住宅廚房防火型變壓式排氣道的研制技術(shù)路線

住宅廚房防火型變壓式排氣道的研制技術(shù)路線

本主題的研究符合建設(shè)部《關(guān)于建筑裝置改革方案的通知》第98條的要求，本項(xiàng)目被稱為“綠色防雨產(chǎn)品研究與開發(fā)”（項(xiàng)目代碼：06-k5-37）。本課題為子課題3《廚房衛(wèi)生間污染控制與改善及材料和產(chǎn)品研究開發(fā)》中的專項(xiàng)2。住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道的研制技術(shù)路線是從改善住宅廚房衛(wèi)生間室內(nèi)環(huán)境要求出發(fā)研究具體的技術(shù)措施→產(chǎn)品研制開發(fā)→與產(chǎn)品相關(guān)的建筑工程設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用→相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、工程技術(shù)規(guī)范的編制,通過這一技術(shù)路線來加速課題的科研成果盡早完成并加速轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道的研制關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為:在部分樓層開啟油煙機(jī)時(shí),不開油煙機(jī)的其他樓層不串煙、不串味;進(jìn)氣口風(fēng)壓Pj≤0;保證每戶必要的廚房排風(fēng)量300~500m3/h,衛(wèi)生間排風(fēng)量80~100m3/h;管體耐火極限不低于1h。一、平臺(tái)設(shè)計(jì)在管道系統(tǒng)的應(yīng)用《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:“當(dāng)排油煙機(jī)的排氣管排至豎向通風(fēng)道時(shí),豎向通風(fēng)道的斷面應(yīng)根據(jù)所擔(dān)負(fù)的排氣量計(jì)算確定,應(yīng)采取無回流、豎井無泄露的措施?！?、“無外窗的衛(wèi)生間,應(yīng)設(shè)置有防回流構(gòu)造的排氣通風(fēng)道,并預(yù)留安裝排氣機(jī)械的位置和條件?！?。根據(jù)上述要求,采用同一垂直位置,各層廚房或衛(wèi)生間排氣都集中于一個(gè)風(fēng)道。假設(shè)某一排氣道進(jìn)風(fēng)口位置沒有設(shè)置防回流裝置,由于處于同一垂直位置的各層廚房相互連通,那么開啟排油煙機(jī)的廚房的煙氣就會(huì)串入沒有設(shè)置防回流裝置的廚房內(nèi),即發(fā)生了“串煙”、“串味”現(xiàn)象。廚房用排油煙機(jī)的排風(fēng)量在300~500m3/h范圍內(nèi)就可以滿足廚房排煙的基本要求,進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速須大于4.9m/s。以6層樓(外廓截面尺寸320mm×240mm,有效通風(fēng)截面為300mm×220mm)為例,在最不利工況(6層排油煙機(jī)全開)下,排氣道的最小排風(fēng)能力為1800m3/h時(shí),才能滿足所有廚房的排煙要求,此時(shí)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速為7.6m/s,與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速一致,能滿足排煙要求。如果排氣道截面過小,要達(dá)到各層廚房必要的排風(fēng)量,風(fēng)道內(nèi)速度就必然要增加,管道內(nèi)的壓力也會(huì)增加,對(duì)排油煙機(jī)的動(dòng)力特性就要求很高,對(duì)排煙不利。因此排氣道必須要有必要的排風(fēng)截面。綜上所述,造成串煙串味的原因有兩個(gè):一是排氣道內(nèi)沒有設(shè)置防回流的構(gòu)造;二是排氣道的截面過小,不能滿足廚房必要的排風(fēng)量要求。變壓式排氣道的設(shè)計(jì)是依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)伯努利方程所表述的原理,在風(fēng)道內(nèi)特定位置(排氣道進(jìn)風(fēng)口處)設(shè)置改變氣流流速的機(jī)構(gòu),使在該特定位置的動(dòng)壓增大,靜壓減小,使排氣道進(jìn)風(fēng)口處壓力高于風(fēng)道內(nèi)的靜壓,從而避免串煙、串味的現(xiàn)象。根據(jù)流體力學(xué),全壓Pq為動(dòng)壓頭Pd和靜壓Pj之和:式中:Pq——流體全壓頭單位PaPd——流體動(dòng)壓頭Pd=1/2mv2Pj——流體靜壓頭Pj為流體分子內(nèi)能經(jīng)過實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)串煙串味現(xiàn)象與管道內(nèi)靜壓頭有關(guān),而與動(dòng)壓頭無關(guān)。引起廚房排油煙管道系統(tǒng)串煙串味的原因是管道系統(tǒng)內(nèi)部靜壓值Pj過高,而與動(dòng)壓值Pd大小無關(guān)。