住宅廚房PM2.5散發(fā)特性及控制方法綜述

李春龍

住宅廚房PM2.5散發(fā)特性及控制方法綜述

李春龍

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

廚房PM2.5越來越受到人們的重視，從廚房PM2.5散發(fā)強度、分布特性、控制方法三方面進行綜述，得出廚房烹飪方式中炸、炒產(chǎn)生的PM2.5最多。控制廚房PM2.5濃度除改變烹飪方式、加裝室內(nèi)凈化器外，最有效方式是改變廚房內(nèi)氣流組織，加裝送風口、排風口，增加補風量，改變灶臺及風口位置，使室內(nèi)通風順暢。

廚房PM2.5；散發(fā)強度；分布特性；控制方法

隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)越來越關注。烹飪是室內(nèi)空氣品質(zhì)重要影響因素之一，與室外大氣對室內(nèi)空氣影響相比，具有短時間內(nèi)使室內(nèi)PM2.5濃度快速上升的特點[1]。大量研究表明，PM2.5能穿過鼻腔，進入肺部，滲入血液，對人體健康有巨大威脅[2-4]。

1 住宅廚房PM2.5散發(fā)強度

張吉等人[5]把普通住宅廚房作為實驗地點，在距灶臺0.5 m遠、距地面0.5 m高的位置放置測試儀，蒸煮食物時，PM2.5濃度基本與背景濃度持平；清炒食物時，PM2.5濃度 瞬間提高到200 μg；油炸食物時，PM2.5濃度最高，達到1 700 μg。可見中國傳統(tǒng)烹飪方式中，油炸產(chǎn)生的PM2.5最多，清炒次之，蒸煮最少。

抽油煙機是廚房中不可或缺的物件，蘭禎豪[6]根據(jù)不同烹飪方式和抽油煙機不同運行方式做了相關研究，在不開抽油煙機情況下，蒸雞蛋產(chǎn)生的廚房PM2.5峰值濃度為414 μg/m3，炒雞蛋產(chǎn)生的廚房PM2.5峰值濃度為25 900 μg/m3，煎雞蛋產(chǎn)生的廚房PM2.5峰值濃度為28 800 μg/m3。

在同樣的煎雞蛋烹飪方式下，不開油煙機時廚房PM2.5峰值濃度為29 095 μg/m3；開一臺油煙機時廚房PM2.5峰值濃度為2 645 μg/m3，開兩臺油煙機時廚房PM2.5峰值濃度為743 μg/m3。結果表明，炸、炒產(chǎn)生的廚房PM2.5峰值濃度比煮產(chǎn)生的廚房PM2.5峰值濃度高出近70倍；開啟抽油煙機能明顯減少廚房PM2.5的峰值濃度。

烹飪過程中，廚房PM2.5濃度會顯著升高，很多研究人員運用現(xiàn)場實驗和仿真模擬等方法對烹飪過程中廚房PM2.5濃度與PM2.5散發(fā)條件的關系進行了研究。曹昌盛[7]通過搭建實驗臺，研究烹飪過程中0.1～10 μm的粒徑散發(fā)強度特性，結果表明PM1.0-4.0的散發(fā)強度幾乎是PM0.1-10散發(fā)強度的全部。LAI等人[8]模擬時，假設烹飪過程中產(chǎn)生的顆粒物粒徑全為3.5 μm，廚房顆粒物濃度模擬結果與實驗結果非常接近。在模擬過程中，廚房顆粒物的散發(fā)速率作為邊界條件之一，有著重要地位，在很多學者先假設再實驗驗證的情況下，陳潔[9]通過搭建試驗臺的方式研究了油炸時散發(fā)PM2.5的速率。

