使用公共烟道的厨房油烟机吸力提升和降噪方法研究

胡克吉 杨川 万旭杰 朱秀强

海信（广东）厨卫系统股份有限公司 广东佛山 528300

1 引言

近年来，随着我国城镇化建设速度的不断提高，城镇化所带来的高层住宅需求也越来越大，而目前高层住宅的厨房基本都采用公共烟道集中排烟方式，即各楼层厨房的油烟通过油烟机被吸到公共烟道当中，最后统一通过楼顶出风口排到大气中。目前公共烟道结构形式有多种，如等截面烟道、字母型烟道、变压烟道、变截面烟道[1]，其中等截面烟道因其制作简单被广泛应用。为了防止该种烟道结构油烟串味、倒灌，同时保证消防安全，通常需在公共烟道进口处安装防火止逆阀。多数房地产企业在进行厨房设计时，为了增加厨房实际使用面积，其设计的公共烟道都比较小，导致烟道的排烟阻力较大，厨房产生的油烟不能及时吸走，尤其是做饭高峰期，低层用户烟道阻力较大，油烟很难顺畅进入公共烟道，大部分油烟会被烹饪者吸入。研究表明，油烟被吸入后，轻者会出现咽部不适等症状，更甚者出现成人呼吸窘迫综合征等症状[2]，而且，烟道阻力大也会造成油烟机的工作噪声大，严重影响用户的身心健康。

目前大部分企业为了更好地进行市场宣传，都在研究如何提高油烟机在实验室中的性能，而忽略其实际工况等因素，导致很多实验室测试性能很好的油烟机到了用户家中在实际工况下吸烟效果不好，噪声较大。事实上，高层住宅下公共烟道采用的防火止逆阀的结构类型、烟管的安装方式、油烟机的开机率和其所在楼层位置均对油烟机的吸力和噪声产生影响，但具体影响程度目前没有相关研究。本文通过实验对比测试，研究上述各个因素对吸力和噪声的影响，确定主要因素和阻力系数，建立高低楼层各因素的选择依据，为后续油烟机的选择和安装提供指引。

2 油烟机实际工况原理及影响主要因素分析

图1所示的黑色曲线为油烟机自身的P-Q性能曲线，它是将油烟机放在图2所示风量测试装置中获得的测试数据汇总而成，而曲线1、曲线2、曲线3代表不同压力下的管网特性曲线。

油烟机最主要的两个性能指标是风量和静压（如图1所示的P-Q曲线），大风量的油烟机吸烟效果好，能迅速将油烟吸入；大静压的油烟机能克服较高的管网阻力，让油烟机在高背压的状态下仍能保证较大风量[3]；但这只能判断出该油烟机在实验室状态下性能的好坏，无法判断油烟机的实际工作状态，其实际状态与油烟机的出口管网压力有关，油烟机的管网压力曲线与本身的P-Q曲线交点才是油烟机的实际工作状态；如图1所示的A、B、C三个点的风量才是油烟机的实际风量，代表油烟机的实际吸烟效果；显然同一台油烟机在C点的工作状态其实际排风量最大，另外，通过测试研究发现，阻力小的油烟机工作噪声也较低。

图1 油烟机的P-Q曲线与实际工况曲线

图2 油烟机的P-Q曲线测试仪器

由风机的管网压力特性可知[4]：

式中：

ΔP——管网压力损失；

ρ——气体密度，20℃大气压的空气密度为1.2 km/m³；

ξ——管网阻力系数；

υ——流速。

而管道内流速与风量的关系为：

经过换算后管网压力P与风量Q存在如下关系：

式中：

P——油烟机出口处压力；

P0——公共烟道背压；

Q——油烟机实际风量；

k1——止逆阀的阻力系数；

k2——出风烟管的阻力系数。

由上可知，当油烟机确定后即P-Q曲线一定时，影响油烟机性能即吸烟效果的主要因素有：公共烟道的防火止逆阀、出风烟管、公共烟道的背压；且进一步通过研究分析发现，止逆阀的阻力主要与其结构类型有关；出风烟管的阻力主要与烟管的安装方式有关；公共烟道的背压主要与开机率和油烟机所在的开机楼层有关。本文通过对这三个影响因素分别进行实验研究，确定其阻力系数大小及变化规律并总结出降低阻力系数的方案和措施，实现油烟机的工作状态由A到C的提升。

