油煙機捕集性能測試與評價方法

王詩琪 徐先港 董建鍇 劉京 王昭俊

哈爾濱工業大學建筑學院 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 150090

0 引言

廚房烹飪是住宅內污染物的重要來源之一。廚房內空氣品質的下降，一部分是由于燃料（天然氣、液化氣等）燃燒釋放有害氣體和廢熱，另一部分來自于食材加熱過程中產生的油煙、油霧滴、水蒸氣和異味等[1]，其中含有大量的CO、CO2、NOx、SO2、可吸入顆粒物和多環芳烴、醛類、酮類、脂肪酸等多種致癌組分[2-4]。因此，需要采取有效措施來減輕污染物擴散、營造良好廚房環境、保障人體生命健康。

當前，住宅廚房污染物排除方式主要有被動式開窗通風與油煙機機械排風[5,6]兩種。其中，油煙機是目前住宅廚房內普遍使用的吸排污染物設備，其內部電機帶動葉輪旋轉，在進風口處形成一定范圍的負壓區，烹飪過程中產生的油煙、蒸汽和廢熱在壓差的作用下向油煙機吸風口聚集，經油煙機分離過濾后排放到室外[7]。

國內相關標準中油煙機的性能指標包括安全性能、空氣性能（風量、風壓、全壓效率）、氣味降低度（常態氣味降低度、瞬時氣味降低度）、油脂分離度、噪聲、調速六項[8,9]。其中，氣味降低度多用于評價油煙機捕集污染物的性能。然而，氣味降低度的實驗室測試條件與實際應用條件間存在差異[10]，實驗室數據難以衡量真實工況下油煙機的實際性能。針對該問題，國內外眾多學者進行了大量研究并提出了捕集效率的概念，并對其影響因素進行分析。

為掌握國內外對于油煙機捕集性能的研究進展，明晰未來油煙機捕集性能的研究方向，本文調研油煙機捕集性能評價指標，總結不同評價指標的測試方法，分析捕集性能影響因素，以期完善油煙機標準評價體系，提出研究新思路。

1 捕集效率

1.1 定義

捕集效率通常定義為油煙機捕集的污染物量與污染源散發的污染物總量的比值。如圖1所示，假設油煙機排風量為qf，污染源持續散發的污染物總量為Sp，排風罩捕集的污染物量為Sc，排風罩罩口的污染物濃度為Cc，則油煙機的捕集效率CE定義如式（1）所示[11]。

圖1 經典廚房排煙模型

未被油煙機捕獲的污染物量稱為逃逸量Se，根據式（2）計算。

由于Sc、Sp、Se難以準確測量，Wolbrink等人[12]在此基礎上提出改進公式（3），將區域劃分為烹飪區和房間其他區域。

式中，cr為房間其他區域的污染物濃度，c0為室外環境中的污染物濃度，cc為排氣管處污染物濃度。

考慮到烹飪區與房間其他區域之間存在空氣交換，Li等人[13]對公式（3）做出改進，提出公式（4）。

式中，qv為全面通風率，qf為通過排氣管的流量。可見，若qv=0，式（4）將與式（3）相同。圖2為相應的模型，qe為從排風罩前部逃逸的流量，污染源處產生的總污染物量為S0p+(qf+qc)cr，油煙機所捕集的污染物量為qf cc。

圖2 考慮空氣交換的廚房排煙兩區模型

1.2 測試方法

捕集效率的測試一般不在實際烹飪過程中進行。實際烹飪過程所產生的油煙組分極為復雜，各組分之間可能互相影響，而且烹飪方式、加熱溫度、食物種類等的變化較大，此時的污染物散發量較難直接測量和計算。且傳感器等測量儀器長期暴露在油煙中，容易受到損壞，使測量結果產生較大誤差。因此，通常在實驗室條件下采用示蹤氣體法、煮水法和顆粒物法進行捕集效率的測試。

1.2.1 示蹤氣體法

示蹤氣體法通常使用CO2和SF6等無毒、不燃、化學性質穩定、易測量的高純度示蹤氣體來模擬污染物[14]，并由一套穩定可操控的裝置進行釋放，是目前ASTM（美國材料實驗協會，American Society of Testing Materials）標準所用的方法，也是近年來所提出的一種較為新穎的方法[15]。

