Projektowanie wentylacji w obiektach gastronomicznych a wyzwania spowodowane pandemią

Wentylacja w gastronomii a obecne wyzwania

Projekt wentylacji restauracji powinien powstać na podstawie wytycznych od technologa. Znając przeznaczenie danego obiektu, ustawia on na rzucie niezbędne urządzenia, np. zlewy czy okapy, kuchnie. W lokalach gastronomicznych można wyodrębnić następujące strefy [1]:

• produkcyjną (kuchnia i zmywalnia),
• magazynową,
• ekspedycyjną,
• handlową,
• administracyjno-socjalną,
• sale konsumenckie.

Sprawdź: Sprzęt gastronomiczny marki Hendi >>

Zadaniem projektanta wentylacji i klimatyzacji jest skoordynowanie projektu technologii ze swoim, zastosowanie się do wytycznych i podłączenie odpowiednich urządzeń do instalacji. Projektant wentylacji potrzebuje informacji o:

• typie kuchni,
• typie urządzeń i zyskach ciepła jawnego i utajonego, najlepiej w formie tabeli z przypisaniem ich do konkretnych pomieszczeń,
• lokalizacji urządzeń i ich wymiarach zaprezentowanych na aktualnych rzutach architektury,
• współczynniku jednoczesności i czasu pracy,
• rodzaju nawiewu powietrza.

Wszystkie te dane powinna zawierać „technologia”, ale nie zawsze projektant HVAC je otrzymuje. Gdy kontakt z technologiem jest utrudniony, a czasu do wydania projektu coraz mniej, trzeba działać samodzielnie, opierając się na wiedzy inżynierskiej.

W pomieszczeniach kuchni i zmywalni na etapie projektowym należy zwrócić uwagę na zyski ciepła od urządzeń technologicznych oraz zyski wilgoci związane z emisją pary wodnej. Poza tym w kuchniach emitowane są opary i cząstki tłuszczu, zapachy, produkty spalania oraz wydzielające się podczas obróbki termicznej jedzenia aldehydy. Konieczny jest taki rozdział powietrza dla tych pomieszczeń, który uniemożliwi przedostawanie się powietrza z kuchni czy zmywalni do sali konsumenckiej. Z kolei w pomieszczeniach, w których przechowywana jest żywność, należy tak zorganizować wymianę powietrza, aby nie docierało ono z sąsiednich pomieszczeń i nie niosło ryzyka transmisji bakterii czy nawet wirusów.

Ciepło jawne oddawane na drodze konwekcji oraz opary powstające w kuchni usuwa się za pomocą okapów. Ciepło oddawane na drodze promieniowania jest akumulowane np. w ścianach lub elementach wyposażenia, a następnie oddawane, co zwiększa temperaturę w pomieszczeniu. Dlatego konieczna jest także instalacja klimatyzacji, aby zapewnić komfort pracownikom. Projektując przewody wyciągowe z okapów, należy przewidzieć otwory rewizyjne, które pomogą kontrolować odkładanie się łatwopalnego tłuszczu w instalacji. Istotny jest także materiał kanałów, a okapy powinny być wykonane ze stali kwasoodpornej. Ważne jest też, by nie łączyć systemów obsługujących pomieszczenia kuchni oraz przygotowania i wydawania posiłków z systemami obsługującymi pozostałe pomieszczenia w obiekcie.

Gdy brakuje informacji od technologa

W trakcie wzorcowego procesu projektowego technolog opracowuje dokumentację i dostarcza ją w wyznaczonym terminie, tak aby inżynierowie sanitarni mogli zacząć swoją pracę. W rzeczywistości nierzadko się zdarza, że projekt architektury zmienia się bardzo dynamicznie ze względu na uwagi sugerowane przez inwestora. Jeśli nawet pierwsza wersja technologii została udostępniona projektantom sanitarnym w odpowiednim czasie, to na skutek zmian w trakcie procesu projektowego staje się nieaktualna. Bywa też tak, że technolog, mając do czynienia ze skomplikowanymi i rozbudowanymi urządzeniami gastronomicznymi, jest tak zajęty innymi zleceniami, że dostarcza swoją dokumentację niemal równocześnie z terminem wydania projektów branżowych.

