帶循環凈化單元的吸油煙機及污染控制技術

劉智 曲紹鶴 李忠華 高軍 侯玉梅 謝午豪

1.佛山市順德區美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528311；

2.同濟大學暖通空調研究所 上海 200092

0 引言

油煙污染是室內主要的污染源之一（包含顆粒物、PAHs以及VOCs、COx、NOx等氣態污染物）[1]，烹飪油煙污染成分極其復雜且具有高度不確定性。事實證明，暴露于食用油煙，可能會導致肺癌、慢性阻塞性肺疾病、缺血性心臟病和急性下呼吸道感染，且與不吸煙者的健康狀況有關[2]。吸油煙機作為廚房污染控制最為簡單直接的方式，且往往難以實現高效捕集，且在高層住宅廚房集中排煙系統中，多動力源匯流系統容易出現上部用戶排煙量大、下部用戶排煙量小的情況，極端工況下會發生底層用戶油煙排不出去，甚至出現倒灌的現象，致使吸油煙機排風量難以滿足用戶要求，污染物易溢出至廚房室內環境，急需其他處理溢出油煙污染的方式。最近許多研究者設置了向上或向下的氣幕，從射流速度、射流角度、射流口寬度探討對吸油煙機捕獲效率的影響，以建立良好的室內熱舒適性和健康環境[3,4]，但系統相對較復雜，實用性有待考證。已有研究表明，合適的氣流組織方式是高效室內污染物凈化效果實現重要的一環[5,6]，本研究將空氣凈化器與外排吸油煙機一體化設計并應用于廚房中，采用CFD仿真尋優手段，分別從出風速度以及出風角度來尋找循環凈化參數。研究為治理高污染濃度暴露的廚房烹飪環境提供了新思路，以期達到“健康烹飪”[7]。

1 數值模擬研究

根據典型中式烹飪廚房構建仿真模型，如圖1 a)所示，廚房計算模型長為3.5 m，寬2.7 m，高2.5 m。廚房烹飪區域考慮左、右灶同時烹飪工況，灶位間距設計參考實際燃氣灶具尺寸，兩個爐灶中心間距為390 mm。如圖1 b)定義兩個特征區域，其中呼吸區位于離地面1.45 m～1.5 m位置，寬度與高度都為5 cm，長度與吸油煙機等長；廚房空間為烹飪爐灶上側與吸油煙機下側區域以及吸油煙機與排煙管路本身外的整個室內空間。為貼近常見家用自然開窗補風方式，此次仿真開啟廚房右下角下懸窗補風。經過網格獨立性檢驗后，其網格數量最終為65萬，網格類型為以六面體為核心多面體過渡的混合網格，采用Realizable k-ε湍流模型對廚房內流場進行數值模擬，除壓力項采用Body force weighted離散格式外，其他項均采用了二階迎風格式進行離散，并采用SIMPLE算法對離散方程組進行求解。鍋設置為速度入口，熱功率為2.4 kW/灶，鍋散發溫度為300℃，仿真選取丙烯醛作為特征污染物，吸油煙機的排風口排出為速度邊界，油煙機排風量本次仿真設置為600 m3/h，窗戶補風設置為壓力入口，循環凈化單元布置在主風道正面，如圖2所示，凈化單元采取從兩側回風，正面出風的循環方式，并通過設置不同的出風口寬度，分別模擬出風1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s時，以水平出風和斜上45°出風的循環凈化效果和吸油煙機單獨開啟無凈化基準工況，仿真計算中保持循環凈化進出風溫度一致，為便于對比，統一設置仿真過程中凈化效率為100%。為對比烹飪過程中，帶循環凈化單元的吸油煙機與無循環凈化單獨吸油煙機開啟下的污染物控制效果，定義了對濃度減少率進行對比，計算如下式：

圖1 a) 廚房模型示意圖和b) 呼吸區

圖2 循環凈化出風口和回風口布置示意圖

式中，Crr是濃度減少率，可分別應用于呼吸區或廚房空間；Cy+j是吸油煙機與循環凈化單元同時開啟時，呼吸區或廚房空間的體積平均濃度；Cy是吸油煙機單獨開啟時，呼吸區或廚房空間的體積平均濃度。

2 實驗驗證測試

2.1 實驗方法

采用美的炒菜機器人加熱攪拌干辣椒的過程來模擬烹飪中釋放顆粒物和VOC的過程。測試分析吸油煙機在特定排風量下（600 m3/h），開啟循環凈化單元（循環風量100 m3/h，采用CFD仿真分析得到的較優循環凈化參數）對廚房內呼吸區和空間濃度的降低程度。在吸油煙機前側下方、高度1.475 m處布置1個測點（Pb）表征烹飪過程的呼吸區濃度；在廚房中心線高度2.2 m（P2.2）、1.5 m（P1.5）以及0.5 m（P0.5）布置3個測點表征廚房空間濃度，如圖3所示。開啟循環凈化單元的吸油煙機時的測試濃度記為CHood＋AC，關閉循環凈化單元，單獨開啟吸油煙機時的測試濃度記為CHood。

圖3 廚房空間PM2.5以及TVOC實驗測點示意圖

2.2 實驗步驟

（1）開啟吸油煙機至設定排風量，單獨吸油煙機工況為只開啟外排吸油煙機的工作狀態，帶循環凈化單元的吸油煙機工況為外排吸油煙機+循環凈化同時開啟的工作狀態；

（2）使用電子天平稱取普通干辣椒待用；

（3）開啟炒菜機器人，待鍋底溫度加熱至穩定后開啟自動攪拌，倒入干辣椒；

（4）開啟TSI-8532型DUSKTRAKTM Ⅱ氣溶膠監測儀和PGM7240有機氣體檢測儀連續測量呼吸區PM2.5和TVOC濃度12 min，然后依次測量廚房空間2.2 m、1.5 m、0.5 m高度測點，分別監測1 min；

