張新橋 董良志 顧曉鷗 曹亞冬
(中船郵輪科技發(fā)展有限公司 上海 200137)
廚房是大型客船重要的服務(wù)處所,需保證24 h不間斷供應(yīng)膳食,因此大型客船上配置了多種廚房(如主廚房、市集廚房、燒烤廚房、船員廚房、牛排廚房、火鍋廚房、點(diǎn)心廚房、披薩廚房和生鮮廚房等),以保障不同乘客的需求[1]。每個(gè)廚房都需要配置1 臺(tái)或多臺(tái)排風(fēng)機(jī),一般大型客船廚房排風(fēng)機(jī)的數(shù)量為20~ 30 臺(tái),廚房排風(fēng)換氣次數(shù)要求為40~ 60 次/h,因此廚房需求的排風(fēng)量非常大,對(duì)應(yīng)的排風(fēng)風(fēng)機(jī)能耗也較高[2]。
廚房在烹調(diào)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的油煙、蒸氣及異味,其主要化學(xué)成分為不飽和烴類、飽和烴類、苯系物、多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物以及醇、醛等,大部分為有毒物質(zhì),其中的多環(huán)芳烴類等更是高致癌物質(zhì)。廚房油煙能誘發(fā)各種疾?。òǚ伟?、心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、皮膚病等),如果不及時(shí)排除烹調(diào)過(guò)程中所產(chǎn)生的水蒸氣、油污、燃燒附屬產(chǎn)物及余熱,將對(duì)廚房衛(wèi)生環(huán)境和操作人員的身心健康造成較大危害。
廚房集氣罩用于收集廚房各類設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣和油煙,以防油氣向廚房?jī)?nèi)擴(kuò)散,是廚房排風(fēng)系統(tǒng)的組成部分。目前,大型客船廚房排風(fēng)一般都采用集氣罩進(jìn)行集中局部排風(fēng)。通過(guò)采用集氣罩排風(fēng),能夠有效地排出烹飪?cè)O(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的各種油煙、水蒸氣及異味。根據(jù)所服務(wù)的廚房設(shè)備排放氣體種類的不同,集氣罩可分為蒸氣罩和油煙罩。大型客船的集氣罩需要根據(jù)所服務(wù)的烹飪?cè)O(shè)備特性選擇合適的種類,并且廚房集氣罩的構(gòu)造還需要滿足《國(guó)際海上人命安全公約》[3]的要求。
圖1 為目前典型的廚房傳統(tǒng)集氣罩樣圖。
圖1 典型廚房傳統(tǒng)集氣罩樣圖
傳統(tǒng)的廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)主要采用定風(fēng)量控制方法,無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)廚房排風(fēng)罩排風(fēng)量,使得廚房排風(fēng)機(jī)一直處于大風(fēng)量運(yùn)行狀態(tài)。不僅噪聲大、非常不利于廚房操作人員的身心健康,同時(shí)也造成較高的能耗損失[4]。為此,本文以1 艘1 800 客位/2 500 m 車道豪華客滾船的船員廚房為例,在保證廚房室內(nèi)污染被有效移除的同時(shí),充分考慮降低排風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗,對(duì)廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于對(duì)比實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算該新型廚房智能集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能量,并通過(guò)技術(shù)方案分析討論該系統(tǒng)應(yīng)用前景。
該豪華客滾船的船員廚房位于第三豎區(qū)00 甲板,主要為船員提供膳食。圖2 為船員廚房集氣罩布置簡(jiǎn)化圖。
圖2 船員廚房集氣罩布置簡(jiǎn)化圖
船員廚房的幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為10 m×8 m×2.1 m。根據(jù)廚房烹飪?cè)O(shè)備的布置情況,共布置了集氣罩a、集氣罩b 和 集氣罩c,每個(gè)集氣罩的設(shè)計(jì)排風(fēng)量見表1。
根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知船員廚房總排風(fēng)量為3 216 L/s,船員廚房布置了1 臺(tái)排風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)的選型為科美福 KHLE 35/500,馬達(dá)功率為11 kW。
傳統(tǒng)集氣罩排風(fēng)機(jī)采用雙速風(fēng)機(jī)。當(dāng)廚房烹飪?cè)O(shè)備不運(yùn)行時(shí),廚房集氣罩排風(fēng)機(jī)采用低速檔;當(dāng)廚房烹飪?cè)O(shè)備運(yùn)行時(shí),廚房集氣罩排風(fēng)機(jī)采用高速檔。該系統(tǒng)采用排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)馬達(dá)啟動(dòng)器連鎖控制的方式,當(dāng)排風(fēng)機(jī)故障停轉(zhuǎn)時(shí),送風(fēng)機(jī)將無(wú)法 開啟[4]。
