迈向舒适且节能的厨房：通过实验和仿真评估的个性化空气淋浴解决方案

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Toward a comfortable and energy-efficient kitchen: A personalized air-shower solution evaluated through experiment and simulation

针对夏季厨房高温高湿及污染物暴露问题，本研究提出一种新型个性化空气淋浴空调方案，通过实验和数值模拟验证其改善 thermal comfort 和减少污染物吸入的效果，并考虑不同年龄性别差异优化空调参数，为住宅厨房专用空调设计提供依据。

　　

徐玉坤|马俊峰|张瑶|吕凯平|张丽娜|董树成|曹光宇|史星|高俊

同济大学建筑与城市规划学院，中国上海200092

摘要

烹饪是一项必不可少的日常活动，然而居民经常报告感到热不适并暴露于污染物中，尤其是在夏季。在住宅厨房中采用专用空调（AC）系统的比例仍然有限，在低能耗、高热舒适度和低污染暴露之间取得平衡是一个相当大的挑战。本研究提出了一种新型的个性化空气淋浴式空调方案，旨在缓解炎热潮湿厨房环境中的不适感。在厨房实验室中进行了热暴露烹饪实验，参与者包括不同年龄和性别的个体，并通过问卷收集了他们的主观反馈。这些数据随后被用来改进专门针对厨房的热舒适度预测模型。利用实验验证的数值模拟，获得了围绕人体的关键环境参数，并将其作为热舒适度模型的输入。结果表明，空气淋浴式空调显著改善了受试者的热感觉和热舒适度评分，同时在气流接受度方面也获得了积极的评价。男性受试者对湿度的不适感更为明显。与年轻组相比，老年组在舒适度感知上的性别差异不那么显著。当优化为最大热舒适度或最小能耗时，空气淋浴式空调提高了抽油烟机的捕集性能，并降低了与传统的壁挂式空调和无空调条件相比的暴露风险。本研究提供了强有力的证据，支持在住宅厨房中实施专用空调解决方案。

引言

家庭主妇每天在住宅厨房准备饭菜的时间为2.5到3.5小时[1,2]，这使得烹饪成为一项非常重要的日常活动[3]。然而，一项问卷调查显示，89%的受访者对厨房环境表示不满[4]，这表明有巨大的潜力来改善其热环境和室内空气质量。

受访者的主要抱怨集中在两个方面：首先是热不适感，包括由热量和湿度引起的不适。烹饪过程会产生大量的废热和水蒸气，导致厨房环境变得炎热潮湿。赵等人[5]进行了实地测量，发现不同的烹饪方法使室内空气温度和相对湿度分别增加了4.0°C-11.5°C和15%-30%。刘等人[6]观察到，厨房的热环境非常不均匀，夏季尤其炎热。烹饪过程中空气温度上升了5.3°C，垂直温差为3.2°C。类似的实地测量记录了高达6.3°C的垂直温差[7]。高温、高湿度和热不均匀的厨房环境会导致居民感到不适，可能引发疲劳、中暑和其他健康问题[[8], [9], [10]]。另一个主要问题是居民暴露于污染物中。烹饪油烟（COFs）含有大量的颗粒物[11]和气体污染物[12]，如多环芳烃、挥发性有机化合物、CO_x和NO_x[13]。短期或长期暴露于COFs可能会增加慢性呼吸道疾病、免疫系统疾病、心血管疾病甚至肺癌的风险[[14], [15], [16]]。抽油烟机作为主要的厨房排风设备，可以有效降低COFs的浓度[17,18]。现有的厨房通常依赖自然通风（补充空气）来维持抽油烟机的正常运行[4,19]。然而，未经处理的自然补充空气可能会加剧高温和湿度问题，尤其是在夏季。因此，仍需要进一步努力为居民创造一个健康舒适的厨房环境。

