多层住宅厨房&卫生间排风系统的模拟分析

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简介： 在多层住宅实际设计中，排风竖井通常由建筑师设计，且排烟罩、通风器由住户自行购买。因此，实际运行中常有排烟不畅等问题。本文利用数值模拟的方法分析了七层住宅的卫生间排风系统不同开启率、厨房排烟系统采用同型号或不同型号排烟罩的运行特性，并对存在较大排风问题的厨房排烟系统提出了改进方案。
关键字：排烟系统 排烟罩 通风器

1 前言

　　随着生活水平的提高，住宅的室内空气品质愈来愈被人们所关注。厨房、卫生间是住宅中两个主要散发污染物场所。尤其是厨房，不仅有煤气燃烧所产生的污染物，还有烹饪产生的大量油烟与蒸汽，厨房排风不畅将导致整个室内弥漫着油烟气味。暖通工作者对厨房中的污染物、最小排风量、排烟罩性能等方面都进行了比较系统的研究，但对多层住宅中厨房排烟系统和卫生间排风系统的运行特性关注很少。多层住宅中的排风竖井通常由建筑师设计，暖通工程师很少介入,并且厨房、卫生间中的排烟罩、通风器大多由住户自行购买。因此，实际运行中经常发生排烟不畅、串气等问题。本文利用数值模拟的方法分析了多层住宅厨房与卫生间排风系统运行效果、产生排风量不足的原因及改进措施。

图1 子母风道截面图

　　本文以一个七层住宅为分析对象，住宅中的竖向风（烟）道采用龙J21标准图集中混凝土子母风（烟）道(如图1所示)，并假定了卫生间和厨房中通风器、排烟罩的安装方式。

2 住宅卫生间排风系统

2.1 建立数学模型

　　设在各层子风道进口处都安装同型号的通风器。假定卫生间的排风量为54m³/h（相当于3m²卫生间有6次/h的换气次数），用BF-100型通风器，其最大风量81m³/h最大静压20Pa，所谓最大风量指静压为0时的风量，最大静压指风量为0时的静压（以下同）。热压在冬季对底层有利，这里忽略其作用。

图2 某段竖井

　　当通风器达到稳定工作时，通过各子风道的管路系统阻力等于各自卫生间通风器的压头和风压之和（用避风风帽时）。因此可列出以下方程。

2.1.1 能量方程

　　任意选取如图2所示的某段排风系统进行研究，根据流体力学的能量平衡原理，得到任意子风道内空气流动的能量方程如下：

H_i=＋ （1）

　　其中

H_i=H_w,i＋H_f =H_w,i＋k （2）

　　式中H_i、H_w,i分别为任一路径和卫生间通风器的压头；H_f 为避风风帽的风压，当H_f＝0时为无避风风帽；为平均室外风速，取=3.5；k为风压系数，筒型风帽k=0.5；、、分别为第i层子风道、第j层和第j+1层间竖井、竖井出口处的阻抗；、、分别为第i层子风道、第1层和第j+1层间竖井、排风系统中气体的流量；m 为建筑层数。

2.1.2 阻抗方程

　　式（1）中的阻抗为该管段的长度阻力与局部阻力之和除以该断面的面积与流速乘积的平方（限于篇幅，阻抗方程略）。阻抗方程中的局部阻力系数按文献［1］取值，由于子母风道交汇处的局部阻力系数无处可查，本文近似的将其看成小角度的汇流三通，它的阻力系数与子母风道流量比、面积比有关，本文按［2］中数据回归了该三通的旁通和直通阻力系数。阻抗方程中的摩擦阻力系数采用阿里特苏里公式^[2]。

2.1.3 通风器的特性方程

　　根据所选用的BF-100型通风器的性能曲线，拟合得到全压与流量的关系：

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

2.2 计算结果分析

　　由式（1）可知，各层实际的排风量就是通过解一系列关于流量与局部阻力系数的非线性方程组得到的。本文采用拟牛顿法通过编制程序计算。计算结果如下：

　　首先分析安装避风风帽和不安装避风风帽情况下，通风器都开启时各层排风量的差别，比较结果发现安装避风风帽时各层的排风量反而减少了11％（7层）~23％（1层）。其原因为避风风帽有较大的出口局部阻力系数（ζ₀=2.8）抵消了风压的有利作用而降低了排风量。所以，当室外风速不是很大时建议不使用避风风帽，使用一般的风帽即可。

