（制冷及低温工程专业论文）商用厨房室内环境质量评价与控制研究.pdf

中南大学硕上学位论文 摘要 摘要 商用厨房是集排风、空调送风、补风于一体的多组分空调通风 系统作用下的复杂热环境。商用厨房室内环境质量问题是近年来人 们非常关注的焦点之一。一个不舒适的厨房环境会导致工作效率降 低、员工流动，最终带给饭店经营者很大的经济损失。对商用厨房 室内环境进行合理评价，掌握商用厨房室内环境的具体情况，从而 采取合理的低耗能的空调通风方式来改善室内环境，是解决商用厨 房环境质量问题的基本途径。 商用厨房室内环境是一个高温高湿作业环境，且短期的烹饪作 业过程中产生的污染物强度大。考虑到已建立的室内环境评价模式， 或注重于评价室内空气品质，或注重于评价室内热舒适性，但都将 商用厨房视作一般热环境来研究，因而利用这些评价模型对商用厨 房室内环境状态的评估很值得商榷。本文提出基于c f d 模拟的 “w b g t + c 0 2 预测评价模型，综合考察室内热环境状态和室内污染 程度。对一个典型的商用厨房室内空间进行数值计算，并将 p m v - p p d 预测模型与新预测模型的计算结果进行分析比较。结果表 明，对商用厨房进行评价时，新的预测评价模型更加适用。这一模 型也可扩展用于评价工业高温作业环境。 目前中式商用厨房空调通风系统设计缺乏相应的标准，本文采 用数值模拟手段对商用厨房室内环境里热舒适的影响因素和室内污 染控制的影响因素进行比较分析，得到一些关于商用厨房室内环境 设计参数。这些参数涵盖送风系统参数( 风口大小、送风温度、送 风速度、空调风量) 和排风系统参数( 排风罩设置高度、排风速度) ， 这些参数的确定为实际工程设计提供了选择依据，具有一定的理论 意义和工程应用价值。 关键词室内环境质量，评价模型，数值模拟，商用厨房 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ac o m m e r c i a lk i t c h e ni sa c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n tw h e r em u l t i p l e c o m p o n e n t so fav e n t i l a t i o n & a i rc o n d i t i o ns y s t e mi n c l u d i n gh o o d e x h a u s t ，c o n d i t i o n e da i rs u p p l y , a n dm a k e u pa i rs y s t e m sw o r kt o g e t h e r b u tn o ti nu n i s o n t h ep r o b l e mo fi n d o o ra i re n v i r o n m e n ti na c o m m e r c i a lk i t c h e ni sf o c u s e do nm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l y ah o ta n d u n c o m f o r t a b l ek i t e h e nc o n t r i b u t e st op r o d u c t i v i t yl o s s ，k i t c h e ns t a f f t u r n o v e r a n de v e n t u a l l yp r o f i tl o s sf o rt h er e s t a u r a n to p e r a t o r t h e r ei sa e f f e c t i v ec o n t r o lm e t h o dt oi m p r o v ei n d o o ra i re n v i r o n m e n ti n s i d ea k i t c h e nt h r o u g ht h r e es t e p s ：r e a s o n a b l ee v a l u a t i n g ，g r a s p i n gt h es t a t u so f ak i t c h e ns u f f i c i e n t l y , t h e nu s i n gs u i t a b l ee n e r g y s a v i n gv e n t i l a t i o n & a i r c o n d i t i o ns y s t e m ac o m m e r c i a lk i t c h e ni sa ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n tw i t hh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g hh u m i d i t y ，t h eo u t p u to f v a r i o u sc o n t a m i n a t e sf r o m t h ec o o k i n ga p p l i c a n c e si ss ol