使用公共煙道的廚房油煙機(jī)吸力提升和降噪方法研究

胡克吉 楊川 萬(wàn)旭杰 朱秀強(qiáng)

海信（廣東）廚衛(wèi)系統(tǒng)股份有限公司 廣東佛山 528300

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的不斷提高，城鎮(zhèn)化所帶來(lái)的高層住宅需求也越來(lái)越大，而目前高層住宅的廚房基本都采用公共煙道集中排煙方式，即各樓層廚房的油煙通過(guò)油煙機(jī)被吸到公共煙道當(dāng)中，最后統(tǒng)一通過(guò)樓頂出風(fēng)口排到大氣中。目前公共煙道結(jié)構(gòu)形式有多種，如等截面煙道、字母型煙道、變壓煙道、變截面煙道[1]，其中等截面煙道因其制作簡(jiǎn)單被廣泛應(yīng)用。為了防止該種煙道結(jié)構(gòu)油煙串味、倒灌，同時(shí)保證消防安全，通常需在公共煙道進(jìn)口處安裝防火止逆閥。多數(shù)房地產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行廚房設(shè)計(jì)時(shí)，為了增加廚房實(shí)際使用面積，其設(shè)計(jì)的公共煙道都比較小，導(dǎo)致煙道的排煙阻力較大，廚房產(chǎn)生的油煙不能及時(shí)吸走，尤其是做飯高峰期，低層用戶煙道阻力較大，油煙很難順暢進(jìn)入公共煙道，大部分油煙會(huì)被烹飪者吸入。研究表明，油煙被吸入后，輕者會(huì)出現(xiàn)咽部不適等癥狀，更甚者出現(xiàn)成人呼吸窘迫綜合征等癥狀[2]，而且，煙道阻力大也會(huì)造成油煙機(jī)的工作噪聲大，嚴(yán)重影響用戶的身心健康。

目前大部分企業(yè)為了更好地進(jìn)行市場(chǎng)宣傳，都在研究如何提高油煙機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中的性能，而忽略其實(shí)際工況等因素，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能很好的油煙機(jī)到了用戶家中在實(shí)際工況下吸煙效果不好，噪聲較大。事實(shí)上，高層住宅下公共煙道采用的防火止逆閥的結(jié)構(gòu)類型、煙管的安裝方式、油煙機(jī)的開機(jī)率和其所在樓層位置均對(duì)油煙機(jī)的吸力和噪聲產(chǎn)生影響，但具體影響程度目前沒有相關(guān)研究。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，研究上述各個(gè)因素對(duì)吸力和噪聲的影響，確定主要因素和阻力系數(shù)，建立高低樓層各因素的選擇依據(jù)，為后續(xù)油煙機(jī)的選擇和安裝提供指引。

2 油煙機(jī)實(shí)際工況原理及影響主要因素分析

圖1所示的黑色曲線為油煙機(jī)自身的P-Q性能曲線，它是將油煙機(jī)放在圖2所示風(fēng)量測(cè)試裝置中獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總而成，而曲線1、曲線2、曲線3代表不同壓力下的管網(wǎng)特性曲線。

油煙機(jī)最主要的兩個(gè)性能指標(biāo)是風(fēng)量和靜壓（如圖1所示的P-Q曲線），大風(fēng)量的油煙機(jī)吸煙效果好，能迅速將油煙吸入；大靜壓的油煙機(jī)能克服較高的管網(wǎng)阻力，讓油煙機(jī)在高背壓的狀態(tài)下仍能保證較大風(fēng)量[3]；但這只能判斷出該油煙機(jī)在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下性能的好壞，無(wú)法判斷油煙機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，其實(shí)際狀態(tài)與油煙機(jī)的出口管網(wǎng)壓力有關(guān)，油煙機(jī)的管網(wǎng)壓力曲線與本身的P-Q曲線交點(diǎn)才是油煙機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)；如圖1所示的A、B、C三個(gè)點(diǎn)的風(fēng)量才是油煙機(jī)的實(shí)際風(fēng)量，代表油煙機(jī)的實(shí)際吸煙效果；顯然同一臺(tái)油煙機(jī)在C點(diǎn)的工作狀態(tài)其實(shí)際排風(fēng)量最大，另外，通過(guò)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，阻力小的油煙機(jī)工作噪聲也較低。

