多層住宅廚房&衛(wèi)生間排風系統(tǒng)的模擬分析

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簡介： 在多層住宅實際設計中，排風豎井通常由建筑師設計，且排煙罩、通風器由住戶自行購買。因此，實際運行中常有排煙不暢等問題。本文利用數(shù)值模擬的方法分析了七層住宅的衛(wèi)生間排風系統(tǒng)不同開啟率、廚房排煙系統(tǒng)采用同型號或不同型號排煙罩的運行特性，并對存在較大排風問題的廚房排煙系統(tǒng)提出了改進方案。
關鍵字：排煙系統(tǒng) 排煙罩 通風器

1 前言

　　隨著生活水平的提高，住宅的室內(nèi)空氣品質(zhì)愈來愈被人們所關注。廚房、衛(wèi)生間是住宅中兩個主要散發(fā)污染物場所。尤其是廚房，不僅有煤氣燃燒所產(chǎn)生的污染物，還有烹飪產(chǎn)生的大量油煙與蒸汽，廚房排風不暢將導致整個室內(nèi)彌漫著油煙氣味。暖通工作者對廚房中的污染物、最小排風量、排煙罩性能等方面都進行了比較系統(tǒng)的研究，但對多層住宅中廚房排煙系統(tǒng)和衛(wèi)生間排風系統(tǒng)的運行特性關注很少。多層住宅中的排風豎井通常由建筑師設計，暖通工程師很少介入,并且廚房、衛(wèi)生間中的排煙罩、通風器大多由住戶自行購買。因此，實際運行中經(jīng)常發(fā)生排煙不暢、串氣等問題。本文利用數(shù)值模擬的方法分析了多層住宅廚房與衛(wèi)生間排風系統(tǒng)運行效果、產(chǎn)生排風量不足的原因及改進措施。

圖1 子母風道截面圖

　　本文以一個七層住宅為分析對象，住宅中的豎向風（煙）道采用龍J21標準圖集中混凝土子母風（煙）道(如圖1所示)，并假定了衛(wèi)生間和廚房中通風器、排煙罩的安裝方式。

2 住宅衛(wèi)生間排風系統(tǒng)

2.1 建立數(shù)學模型

　　設在各層子風道進口處都安裝同型號的通風器。假定衛(wèi)生間的排風量為54m³/h（相當于3m²衛(wèi)生間有6次/h的換氣次數(shù)），用BF-100型通風器，其最大風量81m³/h最大靜壓20Pa，所謂最大風量指靜壓為0時的風量，最大靜壓指風量為0時的靜壓（以下同）。熱壓在冬季對底層有利，這里忽略其作用。

圖2 某段豎井

　　當通風器達到穩(wěn)定工作時，通過各子風道的管路系統(tǒng)阻力等于各自衛(wèi)生間通風器的壓頭和風壓之和（用避風風帽時）。因此可列出以下方程。

2.1.1 能量方程

　　任意選取如圖2所示的某段排風系統(tǒng)進行研究，根據(jù)流體力學的能量平衡原理，得到任意子風道內(nèi)空氣流動的能量方程如下：

H_i=＋ （1）

　　其中

H_i=H_w,i＋H_f =H_w,i＋k （2）

　　式中H_i、H_w,i分別為任一路徑和衛(wèi)生間通風器的壓頭；H_f 為避風風帽的風壓，當H_f＝0時為無避風風帽；為平均室外風速，取=3.5；k為風壓系數(shù)，筒型風帽k=0.5；、、分別為第i層子風道、第j層和第j+1層間豎井、豎井出口處的阻抗；、、分別為第i層子風道、第1層和第j+1層間豎井、排風系統(tǒng)中氣體的流量；m 為建筑層數(shù)。

2.1.2 阻抗方程

　　式（1）中的阻抗為該管段的長度阻力與局部阻力之和除以該斷面的面積與流速乘積的平方（限于篇幅，阻抗方程略）。阻抗方程中的局部阻力系數(shù)按文獻［1］取值，由于子母風道交匯處的局部阻力系數(shù)無處可查，本文近似的將其看成小角度的匯流三通，它的阻力系數(shù)與子母風道流量比、面積比有關，本文按［2］中數(shù)據(jù)回歸了該三通的旁通和直通阻力系數(shù)。阻抗方程中的摩擦阻力系數(shù)采用阿里特蘇里公式^[2]。