　　住宅卫生间排风系统实际上同时使用的概率不大，为此计算各层全开和70％随机开启率时各层的排风量，计算结果列于表1中。通过分析表1可得到如下结论：

　　（1）当各层的通风器全开时，底下3层的风量小于设计值，尤其1层的排风量仅为设计风量的70%。但这种全开的概率极小。当有2层的通风器不开时，各层卫生间的排风量均能达到设计要求。当不开启层数增加，排风量均能超过设计值。由于各层的通风器由住户自己购买，必然造成所使用的通风器型号不一，从而导致选用静压、流量偏小的通风器的住户的排风量达不到要求，尤其是1、2层的住户。

　　（2）对于7层住宅建筑，竖井面积为0.03m²，选用最大静压20Pa，最大风量81ｍ³/h的卫生间通风器，绝大多数情况下可以满足卫生间的排风要求。

层数

全开

1,2层不开

1,3层不开

1,7层不开

2,3层不开

2,6层不开

3,5层不开

3,7层不开

4,5层不开

6,7层不开

①

43.7

关

关

关

63.56

60.91

61.45

58.74

60.64

55.63

②

44.3

关

63.83

59.63

关

关

61.91

59.22

61.11

56.14

③

47.2

64.11

关

60.11

关

61.70

关

关

63.24

58.44

④

52.1

64.56

64.59

62.27

64.63

63.80

65.12

62.54

关

62.63

⑤

58.5

66.60

66.63

66.30

66.65

67.75

关

66.47

关

68.50

⑥

65.9

70.45

70.47

72.02

70.48

关

70.97

72.11

71.24

关

⑦

74.1

76.01

76.02

关

76.03

76.44

76.25

关

76.36

关

3 厨房排烟系统

　　钢筋混凝土预制子母烟道与卫生间预制子母通风道的结构形式类似。假定住宅厨房排风量250m³/h（相当于8 m²的厨房有11次/h的换气量），选用某公司生产的FV-75HG3C和FV-75HDT1C深罩型排烟罩，这两类排烟罩的性能参数见表2。同样不考虑热压作用。

型号

转速

最大风量m³/h

最大静压Pa

型号

转速

最大风量m³/h

最大静压Pa

FV-75HG3C

高档

850

380

FV-75HDT1C

高档

1000

250

低档

570

277

中档

664

200

低档

500

111

3.1 建立数学模型

　　用同上述类似的方法建能量方程和阻抗方程，排烟罩的特性方程是根据样本数据进行拟合从而得出的，全压与流量的关系为：

　　FV-75HG3C型排烟罩高档转速：H_p=380-1.3453Q-14193Q²+62567Q³-111270Q⁴ （5）

　　FV-75HG3C型排烟罩低档转速：H_p=277-837.19Q-3155.4Q²-23884Q³+ 88545Q⁴ （6）

　　FV-75HDT1C型排烟罩中档转速：H_p=200+24.896Q-11963Q²+101920Q³-342480Q⁴ （7）

3.2 计算结果分析

3.2.1 各楼层的排烟罩型号一致且同时开启情况下各层的排风量

　　这是最不利的工况。计算时假设各层住户分别同时使用FV-75HG3C型排烟罩的高档转速和低档转速，计算结果表明：采用高档转速时，4层及4层以下均达不到设计风量；采用低档转速时，5层及5层以下均达不到设计风量。由于在住宅中应用同一型号排烟罩，且以同一转速运行的可能性很小，因此不对此种情况进行进一步评述。

3.2.2 各楼层的不同型号排烟罩同时开启情况下各层的排风量

图3 排烟罩并联运行图

　　由于使用排烟罩的时间相对集中，所以70%以上的住户同时使用排烟罩的情况出现的概率较高。为此，仍然只计算各层的排烟罩都同时开启的情况，计算结果见表3。

　　目前，在不是统一装修的商品房中，排烟罩由各住户自行采购安装，所以存在各层住户使用不同品牌、型号的排烟罩的情况。本文选择了表3中HG3C型高档转速（380Pa）、HG3C型低挡转速（277Pa）、HDT1C型中档转速（200Pa）的排烟罩作为各住户可能使用的排烟罩进行模拟分析，以后分别称为H型、M型、L型。上述这种选择基本上囊括了目前市场上常见而且是普遍使用的排烟罩的特性。当不同型号排烟罩同时运行时，相当于不同型号风机的并联运行工况，图3表示了H型和L型排烟罩并联运行的特性曲线。当使用L型排烟罩住户的管路阻力大于200Pa时，则该户的排风量为0，只有当管路阻力小于200Pa，如190Pa，这时大约有45m³/h的排风量。在表3所列的结果中，有排风量为0的情况的，就是属于此种情况。从表3得到如下结论：

