業務用厨房における局所排気フードの捕集原理に関する研究

（その９）フード捕集率及び燃焼排ガス濃度分布Capture and Containment Mechanism of Local Exhaust Hood in Commercial Kitchen

Part9. C&C Efficiency and Combution Gas Concentration

　　　　学生会員○竹谷俊成 (大阪大学 )　　技術ﾌｪﾛｰ　甲谷寿史 (大阪大学 )

　　　　技術ﾌｪﾛｰ　山中俊夫 (大阪大学 )　　正会員　桃井良尚 (大阪大学 )

　　　　技術ﾌｪﾛｰ　相良和伸 (大阪大学 )学生会員　藤村倫子 (大阪大学 )

Toshinari TAKETANI*1 Toshio YAMANAKA*1 Hisashi KOTANI*1

Yoshihisa MOMOI*1 Kazunobu SAGARA*1 Noriko FUJIMURA*1*1Osaka University

　In a commercial kitchen, a large ventilation rate is needed and energy consumption can be large because a large amount of effluence of heat and cooking substance need to be removed. To make kitchen comfort and save energy, it is important to remove them efficiently by the minimum exhaust flow rate. In this paper, capture and containment efficiency of combustion gas and the concentration at the hood bottom were measured using small-scale model. Also, the result of experiments were compared with that of CFD analysis.

ApproximateSimilarity Law

Length 0.5Temperature difference 1

Velocity 0.707Heat generation rate 0.177

Flow rate 0.177k 0.5ε 0.707

Duct

Fan

CO2 Measurement Point

585

585

500Exhaust Port

150×150

[mm]

Room CO2 Concentration

Measurement Point

500

500

[mm]

250

RangePot

1000

Hood

Room CO2 Concentration

Measurement Point

表 1 縮率一覧

図 1 立面図

図 2 平面図

1.はじめに

　業務用厨房では、調理作業により食材や厨房機器から

油分を含んだ大量の熱や調理生成物質が発生するため、

作業者環境は劣悪なものになりやすく、改善のために適

切な換気設計が必要である。本研究の最終目標は、捕捉

と保持の現象に分けた局所排気フードの捕集原理 1) を

解明することにある。これまで実物大の業務用厨房を使

用して種々検討を行ったが、実物大実験の作業性が悪い

ことや、時空間の同時測定が困難であることから、筆者

ら 2) の実験を 1/2 スケールに縮小した模型実験による検討を行った。具体的には、ガスコンロ使用時の排気フード

の捕集現象を対象とし、フードに対するガスコンロの位置

及び排気量の大小がフード捕集率やフード下端周辺の濃度

に及ぼす影響を検討した結果を報告する。併せて CFD 解析も行い、実験結果との比較を行った。なお、一連の研究

で「燃焼廃ガス」としていたが、JSTM 規格 3) に合わせて「燃焼排ガス」と記述することとする。

2. 近似則に基づく縮率の考え方 4)

　十分に乱れた室内気流場では乱流レイノルズ数の自動的

な一致が成立することから、レイノルズ数の一致条件を除

外する、いわゆる近似相似則が成り立つ。鍋面での水の沸

騰温度 100℃が固定されることから温度差の縮率を1、模型縮尺を 1/2 としたことから長さ縮率を 0.5 として、吹出し境界でのアルキメデス数の一致から他の物理量の縮率を

表1の通り算出して用いた。

3. 実験概要

3.1 実験室および実験機器

実験空間の立面図及び平面図を図 1、図 2 に示す。なお、

フードはアクリル製のものとした。実験に用いる調理機

器は本多ら 5) と同じコンロを対象とし、縮率計算より

インプットは 2.6 [kW] に調整した。鍋は既報 2) の 1/2 サイズのもの(直径:200mm、高さ:164mm)を使用した。また、使用機器の一覧、レンジの詳細は既報 6) を参照されたい。