為防止油炸過程中產(chǎn)生的廚房PM2.5外溢，整個實驗過程在散發(fā)倉中完成，原理如圖1所示。基本原理為管道中產(chǎn)生的PM2.5濃度與風道中風量相乘，得出風道中的PM2.5散發(fā)速率。實驗開始時，先設置加熱器，使油溫穩(wěn)定在260 ℃，打開風機，控制風道中風量穩(wěn)定在300 m3/h，隨后在油鍋中加入食用油，等風道中的顆粒物濃度測量儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，開始計數(shù)，實驗結束后，洗鍋、調(diào)大風量至風道內(nèi)PM2.5濃度與室內(nèi)背景濃度相同，反復實驗。在花生油200 ml，辣椒粉10 g的工況下，風道中PM2.5峰值濃度為5 247.52 μg/m3，散發(fā)速率為437.293 μg/s。

圖1 原理示意圖

2 住宅廚房PM2.5分布特性

目前，住宅廚房PM2.5分布特性的研究方法有理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測三種。文獻[10]、[11]為計算出廚房顆粒物濃度分布，以顆粒物的散發(fā)、沉降及人體吸入等因素為變量，運用顆粒物沉降模型結合呼吸模型的方法，對廚房顆粒物濃度進行理論分析。文獻[12]首先假設人體呼吸區(qū)域環(huán)境為穩(wěn)態(tài)，運用k-ε模型計算出穩(wěn)態(tài)吸入模型，再加入非穩(wěn)態(tài)條件，預測現(xiàn)實中人體呼吸區(qū)的顆粒物濃度分布。文獻[13]介紹了浮力羽流模型，提出廚房中經(jīng)常用到的熱羽流經(jīng)驗公式，結合高斯近似理論及虛擬原點公式，通過分析，修正了虛擬原點系數(shù)，為理論分析廚房PM2.5濃度分布奠定了基礎。文獻[14]首先從三個發(fā)展階段介紹了廚房PM2.5上升動力之一的熱羽流，給出各個發(fā)展階段的經(jīng)驗公式；其次從推流遷移理論、分散作用及衰減與轉(zhuǎn)化方式三種運動形式介紹氣態(tài)污染物擴散模型；最后闡述了油煙顆粒物與油煙氣態(tài)污染物的不同點，以氣流組織方式、顆粒物沉積模型、顆粒物受力分析三個角度推到出了油煙顆粒物的分布特點。

近年來，隨著數(shù)值模擬軟件的發(fā)展，越來越多的課題可以采用這種高效便捷的研究方法。

王剛[15]利用數(shù)值模擬軟件對家用廚房進行建模，研究抽油煙機與空調(diào)協(xié)同對室內(nèi)溫度、吹風感及CO2濃度的影響，得出下送風工況比上送風工況效果要好。萬雄峰[16]利用CFD模擬軟件對商用廚房的熱濕環(huán)境與室內(nèi)空氣品質(zhì)進行綜合研究，以送風口大小、送風速度大小及排風口的位置、排風口形狀為變量，得出更為準確的商用廚房預測模型，也為廚房設計提供新思路。為解決高層住宅傳統(tǒng)集中煙道排煙不利問題，劉寧[17]建立30層住宅煙道模型，以全開煙道和奇偶數(shù)半開煙道兩種工況進行模擬分析，最終得出奇偶數(shù)樓層分開打開煙道會增加排煙效率。廚房中，抽油煙機的排風、爐灶內(nèi)燃料的燃燒及烹飪過程中的油煙導致廚房有一個高溫高濕且氣流組織復雜的室內(nèi)環(huán)境。陳芳[18]以實際住宅廚房為原型，運用CFD模擬軟件，采用湍流混合模型，建立廚房模型、劃分網(wǎng)格并模擬分析，得出廚房PM2.5濃度分布與廚房內(nèi)部溫度差及氣流組織有關。廚房PM2.5濃度與氣流組織密切相關。劉昱[19]通過窗戶入口風速0 m/s、0.3 m/s及0.6 m/s三種模擬工況，在穩(wěn)定散發(fā)PM2.5情況下，得出窗戶入口風速越大，廚房內(nèi)呼吸區(qū)PM2.5濃度越低的結論。李曉云[20]同樣運用CFD模擬軟件對廚房PM2.5濃度與氣流組織進行研究，首先對廚房模型加設補風口，分析有無補風口兩種工況下的廚房PM2.5濃度分布；得出有補風口便于排除PM2.5后，改變補風口大小及位置，進一步研究補風口對排除室內(nèi)PM2.5的濃度影響。

