廚房低能耗通風系統研究

韓宇

中國建筑標準設計研究院有限公司

0 引言

近年在北方地區商業建筑改造中發現，項目重新規劃后，采暖總裝機容量不降反升，這一現象與國家倡導的建筑節能政策似乎背道而馳。建筑面積不變的情況下，為何僅僅業態調整就會導致能耗增加呢？在改造設計中可以看出餐飲能耗比重較大，如在北京大興新開業的大悅城項目廚房冬季計算負荷占總建筑負荷的33%，而實際使用時其能耗監控平臺上顯示冬季日運行耗熱量占建筑總耗熱量的22%。

調研了已成功運營多年的商業體北京朝陽區愛琴海商業中心，也發現了類似的情況：2014 年剛開業時有22 家餐廳，而2019 年增加到40 家餐廳，對應的餐飲排風量也增大了45%，5 年時間業態的調整導致其耗熱量逐年上升。如今商業體更加重視餐飲帶來的效益，導致經營模式發生了改變，但耗熱量的增大為何不能引起用能單位的重視呢？

位于北京石景山萬達廣場海底撈火鍋城建筑面積1650 m2，采用電磁爐為湯鍋加熱，由于具備完善的分項計量，可以得到其年分項能耗，并按照能源單價得到圖1 分項年運行費用占比。從結果上看，項目對應的補風年耗熱運行費用占比僅15%。在商業建筑中，餐廳用能往往由經營者自行管理，15%的占比常得不到經營者的關注，他們更容易關注68%對應的內容。因此常常看到經營者在做節能改造時往往僅從升級爐灶、洗碗機等大型設備著手，新風的能耗往往容易被忽略。

圖1 海底撈項目分項年運行費用占比

現行措施對廚房工藝的節能要求甚少，而在設計過程中暖通專業通常又將設計責任委托給廚房廠家，因此造了成廚房耗熱量增加而無人關注的現象。

1 降低新風耗熱量的技術路線

一個合理的廚房通風系統，補風量和局部排風量具備線性對應關系，減少排風量即可直接降低補風能耗。在給定排風罩的情況下只有設法降低控制流速0.5 m/s[2-4]才可以達到目的。另外工程上常見的節能方式是把補風量拆成兩部分，一部分不經過任何熱處理直接送入罩面附近，另一部分要經過熱處理的空氣送到操作區域以維持室內溫度，這樣也節約了能量。因此廚房通風系統的節能手段如圖2。

圖2 技術路線圖

2 典型上吸式排煙系統數值模擬分析

2.1 代表污染物的選取

廚房煙氣主要由兩部分組成，一是，烹飪時油、菜高溫分解產生的油煙[1]。二是，燃料燃燒后所產生的污染物。

前一種污染物極為復雜，常包含甲醛、乙醛、飄塵、苯及同系物、二氧化硫等，其產生種類及釋放速率沒有規律可循，且常受如下幾方面影響：1）烹飪選用食材、調料及其用量，尤其酒精類調料是產生有害物的主要原因。2）烹飪的手法，如油炸過程產生有害物量最大，其后依 焗次排序是、炒、煮、蒸等手法。3）烹飪采用的鍋具材料及“火候”大小，采用粗糙表面的鍋具或采取大火烹飪產生的油煙量明顯更大。中餐的烹飪過程缺乏統一標準導致在污染物的研究上存在較大的難度，因此無法采用油煙成分直接分析研究。

而后一種有害物只與采用燃料性質、濃度及與空氣混合程度有關，小火烹飪產生大量的CO。而大火烹飪時，會產生較多的CO2。由于與第一種污染物相燃燒產物的研究要相對容易，結論也可靠，因此在本項目的模擬研究中采用充分燃燒后產生的CO2作為代表污染物。

2.2 物理模型建立與計算說明

根據某實際項目建立廚房模型，如圖3 所示：廚房整體模型尺寸為5 m×5.2 m×2.6 m，空調送風口大小為1.2×0.5 m，壓差補風口大小為1.25 m×0.4 m，出風口大小為0.5 m×0.5 m，灶臺大小為2.2 m×1.2 m×0.8 m，爐灶為高0.1 m 直徑0.4 m 的圓柱。