圖1 油煙機(jī)的P-Q曲線與實(shí)際工況曲線

圖2 油煙機(jī)的P-Q曲線測(cè)試儀器

由風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)壓力特性可知[4]：

式中：

ΔP——管網(wǎng)壓力損失；

ρ——?dú)怏w密度，20℃大氣壓的空氣密度為1.2 km/m3；

ξ——管網(wǎng)阻力系數(shù)；

υ——流速。

而管道內(nèi)流速與風(fēng)量的關(guān)系為：

經(jīng)過(guò)換算后管網(wǎng)壓力P與風(fēng)量Q存在如下關(guān)系：

式中：

P——油煙機(jī)出口處壓力；

P0——公共煙道背壓；

Q——油煙機(jī)實(shí)際風(fēng)量；

k1——止逆閥的阻力系數(shù)；

k2——出風(fēng)煙管的阻力系數(shù)。

由上可知，當(dāng)油煙機(jī)確定后即P-Q曲線一定時(shí)，影響油煙機(jī)性能即吸煙效果的主要因素有：公共煙道的防火止逆閥、出風(fēng)煙管、公共煙道的背壓；且進(jìn)一步通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，止逆閥的阻力主要與其結(jié)構(gòu)類型有關(guān)；出風(fēng)煙管的阻力主要與煙管的安裝方式有關(guān)；公共煙道的背壓主要與開機(jī)率和油煙機(jī)所在的開機(jī)樓層有關(guān)。本文通過(guò)對(duì)這三個(gè)影響因素分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定其阻力系數(shù)大小及變化規(guī)律并總結(jié)出降低阻力系數(shù)的方案和措施，實(shí)現(xiàn)油煙機(jī)的工作狀態(tài)由A到C的提升。

3 測(cè)試條件、設(shè)備和測(cè)試方法

3.1 測(cè)試條件

本文模擬高層住宅實(shí)際廚房的油煙機(jī)安裝方式進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)建筑標(biāo)準(zhǔn)[5]，公共煙道的尺寸與樓層數(shù)有關(guān)，目前城市常見的樓層為28層，據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試公共煙道尺寸設(shè)計(jì)為400 mm×500 mm。

圖3 用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的模型圖

3.2 測(cè)試方法

3.2.1 測(cè)試系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，包含方形簡(jiǎn)易公共煙道、某直流電機(jī)型號(hào)油煙機(jī)、可讀取轉(zhuǎn)速的控制板、出風(fēng)煙管（直徑170 mm）、壓力測(cè)試儀（如圖4所示）、市面上不同類型止逆閥、不同煙道出口直徑的密封板（本文通過(guò)改變出口密封板的出口直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)背壓的調(diào)整）、手持噪聲測(cè)試儀及支撐支架。

其中：截面1所測(cè)壓力為油煙機(jī)的工作壓力，截面1-截面2的靜壓差作為出風(fēng)煙管的壓力損失，截面2和截面3的壓差作為止逆閥的壓力損失。

3.2.2 測(cè)試儀器說(shuō)明

（1）壓力測(cè)試儀：如圖4所示，用來(lái)讀取截面1、截面2、截面3三處的壓力來(lái)計(jì)算出風(fēng)煙管和止逆閥的壓力損失；

（2）開關(guān)板：讀取測(cè)試檔位和電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)該檔位和轉(zhuǎn)速可計(jì)算出油煙機(jī)的實(shí)際風(fēng)量；

（3）手持噪聲儀：讀取油煙機(jī)在不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)；（4）風(fēng)量測(cè)試儀：測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用油煙機(jī)各檔位下的風(fēng)量。

圖4 用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的壓力測(cè)試儀

3.2.3 測(cè)試步驟

在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，需將本測(cè)試所用油煙機(jī)連接風(fēng)量測(cè)試儀測(cè)出各檔位下風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如表1為10檔的P-Q曲線及相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出風(fēng)量與轉(zhuǎn)速方程式，其他檔位方法一樣，最終擬合出10個(gè)檔位下風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，匯總?cè)绫?所示。該測(cè)試的目的是后續(xù)測(cè)試時(shí)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可直接計(jì)算出該檔位下的油煙機(jī)實(shí)際風(fēng)量，從而計(jì)算出阻力系數(shù)。