a r g e a m o n gt h ee x i s t i n ge v a l u a t em o d e l s o fc o m m e r c i a lk i t c h e n ，s o m e b o d yd w e l l e dp a r t i c u l a r l yu p o ni n d o o ra i r q u a l i t y , s o m e b o d yd w e l l e dp a r t i c u l a r l yu p o nt h e r m a lc o m f o r t g e n e r a l l y s p e a k i n g ，a l le x i s t e v a l u a t i o n sa r eb a s e d0 1 1o n ev i e w p o i n tt h a ta c o m m e r c i a lk i t c h e ni sac o m m o nt h e r m a le n v i r o n m e n t , s ot h e a p p l i c a b i l i t yo ft h o s ee v a l u a t em o d e l sa r ed i f f i c u l tt oe v a l u a t i n gi t c o m p r e h e n s i v e l y t a k i n gt h ei n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n ta n d t h ed e g r e e o fc o n t a m i n a t i o ni n t oa c c o u n t ，a “w b g t + c 0 2 ”e v a l u a t em o d e lu s i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c si sp u tf o r w a r d an u m e r i c a ls i m u l a t i o no f at y p i c a lk i t c h e nh a sb e e nc a r r i e do u tu s i n gi n d o o rz e r o - e q u a t i o n t u r b u l e n c em o d e l t h er e s u l t sc a l c u l a t e df o rt h e r n m lc o m f o r ti n d e x ( p m v - p p dm o d e l 、a n dt h en e wm o d e lh a v eb e e na n a l y e da n dc o m p a r e d i ti ss h o w nt h a tt h en e w “w b g t + c o ，”e v a l u a t em o d e li sm o r es u i t a b l e f o re v a l u a t ei n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n ti n s i d eak i t c h e n f u r t h e r m o r e i t c a nb ee x p a n di t s r a n g et oi n d o o ri n d u s t r i a le n v i r o n m e n tw i t hh i g h t e m p e r a t u r eo p e r a t i o n c u r r e n t l yn os t a n d a r d sf o rt h eo p t i m i z e dd e s i g no fv e n t i l a t i o na n d a i rc o n d i t o ns y s t e mi nc h i n e s ek i t c h e n sa r ea v a i l a b l e t h ei n f l u e n c e f a c t o r so ft h r e m a lc o m f o r ta n di n d o o rc o n t a m i n a t i o nc o n t r o lw e r e 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v i s t i g a t e d s o m er e a s o n a b l ed e s i g np a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ，w h i c h i n c l u d i n gs u p p l ya i rp a r a m e t e r ss u c ha ss u p p l ya i rt e m p e r a t u r e ，s u p p l y a i rs p e e d ，c o n d i t o n e