Вентиляция предприятий общественного питания

Кухонные вытяжки, использующие системы вентиляции, регулируемые по уровню потребности

S.K. Melink, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), президент корпорации «Melink», США

Четыре стратегии автоматического регулирования системы вентиляции

Еще несколько лет назад устройства регулирования системы вентиляции в основном состояли из ручных выключателей и магнитных реле или пускателей электродвигателей вентиляторов. Вытяжные вентиляторы или вентиляторы систем кондиционирования воздуха либо постоянно работали при максимальной скорости, либо совсем не работали. Время от времени специалисты модернизировали свое оборудование, установили двухскоростные системы, в которых переключение с малой скорости вращения на большую и наоборот повара выполняли вручную.

Современные системы вентиляции основаны на использовании микропроцессоров и датчиков, автоматически регулирующих скорость вращения вентиляторов — в зависимости от интенсивности работы на кухне, времени суток, уровня комфорта на кухне и качества внутреннего воздуха.

Первая стратегия регулирования

Первая стратегия автоматического регулирования системы вентиляции основана на притоке энергии к кухонному оборудованию. Идея заключается в том, что чем больше энергии потребляет оборудование, тем более мощная система вентиляции требуется на кухне.

Эта стратегия подразумевает установку датчиков и измерительных преобразователей на газовых и/или электрических линиях для контроля потребления энергии, а также частотно-регулируемых приводов для соответствующего изменения скорости вращения вентиляторов.

Надо сказать, что этот подход не получил широкого распространения, т. к. действующие нормы и правила требуют поддержания во время процесса приготовления пищи определенной минимальной скорости и минимального воздухообмена. К тому же датчики и измерительные преобразователи не обладают такими интеллектуальными возможностями, чтобы определить, что происходит на рабочих поверхностях кухонного оборудования. По этой же причине критерий производительности кухонного оборудования представляется весьма спорным, т. к. возможна ситуация, когда оборудование потребляет газ или электроэнергию, а приготовление пищи в это время не производится, и наоборот.

Рисунок 1. (подробнее) Уменьшение скорости вращения вентиляторов вытяжных колпаков в перерывах между приготовлением пищи позволяет сэкономить энергию, уменьшить износ вентиляционного оборудования и сократить попадание жира в воздуховоды

Вторая стратегия регулирования

Вторая стратегия автоматического регулирования системы вентиляции основана на оттоке энергии и сточных вод от кухонного оборудования (т. е. чем большее количество тепла и дыма/пара вырабатывается на кухне, тем более интенсивная вентиляция требуется).

При таком подходе предполагается установка температурных датчиков на края вытяжных колпаков, а оптических датчиков — в конце вытяжки. Также предполагается применение частотно-регулируемых приводов для соответствующего изменения скорости вращения вентилятора. Для получения более информативных данных о том, что происходит и что должно происходить на кухне, с точки зрения системы вентиляции, температурный датчик может устанавливаться на отверстие притока свежего воздуха, а также на передней поверхности вытяжного колпака. Это единственный подход, учитывающий требования норм и правил, т. к. оптический датчик может фиксировать присутствие дыма или пара и тем самым определять условия приготовления пищи. Более того, эта стратегия очень чувствительна к нагрузкам (тепла и дыма или пара), что определяет приоритетность использования вытяжных колпаков. И, наконец, этот подход обеспечивает несложную и недорогую установку, т. к. вытяжной колпак становится независимой интеллектуальной системой, которая может быть поставлена производителем вытяжных систем «под ключ».

Третья стратегия регулирования

Третья стратегия автоматического регулирования системы вентиляции основана на времени суток.

Хотя время суток является наиболее косвенной переменной регулирования для всех трех стратегий, тем не менее это наиболее просто реализуемый подход в условиях, если график приготовления пищи в большой степени предсказуем и если условия частичной нагрузки отсутствуют или имеются в незначительной степени. Однако опыт автора этой статьи говорит о том, что в большинстве кафе, ресторанов и других предприятий общественного питания график приготовления пищи слабо предсказуем. Действительная ценность этого подхода проявляется в том случае, если он комбинируется с первой или второй стратегиями регулирования. Далее, система вентиляции может быть запрограммирована таким образом, чтобы в обеденное время вентиляторы работали при максимальной скорости вращения, а до и после этого периода скорость вращения вентиляторов уменьшалась.

