高層住宅廚房混接集中煙道流動(dòng)特性研究

張 韻

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310012）

我國高層住宅建筑總量位居世界第一，高層住宅建筑中通常應(yīng)用集中煙道系統(tǒng)將各層住戶廚房油煙排至室外。該系統(tǒng)由吸油煙機(jī)、排煙支管、防火止回閥、集中煙道、屋頂風(fēng)帽等組成，各層住戶廚房的油煙經(jīng)吸油煙機(jī)、排煙支管進(jìn)入集中煙道，最終經(jīng)屋頂風(fēng)帽排至室外。目前，集中煙道系統(tǒng)均考慮了吸油煙機(jī)上排式的接入方式，其流動(dòng)特性已得到廣泛研究和討論，相關(guān)的國家、行業(yè)、地方排氣道技術(shù)規(guī)程和圖集均比較完善［1-2］。圍繞集中煙道系統(tǒng)排風(fēng)失衡、串煙串味等問題［3-4］，相關(guān)學(xué)者研究提出了增加屋頂復(fù)合動(dòng)力減緩煙道靜壓提升風(fēng)量［5］、引入導(dǎo)流構(gòu)件解決排風(fēng)失衡［6-7］、開發(fā)恒風(fēng)量煙機(jī)保障排風(fēng)量［8］等系列措施，并取得了顯著的改善效果。

集成灶是一種集吸油煙機(jī)、燃?xì)庠?、消毒柜、?chǔ)藏柜等多種功能于一體的廚房電器，因其具有節(jié)省空間、排油煙效果好、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為廚電類市場的主流產(chǎn)品［9］。但集成灶為下排式的排油煙裝置，其從住宅下部接入集中煙道，與傳統(tǒng)吸油煙機(jī)上排式的接入方式完全不同。目前尚未有考慮集成灶下排式接入的集中煙道設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖集，對(duì)集成灶在高層住宅建筑中的應(yīng)用造成了極大阻礙。

下排式集成灶接入時(shí)，相鄰兩層的煙道上下接口間距大幅減小，煙道流動(dòng)特性是否發(fā)生變化，現(xiàn)有煙道設(shè)計(jì)規(guī)范是否能滿足吸油煙機(jī)與集成灶混接的需求？本文擬選取26層高層住宅集中煙道為對(duì)象，研究吸油煙機(jī)與集成灶混接對(duì)煙道流動(dòng)特性的影響，分析混接間距、安裝位置等因素對(duì)排風(fēng)量和靜壓分布影響，進(jìn)一步研究了增大煙道尺寸的改善作用，以期為混接集中煙道的技術(shù)規(guī)程編制和工程實(shí)施提供參考。

1 混接集中煙道流動(dòng)特性研究方法

1.1 集成灶與吸油煙機(jī)動(dòng)力曲線的選擇

集成灶與吸油煙機(jī)通常為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行模式，一旦排氣道內(nèi)壓力分布發(fā)生變化，集成灶與吸油煙機(jī)的排風(fēng)量也將隨之改變。為明確數(shù)值仿真的邊界條件，確保數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文通過廣泛調(diào)研，選擇了2種典型動(dòng)力性能的集成灶與吸油煙機(jī)，并測試得到對(duì)應(yīng)動(dòng)力特性曲線，見圖1。進(jìn)一步擬合得到集成灶與吸油煙機(jī)的P－Q關(guān)系式。

圖1 集成灶、吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)動(dòng)力特性曲線

集成灶擬合公式：

吸油煙機(jī)擬合公式：

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用商業(yè)流體力學(xué)軟件ANSYS中workbench組件對(duì)混接集中煙道系統(tǒng)進(jìn)行1∶1建模。煙道系統(tǒng)層高3 m，主煙道截面尺寸根據(jù)模擬工況設(shè)置，支管截面尺寸為180 mm×180 mm，每層同時(shí)設(shè)置吸油煙機(jī)和集成灶兩根支管，按照上接口和下接口交錯(cuò)排列，共26層，總長度80 m，見圖2。利用Fluent Meshing網(wǎng)格工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，全局的面網(wǎng)格尺寸控制在0.04 m以內(nèi)，對(duì)于支管進(jìn)行局部加密處理，支管局部面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02 m。經(jīng)獨(dú)立性檢驗(yàn)，最終形成的集中煙道網(wǎng)格數(shù)量約80萬，網(wǎng)格最大扭度（skewness）為0.7，最小正交質(zhì)量達(dá)到0.5，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 煙道幾何模型

