半身、人体呼吸区、屋顶附近温度有所影响。在人体上半身附近，当排风量为80 m3/h、120 m3/h时此处温度可降低1.3 ℃。在人体呼吸区附近，当排风量为30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h时此处温度分别可降低1.1 ℃、1.4 ℃、1.5 ℃，但当排风量为150 m3/h时此处温度升高2.2 ℃。在屋顶附近，当排风量为30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h时此处温度分别可降低0.8 ℃、1.3 ℃、1.6 ℃，但当排风量为150 m3/h时此处温度升高4.5 ℃。在水平方向上(1.6 m处)，在人体前方，当排风量为30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h时此处温度分别可降低0.3 ℃、0.3 ℃、0.7 ℃，但当排风量为150 m3/h时此处温度升高3.3 ℃。在人体背后，当排风量为30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h时此处温度分别可降低0.9 ℃、1.1 ℃、1.5 ℃，但当排风量为150 m3/h时此处温度升高2 ℃。

经对比分析可得，排风量较小时(30～120 m3/h)主要监测点的温度相较于自然通风情况均有所降低，其中在排风量为120 m3/h时效果最好，人体呼吸区温度可降低1.5 ℃左右，屋顶处温度可降低1.6 ℃，温度分层现象明显改善，厨房温度分布较为均匀，对厨房热环境及人体热舒适感有利。但当排风量较大(150 m3/h)时，主要监测点温度均有所提高，人体呼吸区处温度升高2.2 ℃，屋顶处温度升高4.5 ℃，加重了温度分层现象，导致厨房热环境恶化，影响人体热舒适。

3 结论

本文针对夏热冬冷地区住宅厨房环境展开研究，发现在过渡季采用自然通风会导致室内存在热空气分层的现象，影响人体舒适感，故提出设置屋顶排风扇的模式，并采用CFD数值仿真方法对比研究了不同排风量对于厨房热环境的影响，得到以下结论：

(1)在自然通风情况下，受空气来流影响，高温烟气不断逸出抽油烟机，并流向屋顶，使得家用厨房上下部温度分层明显，垂直温差可达4.3 ℃，影响烹饪人员热舒适感。

(2)在厨房顶部加设排风口可改变单靠自然通风情况下的厨房热环境，但不同排风量下对厨房热环境影响不同。通过对30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h不同排风量工况的分析比较可得，相对于自然通风情况，增设120 m3/h排风量的排风扇可使人体呼吸区温度降低1.5 ℃左右，垂直温差减少了1.4 ℃左右，热环境相对改善。

(3)当排风扇风量增大至150 m3/h，相比于自然通风条件，厨房热空气分层现象更加严重，垂直温差可达8.7 ℃，人体呼吸区处温度升高2.2 ℃。由此可知排风扇风量较大对厨房热环境与人体热舒适有不利影响。