Четвертая стратегия регулирования

Четвертая стратегия регулирования основана на том, что повара вручную включают и выключают кухонное оборудование, поднимают крышки сковород, котлов и печей и при этом автоматически включается или выключается вентиляция.

Этот подход в большей степени, чем остальные три подхода, зависит от количества и типа применяемого оборудования, поэтому он имеет довольно ограниченное применение. Однако он может хорошо работать для небольших специальных вытяжных колпаков, расположенных над одиночным кухонным устройством. Например, в компании «Макдональдс» эта стратегия используется для вытяжного колпака над их сковородами с крышками. Если верхняя часть гриля закрывается и нажимается клавиша перехода в режим ожидания, то вентилятор вращается с малой скоростью. Как только верхняя часть гриля открывается, вентилятор начинает работать с повышенной скоростью. Как и в случае стратегии регулирования по времени суток, данная стратегия может быть эффективной при ее комбинировании с первой или второй стратегиями. Основной недостаток данного подхода заключается в том, что требуется интеграция кухонного оборудования и системы регулирования работы вытяжного колпака, а также в том, что здесь необходимо вмешательство оператора системы.

Более подробное рассмотрение второй стратегии регулирования

При автоматическом регулировании системы вентиляции, основанном на оттоке энергии и сточных вод от кухонного оборудования, обычно используются следующие операции.

Как и при использовании системы с обычным вытяжным колпаком, повар утром нажимает включатель света и вентиляторов, включая тем самым систему вентиляции. Вытяжной вентилятор и вентилятор свежего воздуха начинают работать с заданной минимальной скоростью. При включении кухонного оборудования скорость вентиляторов автоматически возрастает пропорционально росту температуры удаляемого воздуха. Как только начинается процесс приготовления пищи (показателем которого является появление дыма и пара, регистрируемых датчиками в вытяжном колпаке), скорость вращения вентиляторов возрастает до 100 %, и она остается на этом уровне до тех пор, пока не исчезнут выделения дыма и пара. Затем, в зависимости от температуры удаляемого воздуха, скорость вращения вентиляторов постепенно снижается. В конце дня для отключения системы вентиляции повар нажимает выключатель света и вентиляторов.

Кроме этого, микропроцессорная система регулирования может выполнять множество других задач:

- может быть запрограммирована на включение и выключение каждый день, в зависимости от времени суток и температуры;

- на основании максимальной температуры удаляемого воздуха может определять оптимальный температурный диапазон;

- может сравнивать температуру наружного воздуха с температурой на кухне и увеличивать скорость вращения вентиляторов, если имеются хорошие условия для экономичного естественного охлаждения;

- может вырабатывать сигнал для управления заслонкой, которая регулирует поступление наружного воздуха;

- если имеется запрос для нагрева или охлаждения (для обеспечения наилучших условий работы агрегата подачи свежего воздуха), эта система может вывести вентиляторы на новый, более высокий уровень скорости;

- может периодически повышать скорость вращения вентиляторов, чтобы определить, при какой скорости обеспечивается минимальный приток тепла в помещение;

- может увеличивать скорость вращения вентиляторов в определенные часы в течение дня и уменьшать ее в зимний период для обеспечения дополнительного нагрева помещения за счет распространения конвективного тепла;

- может ускорить вращение вентиляторов, если открывается крышка кастрюли, при помощи контактного переключателя или реле.

Кроме того, у повара имеется ручной переключатель для вывода вентилятора на максимальную скорость, если это нужно по каким-либо причинам. Причем этот переключатель снабжен таймером для обеспечения обратного переключения в автоматический режим для экономии энергии и обеспечения оптимального комфорта.

Рисунок 2. (подробнее) Обычный подход к эффективности вытяжного колпака Предпосылка: Улавливание – это хорошо, даже при чрезмерной вентиляции; распространение выделений – это плохо, независимо от того, насколько оно мало. Проблема заключается в том, что вытяжной воздух — это только половина всей картины, связанной с вентиляцией. Другая половина — это кондиционированный свежий воздух

Повышение энергосбережения

Проблемой обычных систем вентиляции с постоянным значением воздухообмена является бесполезная трата энергии вентиляторами и кондиционерами в периоды, когда приготовление пищи не производится. Бессчетное число раз автор летом был на крыше ресторана или супермаркета и наблюдал, как холодный воздух выбрасывается наружу одним или несколькими вытяжными вентиляторами, в то время как находящиеся рядом агрегаты кондиционирования воздуха работают на полную мощность, кондиционируя горячий и влажный воздух.