表1 10檔P-Q曲線與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

表2 10個(gè)檔位風(fēng)量與轉(zhuǎn)速方程式

具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟如下：

（1）在油煙機(jī)、煙管一定的情況下，通過(guò)測(cè)試不同止逆閥類型下各檔位煙管末端P2與煙道內(nèi)P3的壓力差、各工況下轉(zhuǎn)速n換算的風(fēng)量Q來(lái)分析研究止逆閥的阻力系數(shù)k1跟止逆閥的結(jié)構(gòu)類型關(guān)系；

（2）在油煙機(jī)、止逆閥一定的情況下，通過(guò)測(cè)試不同煙管狀態(tài)下各檔位煙管始端P1與煙管末端P2的壓力差、各工況下n換算的風(fēng)量Q來(lái)分析研究煙管的阻力系數(shù)k2與煙管安裝方式的關(guān)系；

（3）在油煙機(jī)、煙管、止逆閥一定的情況下，通過(guò)采用不同孔徑出口板及調(diào)整止逆閥的開合角度來(lái)實(shí)現(xiàn)背壓的變化，研究公共煙道背壓對(duì)油煙機(jī)實(shí)際風(fēng)量和工作噪聲的影響。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)整理及結(jié)果分析

4.1 止逆閥的阻力系數(shù)影響因素

圖5 測(cè)試所用閥的種類代表圖

本文在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中選擇了市面上常見的6個(gè)不同類型的止逆閥，如圖5所示。

本文通過(guò)測(cè)試出風(fēng)煙管末端P2和煙道內(nèi)P3的壓力差計(jì)算止逆閥的壓力損失、通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速n換算成風(fēng)量Q、然后根據(jù)公式（3）計(jì)算出止逆閥的阻力系數(shù)k1，如表3所示為C類止逆閥5的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)該測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出止逆閥其阻力系數(shù)k1與風(fēng)量Q的關(guān)系曲線，其他類型的止逆閥測(cè)試原理一致，最終形成如圖6所示變化曲線。

表3 止逆閥5的阻力系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 閥的阻力系數(shù)與種類關(guān)系

（1）止逆閥阻力系數(shù)與風(fēng)量的關(guān)系

通過(guò)圖6可知，低阻力系數(shù)的C類型閥，其阻力系數(shù)隨風(fēng)量增大而減小，主要因?yàn)樵谛★L(fēng)量下，閥片開口角度較小，止逆閥的阻力損失要大一些；而在較大風(fēng)量時(shí)，止逆閥開口角度較大，止逆閥產(chǎn)生的阻力較?。划?dāng)風(fēng)量大于某臨界值后，止逆閥的阻力系數(shù)基本保持不變；而較高阻力系數(shù)的如A、B類型閥，其阻力系數(shù)較為穩(wěn)定。

（2）止逆閥結(jié)構(gòu)類型對(duì)阻力系數(shù)的影響

通過(guò)圖6可知，不同類型的止逆閥其阻力系數(shù)相差較大；且阻力系數(shù)隨著口徑的增大而減少；其中較大的A類型閥阻力系數(shù)可穩(wěn)定在3.0左右，而小的C類型閥阻力系數(shù)當(dāng)風(fēng)量達(dá)到一定程度后可穩(wěn)定在0.5左右，相差6倍之多。

由此可見，小口徑閥的阻力系數(shù)很大，這會(huì)嚴(yán)重影響油煙機(jī)的排煙效果，如圖7所示，用兩臺(tái)不同性能油煙機(jī)經(jīng)過(guò)風(fēng)量測(cè)試裝置測(cè)試后的性能（P-Q）曲線；其中型號(hào)2的最大風(fēng)量和最大靜壓都比型號(hào)1的高，因此，型號(hào)2機(jī)器本身性能強(qiáng)于型號(hào)1的，但如果型號(hào)2采用小口徑閥，其工作點(diǎn)在Ⅱ點(diǎn)，而型號(hào)1采用大口徑閥，其工作點(diǎn)在Ⅲ點(diǎn)，顯然Ⅲ點(diǎn)的工作狀態(tài)好于Ⅱ點(diǎn)。

圖7 不同類型煙機(jī)不同阻力下壓力與風(fēng)量曲線示意圖

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)高層住宅采用的防火止逆閥都是A類型小口徑閥，因此，為了保證油煙機(jī)的吸煙效果，在安裝油煙機(jī)時(shí)需對(duì)原止逆閥進(jìn)行更換，選擇大孔徑閥，尤其是低樓層廚房選擇大孔徑止逆閥可大大降低k1，對(duì)提高油煙機(jī)的吸力和降低噪聲有明顯影響。

