基于计算流体动力学的烹饪过程中多环芳烃（PAHs）模拟：健康益处的量化及热应激强度的评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：CFD-Based Simulation of PAHs in Cooking Processes: Quantification of Health Benefits and Heat Stress Intensity

PAHs在厨房烹饪中的扩散模式及健康风险与热应激关系研究。采用CFD耦合DPM和DO模型，构建三维厨房模型，分析不同烹饪类型、通风条件及排烟罩工况下的PAHs时空分布，量化健康风险与热应激强度。优化通风策略使BaP当量浓度达标率提升至95%以上，同时通过动态温度模型延长作业时间30%，热应激降低超80%。研究表明PAHs分子量与呼吸带富集显著相关，需综合考虑多因素协同优化。

　　

王书桥|程水园

北京工业大学环境科学与工程学院区域空气污染控制重点实验室，中国北京100124

摘要

为了解决在评估传统厨房中多环芳烃（PAHs）相关的健康风险和热应力时由于时空异质性导致的计算偏差，本研究采用基于计算流体动力学（CFD）的方法，结合离散相模型（DPM）和离散坐标（DO）辐射模型，模拟并量化了烹饪过程中PAHs的扩散模式、相关健康风险和热应力强度。构建了一个三维厨房模型，涵盖了不同的烹饪类型、通风条件、抽油烟机运行状态、门窗位置以及厨师与烹饪炉之间的距离等因素。通过瞬态CFD模拟，获得了各种PAH成分的时空分布结果，并将其纳入健康风险和热应力模型中，从而能够动态计算人体累积暴露量和核心体温的变化。观察到PAH扩散存在显著的时空异质性，高分子量的PAHs有在呼吸区积聚的明显趋势。优化的通风策略将增量寿命癌症风险（ILCR）降低到了10??的数量级，并使BaP当量浓度的合规率提高了95%以上。此外，热应力模型表明，高温高油烹饪方法显著缩短了工作时间；然而，合理的通风配置将工作时间延长了30%，并减少了超过80%的热量散失。多元线性回归分析确定抽油烟机气流速度是关键调控因素。通过多目标决策，得出了一个最佳的厨房烹饪方案，为改善厨房空间的环境健康和热安全提供了关键数据支持和技术框架。

引言

与烹饪活动相关的室内空气污染被认为是全球每年近350万人过早死亡的主要原因之一。烹饪过程中产生的烹饪油烟（COFs）富含颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）等关键污染物[1]。其中，多环芳烃（PAHs）在高温条件下通过PM作为载体在厨房环境中扩散[2]。研究表明，PAHs对厨房工作人员的健康有显著影响。更重要的是，长时间的高温烹饪还会降低厨房工作人员的工作效率和安全性[3]。有研究指出，长期暴露在油烟环境中的厨师患肺癌的风险是普通人群的2-3倍，患心血管疾病的风险高出30%以上[[4], [5], [6]]。

烹饪相关污染物的产生源于高温、油的热解以及食物成分的热反应[7]。吸附在PM表面的PAHs表现出载体附着效应，形成对人体毒性更强的复合污染物[8]。在高温烹饪环境中，PAHs主要存在于颗粒相[9]。为了减少室内污染物的扩散和积聚，研究人员通过调整抽油烟机的运行条件和通风来改善厨房环境。王等人[10]模拟了三种不同位置抽油烟机下的油加热过程，发现抽油烟机的位置显著影响了补充空气的有效性和PM的分布模式，但并未降低其浓度。陈等人[11]研究了使用抽油烟机和自然通风口在典型台式厨房中去除烹饪污染物的效果。室内外通风的影响不容忽视。刘等人[12]提出，适当组织室内外空气交换可以显著降低污染物浓度；然而，过多的补充空气可能会将更多颗粒物扩散到相邻房间。高等人[13]发现，即使在相同的通风率和捕集效率下，吸入的颗粒物浓度也高度依赖于不同厨房通风条件下的空气分布模式。这些研究表明，合理的通风策略可以有效减轻污染物扩散，同时显著提高抽油烟机的效率，尤其是在结合良好的补充空气的情况下。然而，大多数先前的研究仅关注控制单个因素，忽略了污染物生成和扩散的多因素性质。此外，目标污染物通常被分析为聚合成分浓度。因此，关于烹饪相关污染物具体成分的减少和扩散模式的研究应综合考虑多种控制条件。