測試室由操作臺、示蹤氣體散發裝置、機械排風系統和機械送風系統4部分組成，見圖3。機械排風系統有油煙機、排氣管道、流量測試裝置、流量控制裝置和輔助風扇5大部件。油煙機運行時會在室內形成較大負壓，為避免未經處理的氣體通過門窗縫隙等滲入，測試時需要設置機械送風系統。機械送風主要分為天花板送風和操作臺下側送風兩種形式。測試過程中需保持較低風速（ASTM標準推薦值＜0.5 m/s），以免對測試環境形成擾動；同時在50 Pa泄漏量下，測試室每小時的換氣次數應小于2.5次。此外，送風管道需設置過濾裝置，以免送入空氣影響測試結果。

圖3 測試室示意圖

示蹤氣體散發裝置主要由示蹤氣體氣瓶、流量控制裝置、風機、電加熱器、散發鍋體及各閥門、連接管道組成，以創建一個在熱量上和幾何上與實際烹飪等價的過程。而ASTM所采用的方法中，示蹤氣體散發系統前部與國內行業標準相似，但在末端處由上下均勻布滿圓孔的均流板代替散發鍋體，示蹤氣體通過圓孔均勻被釋放，與熱羽流充分混合。圓孔直徑為3.5 mm，上表面至少需要30個孔，下表面至少需要15個孔。

在計算捕集效率時，一般分為兩種方法。一種是直接法，根據行業標準T/CAS 337-2019《吸油煙機捕集性能測試與評價》[16]，由所測數據直接求出油煙機捕集量和散發裝置散發量，如公式（5）所示。首先將散發裝置安裝在油煙機正下方10 cm的位置，油煙機風量調整至Q2，保證散發物全部被油煙機抽吸而排出，穩定后連續測試30 min內特征污染物的排風管濃度及測試室背景濃度；然后調整散發裝置的位置至灶臺處，風量調整至Q2，穩定后連續測試30 min內特征污染物的排風管濃度及測試室背景濃度。該方法可實現高精度測量，保證數據的穩定性和復現性。

式中：Q1為散發量測試時的油煙機風量；Q2為捕集量測試時的油煙機風量；C0為房間的污染物背景濃度；Cp1為散發量測試時排氣管內污染物濃度；Cp2為捕集量測試時排氣管內污染物濃度；t1為散發量測試時污染物濃度達到穩定的時刻；t2為捕集量測試時污染物濃度達到穩定的時刻。

另一種是間接法，由逃逸率得出捕集效率。根據穩態時各測點的污染物濃度進行計算。假設排氣管內濃度為Ce，廚房背景濃度為Cc，送風口處濃度為Ci。排氣管處和送風口處可在其截面上均勻布置多個測點求平均值。背景濃度測點位于灶臺中心線上，高度和與灶臺距離的選取應能具有代表性。則計算如公式（6）所示[13]。

使用示蹤氣體模擬特征污染物的方法，對測試儀器、測試用具和測試環境等的要求較高，尤其是示蹤氣體釋放裝置，需要保證示蹤氣體能與熱羽流充分混合。釋放裝置與家用燃氣灶、電磁爐等存在一定差異，使用該方法時熱源性能的測試將受到限制，與實際家庭烹飪情況不太相符。但該方法有利于形成一套標準化的測試流程，實驗的穩定性和重復性較好，受額外因素的影響較小，污染物的釋放較為可控和穩定，更適合應用于實驗室內對油煙機的測試。

1.2.2 煮水法

煮水法采用煮沸的方式，該過程人員操作方便，所產生污染物的組分相對簡單，主要為燃料的燃燒產物和水蒸氣，一般采用CO2作為燃燒器的污染物標志。該方法也分為直接法和間接法。

直接法認為產生的CO2僅為燃料燃燒時產生的污染物散發量，在假設燃料完全燃燒的情況下，CO2散發量通過化學計量法求得，CO2捕集量為油煙機風量與排氣濃度的乘積。捕集效率計算如公式（7）所示。

式中：Qe為油煙機風量；Ce為排氣管內CO2濃度；Cr為房間的CO2背景濃度；Qfuel為燃料流量；N為燃料中碳的摩爾分數（每摩爾燃料中含有碳的摩爾數），基于燃料組分。

間接法與示蹤氣體法的間接法原理相似。但煮水法所測試的污染物主要來源于燃料燃燒，因此不適用于使用電磁爐的情況。該方法具有操作方便的優點，適用于一般的測試或作為其他實驗的附屬實驗。但該方法也存在一些缺點，CO2傳感器對水蒸氣較為敏感，會影響測試結果的準確性。實際烹飪過程更為復雜，人員活動更頻繁會帶來擾動。用鍋煮水需要更多熱量用于液態水到水蒸氣的相變，因此在對鍋輸入相同熱量的情況下所產生熱羽流更少。兩種方法中部分參數需在數據達到穩定狀態時再進行讀取。