廚房PM2.5濃度現(xiàn)場實測是最為常見、目前最準確的分布特性研究方法。賈欣[21]以廚房內(nèi)灶具、補風口及排風口三者位置作為變量，排列組合出八種實驗方案，最終從實驗數(shù)據(jù)中分析出廚具在靠近無門窗墻壁、有補風口的方案下，廚房PM2.5濃度最小。廚房PM2.5濃度現(xiàn)場實驗測量，除了能得出濃度分布特性，還能為后期數(shù)值模擬提供基本數(shù)據(jù)。周金輝[22]對高層建筑廚房進行了大量實驗，在關閉抽油煙機情況下，測量廚房內(nèi)呼吸區(qū)污染物濃度與烹飪時間的關系，成為數(shù)值模擬邊界條件之一。實測數(shù)據(jù)除能作為模擬軟件的邊界條件參與模擬計算外，還能驗證模擬結果的準確性。王 淼[23]根據(jù)實際廚房尺寸建立物理模型，以關閉廚房門、窗臺高0.9 m、抽油煙機距窗臺1.8 m為初始條件進行試驗及模擬，以實測數(shù)據(jù)驗證模擬結果的正確性后，再調(diào)整邊界條件，探討其他工況下，廚房污染物濃度分布。調(diào)整窗臺高度及抽油煙距離都是改變室內(nèi)氣流組織方式，廚房內(nèi)部通風條件對PM2.5濃度分布有重要影響。高軍等人[24]在實驗室搭建廚房試驗臺，通過開關廚房門窗改變廚房通風條件，最終得出開啟廚房門比開啟窗時廚房呼吸區(qū)的PM2.5濃度更小。

3 住宅廚房PM2.5控制方法

目前控制廚房PM2.5濃度有三種思路：從源頭控制，烹飪時盡量蒸煮、少油；從傳輸路徑中阻絕，比如加裝抽油煙機；末端消除，比如增添室內(nèi)凈化器。

文獻[6]為了控制烹飪時產(chǎn)生的PM2.5外溢到廚房呼吸區(qū)，在常規(guī)灶臺兩側(cè)加裝空氣擋板及空氣幕，具體如圖2、圖3所示。試驗臺為住宅廚房，在不加擋板和空氣幕時，不開抽油煙機，炒菜所得PM2.5峰值濃度為28.71 mg/m3；打開抽油煙機，炒菜所得PM2.5峰值濃度為6.712 mg/m3。

圖2 加裝空氣擋板示意圖

圖3 加裝空氣幕示意圖

不改變其他測量條件，加裝風機，給灶臺進行補風，形成空氣幕，炒菜所得PM2.5峰值濃度為3.366 mg/m3，比只開抽油煙機濃度下降49.85%；加裝擋板，以實體擋住空氣外溢，炒菜所得PM2.5峰值濃度為4.92 mg/m3，比只開抽油煙機濃度下降26.7%。不改變其他測量條件，同時加裝風機和擋板，炒菜所得PM2.5峰值濃度為1.927 mg/m3。研究表明，加裝風機和擋板都能控制一定量的PM2.5不外溢到廚房內(nèi)部，加風機效果更好，原因為風幕不僅有擋板一樣阻擋 PM2.5外溢的作用，自下而上地送風，補充了抽油煙機對灶臺底部吸力不足的影響，氣流組織方式更利于排出烹飪產(chǎn)生的PM2.5。

4 結論

廚房烹飪方式中以炸、炒產(chǎn)生PM2.5最多，控制廚房內(nèi)PM2.5濃度除改變烹飪方式、加裝室內(nèi)凈化器外，最有效方式就是改變廚房內(nèi)氣流組織，加裝送風口、排風口，增加補風量，改變灶臺及風口位置，使室內(nèi)通風順暢。

［1］熊志明，張國強，彭建國，等.大氣可吸入顆粒物對IAQ的影響研究進展［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2004，23（2）：32-36.