4.2 出風(fēng)煙管的安裝方式對(duì)阻力影響

影響出風(fēng)煙管阻力的主要因素有：煙管的長(zhǎng)度、煙管彎頭半徑和彎頭數(shù)量、煙管的拉直程度；而實(shí)際高層住宅中絕大部分的廚房煙管安裝只有一個(gè)彎頭且通過(guò)吊頂彎曲90°變向，故煙管彎頭半徑基本變化不大，本文在此不進(jìn)行研究；由于高層住宅廚房的高度一般都在2.3～2.4 m左右，差異不大，而油煙機(jī)安裝高度和櫥柜高度通常都是標(biāo)準(zhǔn)的，因此在油煙機(jī)出口處煙管豎直段的高度相差不大，區(qū)別主要是拐彎后在吊頂上橫向連接防火止逆閥的這段煙管。因此，本文按照測(cè)試機(jī)型的安裝高度進(jìn)行模擬測(cè)試，將豎直段長(zhǎng)度固定在600 mm，分兩種情況進(jìn)行測(cè)試：

（1）通過(guò)調(diào)整水平段煙管長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試，多余長(zhǎng)度將其折疊部分纏繞在出風(fēng)罩口位置，保證測(cè)試水平段處于拉直狀態(tài)；

（2）在彎頭半徑和煙管長(zhǎng)度一定時(shí)，調(diào)整水平煙管的拉直狀態(tài)分析對(duì)阻力系數(shù)的影響。

4.2.1 出風(fēng)煙管的長(zhǎng)度對(duì)煙管阻力系數(shù)的影響

測(cè)試條件：如圖8所示，本文測(cè)試共選取5種不同水平段長(zhǎng)度的出風(fēng)煙管，分別為600 mm、800 mm、1000 mm、1400 mm、1800 mm，通過(guò)記錄不同狀態(tài)下煙管始端P1和末端P2的壓力差、該工況下轉(zhuǎn)速n換算的風(fēng)量Q，最后計(jì)算出該工況下的煙管阻力系數(shù)k2，如表4為水平段長(zhǎng)600 mm的測(cè)試數(shù)據(jù)，其他四種長(zhǎng)度測(cè)試原理相同，最終匯總成如圖9所示曲線。

圖8 煙管長(zhǎng)度安裝示意圖

表4 水平段600 mm（拉直狀態(tài)下）阻力系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 煙管阻力系數(shù)與長(zhǎng)度關(guān)系

通過(guò)圖9數(shù)據(jù)可知，煙管阻力系數(shù)隨煙管長(zhǎng)度的增加而增大，煙管長(zhǎng)度每增加1 m其阻力系數(shù)增加0.25左右，但目前高層住宅大部分廚房里只需安裝一根煙管（總長(zhǎng)2 m），其橫向段長(zhǎng)度一般不超過(guò)1 m，故拉直后煙管的阻力系數(shù)一般可控制在0.4～0.6之間。

4.2.2 出風(fēng)煙管的拉直程度對(duì)阻力系數(shù)的影響

測(cè)試條件：本文測(cè)試的出風(fēng)煙管共選取三種狀態(tài)：水平段長(zhǎng)度500 mm不拉直、水平段長(zhǎng)度650 mm不拉直、水平段長(zhǎng)度800 mm拉直；測(cè)試方法和原理同煙管長(zhǎng)度一致，讀取三種狀態(tài)下P1、P2及通過(guò)n計(jì)算的Q，從而計(jì)算出各檔位下阻力系數(shù)k2，并匯總?cè)鐖D10所示曲線。

圖10 阻力系數(shù)k2與拉直程度曲線圖

通過(guò)圖10可知，煙管的拉直程度對(duì)其阻力系數(shù)有一定影響，當(dāng)煙管不拉直時(shí)，雖然其長(zhǎng)度縮短，但其阻力系數(shù)反而更大，不拉直時(shí)k2為0.9，拉直狀態(tài)下k2為0.5，兩者相差0.4，這也說(shuō)明煙管的阻力系數(shù)k2受拉直程度影響遠(yuǎn)大于煙管長(zhǎng)度。

