Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 1

Вентиляция горячего цеха — это многокомпонентная система, в которой учитываются различные факторы обустройства пространства кухни. Как известно, в процессе приготовления пищи на коммерческих кухнях происходит большое теплои газовыделение. Полученные теплоизбытки необходимо оперативно отводить из помещения с помощью систем вентиляции в целях: поддержания комфортных условий труда для персонала предприятия согласно СанПиН 2.2.4.548–96; соблюдения технологического процесса приготовления кулинарной продукции; поддержания условия микроклимата помещения для соблюдения правил пожарной безопасности.

Локальная вентиляция горячего цеха столовой общественного назначения представлена вытяжными зонтами, устанавливаемыми над тепловым оборудованием. Основная функция — отведение наружу тёплого отработанного воздушного потока (в том числе запахов, дыма, масла и др.) из рабочей зоны путём создания дополнительной области разреженного давления. При проектировании системы вентиляции кухонь основным показателем является расход воздуха через вытяжной зонт. Малый расход воздуха может нарушить функционирование, в результате чего загрязнённый воздух будет распространяться по помещению.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 2

Завышенный расход воздуха приводит к излишним капитальным и эксплуатационным затратам. Вместе с тем увеличение объёма удаляемого воздуха означает увеличение объёма приточного воздуха. Проблемой обычных систем вентиляции с постоянным значением воздухообмена является бесполезная трата энергии вентиляторами и кондиционерами [1].

Целью статьи является оценка влияния каждой из применяемой инженерами методик расчёта воздухообмена в горячем цехе кухни на энергозатраты вентиляционных систем, поддерживающих допустимые условия микроклимата в помещении. На основании такого расчёта возможно произвести дальнейшую финансовую оценку с помощью СДЗ как типовых решений по вентиляции горячего цеха, так и любых вариантов с применением вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

В условиях холодного климата теплоту вытяжного воздуха от зонта возможно использовать для нагрева приточного воздуха. Однако при этом нужно предпринимать меры по регулярной очистке фильтров и обслуживанию теплообменника для предотвращения засорения его частицами масла из вытяжного воздуха, либо использовать альтернативные методы очистки [2].

Несколько методик, предлагаемых отечественными учёными, для определения расхода воздуха через вытяжной зонт, были рассмотрены в процессе проектирования объекта — ресторана в Москве. Площадь помещения горячего цеха — 35,9 м², объём — 143,6 м³. Технологами предусмотрен островной зонт вытяжной габаритами 3100×1600×400 мм. Стандартная высота установки вытяжного зонта над поверхностью чистого пола — 2 м [3].

Основная тепловыделяющая технология горячего цеха представлена оборудованием, приведённым в табл. 1.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 3

В горячем цехе обеспечено разряжение, достигаемое подачей в смежное помещение выдачи блюд части приточного воздуха (принято 30% от удаляемого местным отсосом), предназначенного для вентиляции горячего цеха и перетекающего через проём, поскольку перетекание от обеденного зала технологически обеспечить невозможно.

Для расчёта расходов вытяжного воздуха через местные отсосы (МО) в применяемых методиках необходимы следующие исходные данные: тип установленного технологами кухонного оборудования и габариты; тип зонта, высота размещения над рабочей поверхностью; классификация горячего цеха по типу кухни; организация воздухообмена внутри кухни.

Долгие годы в российской практике применяется метод скорости всасывания [4]:

Lмо = 3600vA, (1)

где Lмо — расход воздуха, удаляемого из обслуживаемой зоны помещения местной вытяжкой, м³/ч; А — площадь расчётного сечения зонта, м²; v — требуемое значение скорости воздуха для устойчивой работы 0,15–0,3 м/с в зависимости от размеров зонта и типа кухонного оборудования.

Аналогом этой формулы в материалах [5] является расчёт традиционными методами:

Lмо = 3600vPH, (2)

где v — требуемое значение скорости воздуха для устойчивой работы 0,2–0,5 м/с в зависимости от типа кухонного оборудования; P — периметр горизонтальной проекции зонта, м; H — расстояние от кромки зонта до излучающей поверхности, м.

В обоих случаях этот метод не учитывает характеристики техники, например, фактической тепловой нагрузкой (точнее долей конвекции) пренебрегают.

При использовании зонта над нагретой поверхностью авторы методики [6] предложили принять расход удаляемого воздуха, основываясь на наличии устойчивого конвективного потока, возникающего при температуре 70°C и более, в зависимости от расхода воздуха, подтекающего к зонту с конвективной струёй:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 4

где Qк — конвективная теплота от кухонного оборудования, Вт; z — расстояние от поверхности кухонного оборудования до местного отсоса, 1,1 м; F — площадь всасывающего сечения зонта, м²; Fи — площадь источника тепловыделений, м².

