多層住宅廚房&衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)的模擬分析

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢(xún)電話(huà)：400-8352-114

簡(jiǎn)介： 在多層住宅實(shí)際設(shè)計(jì)中，排風(fēng)豎井通常由建筑師設(shè)計(jì)，且排煙罩、通風(fēng)器由住戶(hù)自行購(gòu)買(mǎi)。因此，實(shí)際運(yùn)行中常有排煙不暢等問(wèn)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(fēng)系統(tǒng)不同開(kāi)啟率、廚房排煙系統(tǒng)采用同型號(hào)或不同型號(hào)排煙罩的運(yùn)行特性，并對(duì)存在較大排風(fēng)問(wèn)題的廚房排煙系統(tǒng)提出了改進(jìn)方案。
關(guān)鍵字：排煙系統(tǒng) 排煙罩 通風(fēng)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(lái)愈被人們所關(guān)注。廚房、衛(wèi)生間是住宅中兩個(gè)主要散發(fā)污染物場(chǎng)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(fēng)不暢將導(dǎo)致整個(gè)室內(nèi)彌漫著油煙氣味。暖通工作者對(duì)廚房中的污染物、最小排風(fēng)量、排煙罩性能等方面都進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，但對(duì)多層住宅中廚房排煙系統(tǒng)和衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性關(guān)注很少。多層住宅中的排風(fēng)豎井通常由建筑師設(shè)計(jì)，暖通工程師很少介入,并且廚房、衛(wèi)生間中的排煙罩、通風(fēng)器大多由住戶(hù)自行購(gòu)買(mǎi)。因此，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生排煙不暢、串氣等問(wèn)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(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效果、產(chǎn)生排風(fēng)量不足的原因及改進(jìn)措施。

圖1 子母風(fēng)道截面圖

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

2 住宅衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

　　設(shè)在各層子風(fēng)道進(jìn)口處都安裝同型號(hào)的通風(fēng)器。假定衛(wèi)生間的排風(fēng)量為54m³/h（相當(dāng)于3m²衛(wèi)生間有6次/h的換氣次數(shù)），用BF-100型通風(fēng)器，其最大風(fēng)量81m³/h最大靜壓20Pa，所謂最大風(fēng)量指靜壓為0時(shí)的風(fēng)量，最大靜壓指風(fēng)量為0時(shí)的靜壓（以下同）。熱壓在冬季對(duì)底層有利，這里忽略其作用。

圖2 某段豎井

　　當(dāng)通風(fēng)器達(dá)到穩(wěn)定工作時(shí)，通過(guò)各子風(fēng)道的管路系統(tǒng)阻力等于各自衛(wèi)生間通風(fēng)器的壓頭和風(fēng)壓之和（用避風(fēng)風(fēng)帽時(shí)）。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(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，根據(jù)流體力學(xué)的能量平衡原理，得到任意子風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)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(fēng)器的壓頭；H_f 為避風(fēng)風(fēng)帽的風(fēng)壓，當(dāng)H_f＝0時(shí)為無(wú)避風(fēng)風(fēng)帽；為平均室外風(fēng)速，取=3.5；k為風(fēng)壓系數(shù)，筒型風(fēng)帽k=0.5；、、分別為第i層子風(fēng)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(fēng)道、第1層和第j+1層間豎井、排風(fēng)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(zhǎng)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(xiàn)［1］取值，由于子母風(fēng)道交匯處的局部阻力系數(shù)無(wú)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(fēng)道流量比、面積比有關(guān)，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(fēng)器的特性方程

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

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

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

　　由式（1）可知，各層實(shí)際的排風(fēng)量就是通過(guò)解一系列關(guān)于流量與局部阻力系數(shù)的非線(xiàn)性方程組得到的。本文采用擬牛頓法通過(guò)編制程序計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

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

　　住宅衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際上同時(shí)使用的概率不大，為此計(jì)算各層全開(kāi)和70％隨機(jī)開(kāi)啟率時(shí)各層的排風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果列于表1中。通過(guò)分析表1可得到如下結(jié)論：

