華東建筑設計研究總院-國際設計中心  陳子良  金了然  陳勁暉  陳 剛

       【摘  要】計算流體力學（CFD）逐漸被應用于建筑環境模擬研究中，本文旨在通過應用軟件的室外風環境和氣流組織的模擬方法來解決對廚房油煙在室外的擴散軌跡。本文的研究對象則為現如今不斷涌現的大型商業廣場和酒店的廚房排油煙室外擴散，將應用CFD技術，并參考眾多規范和標準來設置在模擬中需要的參數。本文將會簡述運用的計算方法、網格劃分、條件設置和各種軟件的應用，并提及幾個實際應用該方法的典型案例，解釋說明CFD技術如何進行應用，及其的效果和優勢。 

       【關鍵詞】CFD模擬，商業建筑，廚房排油煙，室外風環境模擬

Abstract:Computational fluid dynamics (CFD) has gradually been applied to the research of building environment simulation. This article aims to analyze the outdoor diffusion trajectory of kitchen exhaust fumes through the application of CFD simulation methods of outdoor wind environment and airflow organization. The research object is the outdoor diffusion of fume in large commercial building and hotel kitchens that are emerging in recent years. CFD technology will be applied, and many standards will be referred to set the parameters needed in the simulation. This article will briefly describe the calculation methods used, meshing, condition settings and software applications, with a few typical cases of practical application of this method to illustrate application of CFD technology and its effects and advantages.
Keywords: CFD simulation, commercial building, kitchen fume exhaust, outdoor wind environment simulation

1 背景

       得益于計算機技術和算力的發展，計算流體力學（CFD）逐漸應用到建筑環境的模擬研究中，包括建筑室外風環境，室內熱舒適度、氣流組織模擬等^[1]。相比于流體力學早期的風洞試驗周期較長、成本較高且需要按照比例尺縮小進行實驗的缺點，CFD模擬能夠在較短時間內按照建筑模型的實際尺寸較為準確地模擬建筑風環境。

       隨著商業地產的不斷發展，城市的建筑群中不斷涌現大型的商業廣場或酒店等綜合體^[2]。而作為其中一類主力業態，餐飲通常在租戶類別的組成中占據了較大的比例。餐飲廚房的排油煙排放對建筑區域內的行人、設備以及周邊建筑會帶來一定的影響。如果在建筑物設計規劃階段沒有規避排油煙污染物和氣味等不利因素，不但會降低項目建成后的品質，還會對行人和建筑的安全性、舒適性帶來負面影響。

       因此運用CFD技術方法對建筑物范圍內排廚房排放策略進行分析研究就顯得尤為重要。本文會結合過往實際設計案例，利用fluent軟件對項目內相關建筑區域進行流體力學數值模擬。根據夏、冬季不同盛行風向和氣候條件，軟件可以模擬出計算域內的油煙排放軌跡、污染物濃度分布和油煙影響下溫度分布的詳細表現。通過對模擬結果的分析，可以判斷廚房排油煙位置和系統設置的合理性。如果不滿足設計要求可以及時調整規劃和排放策略，從而避免不利影響。

2 模擬方法

       2.1 計算理論和網格劃分

       油煙排放物和自然風的流體狀態視為穩態湍流流動。在本文案例中的邊界條件采用的是k-ε標準模型，即標準的湍流模型，且為流體引入浮力效應。

       在本文案例中應用到的求解器為壓力基，算法為耦合求解器（PBCS），方式為SIMPLE^[3]，其中單元中心的變量梯度運用基于單元體的最小二乘法插值（Least-Squares Cell-Based）方法；對流項的插值方法上壓力、動量、能量和混合物采用二階迎風格式，該方法適用于網格方向有差異的三角形/四面體網格，精度為二階。湍動能和湍流耗散率采用一階迎風格式，精度為一階^[4]。本文案例在保證精確度和準確性的情況下，對計算方式進行合理的簡化，以確保結果具有參考價值。

