Организация вентиляции в горячих цехах

В Рекомендациях приведены требования к параметрам  микроклимата, гигиенические требования к системам вентиляции, дана подробная классификация вытяжных систем по принципу работы, характеристика конструктивных особенностей местных отсосов, область применения, способы их размещения и монтажа. Кроме этого, в Рекомендациях приведены методика расчета воздушного баланса помещения горячего цеха и требования к системе пожарной безопасности. В приложении рекомендаций даны значения тепло- и влагопоступлений от различных типов технологического кухонного оборудования, удобные для пользователей при проектировании.

Традиционная особенность нормативно-рекомендательных и методических документов НП «АВОК» является наличие в них примера расчета, который, безусловно, облегчает пользование документом.

В то же время проектирование, а тем более реконструкция системы вентиляции горячих цехов предприятий общественного питания сопровождается необходимостью решения ряда интересных и достаточно сложных инженерных задач. Обобщение такого опыта несомненно представляет интерес для широкого круга специалистов. Примером может служить статья в журнале «АВОК» 2004, № 2 «Вентиляция предприятий общественного питания», посвященная вопросам проектирования систем вентиляции в кухне небольшого семейного ресторана, и являющаяся ответом специалистов на запрос владельцев ресторана сделанный с целью улучшения условий воздушного комфорта на кухне. В данном материале приводятся варианты различных конструктивных решений систем и  сравнение их работы до и после реконструкции.

С другой стороны, представленный ниже материал развивает ряд положений Рекомендаций АВОК и подготовлен с учетом вышесказанного доцентом МГСУ  А. П. Борисоглебской.

Горячий цех предприятия общественного питания – производственное помещение, предназначенное для изготовления кулинарной продукции, технологические процессы в котором сопровождаются значительным выделением тепла и других производственных вредностей [1].

До реконструкции систем вентиляции условия воздушного комфорта в горячем цехе ресторана обеспечивались работой систем общеобменной приточно-вытяжной и местной вытяжной вентиляции.

Вытяжные системы предназначены для локализации и удаления выделений, поступающих в воздух помещения в результате разделывания и приготовления продуктов питания, а также мытья посуды. По принципу работы местные отсосы подразделяются на пассивные и активированные.

Активированные отсосы (с поддувом) внутри зонта отличаются от пассивных наличием приточных струй для локализации и улавливания вредностей. Причем активированные отсосы обладают большей эффективностью и могут работать с меньшим расходом удаляемого воздуха по сравнению с пассивными. В качестве источника для поддува, как правило, служит наружный или внутренний воздух, при объеме общего расхода воздуха в приточных струях не выше 10 % от общего расхода воздуха, удаляемого отсосом.

В зависимости от типа технологического оборудования конструкции отсосов бывают: настенными с установкой вплотную к стене над кухонным  оборудованием, отдельно стоящими островными, сдвоенными островными и шкафными. Расстояние от поверхности оборудования до кромки местного отсоса не должно превышать h = 1,1 м, в противном случае последует увеличение требуемого расхода воздуха до 40 % при h = 1,4 м.

До реконструкции вытяжная система в кухне состояла из местных отсосов  в виде вытяжных зонтов, установленных у задней стены кухни. Расход воздуха, удаляемого зонтами, определен из расчета улавливания конвективных потоков, восходящих над горячей поверхностью кухонного оборудования, в соответствии с нормами.

Подача наружного воздуха для обеспечения комфортных условий в кухне осуществлялась при помощи крышной установки кондиционирования воздуха (УКВ1) (режим нагревания/охлаждения воздуха) с рециркуляцией  воздуха. Для компенсации воздуха, удаляемого вытяжными зонтами, предусматривалась приточная установка (ПУ), также размещаемая на кровле здания, без автоматического регулирования расхода приточного воздуха. Это противоречит нормам, требующим обеспечение автоматического регулирования притока воздуха при одновременной работе отсосов или регулировании расхода воздуха, ими удаляемого. Массовый расход наружного воздуха, поддаваемого в помещение горячего цеха, определялся из расчета воздушного баланса помещения, исходя из компенсации воздуха, удаляемого местными отсосами.

Взамен существующей системы ОВК была предложена новая установка кондиционирования воздуха (УКВ2) с утилизацией теплоты от удаляемых горячих газов и охлаждением за счет непосредственного испарения. Количество приточного воздуха в этом случае определялось из условий обеспечения комфортных условий в помещении и компенсации воздуха, удаляемого местными отсосами. К тому же, существующая система местной вытяжной вентиляции была заменена настенными (полочными) отсосами и вытяжными зонтами новой конструкции, что привело к снижению общего количества удаляемого воздуха и снижению энергопотребления, в связи с чем подобные системы вентиляции были установлены во всех новых ресторанах, построенных в 2003 году и позже. В результате сравнения коммунальных платежей ресторанов с системами УКВ1 и УКВ2 было отмечено, что система УКВ2 требует значительно меньшее потребление газа.

