使用公共煙道的廚房油煙機吸力提升和降噪方法研究

胡克吉 楊川 萬旭杰 朱秀強

海信（廣東）廚衛系統股份有限公司 廣東佛山 528300

1 引言

近年來，隨著我國城鎮化建設速度的不斷提高，城鎮化所帶來的高層住宅需求也越來越大，而目前高層住宅的廚房基本都采用公共煙道集中排煙方式，即各樓層廚房的油煙通過油煙機被吸到公共煙道當中，最后統一通過樓頂出風口排到大氣中。目前公共煙道結構形式有多種，如等截面煙道、字母型煙道、變壓煙道、變截面煙道[1]，其中等截面煙道因其制作簡單被廣泛應用。為了防止該種煙道結構油煙串味、倒灌，同時保證消防安全，通常需在公共煙道進口處安裝防火止逆閥。多數房地產企業在進行廚房設計時，為了增加廚房實際使用面積，其設計的公共煙道都比較小，導致煙道的排煙阻力較大，廚房產生的油煙不能及時吸走，尤其是做飯高峰期，低層用戶煙道阻力較大，油煙很難順暢進入公共煙道，大部分油煙會被烹飪者吸入。研究表明，油煙被吸入后，輕者會出現咽部不適等癥狀，更甚者出現成人呼吸窘迫綜合征等癥狀[2]，而且，煙道阻力大也會造成油煙機的工作噪聲大，嚴重影響用戶的身心健康。

目前大部分企業為了更好地進行市場宣傳，都在研究如何提高油煙機在實驗室中的性能，而忽略其實際工況等因素，導致很多實驗室測試性能很好的油煙機到了用戶家中在實際工況下吸煙效果不好，噪聲較大。事實上，高層住宅下公共煙道采用的防火止逆閥的結構類型、煙管的安裝方式、油煙機的開機率和其所在樓層位置均對油煙機的吸力和噪聲產生影響，但具體影響程度目前沒有相關研究。本文通過實驗對比測試，研究上述各個因素對吸力和噪聲的影響，確定主要因素和阻力系數，建立高低樓層各因素的選擇依據，為后續油煙機的選擇和安裝提供指引。

2 油煙機實際工況原理及影響主要因素分析

圖1所示的黑色曲線為油煙機自身的P-Q性能曲線，它是將油煙機放在圖2所示風量測試裝置中獲得的測試數據匯總而成，而曲線1、曲線2、曲線3代表不同壓力下的管網特性曲線。

油煙機最主要的兩個性能指標是風量和靜壓（如圖1所示的P-Q曲線），大風量的油煙機吸煙效果好，能迅速將油煙吸入；大靜壓的油煙機能克服較高的管網阻力，讓油煙機在高背壓的狀態下仍能保證較大風量[3]；但這只能判斷出該油煙機在實驗室狀態下性能的好壞，無法判斷油煙機的實際工作狀態，其實際狀態與油煙機的出口管網壓力有關，油煙機的管網壓力曲線與本身的P-Q曲線交點才是油煙機的實際工作狀態；如圖1所示的A、B、C三個點的風量才是油煙機的實際風量，代表油煙機的實際吸煙效果；顯然同一臺油煙機在C點的工作狀態其實際排風量最大，另外，通過測試研究發現，阻力小的油煙機工作噪聲也較低。

圖1 油煙機的P-Q曲線與實際工況曲線

圖2 油煙機的P-Q曲線測試儀器

由風機的管網壓力特性可知[4]：

式中：

ΔP——管網壓力損失；

ρ——氣體密度，20℃大氣壓的空氣密度為1.2 km/m3；

ξ——管網阻力系數；

υ——流速。

而管道內流速與風量的關系為：

經過換算后管網壓力P與風量Q存在如下關系：

式中：

P——油煙機出口處壓力；

P0——公共煙道背壓；

Q——油煙機實際風量；

k1——止逆閥的阻力系數；

k2——出風煙管的阻力系數。

由上可知，當油煙機確定后即P-Q曲線一定時，影響油煙機性能即吸煙效果的主要因素有：公共煙道的防火止逆閥、出風煙管、公共煙道的背壓；且進一步通過研究分析發現，止逆閥的阻力主要與其結構類型有關；出風煙管的阻力主要與煙管的安裝方式有關；公共煙道的背壓主要與開機率和油煙機所在的開機樓層有關。本文通過對這三個影響因素分別進行實驗研究，確定其阻力系數大小及變化規律并總結出降低阻力系數的方案和措施，實現油煙機的工作狀態由A到C的提升。

