低能耗住宅烹飪過程廚房及其鄰室細顆粒物暴露評價*

馬瑛超 苗艷姝 孟 沖 董建鍇△ 徐先港

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.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,哈爾濱;3.中國建筑科學研究院有限公司,北京)

0 引言

隨著生活品質的提高,人們越來越關注生活環境的舒適性、安全性和健康性。據統計,居民超過70%的時間是在室內度過的,室內空氣品質的好壞直接影響人們的身體健康。廚房作為居住建筑的重要組成部分,是室內顆粒污染物產生的重要來源,長期暴露在顆粒污染物中可引發心血管病、呼吸道疾病及肺癌[1],因此,該問題引起了人們的廣泛關注。中式烹飪方式高油、高鹽、高溫等特性導致烹飪過程中散發有害氣體和顆粒物較多,甘陽陽對蒸、鹵、煎、炒烹飪方式下封閉廚房內的細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)濃度進行了實測,發現煎、炒時的濃度增長最快,PM2.5、PM10的峰值質量濃度分別為1 400、1 800 μg/m3[2]。同時,低能耗住宅具有高氣密性的特點,影響烹飪污染物的有效排除。傳統廚房通風設計不足、排風罩捕集效率低[3],導致低能耗住宅烹飪污染物在室內的擴散問題進一步加劇。相關學者提出利用氣幕效應的補風槽、油煙機導風板、吊頂通風系統、熱置換通風、吹吸式通風等補風方式[4-7],控制污染物的擴散,但未探究制約顆粒物在廚房及其鄰室空間擴散的影響因素及關鍵參數。此外,現有研究關注暴露與排放關系,構建了人體吸入污染物量與室內污染源量之間的定量關系。劉昱結合人員停留時間和人體肺部顆粒物濃度箱模型,發現冬季門窗均關閉的情況下,烹飪人員對油煙污染物的吸入率最大[8]。研究人員對各季節5種典型通風工況進行模擬,發現廚房操作人員呼吸處油煙PM2.5暴露量冬季最大[9],組織良好的補風系統可以將個體暴露水平降低2～3 個數量級[10]。但以上研究大多采用數值模擬進行簡化,研究工況單一,沒有考慮不同人群具有不同的微環境時間安排、行為模式及呼吸速率,由此導致個體顆粒物評價結果表現出差異性。另外,廚房污染物對住宅整體環境的影響未受到關注,除了烹飪期間,人體在客廳、臥室等區域活動,對細顆粒污染物在鄰室的傳播及其影響因素研究較少,缺少鄰室暴露量評價。

因此,針對上述問題,本文搭建了嚴寒地區低能耗住宅廚房實驗臺,設計了正交試驗,對低能耗住宅烹飪污染物對廚房及其鄰室人員的暴露問題進行了研究,分析了不同工況下廚房及其鄰室細顆粒物質量濃度分布特性及影響因素,結合嚴寒地區人員烹飪特點、室內不同房間停留特點、行為模式及呼吸速率,評估廚房及其鄰室不同性別人員的細顆粒物暴露量,為居住建筑環境健康風險評估提供依據。

1 實驗設計

1.1 實驗臺

參考GB/T 50002—2013《建筑模數協調標準》[11]設計并搭建了嚴寒地區低能耗廚房環境實驗臺,廚房占地面積4.32 m2,客臥占地面積12.24 m2。廚房為L形普通操作廚房,尺寸為2.40 m×1.80 m×2.40 m(長×寬×高),廚房對外窗口尺寸為1 500 mm×450 mm,推拉門尺寸為1 700 mm×2 100 mm,實驗過程中廚房門保持關閉狀態,實驗臺設計圖見圖1。油煙機一擋排風量為600 m3/h,二擋排風量為900 m3/h。中餐廚房油煙大、通風量大,為滿足改善廚房室內環境要求,根據GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[12],利用廚房負壓自然補風,補風口設于灶臺下方,補風口直徑為150 mm。油煙機一擋運行時,補風系統補風量為143 m3/h;油煙機二擋運行時,補風系統補風量為350 m3/h。采用壓差法對實驗臺整體氣密性進行檢測,在室內外壓差為50 Pa的情況下,實驗臺換氣次數為2.55 h-1。