　?。?）當(dāng)各層的通風(fēng)器全開(kāi)時(shí)，底下3層的風(fēng)量小于設(shè)計(jì)值，尤其1層的排風(fēng)量?jī)H為設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%。但這種全開(kāi)的概率極小。當(dāng)有2層的通風(fēng)器不開(kāi)時(shí)，各層衛(wèi)生間的排風(fēng)量均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)不開(kāi)啟層數(shù)增加，排風(fēng)量均能超過(guò)設(shè)計(jì)值。由于各層的通風(fēng)器由住戶(hù)自己購(gòu)買(mǎi)，必然造成所使用的通風(fēng)器型號(hào)不一，從而導(dǎo)致選用靜壓、流量偏小的通風(fēng)器的住戶(hù)的排風(fēng)量達(dá)不到要求，尤其是1、2層的住戶(hù)。

　　（2）對(duì)于7層住宅建筑，豎井面積為0.03m²，選用最大靜壓20Pa，最大風(fēng)量81ｍ³/h的衛(wèi)生間通風(fēng)器，絕大多數(shù)情況下可以滿(mǎn)足衛(wèi)生間的排風(fēng)要求。

層數(shù)

全開(kāi)

1,2層不開(kāi)

1,3層不開(kāi)

1,7層不開(kāi)

2,3層不開(kāi)

2,6層不開(kāi)

3,5層不開(kāi)

3,7層不開(kāi)

4,5層不開(kāi)

6,7層不開(kāi)

①

43.7

關(guān)

關(guān)

關(guān)

63.56

60.91

61.45

58.74

60.64

55.63

②

44.3

關(guān)

63.83

59.63

關(guān)

關(guān)

61.91

59.22

61.11

56.14

③

47.2

64.11

關(guān)

60.11

關(guān)

61.70

關(guān)

關(guān)

63.24

58.44

④

52.1

64.56

64.59

62.27

64.63

63.80

65.12

62.54

關(guān)

62.63

⑤

58.5

66.60

66.63

66.30

66.65

67.75

關(guān)

66.47

關(guān)

68.50

⑥

65.9

70.45

70.47

72.02

70.48

關(guān)

70.97

72.11

71.24

關(guān)

⑦

74.1

76.01

76.02

關(guān)

76.03

76.44

76.25

關(guān)

76.36

關(guān)

3 廚房排煙系統(tǒng)

　　鋼筋混凝土預(yù)制子母煙道與衛(wèi)生間預(yù)制子母通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似。假定住宅廚房排風(fēng)量250m³/h（相當(dāng)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(lèi)排煙罩的性能參數(shù)見(jiàn)表2。同樣不考慮熱壓作用。

型號(hào)

轉(zhuǎn)速

最大風(fēng)量m³/h

最大靜壓Pa

型號(hào)

轉(zhuǎn)速

最大風(fēng)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(xué)模型

　　用同上述類(lèi)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(jìn)行擬合從而得出的，全壓與流量的關(guān)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(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 各樓層的排煙罩型號(hào)一致且同時(shí)開(kāi)啟情況下各層的排風(fēng)量

　　這是最不利的工況。計(jì)算時(shí)假設(shè)各層住戶(hù)分別同時(shí)使用FV-75HG3C型排煙罩的高檔轉(zhuǎn)速和低檔轉(zhuǎn)速，計(jì)算結(jié)果表明：采用高檔轉(zhuǎn)速時(shí)，4層及4層以下均達(dá)不到設(shè)計(jì)風(fēng)量；采用低檔轉(zhuǎn)速時(shí)，5層及5層以下均達(dá)不到設(shè)計(jì)風(fēng)量。由于在住宅中應(yīng)用同一型號(hào)排煙罩，且以同一轉(zhuǎn)速運(yùn)行的可能性很小，因此不對(duì)此種情況進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)述。

3.2.2 各樓層的不同型號(hào)排煙罩同時(shí)開(kāi)啟情況下各層的排風(fēng)量

圖3 排煙罩并聯(lián)運(yùn)行圖

　　由于使用排煙罩的時(shí)間相對(duì)集中，所以70%以上的住戶(hù)同時(shí)使用排煙罩的情況出現(xiàn)的概率較高。為此，仍然只計(jì)算各層的排煙罩都同時(shí)開(kāi)啟的情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

