سیستم های تهویه پرقدرت آشپزخانه های تجاری
از موضوعات اصلی مورد بحث در بین اعضای انجمن طراحان HVAC و صنایع غذایی، میزان مصرف انرژی سیستم های تهویه در آشپزخانه های تجاری (CKV) است.
در چند سال اخیر افزایش هزینه مصرف انرژی، طراحان صنعتی را به استفاده از سیستم های تهویه اقتصادی و مطابق با نیاز مصرف کننده (DCKV) تشویق نموده است.
البته تلاش این صنعت برای ارتقای کارآیی انرژی به هنگام استفاده از سیستم CKV و ایجاد آسایش حرارتی در آشپزخانه های تجاری تاکنون پاسخ قانع کننده ای دریافت ننموده است. در این راه، طراحان صنعتی به منظور کاهش مصرف انرژی و جلوگیری از ورود هوای جبرانی بیرون ساختمان به داخل آشپزخانه، همواره ایجاد آسایش حرارتی و به اعتدال رساندن هوای محیط را در نظر گرفته اند. مهندسان ساختمان و طراحان صنعتی نسبت به ایجاد گرمایش محیط در آشپزخانه های تجاری و رستورانها کاملاً آگاهند و البته عموم مردم به هنگام ورود به رستوران یا مراکز تفریحی – غذایی متوجه این مهم در آشپزخانه های تجاری نمی شوند.
واژه "پرقدرت" در ارتباط با سیستم های تهویه CKV به چه معناست؟ این سیستم در واقع نوعی اگزاست هود است که به طور کامل دود و هوای چرب و آلوده را به خود جذب کرده، صدای اندکی تولید می کند و با مصرف بسیار اندک انرژی، آسایش حرارتی فضای آشپزخانه را با رعایت اصول ایده آل طراحی مهندسی فراهم می کند.
سیستم اگزاست هود در آشپزخانه های تجاری
حجم هوای عوض شده ورودی به اگزاست هود آشپزخانه نباید از 10 درصد حجم هوای خارج شده از هود بیشتر باشد.
مثال نخست، عملکرد هودهای "اتصال کوتاه" را توضیح می دهد که در آنها درصد بالایی از هوای جبرانی (تقریباً 80 درصد) مستقیماً وارد مخزن هود می شود. تحقیقات نشان داده است که هوای ورودی به حفره هود در مقابل ستون حرارتی ایجاد شده از تجهیزات آشپزی قرار گرفته، بنابراین لازم است که میزان تخلیه، از جریان هوای ستون حرارتی بیشتر باشد تا هود بتواند این ستون حرارتی را جذب و نگهداری کند. مثال مشابه، همان پدیده " وان حمام " است که در آن میزان آب تخلیه شده (در اینجا هوای خروجی) باید با میزان آب وارد شده به داخل وان به اندازه ای هماهنگ باشد که آب درون وان سرریز نکند. (در اینجا وان حمام همان هود آشپزخانه است). آزمایشات انجام شده روی انواع هودهای اتصال کوتاه و تجهیزات آشپزی نشان می دهد که اگر میزان هوای وارد شده به حفره هود از 10 درصد میزان هوای خارج شده از هود بیشتر شود، عمل جذب و نگهداری ستون حرارتی با شکست مواجه می شود.
بنابراین هر نوع افزایش میزان هوای ورودی به داخل حفره هود نیازمند افزایش حجم هوای خروجی از داخل فن و همینطور مصرف انرژی بیشتر برای جذب و نگهداری ستون حرارتی می باشد.
روش دیگر برای افزایش 10 درصدی حجم هوای وارد شده به هود نسبت به هوای خارج شده، ایجاد پرده هوا با سرعت بالا و ثابت است. در این نوع طراحی جدید، الگوی خاصی برای محیط داخلی حفره هود در نظر می گیرند که در آن با افزایش طول لبه پایینی هود، عمل جذب و نگهداری ستون حرارتی با کیفیت بهتری انجام شود. غالباً طراحی هودهای اتصال کوتاه با چنین ویژگیهایی صورت می گیرد.