3 测试条件、设备和测试方法

3.1 测试条件

本文模拟高层住宅实际厨房的油烟机安装方式进行测试，根据建筑标准[5]，公共烟道的尺寸与楼层数有关，目前城市常见的楼层为28层，据此，本实验测试公共烟道尺寸设计为400 mm×500 mm。

图3 用于实验测试的模型图

3.2 测试方法

3.2.1 测试系统

本次实验采用的测试系统如图3所示，包含方形简易公共烟道、某直流电机型号油烟机、可读取转速的控制板、出风烟管（直径170 mm）、压力测试仪（如图4所示）、市面上不同类型止逆阀、不同烟道出口直径的密封板（本文通过改变出口密封板的出口直径来实现背压的调整）、手持噪声测试仪及支撑支架。

其中：截面1所测压力为油烟机的工作压力，截面1-截面2的静压差作为出风烟管的压力损失，截面2和截面3的压差作为止逆阀的压力损失。

3.2.2 测试仪器说明

（1）压力测试仪：如图4所示，用来读取截面1、截面2、截面3三处的压力来计算出风烟管和止逆阀的压力损失；

（2）开关板：读取测试档位和电机转速，通过该档位和转速可计算出油烟机的实际风量；

（3）手持噪声仪：读取油烟机在不同工况下的噪声数据；（4）风量测试仪：测量实验所用油烟机各档位下的风量。

图4 用于实验测试的压力测试仪

3.2.3 测试步骤

在本次实验测试之前，需将本测试所用油烟机连接风量测试仪测出各档位下风量与电机转速的关系，如表1为10档的P-Q曲线及相应的电机转速，将该数据进行拟合，得出风量与转速方程式，其他档位方法一样，最终拟合出10个档位下风量与转速的关系式，汇总如表2所示。该测试的目的是后续测试时通过电机转速，可直接计算出该档位下的油烟机实际风量，从而计算出阻力系数。

表1 10档P-Q曲线与转速的关系

表2 10个档位风量与转速方程式

具体实验测试步骤如下：

（1）在油烟机、烟管一定的情况下，通过测试不同止逆阀类型下各档位烟管末端P2与烟道内P3的压力差、各工况下转速n换算的风量Q来分析研究止逆阀的阻力系数k1跟止逆阀的结构类型关系；

（2）在油烟机、止逆阀一定的情况下，通过测试不同烟管状态下各档位烟管始端P1与烟管末端P2的压力差、各工况下n换算的风量Q来分析研究烟管的阻力系数k2与烟管安装方式的关系；

（3）在油烟机、烟管、止逆阀一定的情况下，通过采用不同孔径出口板及调整止逆阀的开合角度来实现背压的变化，研究公共烟道背压对油烟机实际风量和工作噪声的影响。

4 测试数据整理及结果分析

4.1 止逆阀的阻力系数影响因素

图5 测试所用阀的种类代表图

本文在实际测试过程中选择了市面上常见的6个不同类型的止逆阀，如图5所示。

本文通过测试出风烟管末端P2和烟道内P3的压力差计算止逆阀的压力损失、通过电机转速n换算成风量Q、然后根据公式（3）计算出止逆阀的阻力系数k1，如表3所示为C类止逆阀5的测试数据，根据该测试数据，绘制出止逆阀其阻力系数k1与风量Q的关系曲线，其他类型的止逆阀测试原理一致，最终形成如图6所示变化曲线。