3 測試條件、設備和測試方法

3.1 測試條件

本文模擬高層住宅實際廚房的油煙機安裝方式進行測試，根據建筑標準[5]，公共煙道的尺寸與樓層數有關，目前城市常見的樓層為28層，據此，本實驗測試公共煙道尺寸設計為400 mm×500 mm。

圖3 用于實驗測試的模型圖

3.2 測試方法

3.2.1 測試系統

本次實驗采用的測試系統如圖3所示，包含方形簡易公共煙道、某直流電機型號油煙機、可讀取轉速的控制板、出風煙管（直徑170 mm）、壓力測試儀（如圖4所示）、市面上不同類型止逆閥、不同煙道出口直徑的密封板（本文通過改變出口密封板的出口直徑來實現背壓的調整）、手持噪聲測試儀及支撐支架。

其中：截面1所測壓力為油煙機的工作壓力，截面1-截面2的靜壓差作為出風煙管的壓力損失，截面2和截面3的壓差作為止逆閥的壓力損失。

3.2.2 測試儀器說明

（1）壓力測試儀：如圖4所示，用來讀取截面1、截面2、截面3三處的壓力來計算出風煙管和止逆閥的壓力損失；

（2）開關板：讀取測試檔位和電機轉速，通過該檔位和轉速可計算出油煙機的實際風量；

（3）手持噪聲儀：讀取油煙機在不同工況下的噪聲數據；（4）風量測試儀：測量實驗所用油煙機各檔位下的風量。

圖4 用于實驗測試的壓力測試儀

3.2.3 測試步驟

在本次實驗測試之前，需將本測試所用油煙機連接風量測試儀測出各檔位下風量與電機轉速的關系，如表1為10檔的P-Q曲線及相應的電機轉速，將該數據進行擬合，得出風量與轉速方程式，其他檔位方法一樣，最終擬合出10個檔位下風量與轉速的關系式，匯總如表2所示。該測試的目的是后續測試時通過電機轉速，可直接計算出該檔位下的油煙機實際風量，從而計算出阻力系數。

表1 10檔P-Q曲線與轉速的關系

表2 10個檔位風量與轉速方程式

具體實驗測試步驟如下：

（1）在油煙機、煙管一定的情況下，通過測試不同止逆閥類型下各檔位煙管末端P2與煙道內P3的壓力差、各工況下轉速n換算的風量Q來分析研究止逆閥的阻力系數k1跟止逆閥的結構類型關系；

（2）在油煙機、止逆閥一定的情況下，通過測試不同煙管狀態下各檔位煙管始端P1與煙管末端P2的壓力差、各工況下n換算的風量Q來分析研究煙管的阻力系數k2與煙管安裝方式的關系；

（3）在油煙機、煙管、止逆閥一定的情況下，通過采用不同孔徑出口板及調整止逆閥的開合角度來實現背壓的變化，研究公共煙道背壓對油煙機實際風量和工作噪聲的影響。

4 測試數據整理及結果分析

4.1 止逆閥的阻力系數影響因素

圖5 測試所用閥的種類代表圖

本文在實際測試過程中選擇了市面上常見的6個不同類型的止逆閥，如圖5所示。

本文通過測試出風煙管末端P2和煙道內P3的壓力差計算止逆閥的壓力損失、通過電機轉速n換算成風量Q、然后根據公式（3）計算出止逆閥的阻力系數k1，如表3所示為C類止逆閥5的測試數據，根據該測試數據，繪制出止逆閥其阻力系數k1與風量Q的關系曲線，其他類型的止逆閥測試原理一致，最終形成如圖6所示變化曲線。

