高层住宅厨房油烟排除系统的研究
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摘要：本文在分析了目前我国厨房油烟排除方法的优缺点的基础上，提出一种新型的厨房排油烟方法，此方式既可高效地排放厨房油烟，又可减少油烟对室内、外空气的污染，它是高层建筑住宅厨房油烟排放的有效方法。本文给出了住宅厨房油烟排除系统的设计方法。
关键词：高层建筑住宅厨房室内空气品质油烟排除系统
Abstract: based on the analysis of the current our country kitchen lampblack elimination method of the merits and demerits of the foundation, proposed a new type of kitchen platoon lampblack method, this method can not only effectively discharge kitchen lampblack, can decrease again indoor, the lampblack to air pollution, it is high building house kitchen lampblack emissions of effective methods. This paper gives the house kitchen lampblack ruled out the design method of the system.
Keywords: high buildings, residential kitchen, indoor air quality, the lampblack exclude system
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
0 引言
按照中国人们的饮食习惯，其烹饪方法离不开煎炸和爆炒。这两种烹饪方式均会产生大量的油雾、水汽、溴气和燃料燃烧时产生的有害气尘，如CO、CO2、SO2、NOX和空气中的悬浮物（包括液滴和固体颗粒）等[1]。严重影响厨房内部的清洁卫生和室内空气品质，厨房油烟排至室外，对建筑室外空气也会造成污染，进而影响居住环境。本文拟对厨房油烟排除方法进行研究。
现代厨房污染物处理方法的评价
目前，我国对厨房油烟等污染物的处理主要是直接排放至室外大气。按照排放的动力分为两种[2]：一种是自然排放，即自然通风排放和扩散排放；另一种是机械排放，它是依靠机械动力（通风机）进行分散排放和集中排放。
自然排放
自然排放就是依靠由室内、外空气的温、湿度差产生的热压和大气中的风压（取决于风向和风速）以及空气分子扩散作用来排放厨房油烟的。这种方式简单、投资少、不消耗能源，是一种极为经济的排放方法，它广泛应用于卫生要求低的低层建筑。由于这种方法容易受室内、外温度、湿度、风向和风速等气象参数的影响，排放能力小且极不稳定，容易出现油烟倒贯现象，很难满足有组织排放要求和卫生要求。
机械排放
1.2.1机械式分散排放