表3 止逆阀5的阻力系数测试数据

图6 阀的阻力系数与种类关系

（1）止逆阀阻力系数与风量的关系

通过图6可知，低阻力系数的C类型阀，其阻力系数随风量增大而减小，主要因为在小风量下，阀片开口角度较小，止逆阀的阻力损失要大一些；而在较大风量时，止逆阀开口角度较大，止逆阀产生的阻力较小；当风量大于某临界值后，止逆阀的阻力系数基本保持不变；而较高阻力系数的如A、B类型阀，其阻力系数较为稳定。

（2）止逆阀结构类型对阻力系数的影响

通过图6可知，不同类型的止逆阀其阻力系数相差较大；且阻力系数随着口径的增大而减少；其中较大的A类型阀阻力系数可稳定在3.0左右，而小的C类型阀阻力系数当风量达到一定程度后可稳定在0.5左右，相差6倍之多。

由此可见，小口径阀的阻力系数很大，这会严重影响油烟机的排烟效果，如图7所示，用两台不同性能油烟机经过风量测试装置测试后的性能（P-Q）曲线；其中型号2的最大风量和最大静压都比型号1的高，因此，型号2机器本身性能强于型号1的，但如果型号2采用小口径阀，其工作点在Ⅱ点，而型号1采用大口径阀，其工作点在Ⅲ点，显然Ⅲ点的工作状态好于Ⅱ点。

图7 不同类型烟机不同阻力下压力与风量曲线示意图

调查发现，目前大多数高层住宅采用的防火止逆阀都是A类型小口径阀，因此，为了保证油烟机的吸烟效果，在安装油烟机时需对原止逆阀进行更换，选择大孔径阀，尤其是低楼层厨房选择大孔径止逆阀可大大降低k1，对提高油烟机的吸力和降低噪声有明显影响。

4.2 出风烟管的安装方式对阻力影响

影响出风烟管阻力的主要因素有：烟管的长度、烟管弯头半径和弯头数量、烟管的拉直程度；而实际高层住宅中绝大部分的厨房烟管安装只有一个弯头且通过吊顶弯曲90°变向，故烟管弯头半径基本变化不大，本文在此不进行研究；由于高层住宅厨房的高度一般都在2.3～2.4 m左右，差异不大，而油烟机安装高度和橱柜高度通常都是标准的，因此在油烟机出口处烟管竖直段的高度相差不大，区别主要是拐弯后在吊顶上横向连接防火止逆阀的这段烟管。因此，本文按照测试机型的安装高度进行模拟测试，将竖直段长度固定在600 mm，分两种情况进行测试：

（1）通过调整水平段烟管长度进行测试，多余长度将其折叠部分缠绕在出风罩口位置，保证测试水平段处于拉直状态；

（2）在弯头半径和烟管长度一定时，调整水平烟管的拉直状态分析对阻力系数的影响。

4.2.1 出风烟管的长度对烟管阻力系数的影响

测试条件：如图8所示，本文测试共选取5种不同水平段长度的出风烟管，分别为600 mm、800 mm、1000 mm、1400 mm、1800 mm，通过记录不同状态下烟管始端P1和末端P2的压力差、该工况下转速n换算的风量Q，最后计算出该工况下的烟管阻力系数k2，如表4为水平段长600 mm的测试数据，其他四种长度测试原理相同，最终汇总成如图9所示曲线。

图8 烟管长度安装示意图

表4 水平段600 mm（拉直状态下）阻力系数测试数据

图9 烟管阻力系数与长度关系

通过图9数据可知，烟管阻力系数随烟管长度的增加而增大，烟管长度每增加1 m其阻力系数增加0.25左右，但目前高层住宅大部分厨房里只需安装一根烟管（总长2 m），其横向段长度一般不超过1 m，故拉直后烟管的阻力系数一般可控制在0.4～0.6之间。

