Yuejing Zhao+、Bin Zhao 清華大学建築学部建築科学学科、北京、中国
はじめに
特に中国の家庭では、調理が室内粒子状物質（PM）の主な発生源であることが知られています（Abdullahi et al., 2013; Zhao and Zhao, 2018）。西洋の家庭料理と比較すると、中国料理はその特殊な調理スタイルにより発生する室内空気汚染がはるかに深刻です。このため、中国の住宅では室内空気の質に影響を与える重要な要素となっています。Chen et al (2018) は、炒める、フライパンで揚げる、揚げるなど、一部の伝統的な中国の調理方法に必要な 170℃ 以上の高温では、2.5μm未満の高レベルの微粒子状物質（PM2.5）が生成されることを発見しました。
研究では、非喫煙女性を含む中国人女性の肺がんの発症と食用油煙（COF）への曝露が関連付けられている（Hung et al, 2007; Wang et al, 2014）。いくつかの測定データは、レンジフードが作動していても、換気が悪いとキッチンの PM2.5 濃度が依然として 500 μg/m3 を超える可能性があることを示しています (Chen et al、2018)。
この研究の全体的な目的は、図 1 に示すキッチンと隣接するリビング ルームに示すように、PHOENICS-FLAIR を使用して典型的な住宅配置における PM2.5 レベルをシミュレートすることにより、調理中の大気汚染の可能な制御手段を探ることでした。
モデルの説明
キッチンには調理器、調理パン、レンジフード、開いた窓、リビングルームへの開いた出入り口が含まれています。バスルームを含む他の隣接する部屋は、CFD モデルに明示的に含まれていませんでした。むしろ、それらは一定の低レベル流入境界と高レベル流出境界を持つ開いた出入り口の観点から表され、その体積流量と流入する時間とともに変化するPM2.5濃度（μg/m3）は、マルチゾーンコンピュータプログラムCONTAMW3(Dols & Polidoro, 2015)によって決定された。マルチゾーン モデルは、各部屋の適切に混合された仮定を使用して、建物の部屋間、および建物と屋外の間の気流、エネルギー、およびガス成分の輸送を計算します。本研究でのその使用に関するさらなる情報は、Zhao and Zhao (2019) によって提供されています。
レンジフードは 530 m3/hr の一定容積抽出速度で定義され、調理パンは 5 mg/min の PM2.5 排出速度を備えた 2.5 kW の熱源としてモデル化されました。外部周囲温度は 25°C とし、キッチンの開いた窓を大気圧の圧力境界として定義しました。
キッチンの大きさは1.6m × 3.5m × 2.8m で、隣接するリビングルームは3m x 4.5m x 2.8m です。Zhao and Zhao (2019) は、寸法 0.25m x 0.5m x 0.5m の呼吸空間と仮定し、その中心はそれぞれキッチンとリビング ルームの床上 1.5mと 1.2mにあり、それぞれのケースで部屋内の平均 PM2.5 濃度を測定しました。
重力の影響は定圧として表され、浮力は周囲からの密度変化分を運動量方程式に与えます。乱流は、経験的な壁関数を備えた標準的な k-ε モデルによって表されました。理想気体の状態方程式を使用して、温度による空気密度の変化を取得し、ドリフトフラックス モデルを適用して、重力効果による粒子の輸送と空気に対する粒子の滑りを表現しました (Zhao et al., 2009; Zhou and Zhao）
図１ 解析モデル図
結果と考察
Zhao and Zhao (2019) は、まず基本ケースを検討し、次にさらに 8 つのケースを検討して、大気質を改善するための 2 種類の制御手段の効果を研究しました。
(a) COF の浸透を妨げるようにキッチンの天井スクリーンを構成する。(b) 居間やキッチンに空気清浄機を設置して PM2.5 を除去する。それぞれのケースでは、天井スクリーンとエアクリーナーの位置が異なります。定常計算の解法を実行して、粒子がない状態で流れおよび熱の分布を求めました。それぞれの場合において、粒子濃度場の時間的発展を予測するために、定常計算の結果を初期値に非定常計算をリスタートしました。非定常計算は、1 秒のタイム ステップを使用して 10 分間の継続時間を行います。図 2 〜 3 は、それぞれ温度等高線と PM2.5 等値面等値に関する基本ケースの典型的な CFD 結果を示しています。図 2 では、等高線限界の 30°C を超える温度が限界色として表示されます。また、図にはわかりやすくするために 0.5 m/s に制限された速度ベクトルも含まれていますが、これを超えるのは換気フードの直下のみです。
図２ キッチンとリビングの温度コンタと速度ベクトル図
図 3 の等値面は、PM2.5値 60μg/m3 に対応します。この図は、食用油の微粒子がキッチンからリビングルームへ侵入する様子を示しています。
図３ PM2.5濃度60kg/m3の等値面図（等値面に温度値でカラー表示）
この結果と他のすべてのケースは、さまざまな管理措置の効果に関する報告を含め、Zhao and Zhao (2019) の論文で強調され、詳細に議論されました。たとえば、キッチンに天井スクリーンを使用すると、スクリーンの数とその位置に応じて、リビングルームの PM2.5 濃度が最大 10% 減少することがわかりました。当然のことですが、空気清浄機を使用すると、リビング ルームの空気の質が大幅に改善されました。両方の制御手段を使用すると、さらに改善が見られました。
結論
この種の研究では、PHOENICS-FLAIR を使用して、家庭の調理によって生成される流れ、温度、および濃度フィールドについての洞察を提供する方法が示されています。これらの結果は、大気汚染の工学的制御戦略における何らかの指針を提供するために使用できます。さらに詳しい内容は、Zhao and Zhao (2020) の実験論文および Zhao (2019) のオリジナルの CFD 研究を含む文献にあります。
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