Cover

Vp

CEp(CO )MCO 2 2

V

(1- )MCOηgasMCOgas

MCO

2η

2

2

Ce(CO )2

KQValue40 KQ 0.08 m/s

61 KQ 0.12 m/s72 KQ 0.14 m/s86 KQ 0.17 m/s

108 KQ 0.21 m/s

FaceVelocity

96 m3/h

148 m3/h174 m3/h209 m3/h261 m3/h

KQValue40 KQ 0.11 m/s

64 KQ 0.17 m/s74 KQ 0.2 m/s88 KQ 0.24 m/s

111 KQ 0.3 m/s

FaceVelocity

540 m3/h

861 m3/h1003 m3/h1183 m3/h1504 m3/h

RealScale

1/2 ScaleModel

ExhaustFlow Rate

ExhaustFlow Rate

（ⅰ） （ⅲ）

267.5

267.5

ABC

DE F

G

HI

J

K

ABC

DE F

G H

I

J K

L

M

[mm]

Measuring Point

Exhaust Port

2525

2525

267.52525

267.52525

Elevation

Plan

CFDcode Fluent16.1Turbulence model Standard k-εmodel(SKE)

Algorithm Steady State (SIMPLE)Discretization Scheme QUICK

Analysis domain (i)2500×2500×5000mm(iii)5000×2500×5000mmceiling pressure outlet or outflow

A B DC E

F

mesh for modified PV method

distance[m]

velocity[m/s]

temperature[ ]

Combution GassMass Fraction

Cooking EffluenceMass Fraction k ε

A 0.0285 0.719 88.66 6.78E-03 4.81E-03 1.17E-02 8.17E-03B 0.063 0.526 66.41 4.11E-03 1.56E-03 6.20E-03 3.21E-03C 0.085 0.385 51.37 2.50E-03 5.07E-04 3.33E-03 1.25E-03D 0.102 0.281 41.2 2.07E-03 2.22E-04 1.78E-03 4.89E-05E 0.117 0.205 34.33 1.27E-03 7.28E-05 9.50E-04 1.91E-04F 0.142 0.11 26.55 6.57E-04 1.08E-05 2.71E-04 2.91E-05

[m2/s3][m2/s2][kg/kg] [kg/kg]

表 5境界条件

図 4捕集率測定概要

(a) 完全捕集 (b) 通常捕集

図 3 鍋の位置

表 2実験条件

表 3計算条件

図 5 濃度測定点

3.2 測定方法

　フード捕集率は、燃焼排ガス中の CO2 を対象とした。排気 CO2 濃度は排気ダクト内にて定常確認後約 5 分間測定し、その平均値を捕集率算出に用いた。フード下端

周辺の濃度測定においても定常確認後約 5 分間測定した。その間、鍋の水は連続沸騰状態とした。捕集率測定

の概要を図 4 に、濃度測定点を図 5に示し、捕集率算出

式を以下に示す。

3.3 実験条件

　排気量条件の一覧を表2に示す。排気量は実物大におけ

るガス機器使用時の必要換気量である 40KQ(KQ:理論廃ガス量 [m3/h])、設計で多く使用されるフード面風速 0.3 m/s を含む条件を縮率から算出したものである。

　鍋の位置の概要を図3に示す。排気口の中心と鍋の中

心が一致する場合を+0 mm とした時、鍋の位置は+0 mm、+147 mm、+295 mm（フード端真下）、+442 mm の 4 条件とし、それぞれ条件（ⅰ）～（ⅳ）とする。

4. 解析概要

4.1 解析空間

　既報 7) の解析空間を 1/2 に縮小した空間で解析を行った。室中央に 600×600×250mm の排気フードを設けた大空間を想定し対称性を考慮して 1/4 領域または 1/2 領域とした。排気は高さ 1250mm に存在する排気フードの150×150mm の排気口と室の天井部分から行った。4.2 解析条件

　計算条件を表 3 に示す。解析はフード排気量を表 2 の

実験条件の内 96、174、261 ㎥ /h の 3 条件、レンジの位置が排気口真下のもの ( 以下、位置 (i)) と排気口真下

から 300mm 離れた位置にあるもの (以下、位置 (iii))の 2 条件の合計 6 条件について行う。4.3 機器条件

300×300×400mm のガスレンジに直径 135mm, 高さ95mm の鍋 1 個を設置し、水沸騰時の熱上昇気流を対象とする。熱上昇流の再現に関しては、測定に基づいて

作成した百瀬ら 8) の上昇気流モデルを用いた。鍋上方

155mm に風速等を規定する PV 法を改良したモデルであり、鉛直成分風速、乱流統計量、温度、汚染物濃度を規

( ) ( )( )

p p

e r e rgas

p E R

V C C V C CM V C C

η − −= =−

（ⅰ） （ⅲ） （ⅳ）

147295

442

（ⅱ）

(1)

