住宅厨卫防火型变压式排气道的研制

Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｌ技术交流　住宅厨卫防火型变压式排气道的研制　住房和城乡建设部重点科研课题《住宅厨卫防火型变压式排气部品体系技术》课题组　本课题的研究根据建设部文件建科［２００６１９８号“关于印发　《建设部２ＯＯ６年科学技术项目计划　的通知”的要求，项目名　称为＜绿色厨卫系列化产品研究开发　（项目编号０６一Ｋ５—　３７）。本课题为子课题３　厨房卫生间污染控制与改善及材料　和产品研究开发　中的专项２。　住宅厨卫防火型变压式排气道的研制技术路线是从改善住　宅厨房卫生间室内环境要求出发研究具体的技术措施一产品研　制开发一与产品相关的建筑工程设计与工程应用一相关产品标　；隹、工程技术规范的编制，通过这一技术路线来加速课题的科　研成果尽早完成并加速转化为现实生产力。　住宅厨卫防火型变压式排气道的研制关键技术指标为：在部　分楼层开启油烟机时，不开油烟机的其他楼层不串烟、不串味：　进气口风压Ｐｊ￣＜０：保证每户必要的厨房排风量３００～５００ｍ３／ｈ，卫生　间排风量８０～１　００ｍ３／ｈ，管体耐火极限不低于１　ｈ。　一、住宅厨卫防火型变压式排气道工作原理　住宅设计规范　规定：　“当排油烟机的排气管排至竖　向通风道时，竖向通风道的断面应根据所担负的排气量计算确　定，应采取无回流、竖井无泄露的措施。”、　“无外窗的卫生　间，应设置有防回流构造的排气通风道，并预留安装排气机械　的位置和条件。”。　根据上述要求，采用同一垂直位置，各层厨房或卫生间　排气都集中于一个风道。假设某排气道进风口位置没有设置　防回流装置，由于处于同一垂直位置的各层厨房相互连通，　那么开启排油烟机的厨房的烟气就会串入没有设置防回流装　置的厨房内，即发生了“串烟”、　“串味”现象。厨房用排油　烟机的排风量在３００～５００ｍ　／ｈ范围内就可以满足厨房排烟的　基本要求，进风口风速须大于４．９ｍ／ｓ。以６层楼（外廓截面尺寸　３２０ｍｍＸ　２４０ｍｍ，有效通风截面为３００ｍｍ　Ｘ　２２０ｍｍ）为例，　在最不利工况（６层排油烟机全开）下，排气道的最小排风能　力为１８００ｍ　／ｈ　Ｂ，￣，才能满足所有厨房的排烟要求，此时风道内　的风速为７　６ｍ／ｓ，与进风口风速一致，能满足排烟要求。如果　排气道截面过小，要达到各层厨房必要的排风量，风道内速度　就必然要增加，管道内的压力也会增加，对排油烟机的动力特　性就要求很高，对排烟不利。因此排气道必须要有必要的排风　截面。　综上所述，造成串烟串味的原因有两个一是排气道内没　有设置防回流的构造：二是排气道的截面过小，不能满足厨房　必要的排风量要求。　变压式排气道的设计是依据空气动力学伯努利方程所表　述的原理，在风道内特定位置（排气道进风口处）设置改变　气流流速的机构，使在该特定位置的动压增大，静压减小，　使排气道进风口处压力高于风道内的静压，从而避免串烟、　串味的现象。　根据流体力学，全压Ｄａ为动压头Ｄａ和静压Ｐｊ之和：　Ｐｑ＝Ｐｄ＋Ｐｊ　（１）　式中：Ｐｑ——流体全压头单位Ｐａ　Ｐｄ——流体动压头Ｐｄ＝１／２ｍｖ　Ｐ卜＿一流体静压头Ｐｊ为流体分子内能　经过实验，我们发现串烟串味现象与管道内静压头有关，　而与动压头无关。