Энергосбережение, связанное с замедлением скорости вращения вентиляторов в те периоды, когда процесс приготовления пищи не ведется, зависит от многих факторов, включая такие, как расчетные параметры воздуха, эффективная мощность вентиляторов, тип оборудования кондиционирования воздуха, длительность работы, рабочий цикл, стоимость газа и электричества, географическое месторасположение.

Расчет экономии энергии, затрачиваемой вентилятором, легко выполнить, т. к. между скоростью вращения и эффективной мощностью вентилятора имеется простая кубическая зависимость. Однако расчет экономии для систем отопления и кондиционирования воздуха может быть более утомительным. (В Интернете по адресу www.archenergy.com/ckv.oak/default.htm имеется свободно распространяемая программа расчета нагрузки наружного воздуха (OALC), с помощью которой анализ может быть существенно облегчен.)

Рисунок 3. (подробнее) Оптимизированный подход к эффективности вытяжного колпака Предпосылка: Улавливание – это хорошо, но только не чрезмерное; распространение выделений – это плохо, но нагнетание может быть еще хуже. Стратегия контроля заключается в минимизации притока тепла в помещение в результате как распространения тепла, так и нагнетания наружного воздуха. При такой стратегии увеличивается энергосбережение и повышается уровень комфорта на кухне. Приток тепла является функцией температуры (по сухому и влажному термометру) и объема перемещаемого воздуха, а не только температуры (по сухому термометру)

После того, как будет подсчитана экономия энергии, потребляемой вентилятором и системами отопления и кондиционирования воздуха, полученные результаты должны быть скорректированы на дополнительные издержки на установку рассматриваемой системы автоматического регулирования вентиляции по уровню потребности. В общем случае, чем большая интеллектуальность заложена в стратегии регулирования, тем больше затраты на установку системы автоматического регулирования. Однако, чем большей интеллектуальностью обладает стратегия регулирования, тем больше экономия операционных расходов. Поэтому не следует думать, что простая и дешевая стратегия, например, стратегия регулирования по времени суток, имеет меньший срок окупаемости, чем более дорогая система. В действительности срок окупаемости может быть меньше при использовании более интеллектуальной системы.

Расчетный срок окупаемости системы автоматического регулирования обычно лежит в диапазоне от одного года до трех лет, в зависимости от объекта, где она используется, и от указанных выше факторов. Опыт автора говорит о том, что владельцы ресторанов предпочитают сроки окупаемости в указанных пределах, т. к. их бизнес очень зависит от первоначальных затрат. Однако для таких общественных зданий, как больницы и школы, обычно могут быть приемлемы и большие сроки окупаемости, т. к. они в большей степени зависят от эксплуатационных расходов.

Многие предприятия коммунальных услуг осознают потенциал энергосбережения систем вентиляции кухонь, регулируемых по уровню потребности, т. к. для кухонных систем вентиляции с переменным расходом воздуха (VAV-систем) экономия энергии вентиляторами является только частью возможной общей экономии.

Другим способом уменьшения себестоимости систем вентиляции, регулируемых по уровню потребности, и сокращения срока окупаемости систем регулирования является использование вентиляторов с непосредственным приводом, которые решают одну из самых больших проблем в ресторанах и других предприятиях общественного питания — уход за ремнями приводов.

Кроме того, вентиляторы с непосредственным приводом на 8–15 % более эффективны, чем вентиляторы с ременным приводом, т. к. у них отсутствует износ ремней. Основной причиной, почему в прошлом редко использовали вентиляторы с непосредственным приводом, являлось отсутствие способов изменения скорости вращения вентилятора. Однако с ростом популярности частотно-регулируемых приводов (VFD-приводов), являющихся, по существу, электронными пускателями электродвигателей, их дополнительная стоимость по отношению к магнитным пускателям электродвигателей может быть оправдана выгодами применения непосредственного привода.

Улучшение комфорта в помещении кухонь

При использовании системы вентиляции с постоянным расходом воздуха потребности в вентиляции и расход воздуха могут не совпадать.