机械式分散排放是依靠换气扇或抽油烟机将厨房内的油烟排出室外。这种方法结构较简单、价格低廉、安装方便。它广泛应用于城镇多层住宅建筑。由于它是属于室内全面通风，如要满足排放要求，所需风量较大。对于换气扇来说，由于其排放口直接对外，风压低，直接受室外风流的干扰大，当逆风速较大时，特别是排放口的百叶窗被油垢卡住后，风扇启动容易过载，消坏电机，或造成排放效率很低，甚至出现风流倒贯现象，风机处于有害运转状态。对于抽油烟机来说，由于它是在灶具上方捕捉油烟和污染气体，所以，所需排风量相对减少，排放效率较高，当建筑布置需要安装短风管时，抽油烟机需要过高的压头。除此之外，机械通风分散排放还有很多缺陷，第一，这种方法由于都是将烟气直接排至大气，因此，污染了室外大气环境，并且有可能从开启的门窗再进入室内，形成二次污染；第二，油烟外排后凝结，掉落在建筑物外墙上，污染墙体，破坏建筑美观；第三，油烟直接经过电机，污染电机，影响电机的使用寿命，且不便清洗；第四，当有些住宅的厨房位于建筑物的内部时，这种方式就需要较长的排烟管穿越其它房间，影响建筑室内美观和功能。
1.2.2机械式集中排放
机械式集中排放是通过排烟道把各用户的油烟集中排放到高空，再由大气稀释。根据油烟排放动力设置不同分为动力分散式（各用户设排油烟机）和动力集中式（以单元为单位设屋顶风机）。动力分散式集中排放克服了分散排放的缺点，但各层厨房都要与集中排烟道相连，当各住户的排气扇（或抽油烟机）不同时开放时，就会产生串烟、串声和排烟能力受限等问题[3]，尽管有人研制了变压式和止回阀式的集中排烟道[4]，但还是不能完全解决上述问题，同时也增加了建筑造价，另外，烟气排放至高空中，对大气仍然构成污染。屋顶风机集中排放是目前公共厨房换气方式中最好的一种，也是多层以上住宅厨房油烟排放的有效方法。但存在一些缺陷：一是油烟大多没有经过处理就直接排至大气，油烟既污染了风机，也污染了大气环境；二是各用户调风困难，各住户排风不均匀；三是系统运行计费困难等。
新型厨房油烟排除系统
由以上分析可知，研制结构简单、便于管理、排烟效果好、对环境污染少且节能的排烟系统非常必要。这种厨房排烟系统主要是由过滤器、接受罩、集中排烟道、油烟处理器、风机、控制和计费系统等所组成，如图１所示。
图1住宅厨房油烟排除净化系统图
此系统中的过滤器是用来去除厨房污染空气中的粗大悬浮物的；接受罩是收集厨房产生的污染空气的；集中排烟道起各用户接受罩和风机的联结作用和输送污染空气的作用；风机是整个系统的动力源；油烟处理器是净化污染气体的；控制和计费系统主要是对各用户进行实时开闭和计量。
3 厨房通风时合理的气流组织形式
厨房油烟的有 效排除，除了有良好的油烟排除系统外，厨房内的气流组织也非常关键。一般地，厨房的平面布置是长方形的，采用机械通风时，厨房门为进风口，厨房内安装的排风扇（排气罩）或抽油烟机就是厨房通风的排风口。按其通风进、出口在平面投影上的相对位置关系及流场型式，可把厨房的通风方式分为三大类[5]（六种），即 “Ｚ”型通风（大“Ｚ”型和小“Ｚ”型）； “Ｌ”型通风（大“Ｌ”型和小“Ｌ”型）；“一”型通风（大“一”型和小“一”型）。运用ＣＦＤ分析方法，分别对它们的通风特性进行分析， “Ｚ”型和大“Ｌ”型通风方式的通风效果较好；因此，在建筑设计方面，只要布置好厨房的门、窗或排风口，就可获得较好的气流组织，能有效排放厨房的污染物，提高厨房内的空气品质。
4 厨房油烟排除系统设计中的几个问题
为了有效地排除厨房产生的污染物，使厨房油烟排除系统能够健康地运行，在系统设计时应注意如下几个问题．
4.1接受罩的合理选择和安装
从理论上可知，排油烟接受罩的选择必须充分考虑各方面的因素，如：接受罩的形式、罩口的形状、罩口的安装高度、罩口周围的物体、室内气流的干扰、油烟气的散发速度、污染源的几何形状等。
通过比较分析，厨房油烟采用采用上吸式接受罩时，排烟效果最好。罩口的控制风速不应小于0.5m/s，罩口的安装高度，即排油烟罩的罩口底边到灶台的距离宜在0.6~0.9m之间，且罩口的外边缘不应超过灶台的边缘。
目前接受罩的型式主要有三种：浅型罩、深型罩和柜式罩。从油烟的捕集效果上来看，深型罩和柜式罩可以容纳一定量来不及被风机及时排去的油烟，起到缓冲作用，从而避免大量油烟外溢的现象，其捕集效率几乎可达到98%以上，大大改善了厨房中空气品质和减少对室内环境的污染[2]。