注:PW1為廚房細顆粒物濃度測點,PW2為鄰室細顆粒物濃度測點,安裝高度為1.10 m(對應人體坐姿時的頭部與站姿時的腹部)。

采用的顆粒物濃度測試儀器的測試范圍為0.001～400 mg/m3,測試精度為0.001 mg/m3。

1.2 實驗方案

由于不同環境參數會對廚房及其鄰室污染物濃度造成影響,實驗中的變量為烹飪方式、補風系統狀態、油煙機狀態與窗戶啟閉狀態。根據中式烹飪方式特點,選取煮、蒸、炒、炸4種工況;補風系統狀態選取開啟、關閉2種工況;油煙機狀態選取關閉、開啟一擋、開啟二擋運行3種工況;窗戶選取開啟、關閉2種工況。為了快速有效地分析以上4個變量在不同工況下對嚴寒地區低能耗住宅室內環境的影響,通過設計正交試驗確定了16種實驗方案,如表1所示。實驗劃分為背景濃度測試階段、烹飪階段與烹飪后階段,其中食材烹飪階段為15 min,烹飪后階段為30 min。

表1 正交試驗設計方案

2 暴露評價方法

顆粒物暴露評價指標主要分為暴露量與劑量。暴露量指一段時間內,顆粒物接觸人體外邊界的總量;劑量指在一段時間內人體吸收或沉積顆粒物的量。本文采用微環境綜合顆粒物暴露評價方法[4],對廚房及其鄰室的細顆粒物濃度進行暴露評價。評價指標包括綜合暴露量、平均綜合暴露量、綜合潛在劑量、平均綜合潛在劑量,見式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由于人們生活方式不同,不同性別人員在住宅內不同功能房間停留時間也不同,導致顆粒物暴露量和劑量的差異。本文根據住宅健康風險相關調查[8],確定了哈爾濱市不同性別操作人員在住宅內包括工作日和休息日不同時間段、不同房間的停留時間,見表2。

表2 哈爾濱市不同操作人員廚房及其鄰室停留時間統計 h

男性人員、女性人員不同活動狀態下呼吸速率也會對廚房及其鄰室細顆粒物潛在劑量產生影響。因此,根據文獻[13],得到了黑龍江省不同操作人員在不同活動狀態下的短期呼吸速率,見表3。

表3 黑龍江省不同操作人員在不同活動狀態下的短期呼吸速率 L/min

3 實驗結果與分析

3.1 廚房及鄰室環境

不同工況下烹飪過程中廚房細顆粒物質量濃度見圖2。住宅烹飪過程中廚房細顆粒物質量濃度平均值為0.52 mg/m3,超出了國家室內環境相關標準[14]對細顆粒物質量濃度的限值(≤0.075 mg/m3)。其中工況3、5、8、15、16細顆粒物質量濃度符合國家室內環境相關標準,說明補風系統開啟有利于油煙機將細顆粒物及時排至室外。不同工況下烹飪過程中鄰室細顆粒物質量濃度見圖3,可以看出,除了工況13炸制、關閉廚房補風、關閉油煙機的情況,實驗所涉及的其余15個工況細顆粒物質量濃度均符合國家室內環境相關標準。工況13廚房及其鄰室細顆粒物質量濃度波動最大,廚房及其鄰室細顆粒物質量濃度分別為規范限值的53.2、28.1倍。主要原因是油炸工況烹飪強度大,短時間會產生大量的細顆粒物,且排風系統與補風系統均處于關閉狀態,細顆粒物在廚房內堆積進而擴散到鄰室。