da i rr a t e ，a n de x h a u s tp a r a m e t e r ss u c ha st h eh e i g h t o fh o o da n de x h a u s ta i r s p e e d t h ea c q u i r e m e n tp a r a m e t e r s a r e i m p o r t a n tf o re n g i n e e r i n gd e s i g na n dh a v eac e r t a i ne x t e n ts i g n f i c a n c e b o t h t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y k e yw o r d si n d o o ra i re n v i r o n m e n t , e s t i m a t em o d e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c o m m e r c i a lk i t c h e n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。， 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定明天送交学位论文。 作者张刎翩躲砸吼a 目年功旦日 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来商用厨房室内环境问题己引起了不少学者的高度关注，在国内的学 术会议上亦多次被列为亟待解决的问题之一。商用厨房是一个复杂的环境，有 着集排风、空调送风、机械补风于一体的通风系统。商用厨房环境有以下特点： 热、湿源相对集中，烹饪操作时热源发热量大，湿量散发量大，9 0 的室内热 负荷来自热源的散热【l i ，室内温度高，同时非对称性热辐射强，操作区域受到 炉火高温热辐射的侵害和热浮升力作用下油烟气的干扰，且烟气在室内的滞留， 直接导致室内污染的加重。一个不舒适热湿环境必然会导致室内作业人员工作 效率降低，最终会影响商用厨房的正常运作。 为了更好地认识商用厨房室内环境，人们先后采用多种评价方式来评价室 内环境品质，还提出了一些可操作的环境控制措施。但是在对商用厨房的环境 评价上，以往的评价模式仍存在一定的局限性，无法恰如其分地反映室内环境 状态。在商用厨房的环境控制上也存在高耗能、低效率的现状，人们仍在积极 寻求更佳的控制方案。如何对商用厨房室内环境进行合理评价，掌握商用厨房 室内环境的具体情况，从而有针对性地采取合理的低耗能的空调通风方式来改 善室内环境，是解决商用厨房环境质量问题的基本途径。 1 1 商用厨房室内环境质量评价研究现状 1 1 1 商用厨房室内环境质量的评价方法 人们在研究室内环境质量时，先后建立多种基于实验测量或问卷调查的评 价方法，如有效温度e t ( e f f e c t i v et e m p e r a t u r e ) 、标准有效温度s e t 【2 j 和f a n g e r 的预测平均投票数和预测不满意百分数( p r e d i c t e dm e a nv o t e p r e d i c t e dp e r c e n t d i s s a t i s f i e d ，p m v - p p d ) i , a z 价指标【3 1 ，少数评价模式在对商用厨房热湿环境的评 价上也得到了具体的应用和拓展。 p o f a n g e r 教授提出预测平均热感觉指标( p m v ) ，将人对热环境的舒适感 觉分为7 个评价等级，成为一种比较全面的热舒适指标，至今这一指标被应用 的频次最多。b u r r 提出湿球黑球温度指数法( w e tb u l bg l o b et e m p e r a t u r e ， w b g t - e x ) ，该指数综合考虑影响工作环境气象条件的4 个因素( 温度、湿 度、风速和辐射热) ，将自然湿球温度、黑球温度和干球温度进行综合计算，得 出的w b g t 指数比较准确地反映工作地点的气象条件，同时还表征了工作人员 所承受的热强度，至今这一指标多用于评价高温作业热环境【4 】。d s m o r a n 等人 提出基于不同热应激参数的环境应激指数( e n v k o n m e n t a ls t r e s si n d e x ) ，它综合 中南大学硕t 学位论文第一章绪论 考虑环境温度、相对湿度、太阳辐射三个参数。他们还研制出一种微型高精度 测试仪，这种测试仪与湿球黑球温度计相比亦具有一定的独特优势f 5 1 。 上世纪9 0 年代同济大学沈晋明教授建立室内空气品质评价方法，主要通过 客观评价、主观评价和个人背景资料综合评价三种途径来实现。该评价方法根 据现场实测各污染物的浓度，确立各污染物偏离其相应基准值的程度，从而客 观地反映室内各种污染物的污染水平，同时还考虑人对污染物的主观感知度， 并结合国内的实际情况建立相应的评价指标，最终采用权重系数将各子系统联 系起来形成综合评价指标【6 】。 