　　目前，在不是統(tǒng)一裝修的商品房中，排煙罩由各住戶(hù)自行采購(gòu)安裝，所以存在各層住戶(hù)使用不同品牌、型號(hào)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(hù)可能使用的排煙罩進(jìn)行模擬分析，以后分別稱(chēng)為H型、M型、L型。上述這種選擇基本上囊括了目前市場(chǎng)上常見(jiàn)而且是普遍使用的排煙罩的特性。當(dāng)不同型號(hào)排煙罩同時(shí)運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行工況，圖3表示了H型和L型排煙罩并聯(lián)運(yùn)行的特性曲線(xiàn)。當(dāng)使用L型排煙罩住戶(hù)的管路阻力大于200Pa時(shí)，則該戶(hù)的排風(fēng)量為0，只有當(dāng)管路阻力小于200Pa，如190Pa，這時(shí)大約有45m³/h的排風(fēng)量。在表3所列的結(jié)果中，有排風(fēng)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(shí)運(yùn)行，無(wú)論是哪種組合情況都會(huì)出現(xiàn)若干層的排風(fēng)量達(dá)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(dá)到設(shè)計(jì)排風(fēng)量。

　?。?）1、2層的排出管路最長(zhǎng)，一般情況下采用高壓頭（H型）排煙罩時(shí)，其排風(fēng)量能達(dá)到設(shè)計(jì)值，但在有些情況下（鄰近層也用H型排煙罩），排風(fēng)量稍小于設(shè)計(jì)值。

　?。?）3~5層住戶(hù)使用低、中壓頭（M、L型）排煙罩，其排風(fēng)量均達(dá)不到設(shè)計(jì)值，但5層在個(gè)別情況下偏差不大。

　　（5）6層住戶(hù)用低壓頭（L型）排煙罩，均達(dá)不到設(shè)計(jì)排風(fēng)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(jìn)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(fēng)量都達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果，所以提出如下的改進(jìn)措施。

　?。?）分層使用現(xiàn)有規(guī)格的子母煙道

　　安裝兩個(gè)子母煙道，1、2、3層共用一個(gè)子母煙道，4、5、6、7層共用一個(gè)子母煙道。當(dāng)各層使用同種規(guī)格的排煙罩（H、M、L型），其排風(fēng)量都能達(dá)到設(shè)計(jì)值。使用不同規(guī)格排煙罩各層的排風(fēng)量見(jiàn)表4，從表中可以看到，仍有個(gè)別住戶(hù)排風(fēng)量達(dá)不到要求，但已得到明顯改善，出現(xiàn)排風(fēng)量最小的個(gè)別住戶(hù)，其排風(fēng)量已大于設(shè)計(jì)風(fēng)量的80％。

　　（2）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(mǎn)足各住戶(hù)的排風(fēng)量的要求。增大主煙道的截面可以使各層的排風(fēng)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(dāng)各層使用同型號(hào)的排煙罩時(shí)，各層的排風(fēng)量均能達(dá)到設(shè)計(jì)值；表5列出了當(dāng)各層使用不同型號(hào)的排煙罩時(shí)，有個(gè)別住戶(hù)的排風(fēng)量不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的不同型號(hào)排煙罩的組合情況，從表中可以看到，雖然仍有排風(fēng)量達(dá)不到要求的住戶(hù)，但排風(fēng)量最小的住戶(hù)的排風(fēng)量已大于設(shè)計(jì)風(fēng)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(fēng)器的同時(shí)使用率低，衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)排風(fēng)不暢的問(wèn)題可能很少。但廚房排風(fēng)系統(tǒng)由于排風(fēng)量大、使用比較集中、排煙罩型號(hào)又不同，因此出現(xiàn)排風(fēng)量不足的情況很多。本文對(duì)此提出了兩種改進(jìn)措施，模擬計(jì)算結(jié)果表明本文的改進(jìn)方案是可行的。

參考文獻(xiàn)

　　(1) 華紹曾，楊學(xué)寧等編譯. 實(shí)用流體阻力手冊(cè). 國(guó)防工業(yè)出版社，1985
　　(2) 陸耀慶. 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè). 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993