圖2 不同工況下廚房細顆粒物質量濃度

圖3 不同工況下鄰室細顆粒物質量濃度

圖4顯示了不同烹飪方式下住宅廚房細顆粒物質量濃度隨時間的變化。從圖4可以看出:其他3種烹飪方式煮、蒸、炒對廚房細顆粒物分布也有一定影響,其平均質量濃度分別為0.11、0.08、0.79 mg/m3;煮、蒸、炒與炸的細顆粒物質量濃度開始升高時間分別為5.0、1.0、3.0、12.5 min,高水平質量濃度持續時間分別為10、20、12.5、10 min;蒸制細顆粒物質量濃度上升曲線斜率較小,炒與炸的上升曲線斜率較大,4種烹飪方式下細顆粒物質量濃度下降斜率類似,廚房對細顆粒物散發敏感,采取一定的排風措施,積極促進室內空氣流動,可使廚房細顆粒物均以較大速率回歸正常濃度。如果油煙機關閉,細顆粒物難以及時排至室外,在廚房與鄰室壓差及濃度差的作用下,細顆粒物從廚房空間擴散到鄰室內,鄰室距離排風系統、補風系統較遠,排風系統捕集范圍有限且補風量不足,導致鄰室換氣次數小,室內氣流擾動微弱,鄰室細顆粒物質量濃度長時間難以降到規范限值。因此,廚房及鄰室需要形成合理的氣流組織,對細顆粒物進行有效控制,避免高強度烹飪下產生的細顆粒物在廚房內堆積,繼而擴散到廚房鄰室空間,污染住宅環境,危害人體健康。

圖4 不同烹飪方式下住宅廚房細顆粒物質量濃度隨時間的變化

3.2 環境影響因素分析

對實驗數據的處理分析,通常有2種方法:一種是極差分析法(最好水平與最差水平之差稱為極差);另一種是方差分析法。本文采用極差分析法對廚房及鄰室不同影響因素下的極差進行分析,如圖5、6所示。可以看出:廚房細顆粒物濃度的影響程度由高到低排序為油煙機狀態>補風系統啟閉>烹飪方式>窗戶啟閉;鄰室細顆粒物濃度的影響程度由高到低排序為補風系統啟閉>窗戶啟閉>油煙機狀態>烹飪方式。補風系統對鄰室細顆粒物質量濃度影響程度最高,一方面油煙機在不同氣流條件下捕集性能不同,當補風不足時,油煙機難以在設計工況下運行,捕集效率下降;另一方面,廚房補風的位置影響鄰室細顆粒物濃度,建立適當的壓力梯度,有利于削弱細顆粒物向鄰室的傳播。

圖5 廚房不同影響因素下的極差

圖6 鄰室不同影響因素下的極差

3.3 人員細顆粒物暴露評價

3.3.1人員細顆粒物暴露評價

在單次烹飪過程中定義3個暴露評價微環境,其中前期準備時間為20 min,烹飪中時間為15 min,活動狀態為輕微活動,烹飪后時間為5 min,活動狀態為靜坐。根據式(1)～(4),得到不同性別操作人員廚房及其鄰室細顆粒物暴露評價結果,見表4。可以看出:廚房中女性人員的綜合暴露量略高于男性人員,由于男性人員短期呼吸速率略高于女性人員,廚房中男性人員、女性人員綜合潛在劑量基本一致;在客廳環境,男性人員、女性人員停留時間相差不大,故暴露指標基本一致,平均值均超過國家相關標準限值。

表4 細顆粒物暴露評價結果

圖7、8分別顯示了不同性別人員廚房暴露量和鄰室暴露量。可以看出:工況9、11、13暴露量出現峰值,工況9屬于廚房細顆粒物暴露量最不利工況,男性人員、女性人員廚房最大綜合暴露量分別可達1 154.36、1 173.81 μg·h/m3;工況13屬于鄰室細顆粒物暴露量最不利工況,男性人員、女性人員鄰室最大綜合暴露量分別可達304.91、307.25 μg·h/m3。工況9開啟廚房補風,可以抑制污染物向鄰室傳播,降低鄰室污染物濃度,而工況13開啟窗戶,促進了氣流向鄰室傳播。因此,為減少廚房釋放的顆粒物向鄰室傳播需要合理設置壓力梯度,這對廚房補風系統的位置、風速、風量、角度等都提出了較高的要求。