圖3 建模說明

將整個廚房切割為兩部分，第一部分包含爐灶、排煙罩、局部補風口，采用四面體網格進行劃分；第二部分為人員工作活動區域，采用六面體網格進行劃分，并且各個風口、爐灶進行局部加密以保證計算準確性，最終確定網格數為297865 個。運算控制方程[5]除采用連續性方程、能量方程、動量方程外還需要開啟組分傳輸方程。

在本模型中，按照規范取罩口截面風速0.5 m/s 來確定總排風量為5200 m3/h，工程上為避免房間負壓過大取80%的總排風量作為空調送風即4160 m3/h，其余1040 m3/h 為房間的壓差滲透風量，并將這一工況定義為基準工況。空調送風口溫度與廚房壁面溫度為18 ℃，局部補風口進風溫度為-3.6 ℃。忽略外界空氣中污染物，忽略模擬計算時人體散熱與各種設備散熱。邊界條件設計見表1。

表1 邊界條件設置

2.3 排煙罩效率的定義

排風罩效率的理論可用于對產品研發的提升，但行業內并沒有明確定義，因此在產品研制階段造成了多年的技術停滯，為了便于后續研究，這里有必要對其進行定義，選取如圖4 截面進行演示說明：模型中假設灶眼排放污染物的量為Sp（kg/s）；煙罩排風量為P，平均排放濃度為Cf；同時空調新風系統的送入風量為A，進風中污染物濃度為C0，灶臺附近補風空氣幕送風量為S，進風中污染物濃度為C0；由于擾動氣流等因素導致罩口附近有部分氣流逃逸進入人員活動區域，逃逸風量為E，污染物濃度為Cf；根據風量平衡，此負壓房間的壓差補風量為P-A-S；假定污染物與室內充分混合后的人員區平均濃度為CV，則根據風量平衡，罩外進入罩內的平均風量為P+E-S，污染物濃度為CV。上述風量單位為m3/s，濃度單位為kg/m3。

圖4 截面區域劃分及條件說明圖

參考相關資料[6]，即將密閉房間分為兩個部分，一個空間是油煙罩至灶臺面邊緣的空間，另一個其余部分，定義為人員活動區。如有擾動影響導致部分熱羽流量E（對應濃度Cf）逃逸至人員區，那么在進入穩定狀態后室內污染物的（P+E-S）CV也會進入罩下的空間，相應可以定義系統對應的污染總量SP總=SP+(P+ES)CV，可以得到其效率：

2.4 風幕設置方式對排風效率的影響

風幕可以在人員區與污染物間形成隔絕，將爐灶產生的污染物封閉在一定區域。有些工程設置了沿煙罩邊向下送風風幕（這里簡稱下送風幕）。與之對比本文提出采用在灶臺邊設置風口向上送風的方式（這里簡稱上送風幕）見圖5。

圖5 兩種補風情況流線圖

由表2 計算結果可知設置上送風幕時排放效率明顯高于未設置情況，而設置下送風幕時排放效率較未設置情況并沒有明顯變化。這是因為下送風幕風口安裝在排煙罩上距離排煙罩出風口較近，部分風還未形成風幕就被吸入出風口，形成了短路，因此效率基本不變。

表2 兩種送風方式的效率比較

而下送風幕與上送風幕的人員工作區域平均CO2質量百分數均比不設置風幕工況有所下降，說明只要設置風幕污染物擴散至人員工作區域量就會變小，對于提升人員工作區域空氣品質有明顯作用。因此對于排油煙系統，設置風幕即可改善人員區域環境質量，但只有設置向上送風風幕才可明顯提高煙罩的排風效率。

2.5 風速選取對排風效率的影響

在上送風幕的基礎上繼續探究其風速對排煙罩排放效率的影響，設置補風口寬度為0.05 m 的條縫，沿灶臺三邊布置，各工況計算結果如表3 所示：

表3 不同風速對效率的影響表

由計算可知隨著送風風速的增大，排煙罩的排放效率存在先增大后減小的情況，而廚房內人員工作區域CO2質量百分數先減小后增大，但均優于不設置風幕的情況。在圖6 至圖9 中可以根據室內CO2的濃度分布來直觀說明，淺藍色表示了污染物的聚集情況。隨著風速的變大，風幕效果逐步明顯，對污染物的控制能力逐步增強，因此排風效率上升。風速在1.5 m/s時效率最高為70.7%，但風速繼續增大，其排煙罩上部邊緣污染物隨風幕空氣混合溢出反而導致效率下降，因此并不能一味追求增大送風流速。