Это особенно характерно для зданий, находящихся в южной климатической зоне. Так, во второй половине дня, от 14 до 17 часов, подача наружного воздуха в эти здания максимальна, а нагрузка, связанная с приготовлением пищи, обычно минимальна.

Проводившиеся в последние годы исследования на некоторых промышленных предприятиях выявили проблемы, выражающиеся в недостаточном вентилировании.

С другой стороны, мало говорится о противоположной и более распространенной проблеме, а именно — о чрезмерном вентилировании. При пониженной нагрузке снизу, от кухонного оборудования, вытяжные колпаки выводят большее количество кондиционированного воздуха, чем это необходимо, соответствующие системы подачи свежего кондиционированного воздуха обычно подают большее количество наружного воздуха, чем нужно. Ассимилирующая способность приточного наружного воздуха зачастую может быть больше, чем небольшое количество рассеянного тепла, возникающего перед вытяжным колпаком. Следовательно, следующим шагом, который нужно сделать для расширения модели вентиляции, является включение в эту модель условий на кухне и минимизация притока тепла в помещение.

Для выполнения такой задачи совершенно нет необходимости в слишком сложной системе, способной измерять количество перемещаемого воздуха и температуру для обеих этих нагрузок. Например, можно представить простой алгоритм, согласно которому каждый час на пять минут увеличивать скорость вращения вентиляторов на 10 %, чтобы посмотреть, возрастает или снижается температура на кухне. Этот алгоритм может быть дополнительным для другого алгоритма, контролирующего скорость вращения вентилятора на основании одной только температуры удаляемого воздуха. При этом исходной предпосылкой является заключение, что если температура в кухне повышается, то количество удаляемого тепла будет меньше, чем выделяемого, и наоборот.

Преимущества

Режим уменьшения скорости вращения вентиляторов в тот период, когда на кухне не идет процесс приготовления пищи, имеет несколько преимуществ:

1. Существенно большая тишина на кухне. Если вентиляторы снижают свою скорость вращения до уровня 80 % от максимальной скорости, то шум, производимый воздухом на фильтрах жировых испарений, уменьшается более чем на 20 %. Если вентиляторы работают при скорости, составляющей 50 % от максимальной, шум от воздуха практически исчезает. В результате мы получаем более приемлемые рабочие условия. Это же преимущество получают и пользователи, у которых вытяжные системы расположены перед домом.

2. Уменьшение износа оборудования систем ОВК. Мягкий запуск вентиляторов вытяжной системы с частотно-регулируемыми приводами увеличивает срок службы ремней. Уменьшение нагрузки наружного воздуха на кухонные агрегаты кондиционирования воздуха сокращает время работы компрессоров и тоже увеличивает их срок службы (это также можно отнести и к холодильным агрегатам, находящимся в помещении кухни). Кроме этого, уменьшение расхода свежего воздуха снижает интенсивность загрязнения фильтров и, следовательно, уменьшает проблему замены или очистки фильтров.

3. Уменьшение уноса жира в воздуховоды, в механизм вентилятора, в атмосферу и на крышу. Уменьшение скорости вращения вытяжных вентиляторов и уменьшение скорости воздуха позволяют создать условия для осаждения жира на вытяжном колпаке и в емкостях сбора жира, откуда этот жир может быть несложным образом удален. Удаление жира в его источнике более предпочтительно, чем преднамеренное загрязнение всей остальной системы и верхней части здания.

4. Возможность предотвращения ситуации, когда агрегат подачи кондиционированного воздуха нагревает воздух, и в то же самое время агрегат кондиционирования воздуха производит охлаждение. Эта проблема часто возникает в обычных системах, т. к. один из указанных агрегатов регулируется наружным термостатом, а другой — внутренним. Интеллектуальная система вентиляции, регулируемая уровнем потребности, работает скорее в согласии, нежели чем в борьбе с системой кондиционирования воздуха.

5. Возможность снизить затраты на капитальное строительство благодаря уменьшению производительных параметров устанавливаемого вентиляционного оборудования. Чем меньше теплого и влажного воздуха подается в помещение кухни в послеобеденное время, когда нагрузка наружного воздуха достигает своего максимума, а нагрузка от деятельности по приготовлению пищи минимальна, тем меньшая холодопроизводительность требуется.