（5）加熱約15 min后停止測試，排出廚房空間殘留油煙污染物，待測點濃度降至背景濃度；每組工況重復3次實驗測試，確保實驗結果的準確性。

3 結果與討論

3.1 仿真結果分析

吸油煙機單獨開啟以600 m3/h排風時，如圖4所示，廚房空間上部污染物濃度較高，形成明顯分層，且油煙受補風的橫向氣流影響主要從煙機的右前側溢出。如圖5和圖6所示，分別展示了1～4 m/s速度出風時，水平出風以及斜上45°出風時的污染物濃度云圖。隨著出風速度的增大，出風擾動能力加大，煙機前側誘導氣流溢出增加，并破壞原集中上部的溢出油煙，空間濃度被攪拌均勻，油煙前側誘導氣流溢出風險增加，當出風速度小于回風速度時，回風對于右前側的溢出氣流起主要作用，當出風速度大于回風速度時，出風口對于右前側的溢出氣流影響作用更大。水平出風時，當出風速度接近回風速度時，即出風速度為2 m/s時，側面回風氣流與出風氣流形成相互牽制干擾，此時廚房空間污染物濃度較高，為最不利；而水平出風，出風速度為4 m/s時，出風對烹飪羽流誘導溢出效應明顯。整體斜上45°出風時，空間中污染物濃度較水平出風時更低，出風宜斜向上擾動上部氣流，減少來自左側橫向氣流對于右側回風口循環吸收右前側溢出氣流的干擾，在出風速度為3 m/s時，斜上45°循環凈化效果較好。

圖4 單獨吸油煙機開啟循環凈化單元關閉濃度云圖

圖5 循環凈化單元水平出風時不同出風速度濃度云圖

圖6 循環凈化單元斜上45°出風時不同出風速度濃度云圖

為定量描述不同循環凈化單元出風角度以及出風速度帶來的影響，對比了不同循環凈化參數下的呼吸區以及廚房空間濃度減少率。如圖7所示，呼吸區濃度減少率與廚房空間濃度減少率變化趨勢基本一致，對比循環凈化單元的不同出風角度發現，不同速度下斜上45°出風的呼吸區濃度減少率范圍為：35.9%～64.8%；而水平出風時的廚房空間濃度減少率范圍為：35.1%～66.5%，呼吸區減少率斜上45°出風與水平出風較為接近，且由于出風速度加大，對于烹飪羽流的誘導卷吸效應增強，當出風速度為4 m/s時，呼吸區濃度減少率都比較低。不同速度下斜上45°出風的廚房空間濃度減少率范圍為：67.1%～86.7%；而水平出風時的廚房空間濃度減少率范圍為：26.2%～65.4%，廚房空間濃度減少率斜上45°出風明顯高于水平出風，而出風速度為2 m/s時，循環凈化回風與出風相互牽制干擾，無法形成有效循環凈化氣流，致使廚房空間濃度減少率最低，綜上發現，以速度3 m/s以及角度斜上45°出風循環凈化效果較優，較單獨吸油煙機開啟，該帶循環凈化單元的吸油煙機氣流組織形式下呼吸區以及廚房空間濃度能減少66.5%和86.7%，預期可有效改善廚房高污染濃度暴露環境。

圖7 各種循環凈化參數下呼吸區和廚房空間濃度減少率

3.2 實驗驗證測試結果

基于CFD仿真分析優化結果，利用速度3 m/s以及角度斜上45°的較優循環凈化參數，實驗測試了帶循環凈化單元的吸油煙機的污染物控制效果。如圖8 a)和圖8 b)所示，在實際烹飪炒干辣椒的實驗中，使用帶循環凈化單元的吸油煙機時，表征人體呼吸暴露的Pb測點PM2.5濃度為0.054 mg/m3，較單獨吸油煙機時的PM2.5濃度：0.114 mg/m3，能減少約53%；而對于TVOC濃度，呼吸區（Pb）濃度也能從單獨吸油煙機時的288 ppb減少為使用帶循環凈化單元的吸油煙機時的208 ppb，TVOC濃度減少率為28%。由于實際循環凈化單元對TVOC凈化效率低于PM2.5的凈化效率，所以TVOC的濃度減少率低于PM2.5。對于廚房空間測點，在污染物濃度較高的1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）測點PM2.5濃度分別能減少62%和70%，分別從0.084 mg/m3和0.072 mg/m3，減少為0.025 mg/m3和0.027 mg/m3，而1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）測點TVOC濃度分別能減少27%和30%。

圖8 實驗測試測點a) PM2.5濃度，b) TVOC濃度

4 結論

本文利用CFD數值模擬方法對比了不同循環凈化參數下帶循環凈化單元的吸油煙機較單獨吸油煙機開啟下的污染物控制的提升效果，不同速度下斜上45°出風的呼吸區濃度減少率與水平出風時較為接近，當出風速度為4 m/s時，呼吸區濃度減少率最低；同一速度下斜上45°出風的廚房空間濃度減少率高于水平出風：1.8%～54.6%。在本文討論參數范圍內，速度3 m/s以及角度斜上45°出風循環凈化效果較優，較單獨吸油煙機開啟，該帶循環凈化單元的吸油煙機氣流組織形式下呼吸區以及廚房空間濃度能減少66.5%和86.7%。基于CFD仿真分析優化結果，采用速度3 m/s以及角度斜上45°的較優循環凈化參數，實驗測試了其污染物控制效果，呼吸區PM2.5和TVOC濃度分別能減少53%和28%，在污染物分布較多的廚房空間上部，PM2.5濃度能減少60%～70%，TVOC濃度能減少27%～30%。