论文价值的评定意见：
本文研究了在抽油烟机中安装循环净化的部件，以此降低厨房中的油烟污染浓度。本研究对控制厨房油烟具有重要的意义，研究比较落地，结果行之有效。
刘智1 曲绍鹤1 李忠华1 高军2 侯玉梅2 谢午豪2
1.佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司
2.同济大学暖通空调研究所
摘要
Abstract
将内循环空气净化装置应用于厨房中，并与外排吸油烟机一体化设计，研究了吸油烟机汇流与循环净化的强动量源流之间的气流相互作用关系。采用CFD数值模拟方法，在100 m3/h循环净化风量下对比不同出风速度（1～4 m/s）和出风角度（水平出风及斜上45°出风）的净化效果，发现以速度3 m/s以及斜上45°出风时循环净化效果较优；较单独吸油烟机开启，该带循环净化单元的吸油烟机实现了呼吸区以及厨房空间油烟浓度减少了66.5%和86.7%；在不同的循环净化参数讨论范围内，呼吸区油烟浓度减少范围为：35.1%～66.5%；厨房空间油烟浓度减少范围为：26.2%～86.7%。采用速度3 m/s和斜上45°的较优循环净化参数，实验测试其净化效果发现，呼吸区PM2.5和TVOC浓度分别能减少53%和28%左右。
关键词
Keywords
吸油烟机；空气净化器；CFD；厨房
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.01.003
0 引言
油烟污染是室内主要的污染源之一（包含颗粒物、PAHs以及VOCs、COx、NOx等气态污染物）[1]，烹饪油烟污染成分极其复杂且具有高度不确定性。事实证明，暴露于食用油烟，可能会导致肺癌、慢性阻塞性肺疾病、缺血性心脏病和急性下呼吸道感染，且与不吸烟者的健康状况有关[2]。吸油烟机作为厨房污染控制最为简单直接的方式，且往往难以实现高效捕集，且在高层住宅厨房集中排烟系统中，多动力源汇流系统容易出现上部用户排烟量大、下部用户排烟量小的情况，极端工况下会发生底层用户油烟排不出去，甚至出现倒灌的现象，致使吸油烟机排风量难以满足用户要求，污染物易溢出至厨房室内环境，急需其他处理溢出油烟污染的方式。最近许多研究者设置了向上或向下的气幕，从射流速度、射流角度、射流口宽度探讨对吸油烟机捕获效率的影响，以建立良好的室内热舒适性和健康环境[3, 4]，但系统相对较复杂，实用性有待考证。已有研究表明，合适的气流组织方式是高效室内污染物净化效果实现重要的一环[5, 6]，本研究将空气净化器与外排吸油烟机一体化设计并应用于厨房中，采用CFD仿真寻优手段，分别从出风速度以及出风角度来寻找循环净化参数。研究为治理高污染浓度暴露的厨房烹饪环境提供了新思路，以期达到“健康烹饪”[7]。
1 数值模拟研究
根据典型中式烹饪厨房构建仿真模型，如图1 a)所示，厨房计算模型长为3.5 m，宽2.7 m，高2.5 m。厨房烹饪区域考虑左、右灶同时烹饪工况，灶位间距设计参考实际燃气灶具尺寸，两个炉灶中心间距为390 mm。如图1 b)定义两个特征区域，其中呼吸区位于离地面1.45 m～1.5 m位置，宽度与高度都为5 cm，长度与吸油烟机等长；厨房空间为烹饪炉灶上侧与吸油烟机下侧区域以及吸油烟机与排烟管路本身外的整个室内空间。为贴近常见家用自然开窗补风方式，此次仿真开启厨房右下角下悬窗补风。经过网格独立性检验后，其网格数量最终为65万，网格类型为以六面体为核心多面体过渡的混合网格，采用Realizable k-ε湍流模型对厨房内流场进行数值模拟，除压力项采用Body force weighted离散格式外，其他项均采用了二阶迎风格式进行离散，并采用SIMPLE算法对离散方程组进行求解。锅设置为速度入口，热功率为2.4 kW/灶，锅散发温度为300℃，仿真选取丙烯醛作为特征污染物，吸油烟机的排风口排出为速度边界，油烟机排风量本次仿真设置为600 m3/h，窗户补风设置为压力入口，循环净化单元布置在主风道正面，如图2所示，净化单元采取从两侧回风，正面出风的循环方式，并通过设置不同的出风口宽度，分别模拟出风1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s时，以水平出风和斜上45°出风的循环净化效果和吸油烟机单独开启无净化基准工况，仿真计算中保持循环净化进出风温度一致，为便于对比，统一设置仿真过程中净化效率为100%。为对比烹饪过程中，带循环净化单元的吸油烟机与无循环净化单独吸油烟机开启下的污染物控制效果，定义了对浓度减少率进行对比，计算如下式：