5000

5000

5000

room inlet

rangeboundary surface

x y

z

hood exhaust

analysis domain1250

5000

5000

5000

room inlet

rangeboundary surface

1000

x y

z

hood exhaust

analysis domain

0

20

40

60

80

100

120

50 100 150 200 250 300

Capt

ure E

fficie

ncy[

%]

Exhaust Flow Rate[m3/h]

Fll scale1/2 scale

0

20

40

60

80

100

50 100 150 200 250 300capt

ure

effic

ienc

y[%

]

Exhaust Flow Rate[m3/h]

experimentCFD

experimentCFD

0

20

40

60

80

100

50 100 150 200 250 300capt

ure

effic

ienc

y[%

]

Exhaust Flow Rate [m3/h]

0

20

40

60

80

100

120

400 600 800 1000 1200 1400 1600

[m3/h]

Full Scale

1/2 Scaleca

ptur

e ef

ficie

ncy[

%]

Exhaust Flow Rate

0

20

40

60

80

100

120

400 600 800 1000 1200 1400 1600

capt

ure e

fficie

ncy[

%]

Exhaust Flow Rate[m3/h]

Full Scale

1/2 Scale

(i)Under Exhaust Port (iii)Under Edge of Hood

定する。境界条件を表 5 に示す。詳細は既報 9) を参照

されたい。

5. 結果と考察

　位置 (i) における実験と CFD の捕集率を図 7、8に示す。また、今回測定した縮小模型の位置 (i) の捕集率

結果と、既報の実物大実験において鍋がフードの排気

口真下に位置する場合の燃焼排ガス捕集率を図 9 に示

す。位置 (i) と位置 (iii) における実験と CFD の燃焼排ガス捕集率を図 10 に示す。また、実験及び CFD の燃焼排ガス濃度を図 11、図 12に示す。

5.1 実物と 1/2 モデルの捕集率比較 (CFD)

　図 7、図 8 より、実物大モデルと 1/2 縮小モデルの捕集率はほぼ一致している。よって 1/2 縮小モデルでの実験に近似相似則を適用することは問題がないと考えら

れる。

5.2 実物と 1/2 モデルの捕集率比較 (実験 )

　図 9 の通り、低排気量で 10% 弱の差異は見られるものの捕集率はおおよそ一致する。各条件でのプロット

は複数回の実験の平均値であり、例えば縮小模型実験

において低排気量になるほどばらつきが大きくなるこ

とが差異の一因と予想される。縮小模型ではレイノル

ズ数の低下により近似相似則が成立しなくなることが

懸念されるものの、捕集率に大きく影響するフード近

傍では極端な低風速にはならないために、大きな問題

とはならないと考える。

5.3 実験及び CFD の捕集率・燃焼排ガス濃度分布

　捕集率、濃度分布ともに全体として概ね一致してお

り、CFD のモデルは実験の現象を再現できていると考えられる。ただし、細かく見ていくと、図 10 より、位

置条件 (i) の場合、CFD の結果がわずかに実験結果を上回る値を示しており、図 11、図 12 より実験結果に比

べ CFD の結果は、フード中心において高い濃度分布を示している。以上より CFD のプルーム性状が実験に比べ水平方向に狭まっていることが推察される。位置条

件が (iii) の場合、図 10 より捕集率の実験結果が CFDの結果を上回っている。濃度分布を比較すると、フー

ドの四隅において実験結果が解析結果より低い値を示

しており、保持されずに漏れ出した燃焼排ガスの量が

CFD 結果に比べて小さいため捕集率が大きくなったと考えられる。今後精度向上のためにはプルームモデル

の改良が必要であり、プルーム単体の測定を行う予定

である。

6. 終わりに

　本報では、1/2縮小モデルでの実験に近似相似則を適用

することの問題がないことを確認した。また、実験及び

CFD の捕集率結果を比較し作成したモデルが現象を十分に再現していることを確認した。よって今回行った CFD 解析結果の詳細分析を進め、捕捉と保持がフード捕集率にど

のような影響を及ぼすのかより詳しく検討する予定であ

る。

図 7実物と 1/2 モデルの燃焼排ガス捕集率(CFD、位置 (i))

図 8 実物と 1/2 モデルの調理汚染物捕集率(CFD、位置 (i))