圖6 無風幕工況下的CO2 濃度分布圖

圖7 工況A 0.5 m/s 送風下的CO2 濃度分布圖

圖8 工況C 1.5 m/s 送風下的CO2 濃度分布圖

圖9 工況E 2.5 m/s 送風下的CO2 濃度分布圖

另外對比風速為1.5 m/s 與2 m/s 的速度分布云圖通過求解可知，下送風風速為1.5 m/s 時，在靠近灶臺處平均風速約為0.2 m/s。當下送風風速提升為2 m/s 時，平均風速約為0.4 m/s（見圖10 及圖11 內紅框內）。提高送風風速同樣造成在操作區域的風速明顯增大降低了舒適性，為了保證人員舒適度不受影響，風口風速定為1.5 m/s 最為適宜。

圖10 工況C 風幕風速1.5 m/s 速度分布圖

圖11 工況D 風幕風速2 m/s 速度分布圖

2.6 上送風風幕風速設置的節能作用分析

通過前述研究分析，設置上送風幕且當風速為1.5 m/s 時可以提高排煙效率。那么此時若保證與無風幕條件同等效率時對應的排煙量是多少呢？通過多次設定排風量，篩選出接近數據見表4：

表4 接近效率下的風量值比較表

由數值模擬計算結果可知，當設置上送風幕且風速為1.5 m/s 時，總風量為4100 m3/h 排煙罩排放效率可以達到基礎工況（總風量5200 m3/h）對應值，可見起到了節能的效果，此時節能率約為21.2%，折合罩內控制風速為0.395 m/s。因此可以理解為在設置1.5 m/s向上送風風幕的系統中，罩內控制風速約為0.4 m/s，而對應節能率約為20%。

3 帶送風空氣幕灶臺的構造

帶風幕灶具研發后的構造如下：出風口的設計需要在灶臺面三個邊長布置，采用寬度為5 cm 的條縫風口，送風機布置在灶具內部并在灶臺背板預留新風閥門和接口，見圖12、13：

圖12 向上送風幕灶臺剖面圖

圖13 灶具內部風道布置平面

4 北方地區帶風幕灶臺的經濟性分析

在上述雙眼灶具模型中（與數值模擬尺寸同），考慮出風口的有效系數為0.7，在1.5 m/s 的送風速度下，可計算得到其風幕風量，將如下兩種工況的補風量進行計算（表5）：

表5 帶風幕灶具及無風幕系統的補風量計算表

按照上述工況，以北京地區為例，如每日2 餐，操作過程3 h/餐，在整個供暖季運行過程中將不設置風幕和帶上送風風幕情況的年耗熱量分別計算對比如表6：

表6 帶風幕灶具及無風幕系統的年能耗計算表

在上述計算中風幕空氣不再進行熱處理，即直接送入室內，這樣進一步的降低了新風的耗熱量。可以看出最終兩者的能耗差距為16438 kWh-9693 kWh=6745 kWh（24.25GJ），按照北京市政供熱70 元/GJ 的能源單價，每年可省下運行費用1698 元，折合年節能率為41%。那么對于不使用風幕工況下每10000 m3/h排風量采取相應的技術措施后可節省運行費用3265元/10000 m3/h 排風量。

5 結論

1）原有經營方向發生變化，越來越多的商業綜合體傾向于擴大餐飲經營面積，導致了北方地區廚房補風能耗上升。除此又由于冬季補風能耗占整個餐廳本身用能比例不大，使得經營者也并未給予高度關注。

2）熱加工間的節能方向應盡量減少新風耗熱量，方式可采用減少局部排風量或者減少需要熱處理的新風量來解決。

3）通過對上吸式排煙系統進行了數值模擬，得到設置口速度為1.5 m/s 向上送風空氣幕，可以有效縮減排風所需風量，起到節能的效果，節能率約為20%，此時的控制風速可以取0.4 m/s。風幕的空氣可直接采用冬季室外新風，這樣補風熱消耗更低。對比未采取任何措施的系統節能率（熱耗）可達到41%，預計可節省運行費用指標為3265 元/(10000 m3/h)排風量。