［2］KHAN S A R，ZAMAN K，ZHANG Y.The relationship between energy-resource depletion，climate change，health resources and the environmental kuznets curve；Evidence from the panel of selected developed countries［J］.Renewable &Sustainable Energy Reviews，2016（62）：468-477.

［3］MBELAMBELA E P，HIROTA R，EITOKU M，et al.Occupation exposed to road-traffic emissions and respiratory health among congolese transit workers particularly bus conductors，in kinshasa：a cross-sectional study ［J］.Environmental Health &Preventive Medicine，2017，22（1）：11.

［4］BOLDO E，LINARES C，LUMBRERAS J，et al.Health impact assessment of a reduction mambient PM2.5 levels in Spam［J］.Environment International，2011，37（2）：342-348.

［5］張吉，周志華，劉玉榮.居住建筑室內(nèi)PM2.5來源及其影響因素的研究［A］.中國環(huán)境科學學會學術年會論文集［C］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2017.

［6］蘭禎豪.廚房油煙 PM2.5散發(fā)主要影響因素及控制措施研究［J］.綠色建筑，2017（1）：49-53.

［7］曹昌盛.住宅廚房油煙顆粒個體暴露與通風改善［D］.上海：同濟大學，2013.

［8］LAI A，HO Y.Spatial concentration variation of cooking-em-itted particles［J］.Build Environ，2008，43（5）：871-876.

［9］陳潔.熱油階段油煙顆粒源散發(fā)特性的實驗研究［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2018，37（3）：33-36.

［10］王軍，張旭.建筑室內(nèi)人員污染暴露量及其特征性分析［J］.環(huán)境科學與技術，2012，35（1）：13-16.

［11］GAO J，CAO C S，XIAO Q F，et al.Determination of dynamic intake fraction of cooking-generated particles in the kitchen［J］.Building and Environment，2013（65）：146-153.

［12］ZHU S W，KATO S，SHUZO M，et al.Study on inhalation region by means of CFD analysis and experiment［J］.Building and Environment，2005（40）：1329-1336.

［13］趙玉嬌.廚房污染物控制原理與局部排煙罩性能研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2013.

［14］劉昱.北方地區(qū)住宅廚房細顆粒物空間分布特性及人員暴露影響研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2017.

［15］王剛.節(jié)能、環(huán)保、舒適家用廚房內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬及實驗研究［D］.株洲：湖南工業(yè)大學，2009.

［16］萬雄峰.商用廚房室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評價與控制研究［D］.長沙：中南大學，2007.

［17］劉寧.普通高層住宅集中式排煙（風）系統(tǒng)問題研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2009.

［18］陳芳.室內(nèi)顆粒污染物傳播的理論與數(shù)值模擬［D］.杭州：杭州電子科技大學，2010.

［19］劉昱．居住廚房油煙散發(fā)顆粒物空間分布模擬分析［J］.科技展望，2016（12）：177.

［20］李曉云.住宅廚房排油煙系統(tǒng)補風方式及氣流組織研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2012.

［21］賈欣.廚房污染物控制方案的研究與評價：污染物分布模擬和吸油煙機優(yōu)化選型軟件開發(fā)［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2012.

［22］周金輝.住宅廚房排煙量的確定及煙道形式對煙氣流動影響［D］.西安：西安建筑科技大學，2014.

［23］王淼.廚房結構及布局對廚房空氣質(zhì)量影響的模擬研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2015.

［24］高軍，曹昌盛，周翔，等.住宅廚房油煙顆粒散發(fā)階段呼吸區(qū)短期暴露的實驗研究［J］.建筑科學，2012，28（Suppl 2）：72-74.

TU834

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.020

2095－6835（2020）02－0064－03

李春龍（1988—），男，安徽人，研究生，工程師，建研院珠海分中心副主任，研究方向為暖通。

〔編輯：嚴麗琴〕