1.2.3 顆粒物法

顆粒物法是以烹飪時產生的顆粒物為測試對象的方法。Lunden[17]的測試中以765 L/s的體積流量向房間內送入經過過濾的空氣，并在室內設置兩臺風扇均勻混合空氣，氣流在兩處分別降低至292 L/s和552 L/s。考慮到顆粒物擴散時會在排風罩和管道內附著，使得在排氣管處測得的顆粒物濃度與實際存在一定偏差，因此通過測試油煙機開啟和關閉狀態時房間內的顆粒物濃度得到逃逸率，從而間接計算出油煙機的捕集效率，如公式（8）所示。

式中：Croom,hood_on為烹飪時油煙機開啟狀態下房間中的顆粒物濃度；Croom,hood_off為烹飪時油煙機關閉狀態下房間中的顆粒物濃度；Cbkg為無烹飪活動時房間背景顆粒物濃度。

顆粒物在擴散、傳播的過程中，易于沉降、附著，無法準確測量油煙機捕集的顆粒物濃度，只能通過測量油煙機處于不同狀態時廚房內的濃度而間接求出捕集效率。廚房內的干擾因素較多，易造成結果不準確。且顆粒物傳感器的成本較高，因此使用該方法的實際測試研究較少。

2 氣味降低度

2.1 定義

氣味降低度是指油煙機在規定的實驗條件下，降低室內異常氣味的能力，又可分為常態氣味降低度和瞬時氣味降低度[8]。

常態氣味降低度是指在規定的實驗條件下，實驗室持續、定量產生異味時，油煙機同步運轉，30 min內降低室內異常氣味的能力，如公式（9）所示。瞬時氣味降低度是指在規定的實驗條件下，實驗室異味濃度達到最大時，開啟油煙機，3 min內降低室內異常氣味的能力，如公式（10）所示。國家標準中要求常態氣味降低度應不小于90%，瞬時氣味降低度應不小于50%。

式中：b1為實驗室最大氣味濃度；b2為油煙機運轉3 min時實驗室最大氣味濃度；b3為油煙機運轉30 min時實驗室最大氣味濃度。

2.2 測試方法

GB/T 17713-2011《吸油煙機》[8]中氣味降低度的測試裝置由溫控系統、滴液系統和采樣系統三部分組成。溫控系統提供熱源并進行控制，用電爐為試驗鍋加熱，通過該系統自動監測使鍋底保持（170±10）℃；滴液系統采用液體為（300±1）g的室溫蒸餾水和（12±1）g的丁酮組成的混合液；采樣系統在垂直于地面每隔500 mm等間距布置四個采樣點，將四個采樣管匯合成一根總管進行測試采樣。實驗條件為，環境條件達到環境溫度（20±5）℃，相對濕度40%～70%，大氣壓力86～106 kPa。實驗室應具有一定的密封性，封閉實驗室進行采樣測得最大氣味濃度，1 h之后再次采樣，其下降值應不大于5%。油煙機默認安裝高度為制造商隨機提供的用戶使用說明書中標識出的最小安裝高度。

為方便操作，如圖4所示，氣味降低度的測試形式可以采用示蹤氣體法的實驗裝置和實驗形式，在此基礎上增加采樣系統和攪拌的風扇。根據實驗室尺寸和特征污染物散發量，垂直于地面均勻布置多個采樣點。

圖4 氣味降低度測試流程

3 影響因素

在針對捕集性能的相關研究中，關注點多集中在捕集效率上，油煙機的捕集效率與安裝高度、風量、風壓、排風罩類型、補風、熱源位置和強度等因素有關。

3.1 安裝高度

安裝高度決定了烹飪污染物到排風罩的運動距離，對油煙機的捕集效率造成直接影響。6種排風量在187 m3/h～594 m3/h具有高低檔位的油煙機在61 cm、69 cm和76 cm的安裝高度下，捕集效率值為42.8%～96.2%。其中，在50%的時間中61 cm工況的捕集效率最高，在67%的時間中76 cm工況的捕集效率最低，在52%的時間中69 cm工況的捕集效率介于其他安裝高度工況之間。當安裝高度由76 cm下降至69 cm和由69 cm下降至61 cm時，分別有50%和25%的配置表現出捕集效率有顯著變化[18]。對于同一油煙機，燃燒器輸入功率為450 W，在360～720 m3/h區間內改變油煙機風量，安裝高度為61 cm的捕集效率普遍大于安裝高度為81 cm的捕集效率，且在風量小于540 m3/h時更明顯[19]。但對于具有深凹或其寬度擴展到覆蓋前燃燒器排風罩的油煙機，其在低安裝高度和高安裝高度的捕集性能差異較小[20]。