       本文案例中的網格劃分軟件為ANSYS中的ICEM CFD軟件，在Rhino中初步建立3D模型后，需要將該模型導入ICEM CFD并對其進行網格劃分。該軟件可以對初步模型進行優化，同時對劃分完成的網格進行柔順化處理。

       參考《民用建筑綠色性能計算標準》^[5]和《建筑環境數值模擬技術規程》^[6]，設置特征尺寸為計算域內最高建筑的高度H，但當最高建筑的高度為100m以上的超高層建筑且高周邊其他建筑平均高度2倍以上時，可以最高建筑高度的1/2作為特征尺寸H。計算域設置為目標建筑（群）水平延伸6H，垂直高度為4H，建模區域為目標建筑物（群）周1H的范圍，且計算域的長邊范圍保持在0.8~1.5km。

       在本文案例中，應用的網格類型為三角形/四面體和混合網格。參考《建筑環境數值模擬技術規程》^[6]網格大小按照區域的功能進行相應設置。在本文案例中計算域內最大網格的大小在15~20m；關鍵區域如設備屋面，排油煙口和人行區域等范圍內的網格尺寸更加精細，確保模擬的準確性；且因相對龐大的計算域設置，網格的數量范圍在300~800萬。

       2.2 設置參數

       排油煙模擬在整體參數的設置中需考慮到能量方程，重力因素和氣體混合物模型等物理參數。軟件通過氣象條件，城市梯度風，污染物參數等方面的設置，來達到仿真目的。

       2.2.1 氣候條件

       氣候條件方面，將分別設置夏季和冬季兩個不同氣候條件下的工況，并且模擬分析在兩個季節中油煙排放物對建筑本身功能和周邊建筑等造成時間最長且最不利影響的情況。當地氣候數據參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》^[7]，其中大氣壓數值，室外干球溫度，盛行風風向和風速將會成為影響排油煙模擬分析的關鍵性參數。

       城市梯度風設置方面，由于城市地表建筑的影響，自然風在距地較低處的風速會與高處的風速有一定的差距，所以在模擬中需要考慮到自然風速隨高度變化的情況。此時將會引入高度方向風速按指數定律[8]設定具有梯度特征的風速邊界條件的方程（1）：

       V / V_o = (Z / Z_o)a                              （1）

       其中，V為高度Z處的風速，單位為米每秒（m/s），V_o 為基準高度Z_o處的風速，單位為米每秒（m/s），本文案例中取10m處的風速；e為指數，主要和地面粗糙度和溫度垂直梯度有關，一般在城市繁榮地區取值為0.3，相對偏遠地區取值為0.22，綠地或農田區域為0.15^[9]，本文案例中多取a值為0.3。

       2.2.1 污染物參數

       污染物參數設置方面，由于液化氣燃燒產生的其他廢氣與CO和CO₂擴散途徑相似，所以采用Fluent內部固定的gas-air混合物^[10]，其中gas為液化燃料燃燒后產生的氣體CO和CO₂的混合氣體，來模擬排出的油煙混合物。參考《飲食業油煙排放標準》^[11]考慮建筑廚房油煙排放濃度限值為2.0mg/m³。在Fluent中設置油煙參數的時候給油煙排出口的氣體設置為空氣與二氧化碳的混合流體，其中空氣的詳細參數按當地室外干球溫度情況設置相應參數^[12]，CO₂的摩爾質量為28.5g/mol；排油煙口的CO₂的質量分數設置為0.2g/g，其余氣體組成為空氣；總體溫度為70~80℃。

       2.3 軟件應用

       在確定排油煙模擬的目的和需求的計算域后，為簡化建模過程，利用Rhino創建代表計算域的幾何實體模型；然后通過ICEM CFD設計、劃分和優化網格；最后在Fluent中通過設置物理問題（域屬性、邊界條件等）和設置定義求解器（數值格式、收斂控制等），最后通過迭代求解并監控數據完成了對整體模型的計算和最終模擬結果的呈現，得到如油煙排放軌跡、污染物濃度分布和油煙影響下溫度梯度分布等數據。從而判斷在CFD模擬中，廚房排油煙設置位置的合理性，并對設計重新校核和優化。 