هوای تهویه شده فضایی که در آن هود آشپزخانه در حال کار کردن است نباید از موارد زیر بیشتر شود:
الف. جریان هوای مورد نیاز برای گرم یا سرد کردن فضا
ب. جریان هوای خارج شده از هود، منهای هوای انتقالی از فضاهای مجاور. هوای انتقالی در واقع بخشی از هوای تهویه شده بیرون است که برای حفظ تعادل فشار فضاهای مجاور و همینطور خروج هوا از فضاهایی مثل سرویس های بهداشتی مورد نیاز نیست..
دلیل اینکه هوای تهویه شده نباید از موارد فوق بیشتر شود این است که حجم هوای انتقالی (که از فضای بیرون وارد شده و تا آن لحظه سرد یا گرم شده است) بالا رفته تا کمکی برای هوای جابجا شده و ورودی به داخل هود باشد؛ در نتیجه بخش تولید هوای جبرانی در هود (MAU) انرژی کمتری مصرف می کند. در برخی موارد، فن ها یا داکت های انتقال طوری طراحی می شوند که خودبخد این نیاز را تأمین کنند، اما در موارد دیگر افزایش یک واحد MAU دیگر در طراحی هود می تواند مقرون به صرفه تر باشد؛ مخصوصاً که از دید حرفه ای، طراح می بایست وجود هوای انتقالی را کلاً صفر در نظر بگیرد و یا احتمال دهد هوای انتقالی فضاهای مجاور با عملکرد اگزاست هود مطابق نیستند تا در این صورت موارد استثنا پیش نیاید.
اگر تجهیزات کلی یک آشپزخانه تجاری دارای هودهایی با مجموعه هوای خروجی بیشتر از 5,000 cfm باشد، بنابراین میزان هوای خروجی هر یک از هودها باید با جدول 1 مطابقت داشته باشد.
برای مثال اگر در آشپزخانه رستوران، یک هود سقفی تک برای چند تجهیزات آشپزی با روشهای مختلف (از قبیل فر، جوجه گردان و اجاق گاز) مورد استفاده قرار بگیرد، بنابراین حداکثر حجم هوای خروجی برای هر یک از آن وسایل، نباید از مقادیر مشخص شده در جدول بیشتر شود.
تعیین میزان 5,000 cfm برای آشپزخانه رستورانهای کوچک که در آنها استفاده از وسایل و تجهیزات کم مصرف مهم است، مناسب می باشد. به تدریج استاندارد " تجهیزاتی با اگزاست هودهای کلی بیشتر از 5,000 cfm " جایگزین استاندارد " اگزاست هودهای تکی بیشتر از 5,000 cfm " شد تا دیگر از هودهای چندتایی یا تکی که ظرفیت زیر 5,000 cfm دارند استفاده نشود و از مصرف انرژی بیشتر جلوگیری شود.
در طراحی اگزاست هود می بایست استانداردها به نحوی رعایت شوند که هود بتواند به هنگام آتش سوزی یا ازکارافتادگی فن هم عمل کند. هود در واقع باید بتواند دود، هوای چرب و آلوده و ضایعات ناشی از حریق را در چنین شرایطی جذب و نگهداری کند.
کمیته تعیین استاندارد سیستم تهویه آشپزخانه با نام ASTM روش آزمایشی جدیدی را با قابلیت مشاهده پیشرفته خروج جریان هوا ایجاد کرد که در آن میزان جذب و نگهداری هوای خروجی برای هودهای مختلف با طراحی های متفاوت تعیین و اندازه گیری می شود. این روش اندازه گیری جدید در پروژه های تحقیقاتی CKV و همینطور نحوه عملکرد هودهای پرقدرت به کار گرفته شد.