傅忠诚等人根据沈晋明教授提出的室内空气品质评价方法，在对厨房室内 污染物进行测试和问卷调查之后，选择具有代表性的污染物n o x 、c o 作为评 价指标，最终根据评价指标划分室内空气品质为五个等级，用以说明厨房空气 质量的状况 7 1 。 高兴根据实测结果，指出降低污染物浓度均值和降低浓度不匀率才是改善 室内空气品质、提高人的主观满意率的正确途径。他依据数理统计原理，对室 内污染物浓度进行客观评价，提出以浓度均值和浓度不匀率二个参数的厨房空 气品质评价标准蝎j 。 d e r e kw s c h r o c k 在厨房实验室内，使用暖体模型( t h e r m a lm a n n e q u i n ) 采 集实际操作状态中人体各部位的皮肤表面温度，然后计算出各温度点对应的当 量环境温度，再通过关系式转换成p m v 值，确定暖体模型各部位对应的热舒 适等级值，从而反映出厨房环境优劣程度f 9 ) 。 1 1 2 商用厨房室内环境设计标准 a s h r a e 研究表明，要使在炉灶前连续站立工作的厨师有较好的热舒适性， 厨师的面部周围区域空气温度应为1 8 ，手腕部位为0 c ，腿部为2 l 【1 l 。为 了提高厨房室内环境质量和热舒适性，人们很早就尝试过一些通风控制手段。 早期的美洲移民者利用壁炉做饭，对流气流( 烟气) 沿着烟囱向上排出，引导 室外补风通过建筑物的狭缝进入室内，即利用“烟囱效应”的自然通风方式。 随着科技的发展，人们使用开窗的方式提供室内必要的通风量，再后来人们在 墙上安装排风扇来代替窗子。直到上世纪5 0 年代，排风罩的出现给厨房通风控 制带来了革命性的意义【l o l 。 由于商用厨房环境有其独特性，加之各国的烹调方式差异颇大，各自对环 境质量的要求也有所不同。表l 为国内外商业厨房空调设计标准【8 1 。虽然从表 中可以看出，国内外在商用厨房上使用的设计标准似乎基本一致，但是由于各 地区的气候条件差异，以及不同地区人们对热环境的要求与可接受性是不同的， 因而在建筑暖通设计方面不可能形成一致的设计标准，具体的设计标准也应有 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 一定的差别，且有各自的适用范围。目前，尤其是中式商业厨房空调通风系统 优化设计缺乏相应的标准，厨房环境质量的最优控制方式、厨房室内最合理的 通风量问题、建立相应的商业厨房室内热环境标准，亟待解决i l l l 。 表1 国内外商业厨房空调设计标准 1 1 3 商用厨房室内环境评价手段 商用厨房空调通风评价手段主要包括两种：一是实测手段，即标准化测试 方式c k v - s t m ( c o m m e r c i a lk i t c h e nv e n t i l a t i o ns t a n d a r dt e s tm e t h o d ， c k v - s t m ) 0 2 1 ；二是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf 岫dd y n a m i c s ，c f d ) 模拟手段。 1 ) 标准化测试方式c k v - s t m 为了根据不同的需求对商用厨房空调通风系统进行合理的设计，人们进行 了许多实验研究，并建立对商用厨房的标准化测试方式c k v - s t m ，并为进一 步对商用厨房空调通风方式的选择与空调通风系统的确立作了铺垫。 c k v 8 t m 的测试内容： 测算设备发热量、食物含热量和排烟罩周围空间净得热量； 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 测量厨房室内空间人员、灯具和非灶台区域设备的得热量，以区别炉灶 的散热量； 确定不同排风量、排风罩形式及设备结构下，摊风罩与设备的性能； 不同排风量条件下，因排烟罩、设备得热造成的冷负荷； 确定补风方式、送风散流方式、送风点、通风量。 测试系统组成：6 r e x 7 5 m x 3 m 的密闭实验室、补风扇和排风扇、控制系统 及相应的传感器、补风量测量元件、数据采集系统相应的传感器、排风罩和厨 房设备。图1 为实验室的结构。最初于1 9 8 2 年建立的密闭实验室c k v - l a b l 主要用来评估排风罩的捕获与抑制( c a p t u r ea n dc o n t a i n m e n t ) 能力，后来经改 进升级成为密闭实验室c k v - l a b 2 ( 即标准化的厨房实验室) ，并提出了厨房室 内的能量平衡方程，继而形成了一个能量平衡协议( e n e r g yb a l a n c ep r o t o c 0 1 ) ， 最终成为厨房通风系统性能标准测试方法的理论依据。这种测试方法包括整体 能量平衡、排风及厨房烟气捕获与抑制的可视化观测【1 3 l 。 羁1 能量平衡协议一实验室结构图 2 ) 计算流体动力学模拟方法 近二十年来，计算流体动力学模拟技术已被应用于建筑通风空调设计的各 个领域u 4 b l 。一些专门应用于h v a c 领域的软件如a i r p a k 软件提供了强大的 数值报告，可以模拟不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、 速度场、空气龄场、污染物浓度场、p m v 场、p p d 场等，以对房间的气流组织、 热舒适性和室内空气品质( i n d o o r a i rq u a l i t y ) 进行全面综合评价【1 6 1 。 