3 案例分析

       本文選取了部分實際商業項目作為案例，通過CFD模擬結果對廚房排油煙對設備、建筑物和人員所帶來的影響做出分析，以驗證設計的合理性和可行性。

       參考《飲食業油煙排放標準》^[11]案例模擬設定經油煙凈化后排放的油煙濃度為2mg/m³，取最不利條件，且同時模擬考慮冬夏兩種工況。

       本次建模域及計算域參考自《建筑環境數值模擬技術規程》^[6]和《民用建筑綠色性能計算標準》^[5]中細則進行設置。

       根據《惡臭污染物排放標準》^[13]中惡臭氣體（包括異味）用無臭氣體進行稀釋，稀釋到剛好無臭時，所需的稀釋倍數為20，即油煙濃度衰減為排放濃度1/20=5%，因此模擬案例中主要分析油煙濃度衰減至初始濃度的5%對周邊區域的影響范圍，并且考慮油煙的高溫對周邊設備和人行區域產生的影響進而分析。

       3.1 案例1：XXXX酒店項目

       本項目為一個大型綜合類項目，項目總圖見圖1所示，包括酒店和辦公業態，廚房排油煙量較大，排出的油煙及異味往往成為后期營運及影響項目品質的主要問題。廚房排油煙集中在裙房屋面區域朝南排放，考慮到夏季的主導風（南風）對排油煙的影響是否會對同層的空氣源熱泵和南邊辦公建筑造成影響；且冬季的主導風（北風）對排油煙的影響是否會對同層的酒店包廂區域北部的辦公建筑造成影響，故在項目前期進行本次分析研究，利用CFD軟件模擬夏季和冬季主導風向下裙房屋面廚房排油煙的擴散軌跡以分析其對屋面設備、人員活動區域及周邊建筑群的影響。

圖1 XXXX酒店項目總圖

       CFD建模和計算域劃分如下圖所示：

圖2 XXXX酒店項目CFD建筑模型

圖3 XXXX酒店項目CFD建筑模型計算域與建模域

       各排油煙風機的位置、風量和風口大小等根據實際設計參數確定。屋面排油煙系統排布如下圖所示：

圖4 XXXX酒店裙房屋面排油煙系統示意模型

       3.1.1 重點內容

       根據項目性質，需要重點關注油煙排放物對以下區域的影響：

       a)裙房屋面其他設備，如屋面空氣源熱泵，防止設備運行時因油煙附著而效率降低；

       b)對設備新風取風的影響，如廚房區域東側廚房補風；

       c)對本項目的辦公建筑和酒店住宿區域的影響；

       d)對裙房屋面餐飲包間及其他人員活動影響。

       3.1.2 模擬結果

       在夏季和冬季主導風對煙氣的擴散影響下，煙氣濃度衰減至初始濃度5~20%時影響的區域如下圖所示：

圖5 夏季煙氣衰減至初始濃度20%區域    圖6 冬季煙氣衰減至初始濃度20%區域

圖7 夏季煙氣衰減至初始濃度10%區域    圖8 冬季煙氣衰減至初始濃度10%區域

圖9 夏季煙氣衰減至初始濃度5%區域    圖10 冬季煙氣衰減至初始濃度5%區域

圖11 夏季煙氣衰減至初始濃度5%區域側視圖    圖12 冬季煙氣衰減至初始濃度5%區域側視圖

圖13 冬季煙氣衰減至初始濃度5%區域正視圖    圖14 夏季煙氣衰減至初始濃度5%區域正視圖

       從圖5至圖14的模擬結果表明，夏季和冬季主導風，油煙濃度衰減至初始濃度5%時，影響范圍未到達裙房包間區，辦公建筑、新風取風處、空氣源熱泵布置區域。因此根據冬、夏季的分析結果，可認為現狀方案設計合理。

