《Energy and Built Environment》：Dynamic Exhaust Control for Range Hoods Based on PM
2.5 in Cold Regions: Enhancing Kitchen Temperature and Energy Efficiency
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摘要：吸油烟机的设计在决定厨房空气质量和 occupants 的健康方面起着关键作用。现有大多数研究采用恒定排风量配置；然而，这种方法不仅导致能源效率低下，而且在寒冷地区的烹饪过程中可能导致厨房温度降低。为应对这些挑战，本研究提出了一种结合设备改造的动态排风量
摘要：吸油烟机的设计在决定厨房空气质量和 occupants 的健康方面起着关键作用。现有大多数研究采用恒定排风量配置；然而，这种方法不仅导致能源效率低下，而且在寒冷地区的烹饪过程中可能导致厨房温度降低。为应对这些挑战，本研究提出了一种结合设备改造的动态排风量控制策略。通过计算烹饪过程中产生的PM2.5颗粒物排放速率，精确调节排风量。研究人员通过实验评估了该方法在能源消耗和室内热状况方面的有效性。实验结果表明，与恒定排风量系统相比，动态控制方法可将吸油烟机能耗降低约16.66%至31.27%。此外，该方法使人体周围温度提升0.26至1.23°C，并使室内平均温度提高0.7至2.12°C。本研究引入了一种基于量化烹饪源颗粒物排放的创新吸油烟机动态排风量设计范式。所提出的策略有效降低了能源消耗，同时缓解了寒冷气候地区冬季室内温度下降的常见问题。
论文解读：基于PM
2.5排放速率的吸油烟机动态排风控制策略研究
**一、研究背景与存在问题**
室内空气污染，尤其是细颗粒物（PM
2.5），已成为全球公共卫生领域的重大问题。长期暴露于高浓度PM
2.5环境中，与多种呼吸系统及心血管疾病密切关联，构成显著的健康风险。烹饪活动中产生的油烟是室内颗粒物污染的主要来源之一，而吸油烟机作为普遍使用的通风设备，直接影响厨房环境中的PM
2.5水平。然而，目前市面上大多数吸油烟机采用恒定风量控制策略，尽管能够在一定程度上减轻油烟污染，却存在诸多局限。首先，恒定排风量在不同烹饪场景下的有效性存在差异，经常导致不必要的能源浪费。其次，在寒冷季节，恒定风量吸油烟机的运行会因补充空气的冷风渗透而降低室内温度，削弱 occupant 的热舒适性。现有关于吸油烟机动态排风的研究较为有限，多数研究虽已证明多级调节能有效降低能耗，但关于调节阶段的最优划分缺乏文献支持。部分研究基于经验阈值而非物理排放模型构建控制逻辑，且在模拟实验室环境中进行，未考虑寒冷气候下排风对热舒适的影响。因此，亟需一种基于污染源实时排放强度来连续调节排风量的动态控制策略，以在保障室内空气质量的同时，最大限度降低不必要的能耗并防止过度通风引起的温度下降。
**二、研究内容与核心方法**
本研究旨在提出并验证一种基于PM
2.5排放速率动态控制吸油烟机排风量的方法与设备改造方案。研究首先对高斯扩散模型中的扩散系数进行修正，使其适用于厨房环境。在此基础上，分别计算了炒土豆丝、炸土豆条和炖西红柿土豆三种典型中式烹饪方式下PM
2.5的排放速率。随后，基于质量守恒原理确定所需的动态排风量。研究人员对吸油烟机进行了设备改造，通过安装电机调节器来控制输出电压以实现电机转速的无级调节，从而精确控制排风量。实验在中国沈阳市一座典型的住宅厨房中进行，厨房尺寸为3.45 m × 2.2 m × 3.3 m，安装了一台顶吸式吸油烟机（型号：CXW-258-EMC5），最大排风量为18立方米/分钟。实验在室外温度为-11°C的条件下进行，厨房温度维持在23.2 ± 1°C，湿度维持在40.5 ± 10%。研究的主要技术方法包括：基于修正的高斯扩散公式推算烹饪源强度；利用泰勒扩散理论推导适用于室内厨房环境的扩散系数表达式；通过质量守恒方程建立动态排风量与源强度之间的定量关系；采用实验测量方法比较动态排风与恒定排风两种模式下的能耗、PM