圖7 不同性別人員廚房暴露量

圖8 不同性別人員鄰室暴露量

3.3.2人員細顆粒物暴露評價影響因素

廚房及其鄰室不同影響因素下的暴露量如圖9所示。可以看出:油煙機關閉對廚房及其鄰室暴露量影響程度最高,廚房綜合暴露量為581.61 μg·h/m3,鄰室綜合暴露量為217.51 μg·h/m3,分別為平均值的2.51、1.81倍,而油煙機開啟能分別有效降低廚房及其鄰室污染物暴露量的79%～83%和58%～62%;傳統中式烹飪方式中炒、炸對廚房及其鄰室暴露量影響較大,炒制時廚房及其鄰室綜合暴露量分別為460.41、132.11 μg·h/m3,炸制時廚房及其鄰室綜合暴露量分別為279.37、212.61 μg·h/m3,但煮、蒸對廚房及其鄰室暴露量影響不大;開啟補風,廚房及其鄰室綜合暴露量分別為192.42、45.23 μg·h/m3,明顯可以看出,開啟補風能夠降低鄰室暴露量的77%,使鄰室暴露量達到最低水平,為平均值的38%,可顯著改善住宅空間環境,減少細顆粒物對人體產生持續性的負面影響;由于風向、風量、室外溫度的動態變化及不確定性,無組織的自然通風使得窗戶啟閉對廚房及其鄰室暴露量的影響區別不大。

圖9 廚房及其鄰室不同影響因素下的暴露量

除了烹飪方式、通風方式造成的廚房及其鄰室人員顆粒物暴露量的差異,通過文獻調研發現暴露量在不同地區、不同季節、不同室外條件等情況下也存在較大差異,如表5所示。暴露量產生差異的主要原因為暴露參數的選取不同。首先,暴露量與污染物濃度直接相關。嚴寒地區冬季門窗關閉,污染物難以散發,導致住宅廚房油煙PM2.5暴露量春秋季關門<春秋季開門<夏季開門<夏季關門<冬季關門[9]。其次,暴露量與不同微環境活動時長有關。老人及嬰幼兒在室內時間長,導致老年人和嬰幼兒的PM2.5潛在暴露量明顯高于其他年齡段人群[17]。另外,各功能房間不同人群停留時間有很大差異,除了廚房,控制臥室的空氣品質對人員的健康有最好的效果[19]。除了客觀因素,暴露量的差異受不同職業、不同性別、不同年齡段的影響。暴露量隨年齡增大而減小[20],男性平均綜合暴露量和平均綜合潛在劑量由于呼吸速率的區別比女性高20%左右[15]。現實生活中因存在多種多樣的污染源,都會產生細顆粒物,隨著向綠色發展模式的探索轉變,中國居民PM2.5暴露水平從61.8 μg·h/m3下降到42.0 μg·h/m3,下降了32%。但是為了降低環境風險,需要進一步促使空氣品質的改善,打贏藍天保衛戰。

表5 國內外不同位置、不同時間、不同建筑類型暴露量

4 結論

本文對居住建筑不同烹飪方式下廚房及其鄰室細顆粒物分布特征進行了實測分析,并進行了不同性別人員的暴露評價,主要結論如下:

1) 居住建筑烹飪過程中廚房及其鄰室細顆粒物平均質量濃度分別為0.52、0.19 mg/m3,均超出了空氣細顆粒物濃度限值(≤0.075 mg/m3);煮、蒸、炒、炸不同烹飪方式對廚房細顆粒物分布有一定影響,平均質量濃度分別為0.11、0.08、0.79、1.09 mg/m3。

2) 對廚房細顆粒物濃度的影響程度由高到低排序為油煙機狀態>補風系統啟閉>烹飪方式>窗戶啟閉;對鄰室細顆粒物濃度的影響程度由高到低排序為補風系統啟閉>窗戶啟閉>油煙機狀態>烹飪方式。

3) 烹飪過程中廚房及其鄰室女性人員的綜合暴露量略高于男性人員,但與男性人員差別不大。對于廚房細顆粒物,男性人員、女性人員綜合暴露量分別為206.14、257.77 μg·h/m3,平均綜合暴露量分別為298.76、193.09 μg/m3,平均綜合潛在劑量分別為168.32、87.33 μg/h;對于鄰室細顆粒物,男性人員、女性人員平均綜合暴露量分別為48.73、47.86 μg/m3,平均綜合潛在劑量分別為26.51、20.77 μg/h。

4) 油煙機關閉對廚房及其鄰室暴露量影響程度最高,傳統中式烹飪方式中炒、炸對廚房及其鄰室暴露量影響較大,開啟補風能夠降低鄰室暴露量的77%,使鄰室暴露量達到最低水平;暴露評價中暴露參數的選取對結果會產生較大影響,與污染物濃度、通風條件、不同微環境活動時長、不同職業、不同性別及室外條件等因素相關。