根据文献[6]的提供公式，中餐烹饪中的油烟量为：
式中， 为产生的油烟气量（m3/h）, 为厨房炉灶的热量（KW），为厨房炉灶上方与排烟罩口的距离（m），所以，排烟罩所需要的最小排风量（）不能小于油烟气的产生量，即：≥ 。通过调查发现，厨房的排油烟罩的通风量大约在250~360 m3/h范围之内。
4.2厨房油烟的预处理和终处理
国内外对油烟处理的基本方法和技术主要有以下几种三种。一种是机械物理方法：如采用过滤、惯性分离、活性炭吸附等技术进行分离；第二种是湿式（化学）处理方法：采用水或其它洗涤剂，以喷头喷洒的方式形成水膜、水雾来去除污染物，还有文氏洗涤塔、喷淋塔等；第三种是静电处理方法：通过高压电场使油烟雾离子荷电，利用电场力对带电粒子的吸引作用分离污染物，如：双区电沉积、冲洗双区电除尘。
过滤法的净化原理是采用一定数目的金属网格、格栅阻截大颗粒污染物，其净化效率较高,运行稳定，维修管理方便，但阻力大，需要定期更换滤料，而且易阻塞。
水处理的净化原理是将油烟用水喷淋（通常在水中加入化学试剂增加吸收），水油接触的表面积增大，从而提高水对油烟的吸收能力，此法油烟净化效率高，但系统复杂，有二次污染。
分离法的工作原理是油烟雾从切线方向进入，经过强烈旋转的离心力作用，将油烟颗粒抛出，积聚成油滴后，经重力作用下流至底部，它净化效率较高，维护和管理方便，运行费用也较低。但阻力大，所占空间也较大。
静电沉积法的工作原理是利用阴极在高压电场发出来的电子与空气分子碰撞，使油雾荷电，再利用电场的作用，使带电油雾被阳极（集尘极）吸收，凝聚成油滴重力自流，或通过清洗装置清洗。它净化效率高，适宜捕集粒径较小的颗粒，但一次性投资较大。
活性炭吸附法的工作原理是利用颗粒状的活性炭或活性纤维毡吸附油烟中污染物的油烟颗粒。其净化效率较高，维修和管理方便，占用空间小，对异味有很好的去除效果，但投资费用较大，阻力较大。
水雾水膜洗涤法的工作原理是油烟粒子经过喷嘴喷出的水雾、水膜，通过惯性、截留、扩散作用随水滴留下，底部设水箱循环使用，定期除油。它阻力较小，运行稳定，维修量小，管理方便，但净化效率较其它方法低，耗电量大，而且需要大量的水，要定期加入洗涤剂。
通过上述分析，新型厨房油烟排除系统采用二级净化。一级净化是在各用户吸风罩上应设置一个初次过滤器，过滤器采用金属丝制成，网目为0.8╳0.8mm，面积大小根据吸气罩口的面积来定。厨房油烟的二级净化采用油烟净化器，设计时要遵循以下原则：系统较小，占地空间不宜过大；运行时噪音低，净化效率要高；耗能小，一次性造价要低；运行稳定，便于维修和管理；能去除油烟中一些有害气体，不造成二次污染。
4.3集中排烟风道的设计
为了防止排烟不畅和倒灌现象，系统设计采用集中抽出式排烟方式。烟气经垂直排烟道从屋顶高空排放，不会污染下层室外空气环境，并给烟气的集中处理提供了方便。集中排烟风道系统是一个多源一汇系统，由于各户的使用时间不一致，还必须考虑同时使用系数，这就使得其设计计算偏于复杂。
4.3.1集中排烟系统理论计算
确定合理的烟道截面积是整个系统设计的关键。烟道截面积必须在满足排烟要求的前提下，最大限度减少断面积和最大限度减少运行阻力等。
本系统采用变截面烟道，即根据用户的排烟量将高层住宅分成多段。下段采用较小的烟道截面，上段采用较大的烟道截面。
夏季室外气温高，实际排气温度与室外气温接近，可不考虑热压作用。主要利用屋顶风机的动力进行机械排烟。
但在冬季，由于天气寒冷，热压的作用非常明显[7]。因此，本系统冬季可以充分利用热压作用，进行自然排烟。