该评价方法利用室内空气流动的质量、动量和能量守恒方程，采用合适的 揣测模型，对边界条件和初始条件赋以适当的数值，再用c f d 方法求出室内各 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 点的气流速度、温度和相对湿度；并根据室内热源的发热量及壁面边界条件， 考虑墙面间的相互辐射以及空气间的对流换热，得到室内各点的辐射温度，综 合人体的衣着服装热阻和新陈代谢水平，利用e o f a n g e r 教授等人建立的 p m v _ p p d 评价模型及相关的计算求解公式，求得室内各点的热舒适指标p m v 。 同时利用室内空气的流动形式和扩散特性，得到室内各点的空气年龄( m e a n a i r a g e ) ，从而判断空气从送风点到达室内各点的时间长短，评估室内空气的新鲜 度。但是这种方法对技术水平和计算机能力要求较高，通常准确地预测室内空 气流动，需要花费很长的计算时间。 1 2 商用厨房室内环境质量控制研究现状 1 2 _ 1 利用通风方式改善商用厨房环境质量的研究 保证厨房内部必要的通风无疑是营造良好室内空气品质的有效手段，但是 采取何种有效的低耗能的通风方式却是一个难题。过去人们主要考虑的通风改 善策略有三种：依靠热压或风压为驱动力的自然通风方式、机械通风方式、混 合通风方式。c h i a a gc h em i n g 等人采用现场实验的手段通过气流场、温度场、 气体污染物颗粒分布来考察商用厨房室内空气环境，以寻求有效的自然通风方 式1 1 7 1 。f r a n c i sw h 等人用c f d 软件对使用自然通风方式的商用厨房进行模拟 研究，模拟一个典型尺寸的商用厨房( 3 2 m x 2 6 m x 2 9 m ) 分别采用4 2 种不同 开窗面积时的情形，最终提出商用厨房室内最小的通风量( 7 3 0 x 1 0 1 m 3 s ) 及 最小的开窗面积( 厨房顶板面积的2 3 3 3 ) 1 8 1 。f r e y d j 等人对商用厨房设备 和通风工程进行计算模拟分析，剖析了不同气候条件下采用机械通风方式的四 类商用厨房的通风能效问题，提出了对机械通风方式下的商用厨房通风系统改 进策略【1 9 1 。 1 2 2 利用空调方式改善商用厨房环境质量的研究 随着人们对热舒适环境需求提升，除通风之外，对商用厨房空间使用空调 降温处理愈加普遍。由于炉灶的热湿量和油烟的产生量大，为了保证室内可接 受的空气品质，必须加大换气次数，同时室内必须补充大量的空调处理新风， 能耗也相应增加。过去人们投入了较多的精力来研究商用厨房空调系统通风方 式，解决了空调系统中存在的一些问题，同时还进行了相关产品的研发。 为了解决空调系统中存在的换气次数高、热能消耗过大、缓解操作区域热 辐射状况等问题，人们先后提出多种空调送风方式。文献 8 】中作者采用组合风 幕送风方式将室外新风直接送到炉灶周围以及厨师呼吸区污染物浓度超标部 位，高效率地满足煤气燃烧需氧量要求、快速稀释超标部位污染物浓度；同时 中南大学硕士学位论文第一章绪论 利用风幕的空气动力来控制污染物溢出，减少残留率。瑞典某公司在设计船舶 厨房空调系统时采用两侧送风、中问排风的方式，较好地抑制厨房内油烟的扩 散问题例。陈焕新等人在设计空调餐车厨房通风系统时，将餐厅回风和室外新 风作为厨房补风量，厨房内采用全面通风加局部孔板送空调风的通风方式不仅 改善厨房内的工作环境，而且还防止油烟的外溢【2 ”。为了保证操作人员较好的 热舒适性，1 - 增文提出局部送风方式，即将经空调处理的新风送至工作区域， 保证操作者吸入新鲜空气，降低操作者身体的温度和周围环境温度，减轻热辐 射引起的不适感。局部送风下，空调器所需的风量小，从而系统运行能耗低m 】。 e b g r o d o n 等人利用有限元方法对商用厨房通风系统采用二维模型进行整体模 拟，以寻求最优的送风方式，模拟结果表明最优的送风方式应遵从送风速度低、 气流均匀，送风散流器尽量远离排烟罩等原则删。a n 出e yl i v c h a k 等人对一个 典型的厨房环境利用c f d 软件对两种送风方式( 混合送风、置换送风) 进行模 拟。与混合通风方式相比，置换通风以低风速送入到工作区域，室内无交叉气 流，排风罩就很容易捕捉烟气，而且在实际情形下，排风量还可以减少1 2 5 2 4 1 。 对商用厨房空调通风系统的性能及相关的末端装置产品的开发，也是国外 研究的热点所在。最初人们关注的焦点只是如何消除烹调操作过程中产生的废 热和油烟气问题，降低热辐射和污染物对人体的影响，因而早期人们对排风系 统及排风罩的研究甚多。l f r i t z 全面地论述了在排风罩设计时须考虑的一些 因素( 如排风罩形式、送风散流器分布点、补风型排烟罩内部补风方式、排风 速度) ，并且给出了排风罩的一些具体尺寸和油烟捕捉面积【2 5 l 。 近年来日本在商用厨房空调通风设计中多采用吹吸式排风罩( p u s h - p u l l h o o d ) ，w a n gc h a n g b i n 等人对该吹吸式通风系统进行实验研究，发现这种方 式虽可以较好的排除操作中产生的油烟，同时保持呼吸区良好的空气质量，但 是当吹、吸罩口之间的气流受到环境气流的冲击扰动时，油烟污染物捕捉能力 下降，厨师操作区域的空气质量也将恶化闭。