超低能耗居住建筑厨房补风口位置模拟研究

研究表明，要从根本上改善住宅厨房的室内空气品质，重要的手段就是设计合理的有组织通风，它既可减少过量通风换气导致的能源损失，还能够保持良好的室内空气品质。在厨房设置补风装置，当排油烟机工作时进行补风，既加大了排风量，增强了排油烟机的排烟效率，又避免了由于负压导致厨房排烟道的污浊空气进入室内；同时，补风减少了经排油烟机排出的室内空气量，减少了暖通空调系统的冷热量的损失，达到节能目的。厨房采取补风措施是目前应用最为广泛的改善住宅厨房室内空气品质的手段。

超低能耗居住建筑作为一种优异气密性能、高效节能、健康舒适的住宅建筑，其厨房通过应用机械排风、自然补风的通风方式来保证室内空气品质。具体做法是在厨房外墙上开设补风口，补风从室外直接引入，补风管道靠近外墙处设置密闭型电动风阀，电动风阀与排油烟机联动（无法实现联动时，可在易操作的位置设置控制开关），排油烟系统未开启时应关闭严密，不得漏风；在风管道周圈设置保温，以防结露；补风口位置应尽量靠近排油烟机，并与排油烟机排风形成短路，补风口应远离人体高度范围。

在实际工程中超低能耗居住建筑厨房有的在吊顶内敷设补风管并在吊顶处开设风口，有的结合装修在排油烟机罩口位置开设侧送补风口、也有的在橱柜内敷设补风管在橱柜开设格栅。由于位置不同，这些厨房补风口的形式不同对厨房室内环境影响也不尽相同。本文通过数值模拟的方法对超低能耗居住建筑厨房在门窗关闭的条件下，不同的自然补风口位置进行模拟，得出厨房室内环境的速度分布情况，分析得到较理想的工况，从而合理改善厨房内的气流组织分布和室内空气品质。 

1　研究对象

1.1　厨房基本信息

考虑真实性与操作的可行性，选取某超低能耗居住建筑厨房为模拟对象，其外形尺寸为2.2?m（长）×3.7?m（宽）×3.0?m（高）；其北侧围护结构为外墙，墙厚200?mm，有一组外窗；西侧、东侧与北侧围护结构为内墙，墙厚200?mm，西侧紧邻客厅。灶台高0.8?m，宽0.6?m，排油烟机距地面1.79m。厨房模型结构如图1所示。

图1　厨房模型结构

1.2　机械排风和自然补风系统

1.2.1　机械排风系统

排风系统采用普通家用排油烟机，为简化模型，排油烟机排风口为 300圆形风口。由于本研究对象为超低能耗建筑，气密性远优于常规建筑，故本文不考虑门窗渗透的影响，也未考虑灶台火苗对气流的影响。

1.2.2　自然补风系统

在厨房外墙上开设补风预留洞，通过补风管道引入室外新风，并在厨房室内合适位置设置补风口，开启排油烟机后，室外新风可在压差作用下被吸入厨房形成的补风气流。厨房自然补风口尺寸为500?mm×200?mm，结合不同的厨房装修风格，本文考虑以下2种厨房自然补风口形式：一种为下送单层百叶风口，在吊顶标高设置；另一种为侧送单层百叶风口。

为进一步研究超低能耗居住建筑厨房的室内微环境，本文建立自然补风口与排油烟机的排风口之间的几种不同位置关系，各风口位置关系见表1。

表1??厨房补风口与排风口位置关系

2??数值模拟

模拟计算使用ANSYS ICEM & FLUENT软件。本文对模拟计算模型做合理的简化假设：（1）因厨房窗户位于建筑背面，故不考虑太阳辐射将窗户当作墙体；（2）厨房地面、屋顶、外墙均视为绝热壁面；（3）一般房间内的气流分布基本为湍流，可视为稳态湍流流动；（4）室内空气是不可压缩牛顿流体；（5）忽略温度变化对空气比热、动力粘度和导热系数的影响。

2.1??几何模型和网格划分

采用ANSYS ICEM软件创建表1中五种工况的几何模型并划分网格，为简化计算过程，建模时忽略了室内的装饰物。图2为计算域的示意图。

（a）     （b）

（c）      （d）  

（e）  

图2??计算域示意（计算机截图）

（a）工况1；（b）工况2；（c）工况3；（d）工况4；（e）工况5

网格划分使用ANSYS ICEM软件，为保证计算过程的敛散性和计算结果的精度，采用结构化网格并进行边界层加密处理。

2.2　模型求解

2.2.1　湍流模型和求解器的选择

湍流模型选用K-epsilon（k-ε）模型，不考虑流体粘性。选择分离式求解器（segregated solver），采用SIMPLE算法。

2.2.2??边界条件与数值参数

（1）流体介质：空气。

（2）进出口条件：模型补风口设置为pressure-inlet；排油烟机的排风口设置为velocity-outlet，风速为3.93?m/s；其他壁面设置为wall，选择无滑移壁面函数。定义湍流参数时选择湍流强度与水力直径，通过计算求得各边界条件参数和湍流强度与水力直径。

