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高层住宅厨房排油烟系统的研究与实践同济大学暖通空调研究所徐文华摘要我国传统的家庭烹饪习惯使厨房油烟的排除问题始终困扰着建筑设计者。虽然对此问题的研究已经有几十年的历史，但仍然没能彻底解决，高层住宅的出现又使问题更加复杂。本文在回顾相关研究的基础上，介绍一种比较合理的系统形式、系统设计计算方法、工程应用及实测运行效果，以供建筑投资及设计方参考。关键词高层住宅厨房、排油烟系统、设计方法、实测效果1引言至2006年底，全国城镇化已达43.9%，未来15年将以每年0.8~1.0%的速率增长，相当于每年有1~1.5千万农村人口转入城镇。由于城镇土地资源的紧缺，住宅高层化的趋势不可避免。目前高层住宅的层数已经从早期的10多层发展到超过30层，甚至已经出现超过40层的超高层住宅建筑。高层住宅建筑因为考虑到建筑立面的美观、防止高空室外风的倒灌等因素，已普遍采用了竖向集中排油烟系统，但系统的阻力增大、各楼层之间的排风量不平衡、消防安全要求高等多层住宅所没有的问题也随之出现。在这样高的住宅中如何合理设计厨房排油烟系统尚没有任何设计规范或参考依据。本文总结多年来的研究及实践的结果，归纳出一套设计方法，并且对所设计的某超高层住宅排油烟系统进行了现场测定，证明运行效果十分理想，达到设计要求。现简要介绍如下，以供建筑业主及设计人员参考。2现有规范及技术、系统GB50096-1999《住宅设计规范》6.4.1规定“当排油烟机的排气管排至竖向通风道时，竖向通风道的断面应根据所负担的排气量计算确定，应采取支管无回流、竖井无泄漏的措施”。在相应的条文说明中提到“厨房排油烟机的排气量一般为300~500m3/h”。GB50368-2005《住宅建筑规范》8.3.7规定“当采用竖向通风道时，应采取防止支管回流和竖井泄漏的措施”。在9.1.5规定“住宅建筑设备的设置和管线敷设应满足防火安全要求”。GB50045-95《高层民用建筑设计防火规范》（2005版）8.5.5规定“厨房、浴室、厕所等的垂直排风管道，应采取防止回流的措施或在支管上设置防火阀”。按照防止经竖向排烟道油烟串味（即规范所提的回流）的技术措施，目前我国已采用的竖向集中排油烟系统大致可以分为两种形式[1]：依靠特殊的烟道内部结构和依靠烟道外部的止逆阀（也有两者同时使用的）。考虑到减轻烟道的制作难度及重量、目前现场施工管理的水平、系统的调节及维护管理等因素，笔者一直推荐后者，即：采用简单的单孔烟道，在烟道上用户排油烟机软管接入口处安装可靠的止逆阀。性能良好的止逆阀同时具备防串味、防火、流动阻力小及调节楼层间阻力平衡的功能，且安装、使用和维护方便。图1是某企业研制的一种已经成功上市的止逆阀。该阀门经过高达130Pa逆向静压下的漏风量测试，证明有较好的防串味功能[2]；采用电磁控制实现与用户排油烟机自动连锁开闭，操作方便，动作可靠，关闭严密；阀片向排烟道上部开启，烟气流动阻力小且对下层排烟干扰小[3]；阀片开启角度可调，有利于平衡用户排风量；经消防部门认证，满足防火试验要求，兼具防火阀功能。图1电子自控止逆阀3设计计算方法3.1系统设计计算方法概述F1F2F312345abc图2系统示意图系统设计计算的目的是在一定的同时开机率、一定的用户排油烟机性能下，确定满足最不利用户（最底层）一定排风量时的最小竖向烟道内截面尺寸。如图2所示，最底层用户的排油烟机1在排除一定风量时，要克服自用软管2、止回阀3的阻力以及竖向烟道4和排风帽5的阻力。其中竖向烟道4的阻力构成比较复杂，首先是各段烟道内的流量不同（如图中ab段为一倍的用户设计排风量，bc段为两倍的用户设计排风量，依次类推），所以沿程阻力不同；其次是在各用户接入口由于支、主流流量比不同而合流局部阻力不同。一般采用手工试算法，参照工程经验先假定一个烟道内截面尺寸，计算流动总阻力，再根据排油烟机性能曲线校核是否能满足要求；若不满足，则修正烟道内截面尺寸，直至满足要求为止，所以计算工作量较大。