شکل 2 نتایج آزمایشات انجام شده بر روی انواع هود دیواری با هشت نوع طراحی مختلف در سایز 10 فوت را نشان می دهد و مطابق استاندارد ASTM 1704 نحوه عملکرد این هودها را با هودهای معمولی روی تجهیزات آشپزی چندگانه مقایسه می کند.
در سری نخست داده ها، هودها بدون پانل های جانبی آزمایش شده اند؛ در حالی که در سری دوم، هودها با پانل های جانبی عمل می کنند. هودهای معمولی مثل هودهای پرقدرت داخل لیست دارای تجهیزات پیشرفته ای از قبیل
فلنج های ارتقای جریان هوا نیستند. شکل 2 نشان می دهد که عمل جذب و نگهداری هوای خروجی هشت هود پرقدرت، هم سطح یا کمتر از حداکثر 280 cfm در یک هود (و کلاً برابر 2,800 cfm) است. تفاوت در میزان جذب و نگهداری هوای خروجی به دلیل طراحی متفاوت هر یک از هودهاست.
در شکل مشاهده می کنید که هود معمولی دارای بالاترین میزان جذب و نگهداری و هود Manufacturer 8 به دلیل عدم وجود پانلهای جانبی و نشت جریان همرفتی هوا از اطراف هود، در پایین ترین سطح قرار دارد. با این وجود در هر دو مورد اضافه کردن پانلهای جانبی به هودها از میزان هوای خروجی کم می کند. در مورد هودهای سقفی تک که بر روی چندین تجهیزات آشپزی به طور همزمان و در آشپزخانه رستورانهای بسیار بزرگ کار می کند، داستان از نوع دیگری است.
در این نوع هودها ستون حرارتی ایجاد شده از تجهیزات آشپزی چندکاره نسبت به جرم ها و ضایعات عبوری و هوای جبرانی که با سرعت بالا وارد حفره فن می شوند حساس است. در نتیجه حجم هوای خروجی مورد نیاز برای جذب و نگهداری این دو ستون حرارتی به شدت افزایش می یابد. تحقیقاتی بر روی هوای خروجی انواع هودهای دیواری تک انجام شده است. در یک مثال تحقیقی فیلتر یک نوع هود دیواری تک با سایز 3×1.2 m در قسمت عقب هود و در نوع دیگر با ابعاد 3×1.8 m فیلتر V شکل در قسمت مرکزی هود قرار داشت. هوای جایگزین از طریق 14 واحد پخش کن تعبیه شده در کف هود تأمین می شد تا به متابعت از هوای انتقالی فضاهای مجاور، هوایی با سرعت پایین تولید کرده و در نتیجه از تأثیر هوای جایگزین بر عملکرد هود بکاهد. نتایج کار در شکل 3 نشان داده شده است.
دشواری عمل جذب و نگهداری در هوای خروجی پر سرعت ظاهر می شود. پانلهای جانبی ازمیزان دود، هوای چرب و ضایعات آشپزی کم کرده و با اینکار به عمل جذب و نگهداری کمک می کنند. البته داده های شکل 3 برای هودهای معمولی است. متأسفانه بسیاری از تولیدکنندگان هودهای پرقدرت، استاندارد ASTM F1704 را رعایت نمی کنند.
آشپزخانه ای مجهز به مجموعه ای از هودها با جریان هوای خروجی بیشتر از 5,000 cfm باید دارای یکی از ویژگیهای زیر باشد:
الف. حداقل 50 درصد از هوای جایگزین، همان هوای انتقالی باشد که از سمت دیگر از هود خارج می شود.
ب. سیستم تهویه مورد نیاز، حداقل 75 درصد هوای خروجی باشد. چنین سیستم هایی باید بتوانند حداقل 50 درصد از میزان هوای خروجی و هوای جایگزین کم کرده، کنترل های ضروری برای تعدیل جریان هوا را داشته باشند و عمل جذب و نگهداری دود، هوای چرب و آلوده و ضایعات ناشی از آشپزی را به طور کامل انجام دهند.