引起厨房排油烟管道系统串烟串味的原因是　管道系统内部静压值Ｐｉ过高，而与动压值Ｐｄ大小无关。　所以，从空气动力学角度要解除串烟串味现象必得设法降　低管道内部的静压值。流体运动遵循能量守恒定律，在１—１流　动断面上，流体总能量Ｐｑ守恒，见公式（１）。经实验得知，　引起管道系统串烟串味的原因是静压值Ｐ　Ｊ过高。由于总能量守　恒，Ｐｊ￣ＯＰｄ可互相转换，　但其和不变。提高动压头Ｐｄ，可降　低静压Ｐｊ。由于Ｐｄ＝１／２ｍＶ　，提高Ｐｄ只需提高流体速度Ｖ。在　１—１断面上，流体流量Ｑ守恒，为一常数。即：Ｑ＝ＶＳ。提高流　速Ｖ，只需降低Ｓ，即需缩小流通面积。加一变压板即可完成缩　小流通断面的要求。　通过上面的分析，得出以下结论，即通过调整变压板　的尺寸来改变管道系统内部某一局部管段的流通面积，从而　达到改变局部静压值Ｐｉ来实现防止管道系统串烟串味的　目的　（见图１）　１）Ｐｊ＞Ｐ。串味　（２）　２）Ｐｊ＝Ｐ。临界状态不稳定　（３）　３）Ｐｊ＜Ｐ。不串味　（４）　ＣＨＩＮＡ“。｝ｌＪＳＩＮＧ㈨ＩｌｌＴｊＥＳ固　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｉ技术交流　在卜１Ｐ一　＝Ｐｄ断面上　ｆ十Ｐ　ｌ　／　／　Ｐｏｆｔ　进气口　室　’　＼　变压板　Ｐｑ＝Ｐｄ＋Ｐｊ、、—　、、、　＾　ｆ　导向管　排气道　ｆ　ｆ　图１　变压式排气道工作原理　二、住宅厨房卫生间变压式排气系统空气动力状态理　论分析　２．１住宅厨房卫生间变压式排气系统的最佳流通断面　计算的基础　２　１　１理论分析依据为：　本文采用标；隹ｋ—Ｅ湍流模型进行计算，其基本方程如下．　连续性方程：　＝０　（５），　动量方程　（　】＿一等晴（詈一＋　０１ｘ），　懈　（６）紊流能量传递方程：　毒　＝￡　Ｏ－ｋ　ａｋ］ａ～，一ａ　紊流能量耗散率传递方程：　毒ｃｐｕ　＝毒［‘　专］＋　ｃｔ　ｃ争＋毒　一ｃ　Ｐ　ｅ　８　式中Ｕｉｕ　——速度，ｍ／ｓ，其中Ｉ，ｊ为张量下标，ｉ，ｊ＝１，２，３；　ｐ——流体密度，ｋｇ／ｍ。，　——粘滞系数，ｋｇ／（ｒｒｌ・ｓ）　ｕ——紊流引起的粘滞系数，ｋｇ／（ｍ・Ｓ）：　ｋ＿嚎流脉动动能，ｍ２／ｓ　；　Ｅ——紊流脉动动能耗散率，ｍ　／ｓ　。　经验常数取值　Ｃ１　＝１．４４，Ｃ　２　＝１　９２，ａ　Ｋ＝１　０，　盯　＝１　３。　２　１　２住宅厨房卫生间变压式排气实验测试系统　住宅厨房卫生问变压式排气实验测试系统如图２。　Ｉ曩中国住宅设施　抽油烟机　。风速测点。风压测点　支架　］　ｒ　，　Ｌ　ｈ　ｒ　］　ｎ　『『Ｉ　ｌ＿、寺　／ｃ　Ｌ　、『『　／ｒｂＩ［二、寺　，　Ｅ＝、，—　÷　Ｌ　——　；——————÷—　—————Ｌ　——』Ｊ　—　————————～｝—　——Ｌ　——　：　—　：———————　—————ｌＪ———ｔ　—：——　ｌ层　２层…２９层　｛　３０层　图２实验布置示意图　该系统可通过改变主管道的流通截面尺寸，对住宅厨房　卫生问变压式系统进行性能测试；可变换局部部件的结构或类　型，从而对在不同局部部件的结构或类型条件下的集中排气系　统进行其空气动力性能测试。　