Czytaj też: Systemy wentylacji budynków muszą być znacznie lepsze >>

W takich sytuacjach projektanci branżowi, szczególnie wentylacji i klimatyzacji, muszą sobie radzić samodzielnie. Niemniej jednak powinni otrzymać informacje o rodzaju planowanych do zastosowania urządzeń i ich rozmieszczeniu. Jeśli nie zostały podane wartości zysków ciepła dla poszczególnych urządzeń, to ilość ciepła oddawanego na drodze konwekcji można obliczyć za pomocą wytycznych VDI 2052 [3], korzystając ze wzoru:

(1)

gdzie:
Q_j – zyski ciepła jawnego wg tabeli A1 w normie VDI 2052 [3], W/kW;
P – moc urządzenia kuchennego, kW.

Strumień konwekcyjny, który okap musi odebrać, wyliczyć można ze wzoru:

(2)

gdzie:
k – współczynnik empiryczny, przyjmuje się wartość 18;
Q_j – strumień ciepła obliczony z poprzedniego wzoru, W;
d_h – średnica hydrauliczna źródła ciepła:

(3)

L – długość źródła ciepła, m;
B – szerokość źródła ciepła, m;
z – wysokość między urządzeniem a okapem, m;
r – współczynnik zmniejszający wynikający z ustawienia źródła ciepła, który wyznacza się zgodnie z tabelą 1.

Projektowanie obiektów gastronomicznych według zagranicznych i polskich wytycznych

Przyjmuje się następujące ogólne wytyczne dla kuchni [3]:

• projektowa temperatura powietrza wewnętrznego: 19–28°C, latem zaleca się < 26°C (kuchnia gorąca) lub 17–20°C (kuchnia zimna);
• wilgotność względna: 30–80%;
• maksymalna zawartość wilgoci: 11,5 g/kg;
• poziom ciśnienia akustycznego mierzony na wysokości 1,7 m od posadzki: 50–60 dB(A). W wydawalni posiłków dopuszcza się maks. 50 dB(A);
• filtracja dwustopniowa, filtr wstępny F5 i główny F7 lub F9;
• zapewnienie podciśnienia względem sąsiednich pomieszczeń.

Dla zapewnienia komfortu cieplnego pracownikom należy przyjąć wartość wilgotności z wykresu Moliera na podstawie projektowej temperatury powietrza wewnętrznego oraz maksymalnej zawartości wilgoci 11,5 g/kg. Przyjmuje się, że obszar uzyskania komfortu cieplnego znajduje się w odległości 0,5 m od urządzeń emitujących ciepło oraz 1,1 m nad poziomem posadzki [2].

Prędkość powietrza dla pomieszczeń kuchni przyjmuje się według tabeli 2.

Strumień powietrza nawiewanego dla pomieszczenia kuchni

Projektowanie wydajności instalacji wentylacyjnej dla kuchni przeprowadza się w następujących krokach:

1. Obliczenie ilości powietrza nawiewanego (ze względu na liczbę wymian lub zyski ciepła jawnego).
2. Przyjęcie ilości powietrza wyciąganego przez okap na podstawie danych otrzymanych od technologa. Jeśli strumień powietrza nie został podany ani nie był obliczany (wzór 2), trzeba go przyjąć w przybliżeniu na podstawie prędkości porywania w otworze wlotowym okapu. Znając powierzchnię wlotu okapu i przyjmując prędkość od 0,25 do 0,5 m/s, można wyznaczyć strumień powietrza wyciąganego przez okap [6]. Jeśli okap nie został dobrany przez technologa, trzeba obliczyć strumień wg wzorów (1) i (2).
3. Obliczenie koniecznej ilości powietrza wyciąganego przez wentylację ogólną, tak aby zapewnić w kuchni podciśnienie.
4. Zbilansowanie ilości powietrza nawiewanego i wywiewanego w trybie, gdy okapy są włączone oraz gdy działa tylko wentylacja ogólna.

Projektując instalację wentylacji dla kuchni, warto pamiętać, że okap nie pracuje stale w ciągu doby, i należy to uwzględnić w bilansie powietrza. Chodzi o to, że poza okapem wyciągającym powietrze jest jeszcze wentylacja wywiewna dyżurna. Całość musi ze sobą współpracować, tak aby stale utrzymywać podciśnienie lub ewentualnie równowagę ciśnień.