圖3 煙道模型網(wǎng)格劃分

數(shù)值仿真以空氣作為流體介質(zhì)，并假設(shè)計(jì)算域內(nèi)的空氣流動(dòng)為不可壓縮理想氣體的湍流流動(dòng)。數(shù)學(xué)模型及求解器的設(shè)置見表1，采用Realizable k-ε湍流模型預(yù)測流場和壓力分布，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力－速度耦合選用SIMPLE算法，離散方程先用一階差分計(jì)算穩(wěn)定后，再采用二階差分形式計(jì)算收斂。邊界條件設(shè)置見表2，出口面設(shè)置為pressure outlet，設(shè)置出口壓力為0 Pa；煙道外壁設(shè)置為wall，煙道選用水泥材質(zhì)，粗糙度為1.5 mm，各層入口均設(shè)置為inlet vent，并設(shè)置相應(yīng)的阻力系數(shù)。集成灶和吸油煙機(jī)分別設(shè)置為fan，并根據(jù)壓力與流速關(guān)系式輸入相應(yīng)系數(shù)。

表1 Fluent求解器設(shè)置

表2 邊界條件設(shè)置

1.3 數(shù)值模擬工況設(shè)置

開啟率是影響煙道流動(dòng)特性的一個(gè)重要因素，煙道設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)選取不保證率較低時(shí)的開啟率進(jìn)行研究。根據(jù)王依蕊對(duì)高層住宅廚房開啟率的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)25層住宅工作日和周末的最大開啟率分別為52.4%和46.1%［10］。因此，本文26層煙道模擬過程選擇開啟率0.5進(jìn)行研究。首先，計(jì)算了全吸油煙機(jī)／全集成灶（單一性動(dòng)力）、吸油煙機(jī)與集成灶混接（差異性動(dòng)力）3種工況，對(duì)比分析混接工況的差異性動(dòng)力對(duì)集中煙道系統(tǒng)流動(dòng)特性的影響?；旖庸r設(shè)定吸油煙機(jī)與集成灶交替接入，奇數(shù)層接入吸油煙機(jī)，偶數(shù)層接入集成灶。其次，奇數(shù)層支管上接口與其上一層支管下接口的間距考慮了4種水平：0.8、1.0、1.2、1.4 m，以分析混接間距對(duì)煙道系統(tǒng)流動(dòng)特性的影響。然后考慮了4種典型開啟位置對(duì)煙道流動(dòng)特性的影響，即集中上部、集中中部、集中下部和均勻開啟，具體開啟情況見表3。最后，進(jìn)一步探討了煙道面積對(duì)混接煙道的改善潛力。綜上，本文模擬工況的各影響因素水平匯總見表4。

表3 4種典型開啟位置的開啟情況

表4 模擬工況各影響因素水平匯總

1.4 結(jié)果分析

1.4.1 接入形式影響

圖4和圖5分別給出了不同接入形式下各層吸油煙機(jī)或集成灶的排風(fēng)量和靜壓分布情況。從圖4可以看出，全吸油煙機(jī)／全集成灶工況下，單一性動(dòng)力使得風(fēng)量隨樓層緩慢增加；混接工況下，差異化動(dòng)力加劇了不同類型排煙末端的排風(fēng)量差異，風(fēng)量分布規(guī)律更加復(fù)雜。特別是在底部樓層區(qū)域，由于高靜壓范圍內(nèi)吸油煙機(jī)與集成灶的動(dòng)力特性差異更大（圖1），導(dǎo)致底部樓層相鄰樓層間的風(fēng)量差異愈顯著，呈現(xiàn)“強(qiáng)者越強(qiáng)，弱者越弱”的惡性競爭。因此，在集中煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需兼顧考慮煙道接入設(shè)備的動(dòng)力特性差異。圖5結(jié)果表明，全集成灶工況的煙道整體靜壓最高，全吸油煙機(jī)工況的煙道整體靜壓最低，混接工況整體靜壓居中。

圖4 不同接入形式下的風(fēng)量分布

圖5 不同接入形式下的靜壓分布

1.4.2 混接距離影響

圖6和圖7分別給出了不同混接距離下的風(fēng)量與靜壓分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，4種工況下，風(fēng)量和壓力分布曲線完全重合，即表明在0.8～1.4 m混接間距下，集中煙道的流動(dòng)特性無變化，后續(xù)集中煙道設(shè)計(jì)中，混接距離可不必納入影響因素。

圖6 不同混接間距下的風(fēng)量分布

圖7 不同混接間距下的靜壓分布

1.4.3 開啟位置影響

圖8給出了4種典型開啟位置下的風(fēng)量分布。可以看出，開啟位置對(duì)排風(fēng)量分布有顯著影響，排風(fēng)量總體上隨開啟位置提升而增大，集中下部開啟的排風(fēng)量較小。由于吸油煙機(jī)與集成灶的差異化動(dòng)力特性，每種工況均呈現(xiàn)了低樓層集成灶風(fēng)量大，高樓層吸油煙機(jī)風(fēng)量大的規(guī)律，且在集中底部開啟工況較為明顯。集中下部開啟工況的最小、最大風(fēng)量分別為409.5、695.4 m3／h，最大與最小風(fēng)量偏差為69.5%；其他3種工況的最大與最小風(fēng)量偏差分別為59.2%（集中中部）、52.2%（集中上部）、73.3%（均勻）。

