過渡季住宅廚房熱環境CFD模擬研究

武志松，姜益強，鄭文科，田 夢

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

廚房烹飪時產生的油煙是住宅內主要的污染源，它能引發各種疾病,給人們帶來嚴重的安全隱患,而如果不能有組織地排至室外，將會擴散到客廳、餐廳等鄰室，造成長時間污染。合理的通風系統與氣流組織不僅會使廚房內人員擁有舒服的工作環境，更能使住宅內各房間保持合理的壓力關系，從而防止廚房內的熱油煙氣外溢，有助于改善室內空氣品質，營造良好的生活環境。鑒于廚房環境對人體健康和人體舒適的重要性，目前國內外學者對住宅廚房的熱環境和空氣品質進行了大量研究。

通過采用合理的通風技術、優化廚房結構、增設補風等手段可以改善廚房的氣流組織，從而改善廚房的熱環境。蔣達華對自由擴散及機械排風條件下廚房烹飪過程進行模擬研究，得到影響熱羽流擴散現象的因素，提出了將油煙通過氣流組織引入排煙罩的油煙區域控制方法[1]。劉曉凡等對置換通風技術與傳統混合通風技術進行了比較，分析得出置換通風能夠改善飲食業廚房工作區域的氣流分布形式[2]。Bin Zhou等對典型住宅廚房的空氣流速、溫度和污染物分布進行了數值模擬和現場試驗，提出推拉式通風系統可在夏季情況下降低空氣溫度，提高人員熱舒適性[3]。

鄒聲華等人通過模擬分析比較了我國住宅廚房常見的三類通風方式的通風特性，指出要想獲得較好的氣流組織，需要合理布置好廚房的門、窗及排風口[4]。王淼等對不同窗臺高度下的室內污染物濃度場進行模擬研究并與實測數據進行對比分析，得到廚房窗臺高度對廚房污染物排放的影響[5]。Jiaqing Zhou等利用數值模擬對典型韓國公寓廚房在烹飪過程中的室內環境進行研究，得出通過減小氣流和天花板之間的角度可以在廚房的呼吸平面中減小面積平均溫度[6]。賈欣通過實驗與數值模擬研究了住宅廚房在排油煙機、新風口及排風口不同的相對位置下的熱環境,結果表明在無門窗的墻側布置廚房灶臺和吸油煙機,同時設置自然補新風系統時廚房熱環境的改善效果最佳[7]。

李博利用CFD模擬了開啟頂吸式排油煙機、同時設置自然通風和機械通風不同通風條件下住宅廚房的室內氣流情況，論證了改善廚房氣流組織的補風形式[8]。邱峰對設置下吸式排油煙機、同時增設排風系統和補風系統的廚房室內環境進行了研究,考察了不同工況對下吸式排油煙機控煙效果的影響，得到改善廚房工作環境最優的控制方案[9]。尚少文等對住宅廚房排油煙系統在無補風和有補風的條件下分別進行了模擬，結果表明0.162～0.184 kg/s的補風量能有效避免油煙等污染物外溢，可以降低系統能耗[10]。

此外可以通過優化排油煙設備內部結構，改善廚房的排油煙效果，從而改善室內的空氣品質。田一平提出以風量、風壓、本體阻力、噪聲、油煙凈化等作為住宅廚房排油煙機的主要設計依據[11]?；粜莿P針對原型吸油煙機設計了導流板優化方案，通過仿真得出集煙罩形式、廚房補風方式對廚房排煙效率的影響，且指出排煙效果與補風口的位置密切相關[12]。謝軍龍等對民居廚房中蝶型、平板型導煙板集煙罩的吸油煙機進行數值模擬，得到兩種集煙罩達到排煙要求所需最小風量以及相同風量下蝶形導煙板集煙罩的吸油煙機排煙效果相對最佳[13]。

綜合現有研究內容可知，國內外學者對通過采用上述的技術措施改善廚房熱環境進行了較多研究，提出了多種控制方案，在一定程度上改善了廚房的氣流組織分布，提高了室內空氣品質。然而目前對于采用廚房屋頂排風及其不同排風量對廚房熱環境的影響研究甚少，現有的改進措施對廚房上下部溫度分層現象改善效果不佳，集聚在屋頂的高溫煙氣嚴重影響著人體的健康與舒適。本文提出通過增設屋頂排風扇帶走烹飪過程中產生并在屋頂集聚的高溫煙氣，在提高室內空氣品質的同時可降低能耗、節約能源。然而不同排風量下的排風效果不同，對廚房熱環境及人體熱舒適影響不同。因此考慮到廚房內人員的熱舒適，本文將利用CFD模擬軟件對采用傳統頂吸式排油煙機、并在自然通風和增設屋頂排風(不同排風量)條件下的典型住宅廚房的溫度場分別進行數值模擬計算，且對主要監測點的溫度進行比較分析，為傳統形式下住宅廚房合理的氣流組織形式提供依據。