因此，適當降低油煙機的安裝高度可以提高其捕集性能，且安裝高度的變化對于較高安裝高度下的捕集性能影響更大。但是，過低安裝高度的油煙機也存在一些問題。人員的操作空間受到限制，易造成碰撞。對于大功率灶具存在溫升超標問題，火苗有被風口吸入的風險，易導致火災發生，也會給爐灶造成不必要的熱損失。

3.2 風量與風壓

在低風量范圍內，風量是影響捕集性能的重要因素。將風量從180 m3/h增加到540 m3/h，捕集效率可提高30%[21]。風量為300～600 m3/h時，捕集效率隨風量增大而增大，倒錐深腔型油煙機的捕集效率從68.1%逐漸增長到88.7%，增量為20.6%；平板導煙型油煙機的捕集效率從74.1%逐漸增長到91.3%，增量為11.2%。但當風量大于600 m3/h時，兩種油煙機的捕集效率均無明顯變化[22]。

對8種型號油煙機在不同風量范圍和不同安裝高度下的捕集效率進行測試，所測得的值為58%～97%。在一定范圍內，風量與捕集效率之間存在一般正相關關系。但無論是在相同型號油煙機（不同的安裝高度）的測試中，還是在不同型號油煙機的測試中，都表現出捕集效率在較高的風量下有減小的趨勢。當風量≥540 m3/h時，全部油煙機的捕集效率均超過80%；當風量小于540 m3/h時，捕集效率隨風量的變化顯著[20]。

可見，存在某一風量可以使油煙機捕集效率達到峰值。并且，過度追求大風量并不能有效增大油煙機的捕集效率，并且滿足大風量需要更高性能的風機，往往易帶來更多的噪聲、更高的成本和能耗，廚房內的新鮮空氣也會隨著油煙一同被油煙機抽吸，不適合日常在住宅中使用。從整體來看，若某一住戶采用風量過大的油煙機，會使得煙道內壓力不均，給使用小風量油煙機的住戶帶來油煙倒灌的困擾[23]。所以使油煙機在相對較低的流量下具有足夠高的捕集效率是很重要的。

風壓對于捕集性能的作用效果與風量類似。通過數值模擬的手段，在原型機壓力-300 Pa前后選取4個等距壓力點-200 Pa、-250 Pa、-350 Pa、-400 Pa來探究風機抽吸壓力對集成灶捕集效率的影響。-300 Pa時最低捕集效率為84.52%，-400 Pa時最低捕集效率為97.27%[24]。隨著風機壓力絕對值的增大，捕集效率的最低值有明顯提升，且捕集效率總體上也有一定提升。但風壓的增加同風量一樣，會帶來能耗、噪聲和油煙倒灌等問題。

3.3 排風罩類型

排風罩是油煙機的重要組成部分，如表1所示，采取加裝導煙、整流裝置或改變罩的深淺等措施，對排風罩的結構進行合理優化，可以在一定程度上提高油煙機的捕集效率。

從表1可以看出，數值模擬的結果較實際測試結果偏大，由于沒有考慮運行時的阻力等情況，數值模擬的結果更加理想化。數值模擬的方法可以研究更多工況下的捕集效率，尤其是在實際中由于條件限制無法測試到的工況，可以驗證實際測試的結果可行性。因此，該方法一般可以用于油煙機的設計優化階段，或者作為實際測試的輔助來驗證實際測試的可行性和準確性。

表1 對排風罩采取優化措施后的捕集效率

3.4 補風參數

單獨使用抽油煙機作為廚房排風系統時易產生負壓區，從而無法有效地將烹飪產生的油煙快速排向室外，往往依靠自然送風也無法完全解決。因此有時需要合理的補風系統來改善廚房氣流組織[30]。增設空氣幕系統是目前常用的且逐漸成熟的一種補風方式[31]。如圖5所示，主要有三種形式。