更重要的是，现有的厨房PAHs健康风险评估方法主要依赖于静态单点室内监测或在模拟厨房环境中的体积加权平均浓度，这些方法存在三个根本性局限[14], [15], [16]。首先，暴露途径被过度简化：风险仅基于空气浓度计算，完全忽略了呼吸区吸入、皮肤沉积和成分吸附的贡献，导致风险评估偏低。其次，依赖24小时平均值无法捕捉到瞬态高暴露事件，例如翻炒期间，导致关键暴露窗口被平均值掩盖。最后，将呼吸区浓度等同于室内平均值忽略了由炉灶涡流引起的微尺度暴露热点，也无法识别皮肤沉积量高的区域。同样，大多数关于厨房工作人员热应力的定量研究仅依赖于静态检测数据或皮肤表面温度测量，忽略了核心体温与环境温度之间的动态双向反馈，而这正是驱动皮肤温度变化的关键因素[17]。此外，同时整合健康效益和热应力的厨房烹饪模拟研究仍然很少。

计算流体动力学（CFD）作为一种流体扩散计算方法，逐渐引起了研究人员的关注。流体模拟可以为复杂实验获得等效且合理的研究结果[18,19]。因此，本研究基于CFD瞬态计算方法，结合DPM和DO辐射模型，模拟了烹饪过程中厨房中各种PAH成分的扩散[20]。我们构建了一个烹饪控制方案（Sce.），考虑了烹饪类型、排风扇、排油烟机运行条件、门窗开关以及与炉灶的距离，并考虑了烹饪源的可变温度条件。根据瞬态模拟结果，通过时间序列积分获得了整个烹饪过程中三种PAH暴露途径的累积暴露量，并对其致癌性进行了量化。根据BaP毒性当量计算了厨房中16种PAH成分的模拟浓度，以确定PAH水平是否符合标准。此外，通过结合DO和CFD能量方程，动态获得了瞬态温度结果，以跟踪整个烹饪过程中核心体温的变化，从而更准确地量化高温环境下人员的热舒适度，并估算最佳工作时间。最后，通过结合成本曲线和多元线性回归，调整了模型以获得最佳烹饪方案（Sces.）。这些结果为烹饪行业实现排放标准提供了数据基础和技术支持，也为烹饪人员的安全和健康提供了理论依据。

模型构建

本研究提出了一个全面的多目标优化框架，用于厨房烹饪场景，如图1所示。该框架旨在通过闭环过程实现可控健康风险、可接受的热应力强度和最低运营成本的平衡优化，整合了数值建模、影响量化和场景优化。为了模拟真实的烹饪过程，构建了一个三维（3D）厨房几何模型

准确性验证

在补充材料中，对CFD厨房计算域进行了网格生成（文本S1）并验证了网格的独立性（文本S2），随后使用了705,080个元素的网格进行计算。接着，根据Box-Behnken设计（BBD）设计了76个研究场景（文本S3），并进行了合理性检查。

结论

通过结合DPM和DO辐射模型的瞬态CFD模拟，本研究阐明了烹饪过程中厨房环境中PAH扩散的时空变异性，并定量评估了健康保护和热应力缓解的优化机制。PAH扩散存在显著的时空异质性，高分子量的PAHs有在呼吸区积聚的明显趋势。优化的通风策略减少了

CRediT作者贡献声明

王书桥：概念构思、方法论、正式分析、撰写-原始草稿、软件、数据管理。

程水园：概念构思、资金获取、资源支持。

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王书桥：撰写-原始草稿、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念构思。程水园：资源支持、资金获取、概念构思。