所以,從空氣動(dòng)力學(xué)角度要解除串煙串味現(xiàn)象必得設(shè)法降低管道內(nèi)部的靜壓值。流體運(yùn)動(dòng)遵循能量守恒定律,在1-1流動(dòng)斷面上,流體總能量Pq守恒,見公式(1)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知,引起管道系統(tǒng)串煙串味的原因是靜壓值Pj過高。由于總能量守恒,Pj和Pd可互相轉(zhuǎn)換,但其和不變。提高動(dòng)壓頭Pd,可降低靜壓Pj。由于Pd=1/2mv2,提高Pd只需提高流體速度v。在1-1斷面上,流體流量Q守恒,為一常數(shù)。即:Q=VS。提高流速V,只需降低S,即需縮小流通面積。加一變壓板即可完成縮小流通斷面的要求。通過上面的分析,得出以下結(jié)論,即通過調(diào)整變壓板的尺寸來改變管道系統(tǒng)內(nèi)部某一局部管段的流通面積,從而達(dá)到改變局部靜壓值Pj來實(shí)現(xiàn)防止管道系統(tǒng)串煙串味的目的(見圖1):1)Pj>P0串味(2)2)Pj=P0臨界狀態(tài)不穩(wěn)定(3)3)Pj<P0不串味(4)二、本居住區(qū)走廊扎發(fā)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論分析及清潔住房的衛(wèi)壓性系統(tǒng)的空氣動(dòng)力狀態(tài)2.1計(jì)算房屋和廚房走廊壓縮式排氣系統(tǒng)的最佳流通段的基礎(chǔ)2.1.1經(jīng)驗(yàn)常數(shù)選取本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算,其基本方程如下:連續(xù)性方程:動(dòng)量方程:紊流能量傳遞方程:紊流能量耗散率傳遞方程:式中:uiuj——速度,m/s,其中i,j為張量下標(biāo),i,j=1,2,3;ρ——流體密度,kg/m3;μ——粘滯系數(shù),kg/(m·s);μj——紊流引起的粘滯系數(shù),kg/(m·s);k——紊流脈動(dòng)動(dòng)能,m2/s2;ε——紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率,m2/s2。經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值:C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3。2.1.2住宅廚房衛(wèi)生間變壓式排氣實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)住宅廚房衛(wèi)生間變壓式排氣實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖2。該系統(tǒng)可通過改變主管道的流通截面尺寸,對(duì)住宅廚房衛(wèi)生間變壓式系統(tǒng)進(jìn)行性能測試;可變換局部部件的結(jié)構(gòu)或類型,從而對(duì)在不同局部部件的結(jié)構(gòu)或類型條件下的集中排氣系統(tǒng)進(jìn)行其空氣動(dòng)力性能測試。采用經(jīng)濟(jì)流速法經(jīng)濟(jì)流速v取(6m/s)每臺(tái)廚房排油煙機(jī)排風(fēng)量按300~500(m3/h)的范圍進(jìn)行測試;每臺(tái)衛(wèi)生間排氣扇排風(fēng)量按100~200(m3/h)的范圍進(jìn)行測試;同時(shí)使用系數(shù)(排氣設(shè)備同時(shí)開啟)C取0.5,即開機(jī)率為50%。注:每臺(tái)排油煙機(jī)排風(fēng)量按300~500(m3/h)按國家標(biāo)準(zhǔn)《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50096)取定。2.2筑有效的東北部集中排氣系統(tǒng)是住宅廚房衛(wèi)生間排氣的主要方式。與分戶直排相比,具有防止低層用戶排向室外的煙氣對(duì)上層用戶形成的交叉污染,并能避免污損建筑外立面、維持外立面的美觀,還能防止迎風(fēng)時(shí)導(dǎo)致的倒灌。但其與常見的暖通空調(diào)的送排風(fēng)系統(tǒng)不同,住宅廚房衛(wèi)生間集中排氣系統(tǒng)是一種多動(dòng)力源匯流系統(tǒng),即管路系統(tǒng)中氣體的流動(dòng)動(dòng)力來自于各層廚房衛(wèi)生間開啟的排油煙機(jī)或排氣扇的動(dòng)力,并且各層由分支管進(jìn)入共用主管道的入口方式以及分支管風(fēng)量與共用主管道風(fēng)量的比例都影響到整個(gè)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布,即其空氣動(dòng)力性能特性是十分復(fù)雜的,這可以從測試數(shù)據(jù)的結(jié)果中看出。2.3管道系統(tǒng)的特性曲線2.3.1流量為6.2%自由流質(zhì)系統(tǒng)對(duì)于集中排氣系統(tǒng),按照管段之間的串并聯(lián)關(guān)系,可將管道系統(tǒng)簡化為一個(gè)管路。