1 模型建立

根據實際建筑尺寸與廚具設備的布置情況，建立廚房模型(圖1)，幾何尺寸為2.4 m×1.8 m×2.4 m,其中含有門，窗，櫥柜，抽油煙機，人，鍋，排氣扇等。抽油煙機包含排煙口與煙罩，對應下方的燃氣灶。燃氣灶燃燒產生的火焰簡化為一個凸起圓柱，圓柱中心為煙氣產生區，周邊為高溫火焰輻射區，燃氣灶上放置炒鍋。

仿真過程中采用穩態湍流k-ω模型對該廚房氣流進行三維不可壓縮流動進行數值模擬。對流項采用二階迎風格式。選用PISO算法進行速度與壓力的耦合，殘差各項設置為10-4。輻射采用DO輻射模型?？諝饷芏葹樽兠芏饶Ｐ停措S著溫升，空氣密度變小。窗外空氣含有一定的H2O與CO2，其中水蒸氣的質量分數為0.0073(相對濕度為50.1%)，CO2的質量分數為0.000 55(濃度550 ppm)，邊界條件設置見表1。

設置15個監測點(圖2)并監測其溫度隨時間變化情況，在人正前方豎直方向有9點，從最下方0.1 m處至最上方2.4 m處分別為1～9，人體呼吸區為監測點6，水平方向高1.6 m處人前方有點10～12，背后有點13～15。

圖1 廚房模型

圖2 監測點分布

表1 邊界條件

2 模擬計算結果分析

2.1 自然通風情況

首先對自然通風條件下的家用廚房環境進行氣流組織仿真。由圖3、圖4可知，爐灶產生的高溫煙氣沿炒鍋鍋底向上運動，由于抽油煙機的抽吸與空氣浮力作用，高溫煙氣由灶向抽油煙機流動，并被抽油煙機排出室外，抽油煙機的抽吸作用造成局部低壓，使得空氣通過窗戶進入到廚房內部。由于受到從窗戶進入的室外空氣的影響，部分熱煙氣被卷吸，逃逸出排煙罩，并流向廚房屋頂。隨著做飯時間的持續，高溫煙氣不斷在屋頂聚集，形成熱空氣層，使得廚房上部和下部空氣分層明顯。熱空氣層的厚度逐漸增加，并逐漸接近窗戶的上沿。當高溫煙氣開始從窗戶溢出室內時，熱空氣層的厚度不再增加，室內溫度場保持穩定。

圖5描繪了豎直方向上各監測點的溫度變化情況。由圖可知，人體下半身(點1～3)的溫度在整個做飯過程中基本維持室溫，最后穩定在21.4 ℃。人體上半身(點4～6)由于受到火焰輻射的影響，在開始做飯后溫度迅速升高，且監測點4,5距火焰更近，受火焰輻射影響更大，溫度要高于監測點6,最后溫度穩定在23.1 ℃。由于人體呼吸區處(點6)靠近窗戶，室外新風使此處溫度降低，由于受窗戶來流持續影響，最后溫度穩定在21.6 ℃。隨做飯時間的持續，從抽油煙機逃逸的煙氣越來越多，屋頂處(點7～9)集聚越來越多的高溫煙氣，此處溫度逐漸升高，最后監測點7處溫度穩定在24.5 ℃，監測點8,9處溫度穩定在26.3 ℃。

圖3 自然通風情況溫度渲染圖

圖4 自然通風情況溫度云圖

圖5 豎直方向監測點溫度變化

圖6 水平方向監測點溫度變化

圖6描繪了水平方向各監測點的溫度變化情況。由圖可知，監測點10,11位于人體呼吸區前方及抽油煙機下方，受到高溫煙氣的影響，此處溫度逐漸升高，最后溫度穩定在24 ℃，低于屋頂處溫度。監測點12位于抽油煙機抽風口下部靠墻一側，在做飯初始時，高溫煙氣隨抽油煙機排走，點12溫度最高，達到40 ℃，隨著做飯時間的延續，高溫煙氣大部分排放到抽油煙機的側方，室外新風占據了抽油煙機下方的大部分空間，此時點12的溫度降低，最后溫度穩定在25 ℃。人體背后(點13～15)溫度隨著室溫的升高而升高，由于距離灶臺較遠，因此溫度低于人體前部的點。由于監測點13在窗戶前側更易受室外新風的影響，溫度低于監測點14,15，最后監測點13溫度穩定在22.6 ℃，監測點14,15溫度穩定在23.3 ℃。