厨房空调（AC）有望解决居民的热暴露问题并提高他们的热舒适度。大多数关于厨房空调系统的现有研究集中在商业厨房[20]或铁路餐车厨房[21,22]上。这些空调解决方案通常需要大量的能源消耗，因为它们针对整个厨房空间，要求空调冷却能力同时覆盖高温区域的冷却负荷和夏季自然补充空气的冷却负荷。在设计者来说，如何在提高居民热舒适度的同时减少空调能耗是一个关键挑战。关于在住宅厨房中安装空调系统的必要性，现有研究较少。值得注意的是，中华人民共和国住房和城乡建设部宣布将在2025年编制“良好住房建设指南”，其中明确指出厨房空调是改善厨房环境和提高人们福祉的技术解决方案[23]。在为数不多的研究中，李等人[24]调查了辐射冷却天花板面板在住宅厨房中的冷却效果。他们的解决方案可以提供合适的空气温度和气流速度，但忽略了在高湿度环境下辐射冷却面板上结露的风险。张等人[25]提出了一种结合空调和风扇的协调运行方案，以改善夏季厨房的热舒适度并减少能耗。然而，他们没有考虑COFs的排放问题。风扇引起的气流可能会将COFs带入居民的呼吸区域。将空气幕流与抽油烟机结合使用可以增强其污染控制性能，改进程度取决于空气幕参数的设计[58,59]。同样，从节能的角度来看，我们的研究小组提出了一种个性化厨房空气供应（PKAS）系统，以缓解居民的热不适和污染暴露[26]。PKAS安装在烹饪炉灶下方，将气流导向居民的腹部，旨在减少来自炉灶火焰的局部辐射热传递并提高整体热舒适度。该解决方案针对人体微环境，具有低能耗的优势。然而，在某些条件下，PKAS甚至可能增加居民的污染暴露，因为PKAS的气流和烹饪产生的热羽流上升速度相近。当PKAS的操作参数略微偏离最佳设计时，其不当的气流模式可能会将COFs带入居民的呼吸区域。为了提高热舒适度而牺牲居民的呼吸健康是不合理的，这表明厨房空调系统的气流模式仍需进一步优化。

需要定量评估厨房环境中居民的舒适度水平。Ravindra等人[27]使用预测平均评分（PMV）和预测不满意百分比（PPD）来评估印度农村厨房的热舒适度，发现夏季PMV的范围为1.21至2.36，PPD的范围为36%至90%。刘等人[6]在中国厨房中实验测量了受试者的皮肤温度，并通过问卷记录了他们的热感觉评分（TSV）和热舒适度评分（TCV）。他们发现烹饪后受试者的皮肤温度显著升高，TSV可能达到“非常热”的水平。徐等人[28]开发了一个厨房环境指数模型，将客观实验测试结果与人类主观评估相结合。他们发现空气温度、声压水平和细颗粒物浓度显著影响厨房环境。我们的研究小组为住宅厨房开发了一个热舒适度预测模型，整合了热生理模型和热舒适度模型[29,30]。该热舒适度预测模型的可靠性通过收集的主观问卷数据和被动传感器人体模型得到了验证。然而，该模型的一个局限性是它仅考虑了年轻受试者的主观评分。实际上，大部分烹饪人群由老年人组成。因此，有必要扩展热舒适度预测模型的适用范围，以适应不同年龄和性别的烹饪人群。

基于上述研究背景和发现的差距，需要解决两个主要问题。首先，将空调气流引入厨房空间时，不得以牺牲居民的呼吸健康为代价来提高热舒适度。其次，需要进一步扩展热舒适度预测模型的适用范围，以涵盖不同年龄和性别的群体。因此，本研究提出了一种适用于厨房环境的新型个性化空气淋浴式空调方案，旨在确保烹饪过程中居民的热舒适度和呼吸健康。空调模块安装在厨房天花板上，其内置的提升机制可以根据居民的身高自动调整出风口高度。预计低速、清洁的空调气流可以通过科安达效应贴合居民的身体，从而减少污染暴露并提高热舒适度。与参考文献[26]中提出的腹部空气供应模式相比，本研究提出的空气淋浴式供应模式可以改善由人体前后温差引起的不适感，特别是在北方冬季极端条件下。本文的结构如下：第2节描述了实验设计、主观问卷、数值模拟和评估指标的详细信息。第3节分析了主观评估结果，改进了热舒适度预测模型，并确定了不同目标下的最佳空调参数。第4节总结了结论。

部分摘录

概述

本研究提出了一种新型的个性化空气淋浴式空调，用于住宅厨房，旨在解决夏季烹饪时炎热潮湿环境的问题。空气淋浴式空调的供气参数需要精心设计。在为居民提供凉爽舒适的清洁空气的同时，该系统不得影响抽油烟机原有的污染物捕集性能，并且应比传统的壁挂式空调降低能耗

主观问卷结果分析

实验采用了重复测量设计。数据使用STATA和Origin软件进行分析。Shapiro-Wilk检验用于评估数据分布的正态性。在同一投票时间下，对不同条件下的数据进行了方差分析，以分析受试者的热反应结果。使用95%置信区间来表示统计误差条。统计显著性定义为p < 0.05。

结论

本研究提出了一种新型的个性化空气淋浴式空调系统，用于住宅厨房，旨在解决夏季烹饪时炎热潮湿环境的问题。在厨房实验室中进行了热暴露实验，参与者包括不同年龄和性别的个体，并收集了他们的主观问卷反馈。通过数值模拟获得了围绕人体的环境参数，这些参数作为热舒适度预测的输入

作者贡献声明

徐玉坤：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，方法论，概念化。马俊峰：调查，数据管理。张瑶：资源准备。吕凯平：资源准备。张丽娜：验证。董树成：验证。曹光宇：正式分析。史星：资金获取。高俊：监督，项目管理，资金获取。