t h k u e h n 等人对三类不同厨房 排风系统( 壁挂式、岛式、下排型) 分别对风机的能耗和流量测试，并依据 a s h r a e 5 1 1 9 8 5 标准，利用气体流动可视系统( f l o wv i s u a l i z a t i o ns y s t e m ) 定 性地分析灶台与排风罩之间的流场，提出更深层次的研究工作是探求排风量、 排风罩的捕捉效率、能耗三者之间的关系【2 7 】。 为了获得较好的排风效果和排风罩最佳的捕捉效率，r i c h a r dt s w i s e r c z y n a 等人通过现场试验，最终提出了临界排风量( 或最小排风量) 的概念网。在此 之后他还和d o n a l df i s h e r 等人共同合作对厨房室内静压的变化对排风系统性能 的影响问题进行实验研究，测试了当厨房内部处于负压、压力平衡、正压三种 情形下排风罩的捕捉和抑制性能。实验表明当室内正压时，排风罩可实现完全 6 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 的捕捉和抑制功能，排风量也可以提升到临界排风量( 用于排风罩的捕捉与抑 制的最小排风量) 之上。但是室内处于负压状态时，排风机的排量将降到临界 排风量( 用于捕捉和遏制的最小排风量) 以下【2 9 】。w i l l i a md g e r s t l e r 等人对不 同平均排风速度时的排风管道内部的油烟沉积效率进行现场测试，考察了不同 排风速度对排风管道内油烟沉积的影响程度，确定了到达最佳油烟沉积效率时 的临界排风速度【则。 1 _ 2 3 商用厨房空调通风系统的节能研究 节能降耗是每个工程设计人员都非常关注的问题，它直接关系到一个方案 的可行性。在商用厨房环境控制上，如何节省商用厨房空调通风系统投资，同 时减少系统运行能耗是人们一直所寻求的最佳控制策略。为了最大限度地实现 商用厨房空调通风系统的节能，不少研究者尝试了多种方式，同时也提出了许 多可行的做法。 r i c h a r dy o u n g 等人利用d o e 2 软件分析标准化厨房的能耗问题，并在具体 应用中采纳多项节能技术( 蒸发冷却、变速排风机、能耗管理系统等) ，结果表 明这些技术的应用可节省1 2 1 8 的能耗p ”。同时厨房空调通风系统的热回 收潜力较大，资料显示，在寒冷地区商用厨房里只要能回收5 0 的排风废热， 就足以用于对厨房补风量进行再热【1 1 。气气热回收装置如旁路盘管、热管盘管、 逆流盘热交换器、转轮热交换器的热回收效率均大于5 0 。典型的热管盘管可 达到6 5 的热回收效率，例如当3 8 0 的厨房排烟进入热交换器里，可使来自室 外一1 8 的空气温度经热交换后上升至1 8 c 1 1 。s m a r ts w a t e r b u r y 等人在进行快 餐店暖通设计时，针对快餐店各区域的不同需求，分别采用三种不同的蒸发冷 却方式：在厨房新风入口增加蒸发预冷器，餐厅采用蒸发冷凝预冷器，休闲区 采用直接蒸发冷却，这些措施一定程度上带来了系统能耗的节省1 3 2 1 。 商用厨房内部的补风量主要有三个功能：满足操作人员的呼吸需求，炉灶 燃料的燃烧需求，以及维持室内压力平衡的需求。合理地设置空调送风、室外 新风补风量和厨房排风量三者之间的关系，可以使整个空调通风系统达到最优 化的运行效果，有利于系统的节能。v e r n o na s m i t h 等人通过数值模拟不同的 持续通风量时，电气厨房和用电厨房各自的运行性能，确立合适室外新风补风 量及厨房耗能最小时的通风量p 习。s t e p h e nk m e l i n k 提出需求控制通风( d e m a n d c o n t r o lv e n t l a t i o n ，简称d c v ) 系统，即在保证一定室内空气品质的前提下， 将新风量控制在最小。基于空气品质的需求控制通风，新风量随着室内人员或 其它污染源变化而变化，从而避免过量通风和欠通风，节约能量消耗【3 4 】。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 商用厨房环境评价与控制有待解决的问题 综合国内外在商用厨房室内环境的研究现状与进展，本文认为目前尚存在 以下几个有待进一步研究的问题。 1 3 1 商用厨房室内环境综合评价的研究 对商用厨房室内环境的综合评价上，国内外研究的侧重点有所不同。国内 对商用厨房环境的研究上侧重于室内空气污染的问题，而国际上侧重于对厨房 热舒适性的研究【5 - 9 1 。基于不同的出发点，建立相应的评价标准时具体评价指标 选择差异较大，评价指标的排序和权重系数的确定也存在各异性，从而建立的 综合评价标准也就难于客观地反映商用厨房的环境质量。在以往的商用厨房环 境研究中人们由于过多考虑或室内温湿度，或污染物浓度分布等问题，但往往 回避了室内非对称热辐射( u n s y m m e t r i c a lh e a tr a d i a n t ) 的问题，即炉火高温 热辐射对人体热舒适的影响以及对操作人员工作效率的影响，这主要是由于商 用厨房热环境的相关测试数据太少，缺乏对劳动操作强度的界定范围，因而无 法进一步量化热辐射对人员热舒适和工作效率的影响。