Czytaj też: Konieczność zmiany zbioru pojęć i teorii tworzących podstawy wiedzy o wentylacji budynków >>

Reasumując, w bilansie należy uwzględnić [6]:

• strumień powietrza nawiewanego przez wentylację ogólną,
• strumień powietrza wywiewanego przez wentylację ogólną (bez okapów),
• strumień powietrza wyciąganego przez okapy.

Z powodu dominującego wpływu zysków ciepła jawnego od urządzeń na jakość powietrza obliczeniowy strumień powietrza na potrzeby wentylacji ogólnej kuchni oblicza się ze wzoru [4]:

(4)

gdzie:

V – wymagany strumień objętości powietrza wentylacyjnego, m³/h;
Q_max – maksymalna wartość sumaryczna zysków ciepła jawnego dla kuchni, W;
ρ – gęstość powietrza (1,2 kg/m³);
c_p – ciepło właściwe powietrza (1,005 kJ/kgK);
t_n – temperatura powietrza nawiewanego, K;
t_u – temperatura powietrza usuwanego, K.

Strumień powietrza potrzebny do odebrania zysków wilgoci można obliczyć według poniższego wzoru:

(5)

gdzie:

V – wymagany strumień objętości powietrza wentylacyjnego, m³/h;
W_max – maksymalna wartość sumaryczna pary wodnej wydzielanej do pomieszczenia, g/h;
ρ – gęstość powietrza (1,2 kg/m³);
x_n – zawartość pary wodnej w powietrzu nawiewanym, g/kg;
x_u – zawartość pary wodnej w powietrzu usuwanym, g/kg.

Powyższe równanie można także zastosować do obliczeń strumienia powietrza w kuchniach. Obliczona wartość wymian powietrza powinna się mieścić w granicach 5–10 w/h [2]. Opieranie się na krotności wymian jest jednak metodą orientacyjną i może być stosowane jedynie jako wskaźnik. Ostateczna wartość strumienia powietrza przyjęta do dalszych obliczeń powinna być wynikiem analizy bilansu ciepła i wilgoci.

Temperaturę powietrza usuwanego w pomieszczeniu o wysokości w świetle do 4 m można przyjmować jako temperaturę powietrza w strefie pracy [4]. Temperatura powietrza nawiewanego jest niższa i wg zaleceń HCA DW/172 [5, 6] powinna wynosić 16°C dla wentylacji mieszającej. Wzór ten uznawany jest za metodę dokładną, którą można zastosować, mając podane zyski ciepła jawnego od urządzeń kuchennych. Pozostałe wartości można przyjąć zgodnie z zaleceniami VDI [3, 5] zamieszczonymi w tabeli 3.

Według krajowych zaleceń Stowarzyszenia Rzeczoznawców Sanitarnohigienicznych [2] dla kuchni wartość strumienia powietrza należy przyjmować na podstawie zysków ciepła jawnego lub utajonego, ale maksymalna wartość wymian powietrza nie może przekroczyć 40 1/h. W przeciwnym wypadku należy zweryfikować przyjęte w projekcie rozwiązanie chłodzenia kuchni.

W tabeli 4 zestawiono wymagania dotyczące obliczania strumienia powietrza dla kuchni wg zaleceń SRS [2], VDI [3] oraz HCA DW/172 [5, 6].

Dla uzyskania podciśnienia w kuchni względem pomieszczeń sąsiadujących wg wytycznych VDI 2052 należy przyjąć od 3 do 5% mniej powietrza nawiewanego niż wywiewanego. Z kolei wytyczne HCA DW/172 sugerują większą wartość podciśnienia, strumień powietrza nawiewanego ma stanowić ok. 85% wartości powietrza wywiewanego.