表3 止逆閥5的阻力系數測試數據

圖6 閥的阻力系數與種類關系

（1）止逆閥阻力系數與風量的關系

通過圖6可知，低阻力系數的C類型閥，其阻力系數隨風量增大而減小，主要因為在小風量下，閥片開口角度較小，止逆閥的阻力損失要大一些；而在較大風量時，止逆閥開口角度較大，止逆閥產生的阻力較?。划旓L量大于某臨界值后，止逆閥的阻力系數基本保持不變；而較高阻力系數的如A、B類型閥，其阻力系數較為穩定。

（2）止逆閥結構類型對阻力系數的影響

通過圖6可知，不同類型的止逆閥其阻力系數相差較大；且阻力系數隨著口徑的增大而減少；其中較大的A類型閥阻力系數可穩定在3.0左右，而小的C類型閥阻力系數當風量達到一定程度后可穩定在0.5左右，相差6倍之多。

由此可見，小口徑閥的阻力系數很大，這會嚴重影響油煙機的排煙效果，如圖7所示，用兩臺不同性能油煙機經過風量測試裝置測試后的性能（P-Q）曲線；其中型號2的最大風量和最大靜壓都比型號1的高，因此，型號2機器本身性能強于型號1的，但如果型號2采用小口徑閥，其工作點在Ⅱ點，而型號1采用大口徑閥，其工作點在Ⅲ點，顯然Ⅲ點的工作狀態好于Ⅱ點。

圖7 不同類型煙機不同阻力下壓力與風量曲線示意圖

調查發現，目前大多數高層住宅采用的防火止逆閥都是A類型小口徑閥，因此，為了保證油煙機的吸煙效果，在安裝油煙機時需對原止逆閥進行更換，選擇大孔徑閥，尤其是低樓層廚房選擇大孔徑止逆閥可大大降低k1，對提高油煙機的吸力和降低噪聲有明顯影響。

4.2 出風煙管的安裝方式對阻力影響

影響出風煙管阻力的主要因素有：煙管的長度、煙管彎頭半徑和彎頭數量、煙管的拉直程度；而實際高層住宅中絕大部分的廚房煙管安裝只有一個彎頭且通過吊頂彎曲90°變向，故煙管彎頭半徑基本變化不大，本文在此不進行研究；由于高層住宅廚房的高度一般都在2.3～2.4 m左右，差異不大，而油煙機安裝高度和櫥柜高度通常都是標準的，因此在油煙機出口處煙管豎直段的高度相差不大，區別主要是拐彎后在吊頂上橫向連接防火止逆閥的這段煙管。因此，本文按照測試機型的安裝高度進行模擬測試，將豎直段長度固定在600 mm，分兩種情況進行測試：

（1）通過調整水平段煙管長度進行測試，多余長度將其折疊部分纏繞在出風罩口位置，保證測試水平段處于拉直狀態；

（2）在彎頭半徑和煙管長度一定時，調整水平煙管的拉直狀態分析對阻力系數的影響。

4.2.1 出風煙管的長度對煙管阻力系數的影響

測試條件：如圖8所示，本文測試共選取5種不同水平段長度的出風煙管，分別為600 mm、800 mm、1000 mm、1400 mm、1800 mm，通過記錄不同狀態下煙管始端P1和末端P2的壓力差、該工況下轉速n換算的風量Q，最后計算出該工況下的煙管阻力系數k2，如表4為水平段長600 mm的測試數據，其他四種長度測試原理相同，最終匯總成如圖9所示曲線。

圖8 煙管長度安裝示意圖

表4 水平段600 mm（拉直狀態下）阻力系數測試數據

圖9 煙管阻力系數與長度關系

通過圖9數據可知，煙管阻力系數隨煙管長度的增加而增大，煙管長度每增加1 m其阻力系數增加0.25左右，但目前高層住宅大部分廚房里只需安裝一根煙管（總長2 m），其橫向段長度一般不超過1 m，故拉直后煙管的阻力系數一般可控制在0.4～0.6之間。