ج. دارای ابزار بازیافت انرژی و حرارت مؤثر بوده که کمتر از 40 درصد از حداقل نصف هوای خروجی هود نباشد.
افزایش هوای انتقالی
در سیستم تهویه آشپزخانه های تجاری، هوای جایگزین مورد نیاز، معادل 100 درصد از هوای خروجی است؛ در واقع هر مقدار هوا که خارج شده باشد با همان حجم هوای تازه وارد می شود. یک نوع طراحی معمول انجام شده است که در آن حداقل 80 درصد از هوای جایگزین با استفاده از واحد تولید هوای جبرانی (MAU) تأمین شده و 20 درصد باقیمانده با سیستم های تهویه مطبوع سقفی HVAC در آشپزخانه و هوای انتقالی ایجاد شده از فضاهای مجاور تأمین می شود. این امر باعث می شود که هوای آشپزخانه در فشار منفی (نسبت به اتاق مجاور) بماند و بنابراین هوای پر از بوی آشپزی وارد سایر اتاق ها نشود. البته در برخی شرایط آب و هوایی، هوای جایگزین واحدهای MAU تهویه نشده و شرایط محیطی نامناسب (خیلی سرد یا خیلی گرم) در آشپزخانه ایجاد می شود. در سایر شرایط آب و هوایی هوای جبرانی گرم شده و در نتیجه واحدهای MAU سیستم تهویه به طور همزمان فضای آشپزخانه را به ترتیب گرم و سرد می کنند.
در افزایش هوای انتقالی، اولین روش می تواند استفاده از هوای بیرون به عنوان هوای جایگزین برای تأمین هوای اتاق مجاور آشپزخانه و متعاقباً کاهش شکست هوای جایگزین توسط واحدهای MAU باشد. اگر هوای انتقالی (که از طریق تجهیزات سقفی تأمین می شود) به میزان 50 درصد یا بیشتر از هوای تخلیه شده باشد، طراحی DCKV مطابق استاندارد سیستم تهویه آشپزخانه انجام شده است. البته باید دقت شود که هوای انتقالی نباید با سرعت بالا وارد آشپزخانه شود؛ چرا که موجب سرد شدن غذا کنار پنجره های انتقال هوا می شود. از آنجا که در بیشتر موارد هوای اشغال شده با تهویه همراه است، بنابراین انتقال آن به آشپزخانه می تواند محیط مطبوعی را ایجاد کند.
بسیاری از رستورانهای زنجیره ای از این استراتژی پیروی کرده و تمام هوای جایگزین مورد نیاز سیستم CKV را از طریق تهویه HVAC تأمین می کنند و در نتیجه آسایش حرارتی محیط آشپزخانه را ایجاد می کنند.
تهویه آشپزخانه با روشهای کنترل شده
در افزایش هوای انتقالی دومین روش می تواند استفاده از سیستم های تهویه اقتصادی و مطابق با نیاز مصرف کننده DCKV باشد که در کاهش مصرف انرژی و افزایش کارآیی سیستم تهویه می تواند بسیار مؤثر باشد.
البته تمام سیستم های CKV بدون توجه به سیستم کنترل، زمانی که تجهیزات آشپزی خاموش و یا شروع به کار هستند، نمی توانند از آن الگوی 50 درصدی جریان هوا پیروی کرده و به همان طریق عمل کنند. به این دلیل که بعضی از تجهیزات آشپزی در حالت شروع به کار نوعی ستون حرارتی ایجاد می کنند که تقریباً با همان شدت ستون حرارتی به هنگام آشپزی عمل می کند. البته حالت دیگری نیز از عملکرد هود می توان مثال زد که در آن تنها یکی از بخشهای تجهیزات آشپزی چندکاره، مثلاً جوجه گردان اجاق در حال کارکردن است و سایر بخشها غیرفعال هستند. در این حالت نیز همچنان هود باید روشن بماند تا آن بخش در حال کارکردن را پوشش دهد و یا سایر بخشهای خاموش شده را به تدریج خنک کرده و فضای اطراف آنها را تمیز کند. در چنین مواردی کاهش هوای خروجی هود به میزان 50 درصد منطقی ست.