       3.2 案例2：XXXX商業廣場項目

       本項目為大型商業廣場建筑，其餐飲業態產生的廚房排油煙量較大，且排放點分散設置于在屋面靠外一周區域，可能會對屋面位于排油煙點附近敏感設備造成影響；過于靠近下沉廣場的排油煙點位，對人行區域的舒適性可能造成影響；三棟距排油煙點過近的住宅建筑可能會被影響。本項目前期需要對存在的幾個主要的排油煙問題進行研究分析，所以利用CFD軟件模擬在夏季主導風（南風）和冬季主導風（北風）影響下建筑屋面廚房排油煙的擴散軌跡和高溫分布區域以分析其對屋面設備、人員活動區域、周邊建筑群等影響。

圖15 XXXX商業廣場項目總圖

       CFD建模和計算域劃分如下圖所示：

圖16 XXXX商業廣場項目CFD建筑模型

圖17 XXXX商業廣場項目CFD建筑模型計算域與建模域

       各排油煙風機的位置設置于下圖A~K處，風速為8~9m/s，且風口大小等根據實際設計參數確定。屋面排油煙系統排布如下圖所示：

圖18 XXXX商業廣場項目屋面排油煙系統示意模型

        3.2.1 重點內容

       1233.13.23.33.3.1根據項目性質，需要重點關注油煙排放物對以下區域的影響：

       a)對屋面風冷熱泵和冷卻塔的影響，為防止設備運行時因油煙附著而效率降低和對設備散熱產生影響；

       b)對內區新風機房取風的影響；

       c)對周邊距離過近的住宅建筑的影響；

       d)對屋面下沉廣場人行區域人員活動影響。

       3.2.2 模擬結果

       在夏季由于高溫油煙影響下的溫度過高的區域范圍如下圖所示：

圖19 夏季屋面受煙氣影響超過40℃的區域    圖20 夏季下沉廣場A-A剖面人行區域豎向分布溫度

       圖19表明冷卻塔和風冷熱泵周圍溫度為超過40℃，即油煙的高溫未對屋面的設備造成影響。圖20表明五層屋面人行區域的溫度在35.7~36.1℃范圍內，六層室外走廊人行區域溫度在35.7~36.3℃范圍內，與夏季室外溫度35.1℃相比由于高溫煙氣產生的影響很低，即油煙的高溫未對下沉人行廣場造成影響。

       在夏季和冬季主導風對煙氣的擴散影響下，煙氣濃度衰減至初始濃度5%時影響的區域如下圖所示：

圖21 夏季煙氣衰減至初始濃度5%區域    圖22 冬季煙氣衰減至初始濃度5%區域

圖23 夏季屋面內區新風機房周邊煙氣衰減至初始濃度5%區域    圖24 冬季屋面內區新風機房周邊煙氣衰減至初始濃度5%區域

圖25 夏季下沉廣場人行區域煙氣衰減至初始濃度5%區域    圖26 冬季下沉廣場人行區域煙氣衰減至初始濃度5%區域

       從圖21至圖26的模擬結果表明，在夏季或冬季主導風的影響下，油煙濃度衰減至初始濃度5%時，煙氣擴散影響的范圍僅在不上人屋面的排油煙設備周邊，且均未到達下沉廣場人行區域，冷卻塔和風冷熱泵，周邊建筑和新風機房取風區域。

       因此根據冬、夏季煙氣溫度分布和煙氣擴散軌跡的分析結果，可認為現狀方案設計合理。

4 結論

       CFD在室外排油煙擴散軌跡預測上的應用，切實的在本文中的案例中起到了指導和分析設計合理性方面的作用。通過分析高溫油煙擴散范圍和溫度影響分布范圍對重點關注區域，如新風取風，敏感設備，人行區域和周邊住宅等的影響來探究油煙設置的是否合理，在項目方案初期便可對室外排油煙設備布置方案提供了數值化、精細化的設計依據。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。