В конце 2003 года для реконструкции систем ОВК появился еще один объект – семейный ресторан, в котором для подачи наружного воздуха использовалась приточная установка (только с нагревом воздуха от сгорания газа) с раздачей приточного воздуха через  распределительные камеры, установленные по периметру подшивного потолка. Работа системы местной вытяжной вентиляции, состоящей из комбинации настенных  отсосов и вытяжных зонтов,  не вызывала нареканий. Тем не менее, стало отмечаться повышение влажности в помещениях ресторана и ощущение дискомфорта, а также появился ряд повреждений, что послужило причиной замены существующей приточной системы на систему УКВ2.

Сравнение систем ОВК на контрольном и испытательном объектах

Итак, появилось два реальных базовых объекта (в дальнейшем – контрольный и испытательный) для внедрения новых систем ОВК, а также исследования и сравнения их работы.

Схема системы ОВК контрольного объекта, представленная на рис. 1, включает в себя местные отсосы, УКВ1, предназначенную для обеспечения требуемых параметров микроклимата в кухне (нагревание и охлаждение воздуха), и приточную установку для компенсации работы местных отсосов, которыми владелец пользовался на протяжении последних пяти лет. Воздух, поступающий из приточной установки, нагревается для предотвращения переохлаждения пищи и персонала. УКВ2 – стандартная крышная установка с воздухонагревателем, использующим косвенный газовый нагрев, и воздухоохладителем. Нагревание и охлаждение воздуха осуществляются в зависимости от сигналов, поступающих с датчика, расположенного в подготовительной зоне кухни.

Рисунок 1. Схема системы ОВК кухни контрольного объекта

Режим отопления включается при понижении температуры воздуха в помещении кухни до 20 °С, режим охлаждения – при повышении ее до 22 °С в зависимости от сигналов, поступающих с датчика температуры. Приточная установка работает на прямом сжигании газа и обеспечивает нагрев воздуха, который включается при понижении температуры приточного воздуха до 13 °С. Блокировка одновременных функций отопления/охлаждения не предусматривается, поскольку в предыдущих попытках ее применения наблюдались случаи подачи воздуха с достаточно низкой температурой, что приводило к переохлаждению пищи, снижению уровня теплового комфорта и влияло на стабильную работу местных отсосов. Как показали наблюдения, проведенные на ряде других объектов, температура воздуха, подаваемого приточной установкой, не должна быть ниже 13 °С.

Схема системы ОВК кухни испытательного объекта представлена на рис. 2. На испытательном объекте была установлена новая система, состоящая из УКВ2, обеспечивающей подачу наружного воздуха для компенсации вытяжки через местные отсосы и поддержание требуемых параметров микроклимата помещений кухни, и системы местных настенных отсосов и вытяжных зонтов. Эта система кондиционирования воздуха, совмещающая функции систем УКВ1 и приточной установки, применяемых на контрольном объекте, является более рациональной. Поскольку одна установка замещает две, не требуются дополнительные затраты на приточную установку, воздуховоды и воздухораспределители, а также место под их размещение и прокладку газовых трубопроводов и электрической сети.

Рисунок 2. Схема системы ОВК кухни испытательного объекта

УКВ2 работает на прямом газовом нагреве с двухступенчатым охлаждением и установлена на кровле здания, так же как и на контрольном объекте. Сигналы на включение режимов осушения, нагревания, охлаждения поступают с датчиков, расположенных в УКВ2. Датчики температуры и относительной влажности наружного воздуха расположены в приемном блоке установки. Процесс осушения требует включения компрессоров первой или второй ступени. Включение подачи приточного воздуха происходит в зависимости от регулируемого диапазона значений энтальпии внутреннего воздуха. В режиме вентиляции осушение, охлаждение или нагревание воздуха не осуществляется. Включение режима нагревания воздуха происходит при понижении температуры наружного воздуха до 13 °С, охлаждения – при повышении ее до 26 °С. Датчик температуры необходим для предотвращения перегревания или переохлаждения помещения кухни и расположен в ее подготовительной зоне. Одновременное охлаждение и нагревание воздуха блокируется системой управления УКВ2.

Оба объекта очень похожи по занимаемой зданиями площади, вместимости и размещению посадочных мест, расположению и количеству окон, а также ограждающим конструкциям здания. Кроме того, кухни обоих ресторанов оборудованы вентиляционным оборудованием, имеющим одинаковые мощности. Обеденные залы отделены от кухонь ресторанов стенами и соединяются проемами площадью 0,9 м², а также распашными дверями для перетекания воздуха из обеденных залов в кухни.

