吕孝鲁 陈振雷 何海涛 石 凡 王 飞

(宁波大学海运学院 浙江 宁波 315800)

0 引 言

随着社会经济的发展，人们生活水平日益提高，对室内的热舒适性和生活质量也提出了更高的要求。厨房作为人们生活中必不可少的居住环境之一，为了得到健康的、舒适的人居环境，人们进行了大量的实践和研究。

长久以来，国内外学者对于热舒适性的研究从未间断。早在1936年Bedford[1]教授就提出了经典的7级标度评价指标，从此奠定了热舒适性研究的基础。Carlos等[2]采用分析法, 根据损失、传递、效率的概念, 对人体热舒适性指标进行了评价。王雪等[3]以问卷的方式，对西安市某大学四间教室秋季室内热舒适性进行了分析研究。王昭俊等[4-5]采用现场问卷调查的方法，依据室内外气候、环境、人体等特征,分别对住宅和宿舍热环境及热适应性进行了研究分析，得出人体舒适温度随室内外热环境的变化关系。但通过问卷调查对热舒适性的研究[3-7]，耗费大量的人力和时间，其结果也存在较大的人为因素的影响。

随着计算机的发展和仿真技术的进步, 计算流体力学(CFD)技术已成为气流组织研究的重要手段之一，CFD技术也逐渐被运用到厨房、室内环境的研究之中。Yang等[8]采用CFD数值模拟技术，对夏季运行的挂墙式空调房间内的风速场、温度场和风龄场进行了分析，证明与传统的测量方法相比，CFD软件在模拟室内环境方面具有很多优势，但对室内热舒适性未能作出合理评价。胡定科等[9]分别对采用百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风等不同通风方式的大空间建筑的速度场和温度场进行了仿真分析。杨旭辉等[10]对某工程建筑中庭春、夏两季节的室内气流分布和热环境进行仿真分析，通过有效吹风温度评价室内热舒适性，为工程设计提供参考。尚少文等[11]对公共厨房的气流组织、温度场、污染物浓度场等进行数值模拟计算和分析，为实际工程设计提供了选择依据，但未考虑环境空气湿度、服装热阻和人体代谢等其他因素对热舒适性的影响。

目前国内采用CFD技术分析厨房环境对人体热舒适性影响的文献相对较少，而且对热舒适性的评价主要依靠现场调查，或CFD仿真温度场与速度场来分析。如何合理有效地量化评估和优化厨房环境的热舒适性是目前研究的热点之一。

本文以住宅厨房为研究对象，运用试验测试与仿真模拟相结合的方法，较为全面地考虑人体热舒适性的影响因素，以PMV和PPD为评价指标，利用C语言结合Fluent用户自定义功能，完成了厨房环境内各位置PMV值与PPD值分布云图的呈现，定量分析抽油烟机新风系统对厨房环境热舒适性的影响，并对新风系统送风口的风速进行优化研究，为厨房环境的热舒适性优化提供参考。

1 厨房试验测试与数据分析

1.1 厨房环境

建立试验厨房，厨房长为4.2 m，宽为2.4 m，高为2.6 m。图1为试验厨房环境布局，内置有储藏区(橱柜、货架、桌案等)、烹饪区(锅灶、抽油烟机、挡烟板等)、洗理区(洗碗槽等)以及抽油烟机新风系统(上、下两个新风口)。新风系统以改善厨房内热舒适性、阻隔油烟扩散为目的，图2为抽油烟机新风系统布局。

图1 试验厨房环境布局

图2 抽油烟机新风系统布局

1.2 试验条件设定

根据平时生活中厨房烹饪的习惯，试验条件设定如下：

(1) 为探究新风系统对厨房热舒适性的影响，新风系统送风口前900 s为开启状态，后900 s为关闭状态。上、下送风口的温度为20 ℃，风速为2.42 m/s。

(2) 排烟口为抽油烟机排烟口，试验全程处于开启状态。

(3) 锅灶产生的油烟为主要热源，测试中只使用2号锅烹饪，图3为2号锅油烟浓度随时间变化情况，即在46～95 s和946～995 s开启烹饪。测试中测量各时刻油烟温度和速度，并作为仿真边界条件。

图3 2号锅油烟浓度随时间变化情况

(4) 为减少人为因素对试验的干扰，仅厨师一人进行试验测试的整体运行，且除去必要的实验操作外，尽量减少其他活动。

(5) 将颗粒物采样仪分别布置于A、B两个位置。其中，A测点距离地面188 cm，距离橱柜后壁107 cm，距离抽油烟机左侧40 cm；B测点距离地面166 cm，距离橱柜后壁77 cm，距离抽油烟机左侧28 cm。