管道系統(tǒng)中流體的流動(dòng)阻力與流量之間的關(guān)系可用下式表示:式中,S是管道系統(tǒng)的總阻抗,與管道系統(tǒng)幾何尺寸、摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、流體密度有關(guān)。當(dāng)這些因素不變時(shí),S為常數(shù)。2.3.2動(dòng)壓差值的影響根據(jù)能量方程,流體從管路進(jìn)口斷面1流至出口斷面2所需的能量可用下式表示:當(dāng)兩斷面的動(dòng)壓差值與其他項(xiàng)相比較小,忽略此項(xiàng),則有:繪制成曲線圖如圖3,被稱為管道系統(tǒng)特性曲線。管道系統(tǒng)特性曲線表明這類管道系統(tǒng)的全部阻力與流量的平方成正比,當(dāng)風(fēng)機(jī)(本文風(fēng)機(jī)指廚房排油煙機(jī)或衛(wèi)生間排氣扇)的工況沿管道系統(tǒng)特性曲線變化時(shí)遵守相似風(fēng)機(jī)的相似律。2.3.3管道系統(tǒng)特性的確定影響管道系統(tǒng)特性曲線的形狀的決定因素是阻抗S。S值越大,曲線越陡。當(dāng)流量采用體積流量單位時(shí),管段阻抗S的計(jì)算式為:當(dāng)流量采用質(zhì)量流量單位時(shí),管段阻抗的計(jì)算式為:根據(jù)S的計(jì)算式可知,影響S值的參數(shù)有:摩擦阻力系數(shù)l、管段長度l、直徑(或當(dāng)量直徑)d、局部阻力系數(shù)Σζ、流體密度r。其中l(wèi)取決于流態(tài)。由流體力學(xué)知,當(dāng)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)時(shí),l僅與k/d(管段的相對(duì)粗糙度)有關(guān)。在給定管路條件下,若l值可視為常數(shù),則有:由式(14)知,當(dāng)管道系統(tǒng)安裝完畢,管長、管徑、局部阻力系數(shù)在不改變閥門開度的情況下,都已為定數(shù),即S為定值,對(duì)某一具體的管道系統(tǒng),其管道系統(tǒng)特性就被確定。反之,一旦改變式(14)中的任一參數(shù)值,將改變管道系統(tǒng)特性。由于S正比于l、Σζ、k、r,反比于d。所以當(dāng)管道系統(tǒng)系統(tǒng)較長、管徑較小、局部阻力部件較多、管內(nèi)壁粗糙度較大、流體密度較大都會(huì)使S值增加,即管道系統(tǒng)特性曲線變陡;反之則使S值減小,而管道系統(tǒng)特性曲線變緩。在管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,都常常通過調(diào)整管路布置、改變管徑大小等手段來達(dá)到改變管道系統(tǒng)特性,使之適應(yīng)用戶對(duì)流量或壓力分布的需要。2.4風(fēng)機(jī)出入口與管道系統(tǒng)的連接風(fēng)機(jī)一般是裝設(shè)在管路系統(tǒng)中,與管路共同工作的。此時(shí),風(fēng)機(jī)的性能曲線不僅取決于風(fēng)機(jī)本身,也與它們與管道系統(tǒng)的連接情況有關(guān)。由于風(fēng)機(jī)是在特定管道系統(tǒng)中工作,其出入口與管道系統(tǒng)的連接狀況一般與性能試驗(yàn)時(shí)不一致,將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的性能發(fā)生改變(一般會(huì)下降)。例如,入口的連接方式不同于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)時(shí),則進(jìn)入風(fēng)機(jī)的流體流向和速度分布與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)則有很大的不同,因而導(dǎo)致其內(nèi)部能量損失發(fā)生變化(一般情況為能量損失增加),風(fēng)機(jī)的性能下降,這是在進(jìn)行住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮的問題。2.5風(fēng)機(jī)的工作流量將風(fēng)機(jī)在管道系統(tǒng)中的實(shí)際性能曲線中的流量—壓頭曲線與其接入管道系統(tǒng)系統(tǒng)的特性曲線,用相同的比例尺、相同的單位繪在同一直角坐標(biāo)圖上,那么,兩條曲線的交點(diǎn),即為該風(fēng)機(jī)在該管道系統(tǒng)中的工作狀態(tài)點(diǎn),或稱運(yùn)行工況點(diǎn),如圖4中的A點(diǎn)。在這一點(diǎn)上,風(fēng)機(jī)的工作流量即為管道系統(tǒng)中通過的流量,提供的壓頭與管道系統(tǒng)在該流量下的阻力相一致(該管道系統(tǒng)的Pst=0)?？梢?風(fēng)機(jī)在管道系統(tǒng)中的工作狀態(tài)點(diǎn)是由其自身的性能和管道系統(tǒng)特性共同確定的。風(fēng)機(jī)的性能曲線表明,風(fēng)機(jī)可以在多種不同的流量和壓頭的工況下工作,然而,在某一時(shí)刻,在實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí),它只能工作在性能曲線上的某一點(diǎn),在這一點(diǎn)上,風(fēng)機(jī)的工作流量即為管道系統(tǒng)中通過的流量,所提供的能量與管道系統(tǒng)中流體流動(dòng)所需的能量相平衡。