2.2 加設排風情況

在廚房屋頂處加設排風扇，此處排風量分別為30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h、150 m3/h，比較分析其與自然通風條件下對廚房溫度場的影響。

由圖7～圖14可知，在做飯時間持續到室溫趨于穩定狀態時，相對于自然通風情況，排風扇風量較小時(30～120 m3/h)做飯過程產生的高溫油煙可較好的被抽油煙機帶走排出室外，可改善廚房上部下部的熱空氣分層現象，人體表面環境溫度也更為均勻。但當排放量增大至150 m3/h，大量的高溫油煙逃逸出排煙罩，使得廚房內的溫度分層現象更加明顯，人體表面環境溫度梯度遞增現象更加嚴重。這說明在屋頂加設排風可使從抽油煙機逃溢出的高溫煙氣從排風口排出室外，減小熱空氣層在廚房內的集聚，但過大的排風風速會顯著改變廚房內的氣流組織，使得大量油煙逸出抽油煙機并聚集在屋頂，加劇了廚房上下部溫度分層現象，導致熱環境惡化，影響人體熱舒適。

圖7 30 m3/h排風量溫度渲染圖

圖8 30 m3/h排風量溫度云圖

圖9 80 m3/h排風量溫度渲染圖

圖10 80 m3/h排風量溫度云圖

圖11 120 m3/h排風量溫度渲染圖

圖12 120 m3/h排風量溫度云圖

圖13 150 m3/h排風量溫度渲染圖

圖14 150 m3/h排風量溫度云圖

圖15 30 m3/h排風量豎直方向監測點溫度變化

圖16 30 m3/h排風量水平方向監測點溫度變化

2.3 不同排風量對室溫影響

圖15～圖20描繪了30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h排風量下豎直、水平方向各監測點溫度變化情況。由圖可知，人體腿部(點1～3)的溫度在做飯過程中基本維持室溫。人體上半身(點4,5,6)由于受到火焰輻射的影響，在開始做飯后溫度迅速升高，且監測點4,5距火焰更近，受火焰輻射影響更大，溫度要高于監測點6,在小排風量時(30～120 m3/h)隨排風量的增加，越來越多的高溫煙氣被排出，此處溫度降低，由于人體呼吸區處(點6)靠近窗戶，受室外新風的影響，此處的溫度降低至和室溫接近。

圖18 80 m3/h排風量水平方向監測點溫度變化

圖19 120 m3/h排風量豎直方向監測點溫度變化

圖20 120 m3/h排風量水平方向監測點溫度變化

在做飯初始時，由于做飯產生的高溫煙氣不能及時被抽油煙機和排風扇帶走，大量高溫煙氣在屋頂處(點7,8,9)集聚，此處溫度迅速升高，后隨做飯時間的持續，在排風量為30 m3/h時，屋頂處氣流組織逐漸穩定，溫度趨于穩定。隨排風量的增大(80 m3/h、120 m3/h)，高溫煙氣被排出室外，此處溫度開始降低。

在做飯初始時，人體前方(點10,11)監測點溫度在小排風量(30 m3/h)時迅速升高，隨排風量的增加，高溫煙氣被排出室外，受窗戶來流的影響，溫度和室外新風溫度接近。隨做飯時間的持續，小排風量下此處溫度趨于穩定，大排風量下溫度先升高后趨于穩定。由于監測點11更接近灶臺，所以監測點11的溫度高于監測點10。

在做飯初始時，高溫煙氣隨抽油煙機排走，抽油煙機下方(點12)溫度最高，隨著做飯時間的延續，高溫煙氣大部分排放到抽油煙機的側方，室外新風占據了抽油煙機下方的大部分空間，此時溫度降低，小排風量(30～120 m3/h)時，隨做飯時間持續溫度逐漸趨于穩定。

在做飯初始時，由于高溫煙氣溢出現象不明顯，人體背后(點13～15)監測點基本維持室溫，隨做飯時間持續，此處受高溫煙氣影響，溫度緩慢升高，隨排風量(30～120 m3/h)增加溫度升高幅度減小，由于監測點13在窗戶前側更易受室外新風的影響，故溫度低于監測點14,15。