充分考虑非对称热辐射 强度，继而确定可操作性强的评价指标，建立一个全面反映厨房室内的温湿分 布、热辐射状况、气流组织、污染物浓度分布等问题的综合评价模式是很有必 要的。再者，以往建立的评价模式对厨房的空调通风控制方案的选择缺乏实践 指导意义，实用性不强。 1 3 2 商用厨房环境控制方案的研究 商用厨房环境现有的控制方式比较单一，大多采用简单的空调通风模式， 能耗较高，且效果不理想；国外虽有学者借助计算流体力学软件( c f d ) 对商 用厨房的空调通风问题做了一些模拟研究，但基本上只是采用二维模型或只是 针对单一的空调通风控制方式进行模拟分析，因而对实际工程应用的指导意义 不强。寻求新颖的环境控制方案来获得商业厨房室内健康的舒适的热环境，或 将一些好的空调方式如独立新风系统、辐射供冷系统等应用到商用厨房设计中 来，诸多方案的可行性是很值得去尝试的。 在设计商用厨房环境控制方案时，应该重视对厨房内部潜在的低品位热源 进行回收利用。这些潜在的低品位热源包括：厨房排风、炉灶燃烧排烟、燃煤 型炉灶的炉膛径向热扩散以及炉灶的火焰热辐射。t m a l l d m m i s 针对约旦某大 学厨房内使用的柴油炉热回收方案进行试验研究，发现炉灶排烟温度在1 2 0 左右，如果将它直接引入油烟排风道内，很容易引燃排风道内的油烟沉积物， 导致火灾。t m a l k h a m i s 在炉灶底部排烟风道内部中安装水盘管回收排烟余热， 被加热的热水用于补充厨房的生活用水，试验证明这种方式可以回收6 0 的排 8 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 烟废热瞰i 。厨房的排风温度一般达到4 0 1 2 以上，利用这部分排风余热对新风进 行预热，可以实现空调系统的热回收，以达到一定的节能效果。燃煤型炉灶在 我国少数地区仍被广泛利用，灶膛径向热扩散亦会给室内环境带来一定的热负 荷，如何回收径向扩散热量以将其对室内环境冷负荷的影响降低到最小限度， 过去曾有节能炉之类的产品面世，以适应商用厨房的节能需求。除此之外，一 些燃气灶操作时火焰温度可高达1 0 0 0 以上，火焰的局部热辐射大，但是这部 分废热回收潜在价值与回收方法需要进行许多的实验来验证。一套完备的环境 控制方案需要综合考虑诸多方面的因素，因而相关的研究亦有待进一步的细化 与深入。 1 3 3 商用厨房空调通风设计标准的研究 查阅文献资料发现，对中式商用厨房的暖通设计时，目前尚没有一个成熟 的标准可遵循，通常的做法也就是非标准化设计。由于我国在商用厨房设计上 缺乏经验，一些建筑设科院在建筑设计时，大多只做整栋大楼的办公区暖通设 计，将商用厨房的空调通风设计交给从事厨房工艺设计的单位，但是二者之间 的协调往往是令人担忧的，加之厨房工艺设计单位设计资质不够，暖通设计师 设计水平的良莠不齐，因而设计难免不尽合理。 众所周知，中餐操作时偏爱大火煎炸、颠锅炒菜，操作过程中油烟发生量 更大，而随热浮升力上升的热油雾蒸汽气流更紊乱，非常不利于排风罩的油烟 捕捉与抑制。目前中式商业厨房的空调通风设计标准缺乏较好的适用性，实际 设计时对一些相关设计参数的选取缺乏科学性。厨房室内最合理的通风量问题、 厨房环境质量的最优控制方式、建立相应的商业厨房室内热环境标准等，亟待 解决。 1 4 本文的研究内容 商用厨房空调通风设计理论涉及热动力学、环境控制和空气流动等三方面 的基础理论，但是设计时却大多是基于经验主义。商用厨房空调通风在餐饮建 筑中起着至关重要的作用，它影响着建筑室内空气平衡和能源效率，使用不合 理的设计，很可能会使厨房内部乃至整栋建筑室内环境毁于一旦。因此，研究 商用厨房室内环境的评价方式以及实现对室内热污染环境的控制是非常有意义 的。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 分析商用厨房室内环境的特点，剖析这一准高温作业环境里环境影响 因素，并基于职业安全健康防护策略，建立一种适宜的评价方式来综合评判室 9 中南大学硕 学位论文 第一章绪论 内环境质量。 ( 2 ) 对具体的研究对象，利用c f d 软件建立物理数学模型，使用已建立 的室内环境评价方式，对商用厨房室内环境进行数值模拟评价，通过c f d 软件 强大的后处理功能直观地评判室内的热舒适性、室内空气品质状况。 ( 3 ) 确定合理的空调通风方式，对室内热环境作影响因素分析，采用数值 模拟研究方法。室内热环境主要影响参数是送风系统参数，因而将从不同的送 风温度、速度、送风量以及送风风口尺寸等方面展开研究，以确定最优的送风 参数； ( 4 ) 对室内污染( 室内空气品质) 控制能力作分析探讨，室内污染( 表征 室内空气品质) 控制能力的好坏直接决定于排风系统的运作性能，旨在确立最 优的排风系统参数。基于“模拟指导设计”思想，综合确定较为合适的商用厨 房室内设计参数，以服务于商用厨房建筑室内环境设计。 l o 中南大学硕士学位论文第二章商用厨房室内环境质量评价 第二章商用厨房室内环境质量评价 2 1 商用厨房室内环境特点及主要影响因素 2 1 1 商用厨房环境特点 商用厨房环境有以下特点：厨房内部热源与湿源相对集中，且热源发热 量大，湿源产湿量大，油烟大，气味差，必须在空调降温的同时，有效地排除 油烟污染物和不良气味。