Pozostałe wymagania dotyczące organizacji przepływu powietrza [2, 5] to:

• lokalizacja nawiewników i wywiewników powinna zapewniać swobodny przepływ powietrza w pomieszczeniu, bez tzw. krótkich spięć lub martwych stref;
• należy zapewnić przepływ powietrza od pomieszczeń „czystych” do „brudnych” poprzez jego odpowiednie zbilansowanie;
• strefy o różnym przeznaczeniu i wymaganiach sanitarnych nie mogą być wpinane w ten sam system;
• urządzenia technologiczne wydzielające znaczne ilości ciepła muszą być zlokalizowane pod okapami;
• w kuchniach nie można stosować nadciśnienia, jedynie równowagę ciśnień lub niewielkie podciśnienie. Rekompensatę powietrza nawiewanego lokalizuje się w pomieszczeniach komunikacji i w rozdzielni posiłków;
• obiekt powinien być wietrzony w sposób ciągły.

Czytaj też: Mapa drogowa BIM? >>

Zmywalnie oraz pozostałe pomieszczenia pomocnicze

Według polskich i zagranicznych wytycznych strumień powietrza dla pomieszczenia zmywalni powinien zostać obliczony na podstawie bilansu ciepła zysków i wilgoci według podanych wcześniej wzorów (4) i (5). Korzystając z metody wskaźnikowej, można przyjąć strumień powietrza na podstawie liczby wymian – jest to 5–10 1/h [2]. Prędkość nawiewanego powietrza w zmywalni przyjmuje się w przedziale 0,22–0,25 m/s [2].

Maksymalną temperaturę latem można przyjmować wg PN-78/B-03421 [13] i nie powinna być ona wyższa od temperatury zewnętrznej o:

• 3 K przy zyskach ciepła jawnego <50 W/m²;
• 5 K przy zyskach ciepła jawnego >50 W/m².

Aby dokładniej określić komfortową temperaturę powietrza zimą i latem w zmywalni, można skorzystać z tabeli 5 [7].

Bilans powietrza dla zmywalni powinien uwzględniać podciśnienie względem sąsiadujących pomieszczeń (10–20%) z oddzielnym wentylatorem wyposażonym w klapę zwrotną oraz złącze przeciwdrganiowe i podstawę dachową tłumiącą lub tłumik na kanale. Strumień powietrza dla pozostałych pomieszczeń pomocniczych oblicza się na podstawie liczby wymian – wg wytycznych SRS [2, 5] lub przyjmując powierzchnię podłogi – wytyczne VDI 2052 [3]. Wybrane typy przestrzeni z uwzględnieniem sposobu obliczeń zaprezentowano w tabeli 6.

Elementy nawiewne

W kuchniach można stosować dwa rozwiązania nawiewu powietrza:

• wentylację mieszającą (nawiewniki ścienne, sufitowe lub stropy wentylowane),
• wentylację wyporową (nawiewniki wyporowe zlokalizowane w podłodze lub nad pracownikami jako podwieszane lub sufitowe).

Działanie wentylacji z sufitami wentylacyjnymi pokazano na rys. 1.

W kuchniach zaleca się stosowanie wentylacji wyporowej, ponieważ pozwala ona uzyskać zmniejszenie obciążenia cieplnego oraz redukcję zanieczyszczeń na stanowisku pracy. Przy zastosowaniu nawiewników wyporowych sufitowych temperatura powietrza nawiewanego nie powinna być niższa od 19°C. Nawiewniki wyporowe można także montować w strefie pracy. Minimalna temperatura nawiewanego przez nie powietrza wynosi 20°C [3].

Drugim rozwiązaniem jest wentylacja mieszająca, gdzie stosuje się nawiewniki ścienne lub sufitowe. Te pierwsze mogą zakłócać przepływ strumienia konwekcyjnego znad urządzeń kuchennych. Nieco lepiej pod tym względem sprawdzają się nawiewniki sufitowe.

Poza nawiewnikami można stosować także sufity wentylacyjne, zwane również stropami nawiewno-wywiewnymi (rys. 1). Wykorzystuje się je wtedy, gdy liczba wymian powietrza na godzinę jest bardzo duża.