По методике [7] расход воздуха, удаляемого от источника, выделяющего теплоту и газы, пропорционален «характерному расходу воздуха в конвективном потоке, поднимающемся над источником тепловыделений»:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 5

где d — эквивалентный диаметр источника, м; kп — безразмерный множитель, учитывающий влияние геометрических и режимных параметров, характеризующих систему «источник-отсос»; kс — коэффициент, учитывающий влияние скорости движения воздуха в помещении; kв — коэффициент, учитывающий токсичность вредных выделений.

В работе [8] рассмотрены подробно вопросы расчёта воздухообмена в горячем цехе предприятий общественного питания как по производительности местных отсосов, так и на удаление избыточной теплоты. Для расчёта воздухообмена в горячих цехах принимаются: температура воздуха, удаляемого через зонты, завесы и локализующие устройства над кухонным оборудованием, выделяющим тепло, до 42°C; температура воздуха под потолком 30°C [согласно нормативам ТСН 31–320–2000 города Москвы (МГСН 4.14–98)].

Объём воздуха, удаляемого местным отсосом, определяется по формуле [8]:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 6

где Qоб1 — количество теплоты, поступающей под вытяжной зонт от источника, Вт; ρ — плотность воздуха, удаляемого местной вентиляцией, кг/м³; cв — удельная массовая теплоёмкость воздуха, равная 1005 Дж/(кг·°C); tрз — температура воздуха в рабочей зоне кухни, °C.

Теплопоступления от технологического оборудования кухонь Qоб1 [Вт] определили по формуле [8]:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 7

где N — установочная мощность технологического оборудования (табл. 1), кВт; Kод — коэффициент одновременности работы теплового оборудования (для ресторанов — 0,7); Kз — коэффициент загрузки теплового оборудования (электроплиты — 0,65; электрические мармиты и тепловые шкафы, электросковороды и электрофритюрницы — 0,5; прочее оборудование — 0,3); Kмо — коэффициент эффективности вытяжных устройств, равный 0,75.

Воздушный баланс горячего цеха определяют из расчёта компенсации воздуха, удаляемого местными отсосами и общеобменной вытяжной вентиляцией с учётом возможности ассимиляции теплопритоков в помещение. Расчёт воздухообмена в горячих цехах проводится на поглощение теплоизбытка в рабочей зоне от людей, электроосвещения и технологического теплового оборудования. Суммарные теплопоступления в помещении горячего цеха — 7,56 кВт [1 кВт от людей, 0,46 кВт от освещения, 6,1 кВт от оборудования по формуле (6)]. Суммарные влагоизбытки составили 3,15 кг/ч, тепловлажностное отношение в помещении 8600 кДж/кг.

Расчёт сведём в общую табл. 3 для всех рассматриваемых методик.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 8

Ранее в [3] был рассмотрен опыт расчёта воздухообмена горячих цехов во Франции и Бельгии несколькими методиками. Отметим тот факт, что они основаны на немецкой методике VDI 2052, так же как Рекомендации [9], которые в настоящее время широко применяются в отечественной практике. Расход воздуха, удаляемого местным отсосом, определяют из расчёта [9] улавливания конвективного потока, восходящего над горячей поверхностью кухонного оборудования.

Расход воздуха в конвективном потоке Lki [ м³/с] над индивидуальным кухонным оборудованием рассчитывают по формуле:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 9

где k — экспериментальный коэффициент, равный 5×10–3 м4/3·Вт1/3·с-1; Qкi — доля конвективных тепловыделений кухонного оборудования, Вт; D — гидравлический диаметр поверхности кухонного оборудования, м; r — поправка на положение источника теплоты по отношению к стене, принимаем r = 1,0.

Расход воздуха, удаляемого местным отсосом:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 10

где n — количество оборудования, расположенного под отсосом; a — поправочный коэффициент, учитывающий подвижность воздуха в помещении горячего цеха, при подаче через плафонные воздухораспределители на потолке, a = 1,2.

Результаты расчёта по формулам (7) и (8) сведены в табл. 2.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 11

Кратность воздухообмена помещения горячего цеха по расчёту 441/ч превышает 201/ч, согласно [9] общеобменная вытяжка не требуется. Для предыдущих методик введём определённость: общеобменная вытяжка принята по рекомендациям специалистов двукратной, для [8] общеобменная вытяжка — по расчёту.

