窗與油煙機距離對廚房污染物的影響

王淼 張育瑞

江蘇龍騰工程設計股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

廚房作為住宅建筑的重要組成部分之一，也是各種生活設備相對比較集中、污染物散發相對比較嚴重的區域。尤其在烹飪的過程中會產生大量的有害氣體，比如NOx、CO和CO2等，以上這些有害氣體嚴重影響了廚房內部的清潔衛生和室內空氣品質[1]；一旦廚房發生煤氣的泄漏， 很容易發生比較嚴重的安全事故。因此，我們必須采用合理氣流組織及足夠的通風換氣量來保證廚房的衛生條件，使之既能有效地排放有害氣體，同時又能減少室內冷（熱）負荷。相關文獻[2]從室內空氣污染對室內人員的危害程度、廚房污染物的成分以及對人體健康的危害程度、不同通風系統的優缺點、機械通風下廚房及衛生間的氣流組織情況、不同風量下的廚房區域油煙濃度場等方面進行了研究。本文通過CFD-fluent 6.2數值模擬軟件對窗口與油煙機不同距離廚房污染物分布進行CFD模擬分析，并與實測污染物濃度進行對比。

1 實測廚房尺寸及相關數據

1.1 結構模型

廚房的布局為規則的方形結構。廚房長3.4m，寬2.1m，高2.4m。廚房內設有門、窗及常用的廚具設備。廚房內部的主要污染源在灶臺處，灶臺處的油煙主要依靠油煙機抽吸排至煙道。假設廚房門為關閉狀態，模擬軟件中將門設置為Wall，在油煙機機械排風的條件下，設定窗為打開狀態。灶臺正上方抽油煙機完成負壓排風。操作人員簡化為1.6m×0.25m×0.25m的長方體模型，設定灶臺高度為0.8m，設定油煙機的安裝高度為1.6m，排風口設定為0.3m×0.3m。

1.2 數學模型

模擬的數學模型作如下處理：

1.2.1 廚房的內部四周墻壁定義為絕熱壁。

1.2.2 廚房的通風設為定常流；符合Boussinesq假設（考慮浮升的影響）。

1.2.3 廚房內產生的污染物的主要成分是一氧化碳和二氧化碳，且氣體具有一定的溫度，所以我們采用組分傳輸來進行模擬分析。

1.2.4 本文采用有限元法的數值模擬方法，利用SIMPLE算法對方程進行離散求解，運用T-Gird四面體非結構化網格，并在重要區域進行局部加密處理，可以提高計算精度。

根據流體力學相關理論，其數學模型[3]可以描述為如下：

連續方程：

運動方程：

其中應力張量為：

能量方程：

擴散方程：

其中，iu為流體在ix方向上的速度分量，ρ為流體密度，h為靜態焓，μ為流體的動力黏性度，k為分子導熱率，iJ為由于濃度梯度引起的組分i的平均濃度。

1.3 邊界條件

其中進口條件為：設定直徑為250mm的燃氣灶（雙眼）為速度入口，速度假定為0.5m/s，溫度設定313K，設定一氧化碳的組分含量為0.5%，設定二氧化碳的組分含量為9%，設定污染源在排風口正下方，距離油煙機的排風口為0.7m。

出口條件設定：設定為排風扇的出口條件；

廚房的窗戶設定為壓力入口；

壁面條件設定：壁面的條件采用無滑移的條件。

2 數值計算及結果分析

本文實測的廚房模型抽油煙機與窗口的距離為1.9m，為了研究抽油煙機與窗口距離對廚房內有害物分布的影響，本文對抽油煙機與窗口距離分別為1.5m、1.7m、1.9m、2.1m和2.3m分別進行模擬分析。

圖1~圖5表示窗口與抽油煙機不同距離時在人體呼吸區Z=1.5m處有害物的濃度變化趨勢；圖6為窗口與抽油煙機不同距離時實測有害物摩爾濃度的變化趨勢。

圖1 窗口與抽油煙機距離1.5m

圖2 窗口與抽油煙機距離1.7m

圖3 窗口與抽油煙機距離1.9m

圖4 窗口與抽油煙機距離2.1m

圖5 窗口與抽油煙機距離2.3m

圖6 窗口與抽油煙機距離不同距離時污染物摩爾濃度

由圖6可知：

當窗口與抽油煙機的距離為1.9m時，人員呼吸區的實測數據為：Z=1.5m處的有害物摩爾濃度為4.21E-05 mol/L。對于窗口與抽油煙機的距離為1.9m的實測模型進行模擬計算，由圖4可以得出Z=1.5m處有害物濃度為4.11E-05 mol/L。通過模擬計算可知Z=1.5m時模擬計算值與實測值僅相差3.23%，由此可證明模擬計算的結果與實際是吻合的。

由圖1-圖5窗口與抽油煙機不同距離的濃度場分布截面分析可得，當窗口與抽油煙機距離為1.5m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為8.00E-05 mol/L，超過規范要求48.8%。當窗口與抽油煙機距離為1.7m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.50E-05 mol/L，超過規范要求25.5%。當窗口與抽油煙機距離為1.9m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為4.0E-05 mol/L，符合規范要求。當窗口與抽油煙機距離為2.1m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.0E-05 mol/L，超過規范要求18%。當窗口與抽油煙機距離為2.3m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為6.5E-05 mol/L，超過規范要求36.9%。

3 結束語

通過模擬與實測數據對比，結果表明窗口與抽油煙機的距離對廚房內有害物分布有一定的影響，由圖6可知，當廚房的窗口與抽油煙機距離為1.8～2.0m時，有利于廚房有害氣體的排放，人體呼吸區的有害物的濃度能滿足規范的要求。

在一定范圍內，廚房的窗口與抽油煙機距離增加是有利于廚房有害氣體的排放，當廚房的窗口與抽油煙機距離增加到一定距離后繼續增加窗口與抽油煙機的距離，不利于廚房有害氣體的排放。

由于條件受限，本文僅僅針對0.8m時的窗臺高度進行實測數據與模擬計算的對比分析。因此，部分實測及模擬數據有待進一步的驗證，以確保廚房的有害物濃度能滿足規范及人員健康的要求。