Zaprojektowanie komfortowo działającej wentylacji spełniającej wymagania wszystkich norm, stosując tylko nawiewniki, jest niemożliwe – trzeba zastosować także modułowe stropy wentylacyjne. Składają się one z sekcji usuwania zanieczyszczeń z filtrami tłuszczowymi i mogą występować w wersji z wbudowanym oświetleniem. Wykonuje się je ze stali nierdzewnej. Wymagana przestrzeń instalacyjna nad tymi urządzeniami to 20–30 cm w zależności od producenta [8], czyli wykorzystują one przestrzeń ekonomicznie. Zalecana minimalna temperatura nawiewu jest taka sama jak dla wentylacji mieszającej, czyli 16°C. Stropy te pozwalają na zachowanie komfortowych warunków na stanowisku pracy, a ich „wadą” jest koszt inwestycyjny.

Przewody wentylacyjne

Projektując instalację wentylacji, która zapewni komfort zarówno pracownikom restauracji, jak i klientom, nie należy zapominać o hałasie. W dużej mierze zależy on od prędkości powietrza w kanałach. Zalecane wartości projektowe zamieszczono w tabeli 7.

Prędkość powietrza wyciąganego przez kanał okapowy powinna być utrzymywana na poziomie od 2,5 do 7,5 m/s.

Tam, gdzie występuje ryzyko kondensacji, kanały wentylacyjne powinny być wykonane z materiałów na nią odpornych – zaleca się stal nierdzewną z połączeniem wsuwanym zgodnie z kierunkiem przepływu powietrza. Kanały powinny mieć izolację, nawet jeśli są to przewody wyrzutowe, np. ze zmywalni.

Odzysk ciepła i centrale

Zgodnie z wymaganiami zawartymi w rozporządzeniu w sprawie Warunków Technicznych [10] w budynkach, w których wydajność wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej wynosi przynajmniej 500 m³/h, konieczne jest stosowanie odzysku ciepła. Jeśli chodzi o kuchnie, wykorzystanie odzysku ciepła z powietrza usuwanego jest korzystne pod względem ekonomicznym. Pamiętać jednak należy, że w takim wypadku wymiennik musi być szczelny i łatwy w czyszczeniu.

Rzeczoznawcy sanepidu wymagają najczęściej, aby był to wymiennik glikolowy. Pozwala on na szczelne rozdzielenie strumieni powietrza wywiewanego i nawiewanego.

Do niedawna jedną z najczęstszych metod rozdziału powietrza przy wentylowaniu kuchni w obiektach gastronomicznych był nawiew i wyciąg powietrza obiegowego przez centralę oraz bezpośredni wyrzut na zewnątrz oparów z okapu. Jest to jednak rozwiązanie nieefektywne energetycznie. Obecnie dopuszcza się odzysk ciepła z powietrza usuwanego z okapu pod warunkiem, że jest on wyposażony w filtr zapewniający usunięcie cząstek tłuszczu na poziomie min. 95% [2, 8]. Mogą to być lampy UV-C albo filtry cyklonowe-cylindryczne z filtrami siatkowymi.

Wyzwania dla branży HVAC a COVID-19

W artykule wymieniono wybrane wymagania dotyczące projektowania wentylacji w obiektach gastronomicznych. W czasie pandemii branża gastronomiczna jest w szczególnie trudnej sytuacji i w wielu krajach, także w Polsce, działalność restauracji ogranicza się do wydawania dań na wynos. Rodzi się zatem pytanie, czy istnieją sposoby, które mogłyby umożliwić funkcjonowanie tych obiektów w czasie zagrożenia pandemią.

Wskazówką może być Filadelfia, która zezwoliła na otwarcie restauracji przy obłożeniu 50% miejsc pod warunkiem spełnienia podwyższonych standardów wentylacji powietrza. Przykład ten wskazuje, ze rozwiązanie takie jest możliwe [11].

Wymagania, jakie postawiono wentylacji sal konsumenckich, to przede wszystkim poziom filtracji minimum F6 i zalecane filtry klasy F9 lub nawet HEPA. W Polsce dla tych pomieszczeń stosuje się obecnie maksymalnie klasę F5. Poza tym strumień powietrza powinien umożliwiać minimum 15 wymian w ciągu godziny. Wprowadzenie takich zmian wiąże się ze sporymi kosztami, ale amerykańscy właściciele restauracji są przychylni takim inwestycjom [11]. Ten kierunek w organizacji wentylacji w obiektach gastronomicznych jest wart uwagi, gdyż alternatywą jest często przerwa w działalności i ryzyko jej likwidacji lub nawet bankructwa.