1.3 试验数据分析

试验过程中，采用颗粒物采样仪对A、B两测点的油烟浓度进行测试与记录，每5 s采集记录一次数据，且试验严格按照既定的试验测试流程进行，重复进行20次。试验数据采用6σ测试数据处理方法，去掉低于5%以下、超出95%以上的异常点，然后取均值，得到如图4所示6σ处理的试验数据随时间变化曲线。

A测点

B测点图4 6σ处理的试验数据随时间变化曲线

2 厨房CFD模拟及其与实测标定分析

2.1 数学模型

厨房环境内空气、油烟的流动与传热过程，可通过连续性方程、动量方程、能量方程[12]以及k-ε湍流模型方程描述，方程依次为：

(1) 连续性方程:

(1)

式中：ρ为密度;t为时间；div(ρU)表示每单位空间体积流体质量的净流比率。

(2) 动量方程:

(2)

式中：P为流动压力；μ为流体粘度；u为动量。

(3) 能量方程:

-pdivU+div(λgrad)T+φ+Sh

(3)

式中：λ为流体的导热系数；h为流体比焓；Sh微流体的内热源；φ为耗散函数，公式为：

(4)

(4) k-ε湍流模型方程:

(5)

式中：μt为湍流粘性系数；k为紊流动能；ε为紊流动能耗散率。

2.2 厨房流场仿真与试验数据的标定分析

为了分析本试验厨房的热舒适性，首先我们完成了厨房环境的CFD流场及油烟浓度仿真分析及其与试验数据的标定分析。图5为油烟浓度试验数据与CFD仿真数据的对比标定，由图可见两个测点的仿真与试验曲线的走势大致相同，均在100 s至200 s和1 100 s 至1 200 s时间段内呈现出峰状，且后面的油烟浓度峰值高于前面的峰值，仿真结果基本上反映出实际厨房室内环境的变化规律。

A测点

B测点图5 油烟浓度试验数据与CFD仿真数据的对比标定

3 热舒适性评价分析

3.1 热舒适性PMV评价指标

预计平均热感觉指数(Predicted mean Vote,PMV)是Fanger教授提出的表征人体热反应(冷热感)的评价指标，代表同一环境中大多数人冷热感觉的平均值[13-14]。PMV值与空气温度、平均辐射温度、相对空气流速、空气湿度以及人体的服装热阻等因素有关。其值范围为-3～+3。PMV为0时意味着室内热环境为最佳热舒适状态；PMV值越大，表示热负荷越大，人体感觉越热；反之越冷。

其计算公式为：

PMV=(0.030 3 e0.036M+0.028)×

(6)

式中：M为人体代谢率，单位为W/m2；W为人体所做的机械工，单位为W/m2；tr为平均辐射温度，可近似取ta，单位为℃；ta为空气温度，单位为℃；Pa为水蒸气分压，单位为Pa，与空气相对湿度RH有关；计算公式为：

(7)

fcl为着装时人体表面积与裸露时人体表面积之比,计算公式为：

(8)

Icl为服装热阻，单位为m2·℃/W；hc为换热系数，计算公式为：

(9)

tcl为服装表面温度，单位为℃；计算公式为：

tcl=35.7-0.028(M-W)-Icl×

(10)

3.2 热舒适性PPD评价指标

PPD全称为Predicted Percentage Dissatisfied，即预计不满意率。由于个体之间所存在的差异，PMV评价指标不能代表所有人的感觉。因此用不满意百分比PPD评价指标来表示人体对热环境的不满意率，并得到了PMV与PPD之间数值的定量关系表达式[15-16]，其值范围为5%～100%，PPD值越小表示当前热舒适性越适宜。

其计算公式为：

PPD=100-95×e-0.033 53×PMV4-0.217 9×PMV2

(11)

表1为PMV和PPD与热感觉的对应关系。

表1 PMV和PPD与热感觉的对应关系

3.3 新风系统对热舒适性影响的仿真分析

在完成对抽油烟机新风系统开启与关闭两种工况的CFD流场仿真与试验厨房油烟浓度的标定分析后，本文利用C语言编制了PMV、PPD方程的UDF(User Defined Functions)程序，结合Fluent用户自定义功能，完成了厨房环境内各位置PMV值与PPD值分布云图的呈现，实现对厨房环境的热舒适性量化分析。