本文根据以往设计并实施的系统实测效果，给出两种设计计算方法：1）简化设计计算方法；2）软件设计计算方法。两种方法的理论及实验依据见下文。3.2沿程阻力的计算方法影响沿程阻力大小的因素除了烟道内截面尺寸和空气流速两个设计参数外，烟道内表面的绝对粗糙度（或沿程阻力系数）也很重要。目前工程中一般都采用手工制作的玻纤增强水泥烟道，缺乏可依据的资料。为此，特别进行了水力实验，获得了必要的设计参数。测定结果表明受测烟道的绝对粗糙度仅0.22mm左右，但考虑到手工制作的不一致性、实际烟道接口处的水泥凸出以及运行后内表面的油腻结垢等，工程设计建议在1.0mm～1.5mm的范围内进行选择。虽然有了上述参数就可以分段计算沿程阻力了，但如前文所述，随着各层用户的排风进入烟道，每两用户间的烟道内流量都不同，当设计层数很多的高层排烟道时，手工计算工作量很大，特别是采用试算法可能还要重复多次。为了便于计算，将理论计算的结果与大量对实际烟道测定的结果进行对比和归纳整理，得出了可供工程设计的沿程阻力简易计算方法（式1）：mpmpmRlnNRlnaP121（1）式中：Pm——排烟道总沿程阻力损失，Pa，α——修正系数，α=0.84~0.88,n——同时开机的用户数，l——建筑层高，m,Rmp——对应于系统总排风量的烟道比摩阻，Pa/m,N——住宅总层数。运用上式，每次试算只需计算一个对应总排风量（每户设计排风量X同时开机用户数）的比摩阻，显然方便得多。如果从安全角度考虑，修正系数可以取大值。3.3局部阻力的计算方法排烟道内各用户接入口处的合流局部阻力的计算是相当困难的事情。竖向集中排烟道不同与常规的集中排风系统，后者在系统末端设集中的排风机，各接点均为负压汇流，合流阻力系数有资料可查，而前者是在各用户独立排油烟机作用下（多动力源）不同压力状况的正压汇流，没有现成资料可用。在早期的设计中，借用了负压汇流的局部阻力系数资料[1]，与后续的研究结果相比，对工程应用是偏安全的。为了研究多动力源正压汇流的局部阻力系数变化规律，文献[4]运用数值模拟与实验测定相结合的方法，获得了不同汇流点（不同汇流流量比）对应烟道内主流的局部阻力系数（见图2）：图2不同合流流量比下的局部阻力系数从图2可以看到，合流阻力系数在一定流量比范围内是负值，这是由于上层用户排风流速大于烟道内主流流速造成引射的结果。在手工计算中若使用上述结果计算合流局部阻力，由于要分段计算，仍然带来很大的工作量。根据实际工程应用经验，在工程设计计算时可以采用总局部阻力等于总沿程阻力的方法，即总流动阻力两倍于总沿程阻力，使计算变得非常简单，工程应用是安全的。3.4计算软件简介根据上述理论和实验研究的结果，编制了烟道设计计算软件。该软件可以按照实际情况输入有关计算参数（楼层数、层高、设计排风量、烟道材料、截面尺寸、止逆阀及风帽形式、排油烟机性能、同时开机率、软管长度等），然后自动生成各楼层的排风量表，如果最不利底层排风量达不到设计要求，则修改烟道截面尺寸或其他参数，直至符合设计要求。如果采用上开启式可调止逆阀，则只要点击“风量平衡”即可显示每一阀门应调节的开启角度和调节后各楼层的排风量，使各楼层的排风量更加均匀。使用软件可大大减轻计算工作量。3.5关于热压与风压的考虑在一些有关文献中常常会涉及热压造成的自然通风压头。早期的多层建筑有采用自然排烟的，但由于热压作用压头不稳定，要求烟道截面大，排烟效果不好，现在基本不用了。对于高层住宅的厨房排油烟，自然通风不可能满足要求，所以都采用机械通风。热压作用在冬季是有利于排风的，但由于夏季室内温度会低于室外温度，热压作用是不利于排风的。至于室外风压，早期也采用过不同的避风风帽，目前已基本被无动力风帽取代。经测试，室外风越大，该种风帽的排风效果越好。由于两者作用均不稳定，并综合两者的影响程度，设计中可以不予考虑。4工程应用实例为了考核设计计算的效果，对所设计的重庆某超高层商住楼（见图3）的竖向集中排烟道的排放能力进行了实况测试。