Możliwe dodatkowe rozwiązania

Całkowite wyeliminowanie rozprzestrzeniania się wirusów powodujących pandemię jest praktycznie niemożliwe, ale dzięki pewnym krokom można ograniczyć ryzyko zakażenia. Jedną z propozycji może być zwiększenie ilości wymian świeżego powietrza. Dodatkowo warto, żeby system wentylacji nie był wyłączany na weekendy i pracował stale, wymieniając powietrze z mniejszą wydajnością [12]. Koniecznym minimum jest praca centrali przynajmniej przez 2 h przed otwarciem lokalu i 2 h po jego zamknięciu. Dla zminimalizowania transferu wirusa ważny jest taki dobór elementów nawiewnych, żeby prędkość powietrza była jak najniższa, a jego ruch zbliżony do laminarnego. Inne metody zwiększenia jakości powietrza w salach konsumenckich to m.in. [12]:

• zastosowanie filtrów o wyższej klasie, np. F9;
• stosowanie oczyszczaczy powietrza wysokiej jakości;
• ukierunkowanie przepływu powietrza w taki sposób, aby zużyte powietrze jak najszybciej trafiało do wywiewnika.

Zastosowanie oczyszczaczy powietrza ma sens, o ile są to urządzenia skuteczne dla frakcji, w których znajdują się wirusy (czyli tych najmniejszych), posiadające elementy do automatycznej i częstej autodezynfekcji podzespołów – zwłaszcza filtrów, np. promieniowanie UV i jonizujące lub układy termiczne [12]. Zwykłe urządzenia wyposażone w materiał filtrujący lub membranę mogą się okazać niewystarczające.

Projektowanie wentylacji w obiektach gastronomicznych jest procesem złożonym. Wymaga włożenia sporej ilości pracy w poznanie technologii i wymogów z nią związanych. Do tego coraz częstszym warunkiem stawianym przez inwestorów jest zastosowanie rozwiązań energooszczędnych. Z drugiej strony wykonawcy zależy, żeby jak najwięcej zaoszczędzić na materiałach. W procesie projektowania dochodzi jeszcze konieczność zapewnienia odpowiedniego komfortu pracownikom i klientom restauracji.

Pandemia pokazała, że najważniejsze jest bezpieczeństwo i zdrowie. To z kolei podpowiada, że branżę HVAC czekają zmiany i konieczność sprostania wyzwaniu, jakie spowodował wirus COVID-19. Dotyczy to nie tylko obiektów gastronomicznych, ale i m.in. opustoszałych biur.

Literatura

1. Koziorowska Barbara, Projektowanie technologiczne zakładów gastronomicznych kuchni hotelowych i szpitalnych, Gastro-projekt.pl
2. Materiały pomocnicze do uzgadniania projektów wentylacji mechanicznej zakładów żywienia zbiorowego w zakresie wymagań sanitarnohigienicznych, oprac. Stowarzyszenie Rzeczoznawców Sanitarnohigienicznych w Warszawie, Biuletyn Informacyjny nr 11/2002
3. VDI 2052, Raumlufttechnische Anlagen für Küchen (Ventilation equipment for kitchens), 2006
4. Malicki Maksymilian, Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1980
5. Charkowska Anna, Wybrane metody projektowania wentylacji dla kuchni zbiorowego żywienia, „Rynek Instalacyjny” 12/2010, rynekinstalacyjny.pl
6. Specification for Kitchen Ventilation Systems, HVCA (Heating and Ventilating Contractors’ Association), DW/172, 2005, UK
7. Heinonen J.S., Heinonen J., Kosonen R., Seppanen O., Design of good climate in commercial kitchens, 2000
8. Materiały firm: Halton, Hidria, Jeven
9. ASHRAE Handbook – HVAC Systems and equipment, ASHRAE 2011
10. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065, t.j. z 7.06.2019)
11. https://www.facilitiesnet.com/hvac/tip/Restaurant-Reopening-Tied-to-HVAC-Systems--47751
12. https://www.mckinsey.com/industries/advanced-electronics/our-insights/can-hvac-systems-help-prevent-transmission-of-covid-19#
13. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi