廚房排風系統的優化研究

郭海豐，肖雪榕，陳鑫

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

本文通過用商用軟件CFD-AIRPAK3.0.16對廚房進行氣流模擬研究。通過對不同工況下廚房內氣流的速度場、壓力場、濃度場等進行模擬分析，得出符合國家標準工作區濃度要求時排風罩的功率。[5-6]

1 CFD模擬模型

1.1 物理模型

選用島型廚房為物理模型，尺寸為4×3×4m，門的尺寸為860×2050×240mm,外窗安裝高度1.35m。在廚房門窗均閉合且門窗縫隙存在滲透風量的情況下進行模擬的。灶臺高80cm，選用雙眼燃氣灶，外形尺寸740×440×170mm，排油煙機規格為0.82m×0.52m×0.25m,排油煙機具灶臺的安裝高度為700mm。模擬過程中，外窗縫隙簡化為0.06×0.06m的正方形洞口，門簡化為0.07×0.07m的正方形洞口[2-4]。

1.2 邊界條件設置

本文采用湍流標準k-ε模型對廚房氣流組織進行三維不可壓縮流動模擬，選用SIMPLE計算方法，殘差各項值設置為軟件的默認參數。廚房邊界條件的設置如下：門窗縫隙——壓力入口；排油煙機排風口——速度出口；燃氣灶口——速度入口。

壁面定義為絕熱墻體(wall),選擇無滑移的壁面函數。燃氣灶口處是油煙等有害氣體的散發處，將其視為污染源。選用天然氣作燃料，將CO2作為衡量廚房空氣污濁程度的總體衡量指標，并且使污染源處CO2的初始濃度值為3000ppm。根據規范室內可接受的CO2濃度值上限為1000ppm[7-8]。

2 數值模擬結果及分析

2.1 被動補風工況下的模擬分析

廚房門窗關閉僅靠門窗縫隙滲透的風量進行補風。在模型中截取X=1.95m和Z=2.45m兩個剖面得到速度、溫度、壓力和濃度的分布云圖。截取X=2.5m，Y=1.5m模擬人呼吸處CO2濃度。標準規定的排油煙機排風量不小于10m3/min，因此設定被動補風情況下排風機的初始排風量為600 m3/h。在只有一個燃氣開啟狀態下進行流場模擬。從模擬數據可以看到在排油煙機以最小排風量600 m3/h進行被動式補風時，廚房污染物濃度沒有達到標準規定。因此增大排風量至1350 m3/h迫使從窗縫門縫處被吸入的新風量增大來稀釋有害氣體的濃度從而達到國家規定的標準。

選取典型模擬云圖如下，排風量的增大使得廚房內外壓差增大，使得更多新風被吸入室內補風效果得到顯著提高；大量新風稀釋了有害氣體的濃度，提高了室內空氣品質；但室內外壓差的增大，破壞了室內水封系統，排水系統的污染氣體會被抽入室內，導致室內空氣品質的下降。

2.2 被動補風工況下的排風罩功率

利用被動式補風工況下人呼吸區CO2濃度達標時的參數對排油煙機功率進行分析計算。排風罩功率表達式為：N=QPa/(3600η)

風機的全壓由風機的靜壓和動壓兩部分組成，全壓的公式為：P=P靜+P動

已知排風量為1350 m3/h，排煙管道直徑250mm，則煙氣在管道內平均流速7.65 m/s。取排煙管道溫度60℃，則煙氣密度為0.75kg/m3。求得管道內動壓為21.95Pa。靜壓為風管內氣體流動的阻力，分為沿程阻力損失和局部阻力損失。

本文中選用圓形排煙管道，則其沿程阻力計算式為：Py=λvl/D

局部阻力損失表達式為：Pj=ξρv2/2PJ=Pj+P門窗縫隙+P排風口

圖1 風量1350 m3/h被動補風壓力分布云圖

圖2 風量1350 m3/h被動補風CO2濃度分布云圖

3 結論與展望

經過計算可得該工況下排風系統的總局部阻力為541.60Pa,排風系統的總阻力為578.60Pa。將所得到的數值代入排風罩功率的表達式可得出該工況下排風罩的功率為276.68W。增設補風條縫降低排風系統的能耗將是廚房排煙系統優化的一個前景，之后筆者也將會沿著這個方向進行深入研究。