4.2.2 出風煙管的拉直程度對阻力系數的影響

測試條件：本文測試的出風煙管共選取三種狀態：水平段長度500 mm不拉直、水平段長度650 mm不拉直、水平段長度800 mm拉直；測試方法和原理同煙管長度一致，讀取三種狀態下P1、P2及通過n計算的Q，從而計算出各檔位下阻力系數k2，并匯總如圖10所示曲線。

圖10 阻力系數k2與拉直程度曲線圖

通過圖10可知，煙管的拉直程度對其阻力系數有一定影響，當煙管不拉直時，雖然其長度縮短，但其阻力系數反而更大，不拉直時k2為0.9，拉直狀態下k2為0.5，兩者相差0.4，這也說明煙管的阻力系數k2受拉直程度影響遠大于煙管長度。

因此，煙管的安裝首先保證其處于拉直狀態，在此基礎上盡量縮短長度，這樣可降低阻力系數k2，有效提高油煙機吸力并降低噪聲。

4.3 公共煙道背壓的影響

（1）開機率和開機位置對背壓的影響

據研究表明[6]：高層住宅下公共煙道的背壓從底層到高層是逐漸降低的，且開機率越高，公共煙道的背壓越大。

（2）油煙機風量、工作噪聲與背壓的關系

測試條件：本文選擇6檔、7檔、8檔共3個檔位進行測試，噪聲測試儀固定于支架上并放在油煙機的前方，噪聲測試儀的高度為1.5 m；每個檔位下通過調整止逆閥的開口大小及煙道密封板的出口直徑大小來實現背壓的連續變化，通過讀取油煙機在不同工況下的轉速換算成相應的風量及工作噪聲，最終匯總為如圖11所示曲線。

通過圖11可知：

（1）在各檔位下，實際風量隨背壓的增大而降低；

（2）低檔的工作噪聲變化趨勢較大，當背壓增大到一定程度時，三個檔位的工作噪聲相差不大；而在某一固定檔位，當煙道背壓較低時，工作噪聲先維持不變，當背壓大于某一臨界值時，工作噪聲隨著背壓的增大而增大；另外，噪聲發生變化時的背壓臨界值與開機檔位有關，開機檔位越大，該背壓臨界值也越大，即高檔下油煙機的工作噪聲較穩定，變化趨勢較小。

因此，在高層住宅下油煙機使用高峰期時，低樓層的油煙機背壓大，吸力不好且工作噪聲大；而在非高峰期時，因樓道背壓小，各樓層的油煙機的吸力較好，工作噪聲也相差不大，處于較低狀態。

圖11 風量、噪聲與背壓的關系

5 結論

（1）防火止逆閥的孔徑大小對油煙機的阻力系數影響較大，通過實驗測試發現，目前市面上小口徑止逆閥阻力系數為3.0左右，而大孔徑的止逆閥阻力系數是0.5，相差6倍。因此選擇大孔徑止逆閥可有效提高油煙機的吸力并降低噪聲。

（2）出風煙管的安裝方式對油煙機的阻力系數也有一定影響。其中煙管的安裝狀態——是否拉直，對于煙管的阻力影響大于煙管的長度。因此，在安裝出風煙管時，首先保證煙管處于拉直狀態，將多余長度固定在出風口處，同時盡量縮短出風煙管長度，可將煙管的阻力系數控制在0.5左右，有效提高油煙機的吸力并降低噪聲。

（3）公共煙道的背壓直接影響油煙機的吸力和工作噪聲，而影響背壓的主要因素就是開機率和開機位置，高開機率下低樓層的油煙機背壓較大，油煙機的實際吸力較小，工作噪聲較大；低開機率下，煙道的背壓較低，各樓層的油煙機的風量較大，工作噪聲也較低。因此，高層住宅高樓層用戶因背壓較低，通過選擇大孔徑止逆閥及合理安裝出風煙管，選擇一般性能油煙機即可保證油煙機的實際吸煙效果，工作噪聲也較低；而對于低樓層用戶，因背壓較高，除選擇大孔徑止逆閥和煙管安裝合理外，還需盡量選擇大風壓、大風量油煙機才能保證油煙機的實際吸煙效果。