该建筑总高48层，其中1~4层为商用裙房，住宅实际有44层。设计每户排风量为300m3/h，同时开机率为60%（实际测试时开机率达到66%），烟道截面尺寸为600X600mm（内径为570X570mm）。用户安装由重庆市场提供的常用排油烟机，采用风量罩测定排风量。测定时间选在夏季，直接排放室内空气以排除任何有利测试结果的热压作用影响。测试是在重庆市建委、重庆高等院校及业主代表同时到现场监察的情况下进行的。测试结果见表1、2。图3重庆某超高层商住建筑表160%开机率集中于下部时实测排风量（m3/h）楼层排风量楼层排风量楼层排风量117407334902184443451731942035420329365214403763922247938743223422398458244944093862535441104002637842114102741843124062845244134092947645144203046246154353147747164243246348用户平均排风量为430m3/h。表260%开机率均匀分布时实测排风量（m3/h）楼层排风量楼层排风量楼层排风量117442335302184473431935520420365025214353749364702247038445746323477398508244092541610104392648842517114662753343518124092849244527134452945143046513153154347534164083253748用户平均排风量为489m3/h。可以看到实测的用户排风量远优于设计预期值，原因是：1）设计时参照的是下开启阀片的止逆阀，实际安装时采用了上开启阀片的止逆阀，不仅流经阀门的阻力减小，更重要的是所有合流阻力都减小了，所以排放量增加了；2）对于第一个超高层住宅排油烟系统设计，建设方要求必须成功，工程实际也不允许失败了再返工，所以设计考虑了一定的安全系数。从测试结果看，设计是完全成功的。5结论与讨论本文介绍的系统形式和设计计算方法是成功的，可以为相关设计提供参考。对于40~50层的高层住宅，采用目前市场供应的高静压型排油烟机及与本文类似的系统形式，600X600mm的排烟道能可靠实现目前的排放量要求。根据多年的实践经验以及实测结果，有些问题需要在设计和建造安装中注意的：作为设计计算结果的是烟道截面尺寸，但这一结果是与系统中所有因素都有关的。作为空气流动动力的排油烟机性能、每户设计排放量、同时使用系数、止逆阀形式和阻力、风帽形式和阻力及排烟道材料和制作质量等都会影响设计结果，必须结合当地情况和用户（或建设方）要求合理选取。用户连接用软管的长度及走向对排放量影响也很大。在表1、2中都会发现排风量随楼层变化的少数不规则点，现场测试发现软管多一个弯曲可以使风量减少值超过50m3/h，说明用户的装修也会影响排放量。在这次测试中安装的止逆阀没有采用调节开启角度来平衡楼层排放量，但从测试结果看，平衡程度还是比较好的，这得益于采用了较大的烟道截面积。烟道截面积适当放大降低了竖向烟道内流动阻力，有利于系统阻力平衡。目前商品房的厨房建筑面积与十几年前的公房厨房相比已明显扩大，所以设计者没有必要对排烟道的尺寸计较太严。尽管实测的最小排风量也超过300m3/h，但这个数值是若干年前综合考虑排放效果和建筑造价得出的，瞬时控油烟效果并不好。从不断提高的室内环境标准来看，有条件的时候应适当提高排风量。参考文献：[1]徐文华.住宅厨房排烟的研究及系统设计方法.建筑热能通风空调,2001，第1期（20卷）：46~48[2]辛月琪,徐文华.厨房集中排烟道用止逆阀性能的实验研究.制冷空调与电力机械，2005，第1期（26卷）：21~24[3]辛月琪,徐文华.厨房集中排烟道用止逆阀性能研究及其影响.建筑热能通风空调,2005，第1期（24卷）：79~83[4]王希星,徐文华,辛月琪.住宅厨房排气系统多动