合理使用空氣幕可以有效改善油煙機的捕集效率。使用圖5 b）形式的空氣幕進行研究，結果表明：窗戶開啟時的改善程度大于窗戶關閉時；窗戶關閉時，當空氣幕關閉時，捕集效率為78.25%～82.5%；當空氣幕速度為0.5 m/s、1.0 m/s和1.5 m/s時，捕集效率分別為82.12%～86.52%、79.81%～86.73%和72.20%～77.46%。空氣幕在較低速度范圍內，速度越大則捕集效率越高；而在高速度范圍內，捕集效率隨速度增大而有所降低。同時，當窗戶關閉時，大多數情況下捕集效率隨檔位的升高而增大。當窗戶關閉時，捕集效率的最高值86.3%出現在油煙機高速檔、補風速度1.0 m/s的工況。而當油煙機為低速檔、補風速度為0.5 m/s時捕集效率為85.25%，非常接近最高值，從節能的角度考慮，可以認為此時為最佳工況[32]。

圖5 空氣幕示意圖

3.5 熱源位置和強度

熱源的強度和位置會對烹飪活動的污染物散發產生影響，從而影響油煙機的捕集性能。

由表2可得，在一定范圍內，捕集效率隨熱源輸入功率的增大而減小。當熱源強度大時，形成的熱羽流較粗壯，增加了逃逸率。在使用家用燃氣灶時，國內家庭多數使用單眼灶或雙眼灶，而國外家庭使用多眼灶居多。在使用雙眼灶時，排除開窗位置等擾動因素外，熱源位置對捕集效率的影響較小。而在使用多眼灶時，由于排風罩不能完全覆蓋住前熱源，會造成部分熱羽流的逃逸，后熱源能被很好地覆蓋，使得在使用后熱源時油煙機的捕集效率大于使用前熱源時，使用左側和右側熱源時的捕集效率值相當。

表2 不同熱源位置和強度的捕集效率

4 討論

由于受測試方法、測試條件、測試對象和測試工況等因素的影響，捕集效率值的研究結果差異較大。影響油煙機捕集效率各因素之間的關系還不夠明確，可以考慮進行交互作用的正交實驗，對影響因素做顯著性排序，并對顯著因素做單因素分析，從而發掘關鍵影響因素并設法改進。

由于使用電磁爐時無明火，所以熱源處不會產生污染物，可以通過能產生污染物排放的實際烹飪過程來進行捕集效率測試。中式烹飪多為煎炸、爆炒等高強度方式，烹飪時的污染物濃度、溫濕度較高，在進行捕集效率測試以及將來對油煙機捕集性能優化時，應該根據這些實際情況對已有方法進行相應調整。

在測試時，為防止廚房內負壓過大，往往需要對廚房進行送風，這也是影響油煙機捕集效率的一個因素。然而現有研究中有的采用自然送風，有的設置專門的機械送風系統，對于送風方式和送風量并沒有規范化的要求。為解決由此差異性對結果的影響，應該根據房間大小和油煙機工況對送風方式和送風量進行明確規定。目前的測試多基于封閉式廚房展開，對開放式廚房環境中的油煙機捕集性能研究較少。而開放式廚房中的污染物更容易擴散到客廳等鄰室，這對油煙機的捕集性能將要求更高。

在設計或評價油煙機時，需要將捕集性能與噪聲、能耗、空氣性能等其他指標相結合，得到整體最優工況。廚房油煙機還需要形成一套綜合性的測試與評價體系，在各個性能指標均達到標準的基礎上，對每個指標進行權重劃分，得到一個反映油煙機綜合性能的評價分數。同時，在日常烹飪中油煙機與燃氣灶通常是配套使用的，它們之間的聯系緊密，可以考慮設計一種綜合油煙機捕集效率與燃氣灶熱效率的測試與評價方法。

5 結論

提高油煙機的捕集性能，有效控制污染物的捕集與排放是目前亟需解決的問題。研究總結了關于油煙機捕集性能評價指標與測試方法，并分析不同影響因素對油煙機捕集性能的影響，主要結論可歸納如下：

（1）捕集性能評價指標體系有捕集效率和氣味降低度。捕集效率的概念應用更加廣泛，而氣味降低度的概念被國家標準所采用。

（2）捕集效率的測試方法主要有示蹤氣體法、煮水法和顆粒物法。示蹤氣體法有利于形成一套標準的測試流程；煮水法操作簡便；顆粒物法由于涉及顆粒物的沉降、附著，易造成結果不準確。

（3）氣味降低度可分為常態氣味降低度和瞬時氣味降低度。為方便操作，可以采用示蹤氣體法的測試裝置進行測試。

（4）影響捕集性能的因素主要有安裝高度、風量、風壓、排風罩類型、熱源位置和強度。在一定范圍內降低安裝高度和熱源強度、增大風量風壓、使用后熱源并采取適當的補風可以有效提升油煙機的捕集性能，而超過該范圍后，捕集性能變化不明顯，還會增加能耗與噪聲。