図 9 実物と 1/2 モデルの燃焼排ガス捕集率(実験、位置 (i))

図 10 実験と CFD の燃焼排ガス捕集率

(i)Under Exhaust Port

(iii)Under Edge of Hood

図 6 解析領域

(i)Under Exhaust Port (iii)Under Edge of Hood

（ⅰ）

（ⅲ）

-318 -268 0 268 318 -318 -268 0 268 318 -318 -268 0 268 318

-318 1334 -318 124 -318 4

-268 898 -268 575 -268 22

0 664 967 1973 553 1217 0 32 242 2377 256 91 0 9 42 2572 19 6

268 1755 1248 268 1076 411 268 114 23

318 709 765 318 282 174 318 10 9

-318 -268 0 268 318 -318 -268 0 268 318 -318 -268 0 268 318

-318 96 -318 138 -318 4

-268 364 -268 785 -268 227

0 454 549 19 2329 3026 0 28 572 5 2861 2346 0 3 576 0 2697 2137

268 947 481 750 268 683 483 956 268 317 33 145

318 417 176 130 318 74 67 14 318 6 5 11

[mm]

[ppm]

96 m3/h 174 m3/h 261 m3/h

(from upside)

1000

2000

3000

0

Exhaust Flow Rate

Hood

（ⅰ）

（ⅲ）

96 m3/h 174 m3/h 261 m3/hExhaust Flow Rate

[ppm]

3000

1000

10001000

1000

3000

1000

1000

1500

1500 1500

1500

3500

3000

30003000

500 500

500 500

500

500

謝辞本研究の一部は、大阪ガス (株 )との共同研究によるものであり、種々の便宜を図っていただいた関係者各位に深く感謝いたします。

：ダクト内 CO2 濃度 (通常捕集 )[m3/m3]

：ダクト内 CO2 濃度 (完全捕集 )[m3/m3]

：室内 CO2 濃度 (通常捕集 )[m3/m3]

：室内 CO2 濃度 (完全捕集 )[m3/m3]

gas

p

VVM

η

p

p

e

E

r

R

CC

CC

記号表: 燃焼廃ガス捕集率　　　　　[-]

: フード排気量 (通常捕集）　[m3/h]

：フード排気量（完全捕集）[m3/h]

：CO2 発生量[m3/h]

1)

2)

3)

4)

5)

6)

山中：厨房の局所排気フードの捕集率と制御面風速、日本建築学会近畿支部研究報告集、pp.309-312、2014.06藤村、山中、甲谷、桃井、相良、増井:厨房における局所排気フードの捕集原理に関する研究(その6)フードサイズが捕集率および濃度・風速分布に及ぼす影響、空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集、pp.65-68、2015.9建材試験センター：JSTMV6201:2015、業務用ちゅう(厨)房に設置される排気フードの捕集率測定方法、2015.3劉、山中、甲谷、東本:置換換気室内の温度・汚染物濃度分布予測における模型実験法(その1)置換換気室の縮小模型実験を目的とする相似則の整理、日本建築学会大会学術講演梗概集、pp.727-728、2001.9本多、甲谷、山中、相良、桃井、住宅用ガスコンロにおける鍋上方の熱上昇気流性状に関する研究（その５）径の異なる鍋におけるセンターフードの捕集率予測、空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集、pp.3077-3080、2012.09藤村、甲谷、山中、桃井、相良、竹谷、業務用厨房における局所排気フードの捕集原理に関する研究（その８）熱上昇気流の捕捉・保持性状に関する検討、空気調和・衛生工学近畿支部学

参考文献 術研究発表会論文集、pp.129-132、2016.03増井、山中、甲谷、桃井、相良 :業務用厨房における局所排気フードの捕集メカニズムに関する研究 (その 2)CFD を用いたフード捕集性能に関する検討、空気調和・衛生工学学術講演会講演論文集、pp.157-1602014.9百瀬、山中、甲谷：業務用レンジから発生する上昇気流の性状把握およびモデル化、日本建築学会環境系論文集、pp.49-56、2003.5竹谷、甲谷、山中、桃井、相良、藤村、厨房における局所排気フードの捕集原理に関する研究（その6）CFD解析による縮小模型実験に関する検討、日本建築学会近畿支部研究報告集、2016.6掲載予定

7)

8)

9)

図 12 濃度測定結果

図 11 CFD 解析による燃焼排ガス濃度