圖21、圖22描繪了150 m3/h排風量下豎直、水平方向各監測點溫度變化情況。由圖可知，人體腿部(點1～3)的溫度在做飯過程中基本維持室溫。在做飯初始時，大量的高溫油煙逃逸出排煙罩，人體上半身(點4～6)處聚集大量高溫煙氣，溫度隨之上升，后隨做飯時間的持續，溫度趨于穩定。在做飯初始時，較大的排風量將高溫油煙及時帶走，屋頂(點7～9)處溫度變化不大，隨做飯時間持續，排風扇的抽吸作用使大量煙氣都聚向屋頂處，此處溫度急劇升高。

圖21 150 m3/h排風量豎直方向監測點溫度變化

圖22 150 m3/h排風量水平方向監測點溫度變化

人體前方(點10,11)處溫度在做飯初始時，受窗戶來流的影響，溫度和室外新風溫度接近，后隨做飯時間的持續，溫度急劇升高到峰值后開始呈下降趨勢。由于監測點11更接近灶臺，所以監測點11的溫度高于監測點10。在做飯初始時，高溫煙氣隨抽油煙機排走，抽油煙機下方(點12)溫度最高，隨做飯時間的持續，較大的排風量使越來越多的高溫煙氣被排風扇排至室外，此處溫度開始降低，隨后趨于穩定。在做飯初始時，人體背后(點13～15)處溫度接近室溫，后受大風量的抽吸作用影響，隨做飯時間持續，此處溫度急劇升高。

表2 主要監測點溫度/℃

對比主要監測點的溫度變化情況，由表2可得，與自然通風情況相比，在豎直方向上，加設排風對人體腿部附近的溫度影響不大，對人體上半身、人體呼吸區、屋頂附近溫度有所影響。在人體上半身附近，當排風量為80 m3/h、120 m3/h時此處溫度可降低1.3 ℃。在人體呼吸區附近，當排風量為30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h時此處溫度分別可降低1.1 ℃、1.4 ℃、1.5 ℃，但當排風量為150 m3/h時此處溫度升高2.2 ℃。在屋頂附近，當排風量為30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h時此處溫度分別可降低0.8 ℃、1.3 ℃、1.6 ℃，但當排風量為150 m3/h時此處溫度升高4.5 ℃。在水平方向上(1.6 m處)，在人體前方，當排風量為30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h時此處溫度分別可降低0.3 ℃、0.3 ℃、0.7 ℃，但當排風量為150 m3/h時此處溫度升高3.3 ℃。在人體背后，當排風量為30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h時此處溫度分別可降低0.9 ℃、1.1 ℃、1.5 ℃，但當排風量為150 m3/h時此處溫度升高2 ℃。

經對比分析可得，排風量較小時(30～120 m3/h)主要監測點的溫度相較于自然通風情況均有所降低，其中在排風量為120 m3/h時效果最好，人體呼吸區溫度可降低1.5 ℃左右，屋頂處溫度可降低1.6 ℃，溫度分層現象明顯改善，廚房溫度分布較為均勻，對廚房熱環境及人體熱舒適感有利。但當排風量較大(150 m3/h)時，主要監測點溫度均有所提高，人體呼吸區處溫度升高2.2 ℃，屋頂處溫度升高4.5 ℃，加重了溫度分層現象，導致廚房熱環境惡化，影響人體熱舒適。

3 結論

本文針對夏熱冬冷地區住宅廚房環境展開研究，發現在過渡季采用自然通風會導致室內存在熱空氣分層的現象，影響人體舒適感，故提出設置屋頂排風扇的模式，并采用CFD數值仿真方法對比研究了不同排風量對于廚房熱環境的影響，得到以下結論：

(1)在自然通風情況下，受空氣來流影響，高溫煙氣不斷逸出抽油煙機，并流向屋頂，使得家用廚房上下部溫度分層明顯，垂直溫差可達4.3 ℃，影響烹飪人員熱舒適感。

(2)在廚房頂部加設排風口可改變單靠自然通風情況下的廚房熱環境，但不同排風量下對廚房熱環境影響不同。通過對30 m3/h、80 m3/h、120 m3/h不同排風量工況的分析比較可得，相對于自然通風情況，增設120 m3/h排風量的排風扇可使人體呼吸區溫度降低1.5 ℃左右，垂直溫差減少了1.4 ℃左右，熱環境相對改善。

(3)當排風扇風量增大至150 m3/h，相比于自然通風條件，廚房熱空氣分層現象更加嚴重，垂直溫差可達8.7 ℃，人體呼吸區處溫度升高2.2 ℃。由此可知排風扇風量較大對廚房熱環境與人體熱舒適有不利影響。