采用经济流速法经济流速Ｖ取（６ｍ／ｓ）　每台厨房排油烟机排风量按３００～５００（ｍ３／ｈ）的范围进行测试，　每台卫生间排气扇排风量按１　Ｏ０～２００（ｍ３／ｈ）的范围进行　测试，　同时使用系数（排气设备同时开启）Ｃ取０．５，即开机率为　５Ｏ％。　注每台排油烟机排风量按３００～５００（ｍ。／ｈ）按国家标　；隹ｔ住宅设计规范　（ＧＢ５００９６）取定。　２．２住宅厨房卫生间变压式气系统空气动力性能特点　分析　集中排气系统是住宅厨房卫生间排气的主要方式。与分户　直排相比，具有防止低层用户排向室外的烟气对上层用户形成　的交叉污染，并能避免污损建筑外立面、维持外立面的美观，　还能防止迎风时导致的倒灌。但其与常见的暖通空调的送排风　系统不同，住宅厨房卫生问集中排气系统是一种多动力源汇流　系统，即管路系统中气体的流动动力未自于各层厨房卫生间开　启的排油烟机或排气扇的动力，并且各层由分支管进入共用主　管道的入口方式以及分支管风量与共用主管道风量的比例都影　Ⅱ向到整个管道系统内的压力分布，即其空气动力性能特性是十　分复杂的，这可以从测试数据的结果中看出。　２．３管道系统特性曲线　２　３　１阻力特性　对于集中排气系统，按照管段之间的串并联关系，可将管　道系统简化为一个管路。管道系统中流体的流动阻力与流量之　间的关系可用下式表示：　△Ｐ＝ＳＬ　ｆ　９）　式中，Ｓ是管道系统的总阻抗，与管道系统几何尺寸、摩　擦阻力系数、局部阻力系数、流体密度有关。当这些因素不变　时，Ｓ为常数。　２　３　２管道系统特性曲线　根据能量方程，流体从管路进口断面１流至出口断面２所　需的能量可用下式表示　＝（Ｐ２＋　立懈）一（Ｐ　＋卫　）＋△Ｐ　（１ｏ）　２　当两断面的动压差值与其他项相比较小，忽略此项，则有．　Ｐ　＝Ａ　Ｐ＝ＳＬ　（１　１）　绘制成曲线图如图３，被称为管道系统特性曲线。管道系　统特性曲线表明这类管道系统的全部阻力与流量的平方成正　比，当风机（本文风机指厨房排油烟机或卫生间排气扇）的工　况沿管道系统特性曲线变化时遵守相似风机的相似律。　２　３　３管道系统特性曲线的影响因素　影响管道系统特性曲线的形状的决定因素是阻抗Ｓ。Ｓ值　越大，曲线越陡。当流量采用体积流量单位时，管段阻抗Ｓ的　计算式为：　８（Ａ粤＋∑　Ｓｉ＝—　：　ｋ　ｍ　（１２、　当流量采用质量流量单位时，管段阻抗的计算式为：　ｓ．ｓ一　＿：　　卜　…㈠引　）　根据Ｓ的计算式可知，影响Ｓ值的参数有　摩擦阻力系数　Ｉ、管段长度Ｉ、直径（或当量直径）ｄ、局部阻力系数乏　、流　体密度ｒ。其中ｌ取决于流态。由流体力学知，当流动处于阻力　平方区时，Ｉ仅与ｋ／ｄ（管段的相对粗糙度）有关。在给定管路条件　下，若Ｉ值可视为常数，则有　Ｓ＝ｆ（１，ｄ，ｋ，　，ｒ）　（１４）　由式（１　４）知，当管道系统安装完毕，管长、管径、局　部阻力系数在不改变阀门开度的情况下，都已为定数，即Ｓ为　定值，对某一具体的管道系统，其管道系统特性就被确定。反　之，一旦改变式（１４）中的任一参数值，将改变管道系统特　性。由于ＳＥ比于ｌ、乏　、ｋ、ｒ，反比于ｄ。