Величину Qоб2 согласно [9] определяют аналогично Qк по явным тепловыделениям от установленной мощности оборудования в размере 50%:

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 12

где Кя — доля явных тепловыделений от установочной мощности кухонного оборудования, Вт/ кВт; kо — коэффициент одновременности работы кухонного оборудования, принимаем 0,7.

Следовательно, суммарные теплопоступления в помещении горячего цеха — 6,16 кВт [1 кВт от людей, 0,46 кВт от освещения, 4,7 кВт от оборудования по формуле (9)]. Суммарные влагоизбытки составили 3,15 кг/ч, тепловлажностное отношение в помещении — 7000 кДж/кг.

Расчёт сведём в общую табл. 3 для всех рассматриваемых методик.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 13

Следуя общей рекомендации: температура воздуха в помещениях горячих цехов с постоянным пребыванием людей должна находиться в пределах от 16 до 27°C, проведём проверку, что температура воздуха в рабочей зоне меньше 27°C и не более чем на 5°C выше температуры наружного воздуха. При превышении температуры в рабочей зоне допустимого значения необходимо охладить воздух, подаваемый отдельной приточной установкой, для поддержания заданной температуры воздуха в помещении.

Также проверим соблюдение условий, что температура воздуха под потолком зонта tух.мо < 42°C; температура воздуха под потолком tух < 30°C после расчёта воздушного баланса помещения и требуемое значение скорости воздуха в приёмном сечении вытяжного зонта более 0,25–0,3 м/с. Результаты решения балансовых уравнений помещения [4] также сведены в табл. 3.

Для компьютерного моделирования энергозатрат и количества воды, расходуемых центральными приточными системами, на кафедре ТГВ НИУ МГСУ разработана вероятностно-статистическая модель климата и универсальная программа [10]. Климатическая база, предназначенная для анализа режимов работы вентиляционных установок, работающих с учётом времени работы самого ресторана 4970 ч в год, представляет собой таблицу, в ячейках которой записаны повторяемости сочетаний температуры (с градацией через 2°C) и относительной влажности (с градацией через 5%) с указанием среднего для этого сочетания атмосферного давления.

Алгоритм расчёта составлен на основе перебора сочетаний температуры и относительной влажности воздуха от минимальных до максимальных значений. Принята приточная установка с подогревом наружного воздуха в холодный период года и управляемым процессом охлаждения в поверхностном воздухоохладителе в тёплый период года. В общем расходе наружного воздуха, обрабатываемого центральной приточной установкой, учтены расходы приточного воздуха во вспомогательные помещения, которые обслуживаются этой же системой (4375 м³/ч).

Результат компьютерного расчёта по каждому варианту представлен в табл. 4.

Анализ годового энергопотребления системами вентиляции горячего цеха ресторана. 2/2020. Фото 14

Анализ полученных результатов в табл. 3 и 4 показывает, что:

  • ни одна из методик не дала схожих результатов в пределах погрешности 5–10%, кроме [6] и [8], расчёт по формуле (2) даёт результаты в два раза превышающее, чем остальные подходы и значительную кратность воздухообменов, что позволяет нам поставить под сомнение применение этой формулы;
  • расхождение по расходам воздуха, удаляемым зонтами, колеблется от 9 до 110%;
  • расчёты по [6] и [8] не дают требуемое значение скорости воздуха в приёмном сечении вытяжного зонта более 0,25–0,3 м/с;
  • расхождение по расходу энергоресурсов установками приточной и вытяжной вентиляции, работающими на горячий цех, колеблется: от 6 до 97% для электроэнергии, от 6 до 63% для теплоты, от 14 до 30% для холода;
  • в результате расчётов по [4, 6–8] требуется в тёплый период года охлаждать наружный воздух перед подачей в помещение горячего цеха;
  • в результате расчётов по [5] и [9] в тёплый период года наружный воздух можно подавать в помещение без охлаждения, при этом необеспеченность температуры воздуха не превышает 200 ч/год.

От выбора методики расчёта вытяжного зонта зависит эффективность и экономичность его работы. Поскольку удаляемый местными кухонными вытяжками загрязнённый воздух должен компенсироваться, приточная установка вынуждена очищать и подогревать огромные объёмы воздуха, что увеличивает как капитальные затраты на оборудование, так и эксплуатационные на потребление электричества и теплоты (холода).

Кроме того, с ростом цен на энергию владельцы предприятий общественного питания также начинают осознавать преимущества использования систем вентиляции с возможностью применения энергосберегающих решений. Однако без единой методики расчётов оценить окупаемость принятых решений невозможно.

Значительные расхождения в результатах расчётов вытяжных зонтов по разным методикам определяют необходимость проведения экспериментальных исследований и создание обобщённой методики на основе этих экспериментов.