2.1.3 通風器的特性方程

　　根據(jù)所選用的BF-100型通風器的性能曲線，擬合得到全壓與流量的關系：

H_wi= -3693200Q³+75716Q²-493.22Q+20.162 （3）

2.2 計算結(jié)果分析

　　由式（1）可知，各層實際的排風量就是通過解一系列關于流量與局部阻力系數(shù)的非線性方程組得到的。本文采用擬牛頓法通過編制程序計算。計算結(jié)果如下：

　　首先分析安裝避風風帽和不安裝避風風帽情況下，通風器都開啟時各層排風量的差別，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)安裝避風風帽時各層的排風量反而減少了11％（7層）~23％（1層）。其原因為避風風帽有較大的出口局部阻力系數(shù)（ζ₀=2.8）抵消了風壓的有利作用而降低了排風量。所以，當室外風速不是很大時建議不使用避風風帽，使用一般的風帽即可。

　　住宅衛(wèi)生間排風系統(tǒng)實際上同時使用的概率不大，為此計算各層全開和70％隨機開啟率時各層的排風量，計算結(jié)果列于表1中。通過分析表1可得到如下結(jié)論：

　?。?）當各層的通風器全開時，底下3層的風量小于設計值，尤其1層的排風量僅為設計風量的70%。但這種全開的概率極小。當有2層的通風器不開時，各層衛(wèi)生間的排風量均能達到設計要求。當不開啟層數(shù)增加，排風量均能超過設計值。由于各層的通風器由住戶自己購買，必然造成所使用的通風器型號不一，從而導致選用靜壓、流量偏小的通風器的住戶的排風量達不到要求，尤其是1、2層的住戶。

　?。?）對于7層住宅建筑，豎井面積為0.03m²，選用最大靜壓20Pa，最大風量81ｍ³/h的衛(wèi)生間通風器，絕大多數(shù)情況下可以滿足衛(wèi)生間的排風要求。

層數(shù)

全開

1,2層不開

1,3層不開

1,7層不開

2,3層不開

2,6層不開

3,5層不開

3,7層不開

4,5層不開

6,7層不開

①

43.7

關

關

關

63.56

60.91

61.45

58.74

60.64

55.63

②

44.3

關

63.83

59.63

關

關

61.91

59.22

61.11

56.14

③

47.2

64.11

關

60.11

關

61.70

關

關

63.24

58.44

④

52.1

64.56

64.59

62.27

64.63

63.80

65.12

62.54

關

62.63

⑤

58.5

66.60

66.63

66.30

66.65

67.75

關

66.47

關

68.50

⑥

65.9

70.45

70.47

72.02

70.48

關

70.97

72.11

71.24

關

⑦

74.1

76.01

76.02

關

76.03

76.44

76.25

關

76.36

關

3 廚房排煙系統(tǒng)

　　鋼筋混凝土預制子母煙道與衛(wèi)生間預制子母通風道的結(jié)構(gòu)形式類似。假定住宅廚房排風量250m³/h（相當于8 m²的廚房有11次/h的換氣量），選用某公司生產(chǎn)的FV-75HG3C和FV-75HDT1C深罩型排煙罩，這兩類排煙罩的性能參數(shù)見表2。同樣不考慮熱壓作用。

型號

轉(zhuǎn)速

最大風量m³/h

最大靜壓Pa

型號

轉(zhuǎn)速

最大風量m³/h

最大靜壓Pa

FV-75HG3C

高檔

850

380

FV-75HDT1C

高檔

1000

250

低檔

570

277

中檔

664

200

低檔

500

111

3.1 建立數(shù)學模型

　　用同上述類似的方法建能量方程和阻抗方程，排煙罩的特性方程是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)進行擬合從而得出的，全壓與流量的關系為：

　　FV-75HG3C型排煙罩高檔轉(zhuǎn)速：H_p=380-1.3453Q-14193Q²+62567Q³-111270Q⁴ （5）

　　FV-75HG3C型排煙罩低檔轉(zhuǎn)速：H_p=277-837.19Q-3155.4Q²-23884Q³+ 88545Q⁴ （6）

　　FV-75HDT1C型排煙罩中檔轉(zhuǎn)速：H_p=200+24.896Q-11963Q²+101920Q³-342480Q⁴ （7）

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 各樓層的排煙罩型號一致且同時開啟情況下各層的排風量

　　這是最不利的工況。計算時假設各層住戶分別同時使用FV-75HG3C型排煙罩的高檔轉(zhuǎn)速和低檔轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果表明：采用高檔轉(zhuǎn)速時，4層及4層以下均達不到設計風量；采用低檔轉(zhuǎn)速時，5層及5層以下均達不到設計風量。由于在住宅中應用同一型號排煙罩，且以同一轉(zhuǎn)速運行的可能性很小，因此不對此種情況進行進一步評述。

3.2.2 各樓層的不同型號排煙罩同時開啟情況下各層的排風量

圖3 排煙罩并聯(lián)運行圖

　　由于使用排煙罩的時間相對集中，所以70%以上的住戶同時使用排煙罩的情況出現(xiàn)的概率較高。為此，仍然只計算各層的排煙罩都同時開啟的情況，計算結(jié)果見表3。

　　目前，在不是統(tǒng)一裝修的商品房中，排煙罩由各住戶自行采購安裝，所以存在各層住戶使用不同品牌、型號的排煙罩的情況。本文選擇了表3中HG3C型高檔轉(zhuǎn)速（380Pa）、HG3C型低擋轉(zhuǎn)速（277Pa）、HDT1C型中檔轉(zhuǎn)速（200Pa）的排煙罩作為各住戶可能使用的排煙罩進行模擬分析，以后分別稱為H型、M型、L型。上述這種選擇基本上囊括了目前市場上常見而且是普遍使用的排煙罩的特性。當不同型號排煙罩同時運行時，相當于不同型號風機的并聯(lián)運行工況，圖3表示了H型和L型排煙罩并聯(lián)運行的特性曲線。當使用L型排煙罩住戶的管路阻力大于200Pa時，則該戶的排風量為0，只有當管路阻力小于200Pa，如190Pa，這時大約有45m³/h的排風量。在表3所列的結(jié)果中，有排風量為0的情況的，就是屬于此種情況。從表3得到如下結(jié)論：

　?。?）各層排煙罩同時運行，無論是哪種組合情況都會出現(xiàn)若干層的排風量達不到要求。

　　（2）7層的排出管路最短，因此即使采用低壓頭（L型）排煙罩也能達到設計排風量。

　?。?）1、2層的排出管路最長，一般情況下采用高壓頭（H型）排煙罩時，其排風量能達到設計值，但在有些情況下（鄰近層也用H型排煙罩），排風量稍小于設計值。

　?。?）3~5層住戶使用低、中壓頭（M、L型）排煙罩，其排風量均達不到設計值，但5層在個別情況下偏差不大。

　?。?）6層住戶用低壓頭（L型）排煙罩，均達不到設計排風量，但有些情況偏差不大。

層數(shù)

1,2,3,4層H型;5,6層M型;7層L型

1,2,7層H型5,6層M型;3,4層L型

1,2,5,6層H型;3,4層M型;7層L型

3,4層H型,1,2,5,6層M型,7層L型

7層H型,1,2,3,4層M型,5,6層L型

5,6層H型,1,2,3,4層M型,7層L型

①

216.08

309.51

256.48

89.56

155.60

118.25

②

219.53

314.85

260.71

90.50

157.62

119.64

③

236.71

0

32.32

297.36

167.64

126.50

④

272.69

0

71.30

313.87

188.78

141.00

⑤

122.93

197.23

319.49

169.97

129.48

345.98

⑥

215.34

247.02

375.42

239.05

211.75

391.08

⑦

296.52

468.02

290.41

311.34

473.85

303.96

層數(shù)