所以当管道系统　系统较长、管径较小、局部阻力部件较多、管内壁粗糙度较　大、流体密度较大都会使Ｓ值增加，即管道系统特性曲线变　陡：反之则使Ｓ值减小，而管道系统特性曲线变缓。在管道　系统设计和运行中，都常常通过调整管路布置、改变管径大　小等手段来达到改变管道系统特性，使之适应用户对流量或　压力分布的需要。　２．４管道系统系统对风机性能的影响　风机一般是装设在管路系统中，与管路共同工作的。此　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｌ技术交流　时，风机的性能曲线不仅取决于风机本身，也与它们与管道系　统的连接情况有关。　由于风机是在特定管道系统中工作，其出入口与管道系统　的连接状况一般与性能试验时不一致，将导致风机的性能发生　改变（一般会下降）。例如，入口的连接方式不同于标　隹试验　状态时，则进入风机的流体流向和速度分布与标准实验则有很　大的不同，因而导致其内部能量损失发生变化（一般情况为能　量损失增加），风机的性能下降，这是在进行住宅厨卫防火型　变压式排气道系统设计时必需考虑的问题。　２．５风机在管道系统系统中的工作状态点　将风机在管道系统中的实际性能曲线中的流量一压头曲线　与其接入管道系统系统的特性曲线，用相同的比例尺、相同的　单位绘在同一直角坐标图上，那么，两条曲线的交点，即为该　风机在该管道系统中的工作状态点，或称运行工况点，如图４　中的Ａ点。在这一点上，风机的工作流量即为管道系统中通过　的流量，提供的压头与管道系统在该流量下的阻力相一致（该　管道系统的Ｐ　０）。　Ｑ　图４管道系统系统中风机的工作点　可见，风机在管道系统中的工作状态点是由其自身的性　能和管道系统特性共同确定的。风机的性能曲线表明，风机可　以在多种不同的流量和压头的工况下工作，然而，在某一时　刻，在实际管网系统中运行时，它只能工作在性能曲线上的某　点，在这一点上，风机的工作流量即为管道系统中通过的流　量，所提供的能量与管道系统中流体流动所需的能量相平衡。　三、住宅厨卫防火型变压式排气道截面尺寸的确定　根据上述分析，通过实验研究，并且综合考虑排气效果的　要求以及建筑节能的要求，确定合理的住宅厨房卫生间防火型　变压式排气道流通截面。　Ｓ＝ａ　Ｘ　ｂ　（１　５）　式中Ｓ——排气道流通截面，ｍ　ＣＨＩＮＡ／－ｌＯＵＳｉＮＧ　ＦＡＣＩＬＩＴＩＥＳ国　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｉ技术交流　ａ——管道截面长边，ｍ　ｂ——管道截面短边，ｍ　３．１厨房用排气管道计算　３　１　１　６层楼房所用厨房排气管道　确定管道截面尺寸　计算得流通断面为０　３２０ＸＯ　２４０＝０　０７７（ｍ　）　此外，ａ、ｂ的取值还要考虑到实际工程上的因素：　１）管道内要安装变压板和导向管，给管道操作工人留有　较方便的操作空间；　２）实际取定的管道截面０．３２０×０　２４０＝０　０７７（ｍ　），　比理论计算所得出的结果０　０４２（ｍ　）来的大，是这样做更安　全，同时也便于日后为排气系统增加排风量留有一定的余地，　这也是在暖通专业管道计算中常用的做法。　故该管道截面尺寸定为ａｘ　ｂ＝Ｏ３２０×０２４０（ｍ），余类推。　