式中，Crr是浓度减少率，可分别应用于呼吸区或厨房空间；Cy j是吸油烟机与循环净化单元同时开启时，呼吸区或厨房空间的体积平均浓度；Cy是吸油烟机单独开启时，呼吸区或厨房空间的体积平均浓度。
图1 a) 厨房模型示意图和b) 呼吸区
图2 循环净化出风口和回风口布置示意图
2 实验验证测试
2.1 实验方法
采用美的炒菜机器人加热搅拌干辣椒的过程来模拟烹饪中释放颗粒物和VOC的过程。测试分析吸油烟机在特定排风量下（600 m3/h），开启循环净化单元（循环风量100 m3/h，采用CFD仿真分析得到的较优循环净化参数）对厨房内呼吸区和空间浓度的降低程度。在吸油烟机前侧下方、高度1.475 m处布置1个测点（Pb）表征烹饪过程的呼吸区浓度；在厨房中心线高度2.2 m（P2.2）、1.5 m（P1.5）以及0.5 m（P0.5）布置3个测点表征厨房空间浓度，如图3所示。开启循环净化单元的吸油烟机时的测试浓度记为CHood＋AC，关闭循环净化单元，单独开启吸油烟机时的测试浓度记为CHood。
图3 厨房空间PM2.5以及TVOC实验测点示意图
2.2 实验步骤
（1）开启吸油烟机至设定排风量，单独吸油烟机工况为只开启外排吸油烟机的工作状态，带循环净化单元的吸油烟机工况为外排吸油烟机 循环净化同时开启的工作状态；
（2）使用电子天平称取普通干辣椒待用；
（3）开启炒菜机器人，待锅底温度加热至稳定后开启自动搅拌，倒入干辣椒；
（4）开启TSI-8532型DUSKTRAKTM Ⅱ气溶胶监测仪和PGM7240有机气体检测仪连续测量呼吸区PM2.5和TVOC浓度12 min，然后依次测量厨房空间2.2 m、1.5 m、0.5 m高度测点，分别监测1 min；
（5）加热约15 min后停止测试，排出厨房空间残留油烟污染物，待测点浓度降至背景浓度；每组工况重复3次实验测试，确保实验结果的准确性。
3 结果与讨论
3.1 仿真结果分析
吸油烟机单独开启以600 m3/h排风时，如图4所示，厨房空间上部污染物浓度较高，形成明显分层，且油烟受补风的横向气流影响主要从烟机的右前侧溢出。如图5和图6所示，分别展示了1～4 m/s速度出风时，水平出风以及斜上45°出风时的污染物浓度云图。随着出风速度的增大，出风扰动能力加大，烟机前侧诱导气流溢出增加，并破坏原集中上部的溢出油烟，空间浓度被搅拌均匀，油烟前侧诱导气流溢出风险增加，当出风速度小于回风速度时，回风对于右前侧的溢出气流起主要作用，当出风速度大于回风速度时，出风口对于右前侧的溢出气流影响作用更大。水平出风时，当出风速度接近回风速度时，即出风速度为2 m/s时，侧面回风气流与出风气流形成相互牵制干扰，此时厨房空间污染物浓度较高，为最不利；而水平出风，出风速度为4 m/s时，出风对烹饪羽流诱导溢出效应明显。整体斜上45°出风时，空间中污染物浓度较水平出风时更低，出风宜斜向上扰动上部气流，减少来自左侧横向气流对于右侧回风口循环吸收右前侧溢出气流的干扰，在出风速度为3 m/s时，斜上45°循环净化效果较好。
图4 单独吸油烟机开启循环净化单元关闭浓度云图
图5 循环净化单元水平出风时不同出风速度浓度云图
图6 循环净化单元斜上45°出风时不同出风速度浓度云图