Тепловая и холодильная мощность системы кондиционирования воздуха в обеденных залах контрольного и испытательного объектов одинакова. На контрольном объекте для работы посудомоечной машины дополнительно установлен газовый нагреватель, на испытательном объекте – электрический.

Несмотря на то что объекты расположены в одинаковых климатических условиях – на одинаковой широте, в одном регионе на расстоянии 59,5 км друг от друга, результаты наблюдений за работой систем ОВК показали, что показания температуры и влажности в помещениях кухонь обоих ресторанов существенно отличались.

В результате внедрения новой системы ОВК на испытательном объекте было проведено:

• обоснование экономической эффективности системы ОВК кухни;

• определение влияния снижения воздухообмена на качество микроклимата в кухне;

• оценка возможности контроля температуры и влажности воздуха помещения кухни;

• сравнение энергопотребления систем ОВК на контрольном и испытательном объектах.

Экономическая эффективность применения системы УКВ2 не выявлена, поскольку увеличение стоимости оборудования компенсируется снижением стоимости монтажа системы.

Определение влияния снижения воздухообмена на качество микроклимата в кухне

В табл. 1 приводится сравнение расчетных расходов воздуха и кратности воздухообмена обеденных залов и кухонь обоих объектов. Как видно, существенное снижение общего расхода воздуха в кухне испытательного объекта не снижает общий уровень комфорта. Особенность системы ОВК кухни испытательного объекта – совмещение функций обеспечения параметров микроклимата и компенсации вытяжки местных отсосов. Избытки теплоты от технологического оборудования удаляются с помощью местных отсосов. На контрольном объекте с целью экономии затрат на нагревание наружного воздуха применяется система с рециркуляцией воздуха. В табл. 1 приводятся значения расходов воздуха, поступающего на рециркуляцию. Применение прямоточной системы УКВ2 приводит к снижению общего расхода воздуха на 46 % и, соответственно, к снижению энергопотребления.

При снижении общей производительности системы УКВ2 возникла проблема с возможностью контроля относительной влажности воздуха. Были собраны значения температуры и влажности воздуха, характеризующие общий уровень комфорта.

Общая производительность установки УКВ1 кухни контрольного объекта – 10 200 м³/ч, из них 9 700 м³/ч составляет воздух, расходующийся на рециркуляцию, и 500 м³/ч – наружный воздух.

Сравнение энергопотребления систем УКВ1 и УКВ2

Предполагалось, что система с одной установкой снизит расход потребляемого газа, для измерения которого были предусмотрены счетчики на системах ОВК обеденного зала и кухни. На каждом объекте установлено по два газовых счетчика для учета газопотребления установками, обслуживающими обеденные залы обоих ресторанов: один – для измерения общего расхода газа, потребляемого УКВ1 и приточной установкой на контрольном объекте, и другой – для УКВ2 на испытательном объекте.

Для каждого объекта был проведен контрольный расчет воздухообмена помещений, результаты которого приведены в табл. 2. Общая вытяжка из здания представляет собой сумму расходов воздуха, удаляемого из санузла и через местные отсосы от технологического оборудования и моечной. Было проведено сопоставление расходов воздуха, удаляемого из помещений кухонь и обеденных залов обоих объектов, и, соответственно, потребления газа установками независимо от таких переменных, влияющих на тепло- или холодопроизводительность, как число клиентов, режим открывания дверей и т. д. Очень важно было решить проблему раздельного энергопотребления обеденного зала и кухни в теплый период года, когда необходим режим охлаждения.

Результаты наблюдений за параметрами микроклимата

Группа специалистов проводила наблюдения за параметрами микроклимата помещений. Датчики для получения сигналов измерительной информации (изменение температуры и относительной влажности) были расположены в рабочих зонах обеденного зала (2 шт.) и кухни (4 шт.). Датчики параметров наружного воздуха были расположены в приемных блоках приточных установок, обслуживающих кухни и обеденные залы испытательного и контрольного объектов. Кроме того, в ночное время фиксировались показания газовых счетчиков обеденного зала и кухни, проводился анализ потребляемой электрической мощности по каждой силовой линии, питающей здание, а также калибровка и техническое обслуживание измерительных приборов и систем. В результате многовариантных наблюдений была обнаружена большая погрешность значений относительной влажности при высоких ее значениях.