三、確定應(yīng)急變壓式排氣道流通截面根據(jù)上述分析,通過實(shí)驗(yàn)研究,并且綜合考慮排氣效果的要求以及建筑節(jié)能的要求,確定合理的住宅廚房衛(wèi)生間防火型變壓式排氣道流通截面。式中:S——排氣道流通截面,m2a——管道截面長邊,mb——管道截面短邊,m3.1烹飪用氣管道計(jì)算3.1.1暖通專業(yè)管道截面尺寸計(jì)算得流通斷面為0.320×0.240=0.077(m2)此外,a、b的取值還要考慮到實(shí)際工程上的因素:1)管道內(nèi)要安裝變壓板和導(dǎo)向管,給管道操作工人留有較方便的操作空間;2)實(shí)際取定的管道截面0.320×0.240=0.077(m2),比理論計(jì)算所得出的結(jié)果0.042(m2)來的大,是這樣做更安全,同時(shí)也便于日后為排氣系統(tǒng)增加排風(fēng)量留有一定的余地,這也是在暖通專業(yè)管道計(jì)算中常用的做法。故該管道截面尺寸定為a×b=0.320×0.240(m),余類推。3.1.2依上法,12層樓房所用廚房排氣管道PCB12截面尺寸取定a×b=0.340×0.300(m)18層樓房所用廚房排氣管道PCD18截面尺寸24層樓房及以上所用廚房排氣管道PCG24截面尺寸3.2層樓所用衛(wèi)生間排氣道pwb12截面尺寸6層樓房所用衛(wèi)生間排氣管道PWA6截面尺寸12層樓房所用衛(wèi)生間排氣管道PWB12截面尺寸24層樓房所用衛(wèi)生間排氣管道PWG24截面尺寸40層樓房所用衛(wèi)生間排氣管道PWK40截面尺寸3.3層樓用雙衛(wèi)生間排氣道pwwg2截面尺寸12層樓房所用衛(wèi)生間排氣管道PWWB12截面尺寸24層樓房所用雙衛(wèi)生間排氣管道PWWG24截面尺寸40層樓房所用雙衛(wèi)生間排氣管道PWWK40截面尺寸四、住宅實(shí)驗(yàn)室檢測報(bào)告住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道系統(tǒng)空氣動(dòng)力性能已通過中國建筑設(shè)計(jì)研究院住宅實(shí)驗(yàn)室的檢測,其綜合技術(shù)性能符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,詳見中國建筑設(shè)計(jì)研究院住宅實(shí)驗(yàn)室提供的檢測報(bào)告:住(性)檢字第F08X1號(hào)《住宅變壓式排氣道系統(tǒng)性能檢測報(bào)告》五、監(jiān)獄內(nèi)確立的防火性能檢測報(bào)告住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道管體防火性能已通過國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測,其防火性能符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,詳見國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心提供的檢測報(bào)告:No.2009-2365《通風(fēng)管道的耐火極限檢驗(yàn)報(bào)告》六、多種排油煙機(jī)產(chǎn)品的集成2010年3月5日,住宅廚衛(wèi)防火型變壓式排氣道通過了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織的驗(yàn)收,驗(yàn)收結(jié)論為:“該項(xiàng)目在已開發(fā)的變壓式排氣道的基礎(chǔ)上,根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理,對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造及相關(guān)部件進(jìn)行研究,綜合形成了全系統(tǒng)的系列化產(chǎn)品?？蓾M足不同類型的住宅建設(shè)工程需求,將排油煙機(jī)(或衛(wèi)生間通風(fēng)器)與風(fēng)帽、導(dǎo)流式排油煙氣防火止回閥等統(tǒng)一設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了廚房、衛(wèi)生間排氣部品體系的集成,有利于住宅產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,符合住宅裝修一次到位的產(chǎn)業(yè)政策?！薄霸擁?xiàng)目研發(fā)的導(dǎo)流式排油煙氣防火止回閥系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思巧妙,有創(chuàng)新性,科學(xué)合理,并通過國家防火檢驗(yàn)部門的檢驗(yàn),可以在各類排氣道上應(yīng)用。己取得了變壓式排氣道(專利號(hào):ZL01136512.9)、導(dǎo)流式止回排氣閥(專利號(hào):ZL02123894.4)發(fā)明專利,變壓式風(fēng)帽(專利號(hào):ZL03280235.