为定量描述不同循环净化单元出风角度以及出风速度带来的影响，对比了不同循环净化参数下的呼吸区以及厨房空间浓度减少率。如图7所示，呼吸区浓度减少率与厨房空间浓度减少率变化趋势基本一致，对比循环净化单元的不同出风角度发现，不同速度下斜上45°出风的呼吸区浓度减少率范围为：35.9%～64.8%；而水平出风时的厨房空间浓度减少率范围为：35.1%～66.5%，呼吸区减少率斜上45°出风与水平出风较为接近，且由于出风速度加大，对于烹饪羽流的诱导卷吸效应增强，当出风速度为4 m/s时，呼吸区浓度减少率都比较低。不同速度下斜上45°出风的厨房空间浓度减少率范围为：67.1%～86.7%；而水平出风时的厨房空间浓度减少率范围为：26.2%～65.4%，厨房空间浓度减少率斜上45°出风明显高于水平出风，而出风速度为2 m/s时，循环净化回风与出风相互牵制干扰，无法形成有效循环净化气流，致使厨房空间浓度减少率最低，综上发现，以速度3 m/s以及角度斜上45°出风循环净化效果较优，较单独吸油烟机开启，该带循环净化单元的吸油烟机气流组织形式下呼吸区以及厨房空间浓度能减少66.5%和86.7%，预期可有效改善厨房高污染浓度暴露环境。
图7 各种循环净化参数下呼吸区和厨房空间浓度减少率
3.2 实验验证测试结果
基于CFD仿真分析优化结果，利用速度3 m/s以及角度斜上45°的较优循环净化参数，实验测试了带循环净化单元的吸油烟机的污染物控制效果。如图8 a)和图8 b)所示，在实际烹饪炒干辣椒的实验中，使用带循环净化单元的吸油烟机时，表征人体呼吸暴露的Pb测点PM2.5浓度为0.054 mg/m3，较单独吸油烟机时的PM2.5浓度：0.114 mg/m3，能减少约53%；而对于TVOC浓度，呼吸区（Pb）浓度也能从单独吸油烟机时的288 ppb减少为使用带循环净化单元的吸油烟机时的208 ppb，TVOC浓度减少率为28%。由于实际循环净化单元对TVOC净化效率低于PM2.5的净化效率，所以TVOC的浓度减少率低于PM2.5。对于厨房空间测点，在污染物浓度较高的1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）测点PM2.5浓度分别能减少62%和70%，分别从0.084 mg/m3和0.072 mg/m3，减少为0.025 mg/m3和0.027 mg/m3，而1.5 m（P1.5）和2.2 m（P2.2）测点TVOC浓度分别能减少27%和30%。
图8 实验测试测点a) PM2.5浓度，b) TVOC浓度
4 结论
本文利用CFD数值模拟方法对比了不同循环净化参数下带循环净化单元的吸油烟机较单独吸油烟机开启下的污染物控制的提升效果，不同速度下斜上45°出风的呼吸区浓度减少率与水平出风时较为接近，当出风速度为4 m/s时，呼吸区浓度减少率最低；同一速度下斜上45°出风的厨房空间浓度减少率高于水平出风：1.8%～54.6%。在本文讨论参数范围内，速度3 m/s以及角度斜上45°出风循环净化效果较优，较单独吸油烟机开启，该带循环净化单元的吸油烟机气流组织形式下呼吸区以及厨房空间浓度能减少66.5%和86.7%。基于CFD仿真分析优化结果，采用速度3 m/s以及角度斜上45°的较优循环净化参数，实验测试了其污染物控制效果，呼吸区PM2.5和TVOC浓度分别能减少53%和28%，在污染物分布较多的厨房空间上部，PM2.5浓度能减少60%～70%，TVOC浓度能减少27%～30%。
参考文献
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[3] Zhou B, Wei P, Tan M, et al. Capture efficiency and thermal comfort in Chinese residential kitchen with push-pull ventilation system in winter-a field study[J]. Building and Environment, 2019, 149: 182-195.
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[7] 张亚晨, 闫凌, 吴蒙. 健康家电、健康烹饪及其标准化研究[J]. 家电科技, 2020(04): 28-31.
（责任编辑：张晏榕）
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