Также были исследованы данные по расходу потребляемой электроэнергии и газа. При соответствии температуры наружного воздуха диапазону 1,7–16 °С расход газа на испытательном объекте превышал потребление газа контрольным объектом, что, скорее всего, было связано с разностью температуры наружного воздуха в местах расположения объектов (до 6,7 °С). Температура наружного воздуха в местности, где размещается испытательный объект, постоянно была ниже, чем в месте размещения контрольного объекта. Например, если температура воздуха в районе контрольного объекта превышала 13 °С, на испытательном объекте она составляла 9 °С. Таким образом, сравнивалось потребление газа на объектах в одном случае при выключенном и в другом случае при включенном нагревании воздуха, расхождения значений расходов газа отмечались особенно в холодный период года. В теплый период года, когда возникала необходимость в осушении воздуха, температура воздуха по мокрому термометру на испытательном объекте была регулярно выше значений, зарегистрированных на контрольном объекте. Такой разброс значений температуры воздуха на исследуемых объектах вызывал удивление.

Анализ работы установки кондиционирования воздуха

Работа установки кондиционирования воздуха в режиме охлаждения в теплый период года

Значения температуры наружного воздуха в теплый период года для контрольного объекта составляли по «сухому» термометру 33 °С и 24 °С – по «мокрому», при энтальпии 91,85 кДж/кг; температура внутреннего воздуха кухни равна 32/23 °С («сухой»/«мокрый» термометр), а энтальпия – 85,15 кДж/кг. Испытательному объекту соответствуют: температура и энтальпия наружного воздуха – 29/24 °С («сухой»/«мокрый» термометр) и 91,85 кДж/кг, внутреннего воздуха кухни – 24/18 °С («сухой»/«мокрый» термометр) и 67,97 кДж/кг. Очевидно, что энтальпия воздуха помещения кухни контрольного объекта на 17,18 кДж/кг превышает энтальпию воздуха кухни испытательного и при почти равных энтальпиях наружного воздуха параметры воздуха кухни испытательного объекта в теплый период года находились в пределах зоны комфорта. Также было установлено, что производительность приточных систем и расход воздуха через воздухораспределители зависят от температуры приточного воздуха. К тому же, большая доля воздуха, подаваемого через приточные устройства, задерживалась в верхней зоне помещения кухни, что нарушало работу местных отсосов. Температура воздуха в рабочей зоне кухни будет зависеть от температуры воздуха, удаляемого через местные отсосы. На рис. 3 приведены результаты моделирования распределения потоков воздуха в помещении кухни.

Было проведено сравнение значений температуры воздуха в рабочей зоне кухонь и энергопотребления (кВт) систем ОВК исследуемых объектов за период с 31 июля по 6 августа 2006 года. Среднеарифметические значения температуры и энтальпии воздуха в рабочей зоне кухни испытательного объекта на 14,4 °С и 15 % оказалась ниже соответствующих параметров воздуха контрольного объекта. Энергопотребление установки УКВ2 на 15–26 % ниже совместного энергопотребления приточной установкой и УКВ1.

Работа установки кондиционирования воздуха в режиме охлаждения в теплый период года при неполной нагрузке

Были проведены сравнения параметров исследуемых объектов, характеризующих уровень воздушно-теплового комфорта в помещениях кухонь при частичной нагрузке работающих систем ОВК. В этих условиях требуется значительное осушение воздуха. Как показали данные, на испытательном объекте была возможность контроля относительной влажности воздуха в рабочей зоне кухни и поддержания ее на уровне 57–60 % при относительной влажности наружного воздуха 98,5 %.

Работа установки кондиционирования воздуха в режиме нагревания в холодный период года

Значения температуры воздуха в рабочей зоне кухонь на обоих объектах принимали одинаковые значения. УКВ2 потребляет меньше газа, чем приточные установки и УКВ1, работающие совместно. Как видно из таблицы, экономия газа установкой УКВ2 пропорциональна понижению температуры наружного воздуха.

Заключение

Система УКВ2 требует минимальных капитальных и эксплуатационных затрат.

Результаты исследований показали, что снижение расхода приточного воздуха в кухне испытательного объекта не влияет на требуемый уровень комфорта при работе системы в режимах осушения, охлаждения и нагревания. Кроме того, система кондиционирования воздуха способна работать в режиме вентиляции (без отопления и охлаждения) в большем диапазоне изменения параметров наружного воздуха.

Перемещение меньших объемов воздуха приводит к экономии энергоресурсов. Общее сравнение данных за июль и август показало, что контрольный объект потреблял в среднем на 37 % больше электроэнергии, чем испытательный объект. Это увеличение энергопотребления обусловлено, частично, периодами, когда УКВ2 испытательного объекта могла поддерживать требуемый уровень комфорта в помещении, работая в режиме вентиляции.

Литература

1. Р НП «АВОК» 7.3–2007. Вентиляция горячих цехов предприятий общественного питания. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2007.

2. S. K. Melink. Вентиляция предприятий общественного питания // АВОК. – 2004. – № 2.

3. Stephen L. Brown. Dedicated Outdoor Air System for Commercial Kitchen Ventilation // ASHRAE journal. – 2007. — July.