4.2.2 出风烟管的拉直程度对阻力系数的影响

测试条件：本文测试的出风烟管共选取三种状态：水平段长度500 mm不拉直、水平段长度650 mm不拉直、水平段长度800 mm拉直；测试方法和原理同烟管长度一致，读取三种状态下P1、P2及通过n计算的Q，从而计算出各档位下阻力系数k2，并汇总如图10所示曲线。

图10 阻力系数k2与拉直程度曲线图

通过图10可知，烟管的拉直程度对其阻力系数有一定影响，当烟管不拉直时，虽然其长度缩短，但其阻力系数反而更大，不拉直时k2为0.9，拉直状态下k2为0.5，两者相差0.4，这也说明烟管的阻力系数k2受拉直程度影响远大于烟管长度。

因此，烟管的安装首先保证其处于拉直状态，在此基础上尽量缩短长度，这样可降低阻力系数k2，有效提高油烟机吸力并降低噪声。

4.3 公共烟道背压的影响

（1）开机率和开机位置对背压的影响

据研究表明[6]：高层住宅下公共烟道的背压从底层到高层是逐渐降低的，且开机率越高，公共烟道的背压越大。

（2）油烟机风量、工作噪声与背压的关系

测试条件：本文选择6档、7档、8档共3个档位进行测试，噪声测试仪固定于支架上并放在油烟机的前方，噪声测试仪的高度为1.5 m；每个档位下通过调整止逆阀的开口大小及烟道密封板的出口直径大小来实现背压的连续变化，通过读取油烟机在不同工况下的转速换算成相应的风量及工作噪声，最终汇总为如图11所示曲线。

通过图11可知：

（1）在各档位下，实际风量随背压的增大而降低；

（2）低档的工作噪声变化趋势较大，当背压增大到一定程度时，三个档位的工作噪声相差不大；而在某一固定档位，当烟道背压较低时，工作噪声先维持不变，当背压大于某一临界值时，工作噪声随着背压的增大而增大；另外，噪声发生变化时的背压临界值与开机档位有关，开机档位越大，该背压临界值也越大，即高档下油烟机的工作噪声较稳定，变化趋势较小。

因此，在高层住宅下油烟机使用高峰期时，低楼层的油烟机背压大，吸力不好且工作噪声大；而在非高峰期时，因楼道背压小，各楼层的油烟机的吸力较好，工作噪声也相差不大，处于较低状态。

图11 风量、噪声与背压的关系

5 结论

（1）防火止逆阀的孔径大小对油烟机的阻力系数影响较大，通过实验测试发现，目前市面上小口径止逆阀阻力系数为3.0左右，而大孔径的止逆阀阻力系数是0.5，相差6倍。因此选择大孔径止逆阀可有效提高油烟机的吸力并降低噪声。

（2）出风烟管的安装方式对油烟机的阻力系数也有一定影响。其中烟管的安装状态——是否拉直，对于烟管的阻力影响大于烟管的长度。因此，在安装出风烟管时，首先保证烟管处于拉直状态，将多余长度固定在出风口处，同时尽量缩短出风烟管长度，可将烟管的阻力系数控制在0.5左右，有效提高油烟机的吸力并降低噪声。

（3）公共烟道的背压直接影响油烟机的吸力和工作噪声，而影响背压的主要因素就是开机率和开机位置，高开机率下低楼层的油烟机背压较大，油烟机的实际吸力较小，工作噪声较大；低开机率下，烟道的背压较低，各楼层的油烟机的风量较大，工作噪声也较低。因此，高层住宅高楼层用户因背压较低，通过选择大孔径止逆阀及合理安装出风烟管，选择一般性能油烟机即可保证油烟机的实际吸烟效果，工作噪声也较低；而对于低楼层用户，因背压较高，除选择大孔径止逆阀和烟管安装合理外，还需尽量选择大风压、大风量油烟机才能保证油烟机的实际吸烟效果。