2.5/PM
10浓度、颗粒物计数及温度差异。每组操作条件重复两次，两次重复间的误差范围为1.21%至4.33%，数据可靠性得到验证。
**三、研究结果分析**
**3.1 烹饪过程中的PM
2.5排放速率**
利用修正的高斯扩散模型，研究人员估算了三种烹饪方式下PM
2.5的排放速率。结果表明，炒制过程中PM
2.5排放速率最高且增长最快，最大排放速率达到65.28 μg/s，是炖煮峰值排放速率的45.73倍，是油炸峰值排放速率的1.86倍。三种烹饪方式的平均排放速率分别为：炒制30.47 μg/s、油炸14.96 μg/s、炖煮0.88 μg/s。炒制时用油量较少导致油温上升更快，较早达到烟点，与食材相互作用更剧烈，从而产生较高的颗粒物排放。
**3.2 不同烹饪方式的动态排风量曲线设定**
研究人员通过实验测定了不同电压下的管道风速，基于输出电压与排风量拟合了多项式曲线Y = -0.01905X2 + 9.1275X - 294.834，R2值为0.987，验证了公式的有效性。动态排风模式的最小排风量设定为420 m3/h，最大排风量设定为800 m3/h。恒定排风模式在炒制和油炸实验中设定为最大值，在炖煮实验中设定为最小值。
**3.3 两种排风模式的结果比较**
**3.3.1 浓度结果比较**
两种排风模式下人体呼吸区的PM
2.5浓度对比显示，动态排风下炒制、油炸、炖煮的平均PM
2.5浓度分别为4.15、9.45和2.79 μg/m3，峰值浓度分别为11.25、34.79和3.25 μg/m3；恒定排风下对应平均浓度分别为3.73、9.22和2.73 μg/m3，峰值浓度分别为8.44、22.4和3.41 μg/m3。两种排风方式的峰值PM
2.5浓度均未超过日均限值。PM
10浓度和颗粒物计数的差异也处于较小范围，表明动态排风模式不会对呼吸区PM
2.5浓度产生不利影响。
**3.3.2 温度结果比较**
温度测试结果表明，动态排风量可使人体周围温度提升0.26至1.23°C，室内平均温度提高0.7至2.12°C。在炒制实验初期，低排风量下油温快速上升产生大量热量，而室外冷空气进入有限，温度呈现先升后降的趋势；其他实验条件下，周围环境和室内平均温度均呈下降趋势。采用动态排风系统能有效减缓寒冷地区冬季烹饪过程中厨房温度的下降。
**3.3.3 能耗结果比较**
能耗对比实验显示，动态排风模式下炒制、油炸、炖煮的能耗分别为0.00605、0.0113和0.00778 kWh；恒定排风模式下对应的能耗分别为0.00726、0.01497和0.01132 kWh。动态排风量可降低16.66%至31.27%的能耗。利用公式计算的能耗结果表明动态排风可节能17.56%至31.47%，实验结果与计算结果之间的误差为0.63%至5.12%，验证了实验发现的有效性。
**四、结论与展望**
本研究提出并验证了一种基于PM
2.5排放速率的动态排风控制方法与设备改造方案，主要结论包括：该动态控制方法能在保持与恒定排风相当的PM
2.5控制效果（呼吸区浓度差异仅为2.15%至10.12%）的同时实现节能保温；相比恒定风量模式，动态风量模式的能耗降低16.66%至31.27%；动态排风量可使人体周围温度提升0.26至1.23°C、室内平均温度提高0.7至2.12°C，有效缓解寒冷地区冬季烹饪排风导致的室内低温问题；研究推导了适用于厨房环境的修正高斯扩散公式，量化了炒制、油炸和炖煮三种烹饪方式的平均PM
2.5排放速率，为排风速率的精确调节提供了基础参考。未来研究将聚焦于系统性地克服当前局限性，包括改进物理模型、扩展实验验证以及建立严格的比较基准。研究由沈阳建筑大学市政与环境工程学院的Run Bai、Kailiang Huang、Guohui Feng和Lin Shen共同完成，发表于《Energy and Built Environment》。