6. Возможность улучшить показатели улавливания и удерживания конвективного тепла, поднимающегося от горячих поверхностей кухонного оборудования, при уменьшении скорости подачи свежего воздуха. Эта возможность является следствием того, что скорость свежего воздуха, а также турбулентность и поперечные сквозняки, создаваемые потоками этого воздуха, также важны для достижения высокой эффективности вытяжки, как и сам расход отработанного воздуха. Большинство вытяжных колпаков конструируются с расположенными в непосредственной близости системами подачи свежего воздуха.

7. Повод для обучения и побуждения персонала, работающего на кухне, выключать кухонное оборудование в периоды минимальной нагрузки. Это не только экономит энергию, потребляемую оборудованием, но и повышает экономию, достигаемую в системах вентиляции, регулируемых по уровню потребности.

8. Возможность применять в системе вентиляции вентиляторы с непосредственным приводом и таким образом устранить известное «слабое звено» всей системы вентиляции — ремень. Как уже указывалось ранее, вентиляторы с непосредственным приводом позволяют также устранить потери энергии на ремнях, что приводит, согласно данным большинства производителей вентиляторов, к дополнительному увеличению КПД вентиляторов на 8–15 %.

9. Возможность повысить уровень противопожарной безопасности на кухне. Так как температура вытяжного воздуха постоянно контролируется интеллектуальной системой вентиляции, регулируемой по уровню потребности, эта информация может использоваться для подачи звукового сигнала тревоги или для отключения кухонного оборудования, если температура приближается к температуре срабатывания системы тушения огня. Также это может снизить или даже свести к нулю расходы, связанные с активизацией системы тушения огня, т. е. расходы на очистку, переустановку, расходы, связанные с незадействованной рабочей силой, потерями продуктов питания, потерями в бизнесе.

Установка и техническое обслуживание

Хорошо сконструированные системы автоматического регулирования вентиляции по уровню потребности без труда устанавливаются в новых и реконструируемых зданиях. В системах, устанавливаемых в новостройках, изготовители вытяжных устройств должны предусматривать установку датчиков в каждом вытяжном колпаке и в устройстве обработки данных, а частотно-регулируемые приводы — в концевой камере одного из вытяжных колпаков. Единственной дополнительной, по отношению к установке обычной системы, проводимой на месте установки работой, является прокладка кабелей устройств регулирования от датчиков в вытяжных колпаках к устройству обработки данных.

В реконструируемых зданиях электрик должен установить датчики на каждом вытяжном колпаке и в устройстве обработки данных, в безопасном, но обычном месте. Частотно-регулируемые приводы должны устанавливаться на выходной стороне имеющихся пускателей электродвигателей и в месте прокладки кабелей управляющих устройств. Для установки обычно требуется четыре рабочих часа на один вытяжной колпак, что сходно со временем установки системы подавления огня в системе вытяжки.

Наконец, хорошо сконструированная система удобна в техническом обслуживании. Единственным видом необходимого технического обслуживания является еженедельная или ежемесячная очистка датчиков колпаков для обеспечения наибольшей эффективности их работы. Протирка этих датчиков занимает не более минуты.

Заключение

За последние годы были установлены тысячи систем вентиляции, регулируемых по уровню потребности, однако рынок таких систем все еще находится в стадии становления. Особенно много таких систем было установлено в супермаркетах, т. к. находящиеся в них небольшие закусочные и пекарни подвергаются очень изменчивым нагрузкам при приготовлении пищи. Кроме этого, среди персонала супермаркетов имеются сотрудники, которые знают об эффективности потребления энергии и которые уже понимают и высоко ценят преимущества технологии работы вентиляторов с переменной скоростью вращения. В таких общественных зданиях, как больницы, дома престарелых, школы, университеты и правительственные учреждения, также достаточно удобно и выгодно применять данную технологию, т. к. в них обычно используются работающие длительное время большие вытяжные колпаки. В этом отношении ресторанные сети имеют свои особенности, т. к. во многих из них применяются небольшие вытяжки. Однако с ростом цен на энергию владельцы и сотрудники предприятий общественного питания также начинают осознавать преимущества использования систем вентиляции с регулированием по уровню потребности, поэтому и здесь интеллектуальные системы вытяжки постепенно переходят в класс стандартного оборудования.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено Ф. А. Шилькрот — гл. специалистом МОСПРОЕКТ-3