　　（1）各层排烟罩同时运行，无论是哪种组合情况都会出现若干层的排风量达不到要求。

　　（2）7层的排出管路最短，因此即使采用低压头（L型）排烟罩也能达到设计排风量。

　　（3）1、2层的排出管路最长，一般情况下采用高压头（H型）排烟罩时，其排风量能达到设计值，但在有些情况下（邻近层也用H型排烟罩），排风量稍小于设计值。

　　（4）3~5层住户使用低、中压头（M、L型）排烟罩，其排风量均达不到设计值，但5层在个别情况下偏差不大。

　　（5）6层住户用低压头（L型）排烟罩，均达不到设计排风量，但有些情况偏差不大。

层数

1,2,3,4层H型;5,6层M型;7层L型

1,2,7层H型5,6层M型;3,4层L型

1,2,5,6层H型;3,4层M型;7层L型

3,4层H型,1,2,5,6层M型,7层L型

7层H型,1,2,3,4层M型,5,6层L型

5,6层H型,1,2,3,4层M型,7层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

层数

3,4层H型,1,2,7层M型,5,6层L型

7层H型,1,2,5,6层M型,3,4层L型

3,4层H型,5,6层M型,1,2,7层L型

7层H型,5,6层M型,1,2,3,4层L型

5,6层H型,7层M型,1,2,3,4层L型

7层H型,3,4层M型,1,2,5,6层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 改进措施

　　从上述的分析中可知，目前这种规格的子母烟道很难使各层的排风量都达到令人满意的效果，所以提出如下的改进措施。

　　（1）分层使用现有规格的子母烟道

　　安装两个子母烟道，1、2、3层共用一个子母烟道，4、5、6、7层共用一个子母烟道。当各层使用同种规格的排烟罩（H、M、L型），其排风量都能达到设计值。使用不同规格排烟罩各层的排风量见表4，从表中可以看到，仍有个别住户排风量达不到要求，但已得到明显改善，出现排风量最小的个别住户，其排风量已大于设计风量的80％。

　　（2）增大主烟道截面尺寸

　　现有的子母排烟道的主烟道截面太小，只有0.03m²，不能满足各住户的排风量的要求。增大主烟道的截面可以使各层的排风量得到改善，将主烟道的截面增大一倍，面积为0.06m²。模拟结果表明，当各层使用同型号的排烟罩时，各层的排风量均能达到设计值；表5列出了当各层使用不同型号的排烟罩时，有个别住户的排风量不满足设计要求的不同型号排烟罩的组合情况，从表中可以看到，虽然仍有排风量达不到要求的住户，但排风量最小的住户的排风量已大于设计风量的85％。

层数

1层H型;2层M

型;3层L型

1层H型;3层M型;2层L型

3层H型;1层M型;2层L型

3层H型;2层M型;1层L型

2层H型;3层M型;1层L型

2层H型;1层M型;3层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

层数

6,7层H型;4层M型,5层L型

5层H型;4层M型;6,7层L型

6,7层H型;5层M型;4层L型

5层H型;6,7层M型;4层L型

4层H型;6,7层M型;5层L型

4层H型;5层M型;6,7层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

层数

1,2,7层H型5,6层M型;3,4层L型

1,2,5,6层H型;7层M型;3,4层L型

3,4层H型,7层M型,1,2,5,6层L型

3,4层H型,5,6层M型,1,2,7层L型

5,6层H型,3,4层M型,1,2,7层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 结论

　　住宅中由于各层卫生间通风器的同时使用率低，卫生间排风系统出现排风不畅的问题可能很少。但厨房排风系统由于排风量大、使用比较集中、排烟罩型号又不同，因此出现排风量不足的情况很多。本文对此提出了两种改进措施，模拟计算结果表明本文的改进方案是可行的。

参考文献

　　(1) 华绍曾，杨学宁等编译. 实用流体阻力手册. 国防工业出版社，1985
　　(2) 陆耀庆. 实用供热空调设计手册. 中国建筑工业出版社，1993