（3）计算时检查变量的残差变化来监视计算的收敛性。除能量的残差值外，当所有变量的残差值小于表2所示的值即认为计算收敛。

（4）初始化流场，开始迭代计算，显示并保存求解结果。

2.3??模拟结果及分析

本文选取人员烹饪活动范围区域和排油烟机排风口中心竖直面（ z =0.3?m）的速度场进行，其中人员烹饪活动范围区域截取了两个水平面，一个是灶台上100?mm位置，即 y =0.9?m；另一个是灶台前400?mm位置，即 z =1.0?m。其速度分布图如图3所示。

（c）

图3　工况1速度分布云图（计算机截图）

（a）人员烹饪活动范围 y =0.9?m；（b）人员烹饪活动范围 z =1.0?m；（c）排油烟机排风口中心竖直面 z =0.3?m

由图3~图7显示的结果知，不同工况条件下人员烹饪活动范围和排油烟机排风口中心竖直面的速度分布情况差异较大。图3~图5为工况1至工况3吊顶处下送补风口的速度分布，经对比分析可看出，补风口在人员烹饪活动范围正上方（工况3）时，人员烹饪活动范围的气流组织最佳；补风口在排油烟机的排风口上方（工况1和工况2）时，人员烹饪时会有较明显的吹风感，且工况1补风口紧邻排风口的气流分布较差，其主要原因是补风口送来的冷风在出口位置直接被排风口吸走，导致周围空气受到较大的吸附力冲击。从排油烟机排风口中心竖直截面上速度场可看出，与工况1和工况2相比，工况3排风口处的风速较小且气流分布情况最好。

（a）      （b）

（c）

图4　工况２速度分布云图（计算机截图）

（a）人员烹饪活动范围 y =0.9?m；（b）人员烹饪活动范围 z =1.0?m；（c）排油烟机排风口中心竖直面 z =0.3?m

（a）       （b）

（c）

图5　工况3速度分布云图（计算机截图）

（a）人员烹饪活动范围 y =0.9?m；（b）人员烹饪活动范围 z =1.0?m；（c）排油烟机排风口中心竖直面 z =0.3?m

（a）       （b）

（c）

图6　工况4速度分布云图（计算机截图）

（a）人员烹饪活动范围 y =0.9?m；（b）人员烹饪活动范围 z =1.0?m；（c）排油烟机排风口中心竖直面 z =0.3?m

（a）       （b）  

（c）  

图7　工况5速度分布云图（计算机截图）

（a）人员烹饪活动范围 y =0.9?m；（b）人员烹饪活动范围 z =1.0?m；（c）排油烟机排风口中心竖直面 z =0.3?m

图6为工况4侧送补风口与排油烟机的排风口底平的速度分布，该工况人员烹饪活动范围的气流组织较好，但烹饪时补风口吹来的风对人头顶范围影响较大。图7为工况5侧送补风口开设在橱柜侧面的情况，人员烹饪活动范围的气流组合也较好，但对比图6人员操作水平界面（ y =0.9?m）效果稍差一些，虽没有对人头顶的吹风感，但腿部范围感觉不舒适。此外，从图中还可看出工况4和工况5排风口处的风速较小，且气流分布情况相对较好。

将不同工况条件下人员烹饪活动范围 y =0.9?m, z =1.0?m和排油烟机排风口中心竖直面（ z =0.3?m）截面上的空气的平均速度汇总见表3。

表3??不同工况条件下空气的平均速度 m/s

由表3可看到，5种工况条件下人员烹饪活动范围和排油烟机排风口中心竖直面上的平均风速均在0.5?m/s以下，其中工况3、工况4和工况5对应截面的空气平均速度均低于0.4?m/s，对存在室外补风口、排油烟机排风口这些对室内环境有影响的厨房而言，基本能保证室内环境需求。工况1和工况2的布置方式对气密性要求较高的建筑，尤其是超低能耗居住建筑，其厨房补风口的位置应尽量不采纳。

3??结论

本文选取某超低能耗居住建筑厨房自然补风口的5种不同位置进行数值模拟，发现不同的补风形式的效果不同。

（1）吊顶处下送补风口设在人员烹饪活动范围正上方时，人员烹饪活动范围的气流组织最佳且排风口处的风速较小；补风口在排油烟机的排风口上方时，人员烹饪时会有较明显的吹风感。

（2）结合装修设置侧送补风口与排油烟机的排风口底平的形式，人员烹饪活动范围的气流组织较好，但烹饪时补风口吹风对人头顶范围影响较大。

（3）侧送补风口开设在橱柜侧面的形式，人员烹饪活动范围的气流组合也较好，但腿部范围会感觉不舒适。

合理的气流组织能改善室内空气品质，为满足超低能耗居住建筑健康舒适的室内环境要求，应合理厨房室内的气流组织。本文仅针对厨房自然补风口五种不同位置进行研究，无法涵盖所有情况，后续有条件时将开展进一步研究，以便为设计合理的气流组织提供预测和参考。