３．１　２依上法，１　２层楼房所用厨房排气管道ＰＣＢ１　２截面尺寸　取定ａ×ｂ＝Ｏ　３４０Ｘ　０．３００（ｍ）　１８层楼房所用厨房排气管道ＰＣＤ１　８截面尺寸　取定ａ　ｘ　ｂ＝０　４３０Ｘ　０　３００（ｍ）　２４层楼房及以上所用厨房排气管道ＰＣＧ２４截面尺寸　取定ａ×ｂ＝Ｏ．４６０×０　４００（ｍ）　３．２卫生间排气管道计算　６层楼房所用卫生间排气管道ＰＷＡ６截面尺寸　取定ａ　ｘ　ｂ＝Ｏ．２４０Ｘ　０　２４０（ｍ）　１２层楼房所用卫生间排气管道ＰＷＢ１２截面尺寸　取定ａ×ｂ＝０　３２０　Ｘ　０　２４０（ｍ）　２４层楼房所用卫生间排气管道ＰＷＧ２４截面尺寸　取定ａ　ｘ　ｂ＝Ｏ．３４０　Ｘ０　３００（ｍ）　４０层楼房所用卫生间排气管道ＰＷＫ４０截面尺寸　取定ａ×ｂ＝Ｏ　４３０　Ｘ０．３００（ｍ）　３．３双卫生间排气管道计算　１　２层楼房所用卫生间排气管道ＰＷＷＢ１　２截面尺寸　取定ａ　ｘ　ｂ＝Ｏ　４５０×０　２４０（ｍ）　２４层楼房所用双卫生间排气管道ＰＷＷＧ２４截面尺寸　取定ａ×ｂ＝０　５００×０．３００（ｍ）　４０层楼房所用双卫生间排气管道ＰＷＷＫ４０截面尺寸　取定ａ　ｘ　ｂ＝Ｏ　６００　Ｘ　０　３００（ｍ）　四、住宅厨卫防火型变压式排气道系统空气动力性能　检测　住宅厨卫防火型变压式排气道系统空气动力性能已通过中　圄中国住宅澄施　国建筑设计研究院住宅实验室的检测，其综合技术性能符合国　家相关标；隹规范要求，详见中国建筑设计研究院住宅实验室提　供的检测报告．住（性）检字第ＦＯ８Ｘ１号《住宅变压式排气道系　统性能检测报告》　五、住宅厨卫防火型变压式排气道防火性能检测　住宅厨卫防火型变压式排气道管体防火性能已通过国家固　定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的检测，其防火性能　符合国家相关标准规范要求，详见国家固定灭火系统和耐火构　件质量监督检验中心提供的检测报告　Ｎ０　２００９—２３６５《通风　管道的耐火极限检验报告》　六、住宅厨卫防火型变压式排气道通过住房和城乡建　设部验收　２Ｏ１　０年３月５日，住宅厨卫防火型变压式排气道通过了住　房和城乡建设部组织的验收，验收结论为　“该项目在已开发的变压式排气道的基础上，根据空气动　力学机理，对系统构造及相关部件进行研究，综合形成了全系　统的系列化产品。可满足不同类型的住宅建设工程需求，将排　油烟机（或卫生间通风器）与风帽、导流式排油烟气防火止回　阀等统一设计，实现了厨房、卫生间排气部品体系的集成，有　利于住宅产业化、标；隹化、系列化，符合住宅装修一次到位的　产业政策。”　“该项目研发的导流式排油烟气防火止回阀系列产品　设计构思巧妙，有创新性，科学合理，并通过国家防火检验　部门的检验，可以在各类排气道上应用。己取得了变压式排　气道（专利号　Ｚ　ＬＯ１　１　３６５１　２．９）、导流式止回排气阀（专　利号ＺＬ０２１　２３８９４　４）发明专利，变压式风帽（专利号　ＺＬ０３２８０２３５．８）实用新型专利。”　“该研究成果达到了预期目标，通过多项工程实际应用，　效果良好，达到国内领先水平，具有推广应用价值。”　逸　挚