9 0 的室内热负荷来自高温热源的散热；室内温度 高，同时因高温热源产生的非对称性热辐射强。厨房的工作空间相对狭小， 工作区域也相对固定。操作区域直接受到炉火高温热辐射的侵害和热浮升力作 用下油烟气的干扰。厨房通风不良直接导致厨房内部油烟污染物浓度的增加， 而且油烟热污染物在室内滞留时间的增长，更增加了厨房内部储热量【1 5 1 。 2 1 2 商用厨房环境主要影响因素 商用厨房环境的主要影响因素包括厨房烟气污染物、室内热源散热、空调 通风效果等因素。 1 ) 厨房烟气污染物 厨房烟气污染物主要由烹调油烟和燃料燃烧产物组成。 烹调油烟主要是食用油和食品加热过程中产生的油烟雾。通常，当食用油 被加热2 5 以上时，油中的一些物质就会发生氧化、水解、聚合、裂解等一系 列的化学反应，这时就形成烹调油烟p 6 1 。同时，在烹调过程中，食物中水分急 剧汽化膨胀，部分冷凝成雾，然后与油烟一起形成可见的油烟雾。油烟雾主要 为水雾，仅在上部带有少量的与水雾相溶的油烟气。可见，烹调油烟为食用油 及食品在高温下的挥发物及其冷凝物的气溶胶水汽，是一组混合性污染物。此 外，烹调油烟常带有一些刺激性气味。从形态上看，烹调油烟包括可吸入颗粒 p m i o 和p m 2 5 两类i j ”。 厨房内的燃料燃烧产物因燃料的不同及其燃烧完全程度的不同而产生的废 气也不同。燃料燃烧产物主要成分为c o 、n o x 、s 0 2 与烟尘，均会对环境造成 污染。据统计，煤的燃烧产物总计多达数百种化合物，它们主要可以分为以下 七大类：碳氧化合物、含氧烃类、多环芳烃、硫氧化合物、氟化物、金属及非 金属化合物和悬浮颗粒物等。天然气和液化石油气属于清洁燃料，且容易完全 燃烧，颗粒物少，污染程度较轻，但仍释放少量的污染物，污染室内环境。郑 箐英等人对北京市郊住宅内厨房灶具燃烧污染问题进行的研究表明，使用不同 燃料时厨房内产生的燃烧污染物的浓度均值和范围都不同，见表2 1 所示p 8 】。 厨房烟气中含有对人体危害最大的粒径小于1 0 u m 的飘尘( 可吸入颗粒p m l o 中南大学硕一e 学位论文第一二章商用厨房室内环境质量评价 和p m 2 5 ) ，飘尘经过呼吸道沉积于肺泡，如果飘尘污染物被溶解，就会直接侵 入血液，引起中毒，而未被溶解的飘尘污染物则有可能被细胞所吸引，侵入肺 组织或淋巴结，引起尘肺团。研究表明，烹调油烟是发生肺鳞癌和肺腺癌共同 的危险因素。厨房工作人员肺癌与油烟暴露有明显的联系，而且，患肺癌的几 率随着油煎或油炸食物的次数增加而变大1 3 9 】。 表2 - 1 不同燃料的厨房燃烧污染物的浓度均值争范围( 单位：r a g ) 燃料燃烧产物的主要产物c o 会经呼吸道进入血液与血液中的血红蛋白结 合生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液输氧能力。c o 在8 m g m 3 以上即可在短时 间内引起中枢神经系统的反射作用变化，长期接触可导致贫血，心脏及呼吸道 病人病情恶化。s 0 2 在2 6 m g m 3 以上时，就能嗅到刺激性气味。n o x 在lm g m 3 以上即可导致肺细胞病理组织发生变化，长期接触可导致呼吸道疾病，如肺气 肿。甲醛在大于6 0 1 2 0 m g m 3 时可导致肺炎、咽喉和肺水肿、支气管痉孪等疾 病，出现呼吸困难甚至呼吸循环衰竭致死等症状，而且它还是导致癌症、胎儿 畸形和妇女不孕症的潜在危险物团。还有一些主要有害成分如丁二烯、乙烯酸 高分子聚合物及苯并 a 】芘，苯并芘可导致人体细胞染色体的损伤，长期吸入可 诱发肺脏组织癌变。美国一家癌症研究中心最近指出，在对肺癌发病情况的调 查中发现，长期从事烹调的家庭主妇和长期在厨房高浓度油烟环境下工作的厨 师，肺癌的发病率较高。瑞典著名脑瘤专家通过对1 6 1 7 名肺癌患者的研究，发 现厨师的肺癌的机会，竟是非厨师的5 倍【柏】。 中南大学硕上学位论文第一二章商用厨房室内环境质量评价 厨房油烟随空气侵入人体呼吸道，会引起食欲减退、心烦、精神不振、嗜 睡、疲乏无力等症状，医学上称为油烟综合征。吉林大学研究证明，食用油到 2 7 0 时，油烟有大量混合物产生( 2 0 0 3 0 0 种之多) 。人在油烟中短期停留，肺 活量、时问肺活量指标均明显下降；人在油烟中长期停留，血浆脂质过氧化物 含量升高；血浆维生素c 、e 等含量降低【矧。油烟对肠道、大脑神经的危害也 较为明显，油烟还会使皮肤表皮因子活性下降，灰暗而粗糙，脸部皱纹增加。 在油烟环境下工作的人，容易出现头痛、胸闷、眼痒、鼻塞、耳鸣等，严重的 还会导致失眠、记忆力减退1 4 n 。 2 ) 室内热源散热 商用厨房中烹饪的功能分区大致为储藏区、准备区和烹饪操作区，一个良 好的商用厨房环境应包括这三个主要区域，且每个区域都有一套辅助设备。储 藏区是储备食品和餐具的地方，此处一般设置电冰箱，并放置存放各类餐具的 柜橱；准备区主要是对食品进行加工、洗切和配料，此处主要设备为洗池、案 台和洗碗机；烹调区是商用厨房的核心所在，一般配置炉灶、炊具柜和通风排 烟装置，一些现代化的厨房烹饪区一般设置煤气炉和烤箱。商用厨房室内热源 散热主要来自两个方面：烹饪区域得热；室内人员、灯具以及非灶台区的 厨房辅助设备的散热。 为了进一步量化室内热源散热量，采用稳态情