在平衡建设投资和排烟效果的基础上，通过理论分析，我们采用在自然排烟情况下计算得出的理论烟道截面积作为系统截面积设计值。计算得出的总截面积作为烟道出口截面积，底层烟道截面积就以单层排烟道进行计算。
通过分析研究得出了热压排烟作用的高度及最大应用楼层数：利用住宅厨房排烟携带的热压将烹饪产生的油烟排出集中烟道的无机械能排烟方式完全可以应用于30层以下的多、高层住宅。因此，在冬季（尤其是北方）我们完全可以仅依靠热压作用进行排烟，而无须安装排油烟机，这样既环保又节能。
根据所设计的新型厨房油烟排除系统，可作出如下假设：1、用屋顶风机抽出式排烟时，屋顶风机的风压克服油烟处理器、排风管及次风道的阻力；2、排风温度为50℃，高于室外温度；3、主烟道不存在中和界。因此，在此情况下，要实现自然通风，通风口内外必须有压力差。通风口内外的压差即为通风口余压的绝对值，即热压
式中，—进风口中心至排出口中心距离，m；
—室外计算温度下的空气密度，kg/m3；
—室内空气的平均密度，kg/m3；
—重力加速度，m/s2。
由此可见，当风道内气体温度高于室外气体温度，即＜时，风道内余压随值增加而增加。
自然通风风道截面积参考文献[10]，可用下式计算：
式中，—所需排风道截面积，m2；
—排风量，kg/h；
—排风口处空气密度，取=，kg/m3；
—排风口中心到中和界的高度，在此应取为进风口中心至排出口中心距离，m；
—排风口局部阻力系数。
所以，笔者认为，在确定集中排烟风道截面积时，应分别计算不同楼层的值、每层的热压及每层所需的风道截面积，然后叠加，计算得总风道设计截面积。
目前国内外集中烟道均采用各种机械排烟方式，且由于目前生产的排油烟机排气量越来越大，从而卷吸了大量室内外的新鲜空气，稀释了厨房内产生的高温油烟气。这样不仅削弱了热压排烟的作用，同时也增加了烟气的流动阻力，消耗了大量的多余能量。本文成功利用屋顶风机的抽烟作用的同时，也充分利用热压作用排烟，从而实现节能、经济、高效的排烟方式。
4.3.2集中排烟系统的设计
集中烟道的型式比较多，目前常用的主要有四种型式：“子母型”烟道、变压型烟道、变截面烟道和等截面烟道。由流体力学知，整个系统的运行状态不仅取决于热压和屋顶风机的空气动力特性，而且还取决于烟道的型式和尺寸。经过前人的理论研究以及多年的应用实践，认为影响排烟效果的主要因素是烟道面积，因此本系统研究采用上大下小椎型的变截面排烟道集中排放方案。烟道截面积设计过小，排烟系统运行时就会出现烟气排不出去的现象。增大烟道的截面积可以提高厨房排烟效果，但增加了建筑投资，相对减少了的厨房空间。针对目前住宅建设发展趋势，阻力系数过大的止回阀不适合用于集中排烟道系统，烟道设计时一定要注意合理选择烟道截面积，以有利于系统的运行。为彻底解决串烟串味问题，可在烟道接入口后加设手动密闭阀，有条件的还可以在工程设计中设计电动密闭阀与屋顶风机联动。另外，增大在烟道顶部总出口设置的屋顶风机的烟道抽力，减少室外风向对烟道热压自然抽力的影响。
结论
通过上述理论分析，我们可以得出以下几点结论：
1、由于住宅厨房气密性提高，因此要有足够的补风，否则会造成室内负压，排风量下降和排风机噪声增大；
2、设计烟道的材料选用保温性能好的材料，可以增大热压作用高度；
3、排烟系统主烟道横截面大小可决定排烟量多少与排烟效率的高低，从这一角度说，管径越大越好，但考虑到材料使用的经济性，应将两者综合起来，选择较好的截面尺寸；
4、考虑到厨房烟气的特性以及实现节能的目的，利用烟气热压产生的动力，充分挖掘自然通风排放潜力，为寻找住宅厨房集中排烟系统的新方案提供了思想基础。
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