بازیافت انرژی
سومین روش در افزایش هوای انتقالی، استفاده از تجهیزات بازیافت انرژی و یا تهویه بازیافت حرارتی (HRV) می باشد. از نگاه ترمودینامیکی بازیافت حرارتی هوای خروجی هود که منجر به تهویه آشپزخانه می شود، بسیار جالب است. هر چند که عملاً هوای ناشی از بازیافت حرارتی که از هود خارج می شود، پر از چربیها و آلودگی های آشپزی بوده و نیازمند مراقبت از شرایط خطرناک احتمالی مثل آتش سوزی می باشد. نتیجه اینکه نصب چنین سیستم هایی گرانتر از سایر سیستم های گروه HRV می باشد.
یکی از جنبه های مثبت استفاده از سیستم HRV ایجاد شرایط نامتعادل جریان هاست که در آن هوای خروجی بیشتر از هوای واحد تأمین کننده است که خود منجر به افزایش بازدهی حرارتی سیستم HRV می شود و اگر همراه با DCKV به کار رود بازدهی حرارتی به کاهش جریان هوا و افزایش بار فرود می انجامد. دمای بالای هوای خارج شده از هود، در ترکیب با شرایط نامتعادل جریان هوا ممکن است باعث شود مبدل حرارتی خنک شده و یخ بزند. (یخ زدگی مبدل حرارتی پدیده ای ست که غالباً در آب و هوای سرد اتفاق می افتد و غالباً نیاز است که راه حلی برای جلوگیری از آن به کار گرفته شود).
تحقیقات نشان داده است که استفاده از سیستم DCKV از روش بازیافت حرارتی مؤثرتر است. با این وجود ترکیب استفاده از دو سیستم DCKV و HRV می تواند نیاز به گرم کردن هوای جبرانی را کاملاً برطرف کند.
تست عملکرد: برای ارزیابی جریان هوا و نشان دادن عمل جذب و نگهداری صحیح در هود آشپزخانه روشهای تست پیشرفته مورد نیاز است. این بخش به تأیید درستی اصول عملکرد و راه اندازی سیستم های تهویه آشپزخانه که برای امنیت و سلامت شخص ضروری است می پردازد.
سیستم هود آشپزخانه مجموعاً شامل تجهیزات مختلف مونتاژ شده در کنار هم از قبیل هود، فن، سیستم هوای جایگزین، داکت و سیستم توزیع جریان هوا می شود و از لحظه نصب هود درستی عملکرد آن می بایست آزمایش شود.
ارزیابی طراحی جریان هوا در آشپزخانه های تجاری می تواند با روش تست استاندارد ASTM F2975 انجام شود.
برای اندازه گیری سرعت و تصحیح فاکتورهای هوای خروجی و هوای جبرانی پروتکل هایی توسط این استاندارد تعریف شده است. از شرایط این تست، عملکرد تجهیزات آشپزی در دمای معمول آشپزخانه، وجود منابع بیرونی تولید هوای جبرانی و هوای در چرخش می باشد.
عمل جذب و نگهداری به صورت عینی و با مشاهده دود و بخار به هنگام پخت و پز به دقت بررسی می شود.
سیستم های DCKV می بایست به ترتیب تحت شرایط آشپزی با بار هوایی سبک، متوسط و سنگین ارزیابی شود.
نامناسب ترین ترین شرایط تست زمانی است که شرایط محیط از بار هوایی صفر یا سبک یکباره به بار هوایی سنگین برسد تا در آن زمان میزان عمل جذب و نگهداری هود بررسی شود.