图6为抽油烟机新风系统送风口开启和关闭状态下厨房环境PMV的分布图。由图6可见，在新风系统送风口开启状态下，厨房环境PMV值分布较为均匀，且80%区域的PMV值在-1.0～0.5之间，人体周围PMV值均在-0.5～0.5之间，人体热感觉舒适；在送风口关闭状态下，厨房环境PMV值分布杂乱，且60%区域的PMV值在1.5以上，人体周围PMV值在-0.5～3之间，面部PMV值较大，人体热感觉较热。

新风系统送风口开启状态

新风系统送风口关闭状态图6 厨房环境PMV的分布图

图7为抽油烟机新风系统送风口开启和关闭状态下厨房环境PPD的分布图。由图7可见，在新风系统送风口开启状态下，厨房环境内90%区域的PPD值在0%～25%之间，人体周围附近环境PPD值均在0%～15%，人体热感觉不满意率较低；在新风送风口关闭状态下，厨房环境内60%区域的PPD值在50%以上，人体面部区域热感觉不满意率高到95%以上，人体热感觉不满意率较高。

新风系统送风口开启状态

新风系统送风口关闭状态图7 厨房环境PPD的分布图

表2为人体身体各部位PMV和PPD值，由表2可见，热舒适性敏感度最高的额头部位，在新风系统开启状态下PMV值为0.50，PPD值为10.56%；其他部位PMV值均在-1～1之间，PPD平均值为10.67%。综上所述，人体在新风系统开启状态下处于一个较为舒适的状态。此外，新风系统开启状态与关闭状态相比，人体各部位的热舒适性均有较为明显的变化，人体各部位PMV值在新风系统关闭状态后均升高了近2倍，面部区域尤为明显；PPD平均值由10%提高到新风系统关闭状态的73%，面部的PPD值更是高达99%以上。可见，该新风系统有效地改善了人体体表的感知舒适度。

表2 身体各部位PMV和PPD值

4 新风系统送风口的风速优化

以已建立的有限元模型和仿真流程为基础，研究新风系统送风口风速大小对厨房环境热舒适性的影响，并确定送风口的最优风速。

4.1 工况设定

根据已建立的仿真边界条件，除新风系统送风口的风速外，其他仿真边界条件均保持不变。仿真共分为6个工况，如表3所示。而后根据仿真结果，分析送风口风速大小对厨房环境热舒适性的影响，进而探究送风口的最优风速。

表3 不同工况上下送风口的边界设置

4.2 送风口风速优化分析

表4和表5分别为不同工况下人体面部各部位的PMV值和PPD值，图8和图9分别为人体面部各部位PMV值、PPD值随新风系统送风口风速变化的曲线图。

表4 不同工况下人体面部各部位的PMV值

表5 不同工况下人体面部各部位的PPD值

图8 人体面部各部位PMV值随送风口风速变化的曲线图

图9 人体面部各部位PPD值随送风口风速变化的曲线图

由表4和图8可见，随着新风系统送风口风速的提高，人体面部各部位的PMV值不断减小，即人体热感觉由热变冷。在送风口风速为3 m/s左右时，各部位的PMV均接近为0，即人体热感觉为最舒适状态。

由表5和图9可见，随着新风系统送风口风速的提高，人体面部各部位的PPD呈先减小再增大的变化趋势。在送风口风速为3m/s左右时，PPD存在最小值，即人体热感觉不满意率最低，厨房环境热舒适性达到最优状态。

综上所述，新风系统送风口速度对厨房热舒适性的影响规律为：风速由0开始增大时，厨房热舒适性逐渐变优；当达到最优状态后继续增大风速，热舒适性会逐渐变差。在送风口风速为3m/s左右时，厨房环境的人体热舒适性为最优。

5 结 语

本文采用仿真模拟与试验测试相结合的方法，以预计平均热感觉指数PMV、预计不满意率PPD为评价指标，仿真分析了抽油烟机新风系统对厨房热舒适性的影响，实现了对厨房环境热舒适性的量化分析。结论如下：

(1) 定量分析了抽油烟机新风系统对厨房环境热舒适性的影响。新风系统开启时人体额头PMV值为0.50，相对于新风系统关闭时降低了83%；PPD值为10.56%，相对于新风系统关闭状态降低了89%。

(2) 新风系统送风口风速由0开始增大时，厨房环境热舒适性逐渐变优，并在送风口的风速为3 m/s左右时热舒适性达到最优状态；而后风速继续增大，热舒适性逐渐变差。

(3) 采用量化分析的方法，有效评估了厨房环境的热舒适性，仿真分析流程可为深入研究厨房热舒适性和定量评估新风系统提供参考。