3,4層H型,1,2,7層M型,5,6層L型

7層H型,1,2,5,6層M型,3,4層L型

3,4層H型,5,6層M型,1,2,7層L型

7層H型,5,6層M型,1,2,3,4層L型

5,6層H型,7層M型,1,2,3,4層L型

7層H型,3,4層M型,1,2,5,6層L型

①

114.87

180.43

0

104.54

79.74

81.45

②

116.21

182.88

0

106.42

81.14

82.89

③

313.71

52.22

336.63

115.64

87.95

200.86

④

334.39

95.23

342.57

134.83

101.98

212.49

⑤

57.45

226.73

200.41

238.79

378.08

163.99

⑥

196.07

265.55

255.95

273.37

410.29

229.81

⑦

331.35

474.62

322.15

477.49

330.62

477.69

3.3 改進措施

　　從上述的分析中可知，目前這種規(guī)格的子母煙道很難使各層的排風量都達到令人滿意的效果，所以提出如下的改進措施。

　　（1）分層使用現(xiàn)有規(guī)格的子母煙道

　　安裝兩個子母煙道，1、2、3層共用一個子母煙道，4、5、6、7層共用一個子母煙道。當各層使用同種規(guī)格的排煙罩（H、M、L型），其排風量都能達到設計值。使用不同規(guī)格排煙罩各層的排風量見表4，從表中可以看到，仍有個別住戶排風量達不到要求，但已得到明顯改善，出現(xiàn)排風量最小的個別住戶，其排風量已大于設計風量的80％。

　?。?）增大主煙道截面尺寸

　　現(xiàn)有的子母排煙道的主煙道截面太小，只有0.03m²，不能滿足各住戶的排風量的要求。增大主煙道的截面可以使各層的排風量得到改善，將主煙道的截面增大一倍，面積為0.06m²。模擬結(jié)果表明，當各層使用同型號的排煙罩時，各層的排風量均能達到設計值；表5列出了當各層使用不同型號的排煙罩時，有個別住戶的排風量不滿足設計要求的不同型號排煙罩的組合情況，從表中可以看到，雖然仍有排風量達不到要求的住戶，但排風量最小的住戶的排風量已大于設計風量的85％。

層數(shù)

1層H型;2層M

型;3層L型

1層H型;3層M型;2層L型

3層H型;1層M型;2層L型

3層H型;2層M型;1層L型

2層H型;3層M型;1層L型

2層H型;1層M型;3層L型

①

401.04

397.27

211.99

259.52

252.66

206.83

②

202.05

252.10

263.90

214.93

405.52

408.19

③

282.72

241.65

427.94

428.27

238.39

279.62

層數(shù)

6,7層H型;4層M型,5層L型

5層H型;4層M型;6,7層L型

6,7層H型;5層M型;4層L型

5層H型;6,7層M型;4層L型

4層H型;6,7層M型;5層L型

4層H型;5層M型;6,7層L型

④

223.47

232.01

266.44

268.61

409.75

412.84

⑤

271.04

421.16

226.72

418.69

268.16

227.98

⑥

434.75

297.77

434.98

267.79

270.12

299.92

⑦

481.67

350.39

481.77

349.03

349.99

351.37

層數(shù)

1,2,7層H型5,6層M型;3,4層L型

1,2,5,6層H型;7層M型;3,4層L型

3,4層H型,7層M型,1,2,5,6層L型

3,4層H型,5,6層M型,1,2,7層L型

5,6層H型,3,4層M型,1,2,7層L型

①

416.32

406.99

241.46

238.40

247.66

②

418.79

409.39

243.09

240.00

249.34

③

233.88

213.64

432.72

431.08

288.70

④

254.20

233.39

442.66

440.89

296.59

⑤

306.41

442.91

294.08

311.76

456.18

⑥

331.18

469.54

332.01

337.16

478.55

⑦

506.90

364.18

371.45

378.87

377.95

4 結(jié)論

　　住宅中由于各層衛(wèi)生間通風器的同時使用率低，衛(wèi)生間排風系統(tǒng)出現(xiàn)排風不暢的問題可能很少。但廚房排風系統(tǒng)由于排風量大、使用比較集中、排煙罩型號又不同，因此出現(xiàn)排風量不足的情況很多。本文對此提出了兩種改進措施，模擬計算結(jié)果表明本文的改進方案是可行的。

參考文獻

　　(1) 華紹曾，楊學寧等編譯. 實用流體阻力手冊. 國防工業(yè)出版社，1985
　　(2) 陸耀慶. 實用供熱空調(diào)設計手冊. 中國建筑工業(yè)出版社，1993