圖8 不同開啟位置下風(fēng)量分布

圖9給出了4種典型開啟位置下的靜壓分布。結(jié)果顯示煙道靜壓分布總體上隨開啟位置提升而降低，集中下部、集中中部、集中上部、均勻開啟時(shí)的最高靜壓分別為393.2、358.9、311.8、349.6 Pa，集中下部工況的煙道靜壓值最大。綜合風(fēng)量與靜壓分布，建議采用集中下部開啟作為最不利工況進(jìn)行混接集中煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖9 不同開啟位置下靜壓分布

1.4.4 煙道截面積影響

由前述分析可知，混接工況的差異性動(dòng)力加劇了不同類型排煙末端的排風(fēng)量差異。根據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《住宅排氣道（16J916—1）》，26層住宅廚房煙道推薦設(shè)計(jì)尺寸為500 mm×350 mm、450 mm×400 mm、450 mm×450 mm三種，《住宅廚房和衛(wèi)生間排煙（氣）道制品（JG／T 194—2018）》的推薦尺寸為550 mm×400 mm，本文對(duì)4種尺寸的系統(tǒng)風(fēng)量和靜壓進(jìn)行計(jì)算分析，以探索煙道尺寸對(duì)混接流動(dòng)特性的改善作用。

圖10和圖11分別給出了4種煙道截面尺寸下的風(fēng)量與靜壓分布。由圖10可知，圖集16J916—1推薦最小尺寸500 mm×350 mm工況下，末端最小風(fēng)量266.4 m3／h，最大風(fēng)量644.3 m3／h，最大最小風(fēng)量的偏差近150%；圖集16J916—1推薦尺寸450 mm×350 mm工況下，末端最小風(fēng)量338.1 m3／h，最大風(fēng)量660.3 m3／h，最大最小風(fēng)量的偏差約95%；圖集16J916推薦較大尺寸450 mm×450 mm工況下，末端最小風(fēng)量437.4 m3／h，最大風(fēng)量706.5 m3／h，最大最小風(fēng)量的偏差約62%；標(biāo)準(zhǔn)JG／T 194—2018推薦尺寸550 mm×400 mm工況下，末端最小風(fēng)量493.1 m3／h，最大風(fēng)量719.3 m3／h，最大最小風(fēng)量偏差僅45%。上述結(jié)果表明，隨著煙道尺寸的增大，不僅風(fēng)量整體提高，各末端風(fēng)量的差異也明顯減小。圖11顯示，隨著煙道尺寸的擴(kuò)大，煙道靜壓整體降低，最大靜壓從450 Pa降低到380 Pa左右，煙道尺寸增加有利于緩解集中煙道內(nèi)的串煙串味問題。擴(kuò)大煙道面積可緩解混接帶來的不同類型末端風(fēng)量顯著差異和煙道靜壓過大問題。

圖10 不同煙道尺寸下的風(fēng)量分布

圖11 不同煙道尺寸下的靜壓分布

2 結(jié) 語

1）混接工況下，吸油煙機(jī)與集成灶的差異化動(dòng)力加劇了2種末端的風(fēng)量差異，風(fēng)量分布規(guī)律更加復(fù)雜；特別是在底部樓層區(qū)域，相鄰樓層間的風(fēng)量差異愈顯著，呈現(xiàn)“強(qiáng)者越強(qiáng)，弱者越弱”的惡性競爭。在混接集中煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需兼顧考慮煙道接入設(shè)備的動(dòng)力特性差異。

2）集成灶與吸油煙機(jī)混接距離在0.8～1.4 m區(qū)間，不影響集中煙道的流動(dòng)特性，混接集中煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮此因素。

3）開啟位置對(duì)排風(fēng)量分布有顯著影響，排風(fēng)量總體上隨開啟位置提升而增大，集中下部開啟的排風(fēng)量較??；煙道靜壓分布總體上隨開啟位置提升而降低，集中下部工況的煙道靜壓值最大，達(dá)到393.2 Pa；建議采用集中下部開啟作為最不利工況進(jìn)行混接集中煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4）混接條件下，相比圖集16J916—1推薦的較小煙道尺寸（500 mm×350 mm），標(biāo)準(zhǔn)JG／T 194—2018推薦的較大煙道尺寸（550 mm×400 mm）可緩解混接帶來的不同類型末端風(fēng)量顯著差異和煙道靜壓過大問題。