因此，煙管的安裝首先保證其處于拉直狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上盡量縮短長(zhǎng)度，這樣可降低阻力系數(shù)k2，有效提高油煙機(jī)吸力并降低噪聲。

4.3 公共煙道背壓的影響

（1）開機(jī)率和開機(jī)位置對(duì)背壓的影響

據(jù)研究表明[6]：高層住宅下公共煙道的背壓從底層到高層是逐漸降低的，且開機(jī)率越高，公共煙道的背壓越大。

（2）油煙機(jī)風(fēng)量、工作噪聲與背壓的關(guān)系

測(cè)試條件：本文選擇6檔、7檔、8檔共3個(gè)檔位進(jìn)行測(cè)試，噪聲測(cè)試儀固定于支架上并放在油煙機(jī)的前方，噪聲測(cè)試儀的高度為1.5 m；每個(gè)檔位下通過(guò)調(diào)整止逆閥的開口大小及煙道密封板的出口直徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn)背壓的連續(xù)變化，通過(guò)讀取油煙機(jī)在不同工況下的轉(zhuǎn)速換算成相應(yīng)的風(fēng)量及工作噪聲，最終匯總為如圖11所示曲線。

通過(guò)圖11可知：

（1）在各檔位下，實(shí)際風(fēng)量隨背壓的增大而降低；

（2）低檔的工作噪聲變化趨勢(shì)較大，當(dāng)背壓增大到一定程度時(shí)，三個(gè)檔位的工作噪聲相差不大；而在某一固定檔位，當(dāng)煙道背壓較低時(shí)，工作噪聲先維持不變，當(dāng)背壓大于某一臨界值時(shí)，工作噪聲隨著背壓的增大而增大；另外，噪聲發(fā)生變化時(shí)的背壓臨界值與開機(jī)檔位有關(guān)，開機(jī)檔位越大，該背壓臨界值也越大，即高檔下油煙機(jī)的工作噪聲較穩(wěn)定，變化趨勢(shì)較小。

因此，在高層住宅下油煙機(jī)使用高峰期時(shí)，低樓層的油煙機(jī)背壓大，吸力不好且工作噪聲大；而在非高峰期時(shí)，因樓道背壓小，各樓層的油煙機(jī)的吸力較好，工作噪聲也相差不大，處于較低狀態(tài)。

圖11 風(fēng)量、噪聲與背壓的關(guān)系

5 結(jié)論

（1）防火止逆閥的孔徑大小對(duì)油煙機(jī)的阻力系數(shù)影響較大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前市面上小口徑止逆閥阻力系數(shù)為3.0左右，而大孔徑的止逆閥阻力系數(shù)是0.5，相差6倍。因此選擇大孔徑止逆閥可有效提高油煙機(jī)的吸力并降低噪聲。

（2）出風(fēng)煙管的安裝方式對(duì)油煙機(jī)的阻力系數(shù)也有一定影響。其中煙管的安裝狀態(tài)——是否拉直，對(duì)于煙管的阻力影響大于煙管的長(zhǎng)度。因此，在安裝出風(fēng)煙管時(shí)，首先保證煙管處于拉直狀態(tài)，將多余長(zhǎng)度固定在出風(fēng)口處，同時(shí)盡量縮短出風(fēng)煙管長(zhǎng)度，可將煙管的阻力系數(shù)控制在0.5左右，有效提高油煙機(jī)的吸力并降低噪聲。

（3）公共煙道的背壓直接影響油煙機(jī)的吸力和工作噪聲，而影響背壓的主要因素就是開機(jī)率和開機(jī)位置，高開機(jī)率下低樓層的油煙機(jī)背壓較大，油煙機(jī)的實(shí)際吸力較小，工作噪聲較大；低開機(jī)率下，煙道的背壓較低，各樓層的油煙機(jī)的風(fēng)量較大，工作噪聲也較低。因此，高層住宅高樓層用戶因背壓較低，通過(guò)選擇大孔徑止逆閥及合理安裝出風(fēng)煙管，選擇一般性能油煙機(jī)即可保證油煙機(jī)的實(shí)際吸煙效果，工作噪聲也較低；而對(duì)于低樓層用戶，因背壓較高，除選擇大孔徑止逆閥和煙管安裝合理外，還需盡量選擇大風(fēng)壓、大風(fēng)量油煙機(jī)才能保證油煙機(jī)的實(shí)際吸煙效果。