此外,由于傳統(tǒng)集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)完全靠手動(dòng)切換“高-低-?!保?dāng)選定高-低檔后,排風(fēng)機(jī)始終處于定風(fēng)量運(yùn)行。由于控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)法根據(jù)廚房烹飪?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整排風(fēng)量,因此造成了極大的能耗浪費(fèi),無(wú)法滿足大型客船對(duì)智能調(diào)節(jié)、節(jié)能控制的要求。
為實(shí)現(xiàn)廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)及節(jié)能控制,把傳統(tǒng)集氣罩定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化為變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng),將排風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況與廚房烹飪?cè)O(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況相關(guān)聯(lián),根據(jù)集氣罩的罩內(nèi)溫度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)其風(fēng)閘的開度調(diào)節(jié),通過(guò)定靜壓法、風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),實(shí)行變風(fēng)量控制模式。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)智能化,無(wú)需人工參與。根據(jù)廚房的實(shí)際使用需求,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量進(jìn)行合理調(diào)節(jié),降低廚房噪聲,節(jié)約能源[5]。圖3 為集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理圖。
由圖3 可見,集氣罩排風(fēng)優(yōu)化系統(tǒng)主要由變頻排風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量防火風(fēng)閘、排風(fēng)管路、風(fēng)機(jī)變頻器、溫度傳感器、壓力傳感器、集氣罩和機(jī)電控制輸入輸出模塊組成。集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)主要的控制邏輯 如下:
(1)通過(guò)廚房房間溫度傳感器TT1 采集廚房房間溫度,通過(guò)集氣罩內(nèi)部溫度傳感器(TT2a、TT2b 和TT2c)采集集氣罩的排風(fēng)溫度,并將采集的溫度信號(hào)傳輸至“機(jī)電控制輸入輸出模塊”。
(2)“機(jī)電控制輸入輸出模塊”計(jì)算每個(gè)集氣罩排風(fēng)溫度TT2 和廚房房間溫度TT1 的差值ΔT,并將ΔT與ΔTS進(jìn)行比較,轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)去控制變風(fēng)量防火風(fēng)閘(VFDa、VFDb、VFDc)執(zhí)行器的開度,從而調(diào)節(jié)集氣罩排風(fēng)量的大小。其變化曲線見圖4。
圖4 變風(fēng)量防火風(fēng)閘開度變化曲線
其中,ΔTS與集氣罩下方的烹飪?cè)O(shè)備有關(guān),其取值可由廠家提供或通過(guò)式(1)計(jì)算確定:
式中:ΔTS為ΔT的設(shè)定值,℃;W為廚房集氣罩下方烹飪?cè)O(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量,一般是由廚房設(shè)備廠家提供,kW;Cp為空氣定壓比熱容,一般取值為1.01 kJ/(kg·K);ρ為空氣密度,一般取值 1.13 kg/m3;Q為集氣罩的設(shè)計(jì)排風(fēng)量,L/s。
因?yàn)槲沂軌蛄藙e人或同情或猜忌的目光,還因?yàn)楣乓獾幕乇芎臀夷锹L(zhǎng)孤獨(dú)的童年時(shí)光,以至于這個(gè)問(wèn)題在我心中醞釀了很久很久。
此外,ΔTS的變化范圍表示ΔTS的控制精度,圖4 中采用+2 ℃,用戶可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整。ΔTS變化范圍越大,變風(fēng)量節(jié)能效果越明顯,但控制精度越低;ΔTS變化范圍越小,變風(fēng)量節(jié)能效果越差,但控制精度越高。為了保證廚房最小換氣次數(shù)及廚房最小空調(diào)送風(fēng)的要求,變風(fēng)量防火風(fēng)閘最小開度取30%。當(dāng)ΔT≤ΔTS時(shí),變風(fēng)量防火風(fēng)閘執(zhí)行器保持最小開度30%,用戶可以根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整變風(fēng)量防火風(fēng)閘執(zhí)行器的最小開度。變風(fēng)量防火風(fēng)閘開度與ΔT采用線性控制模式,方式簡(jiǎn)單、易于操作。雖然風(fēng)閘開度與風(fēng)量之間不呈現(xiàn)線性關(guān)系,但因防火風(fēng)閘開度一直處于變化中,故采用 圖4 中的控制方式可以實(shí)現(xiàn)ΔTS+2 ℃的波動(dòng)要求。
(3)當(dāng)變風(fēng)量防火風(fēng)閘執(zhí)行器的開度發(fā)生變化時(shí),整個(gè)風(fēng)管管路中的靜壓也發(fā)生變化,壓力傳感器將風(fēng)管管路中的靜壓信號(hào)輸入至“機(jī)電控制輸入輸出”模塊。
(4)“機(jī)電控制輸入輸出”模塊計(jì)算風(fēng)管管路中的實(shí)際靜壓和設(shè)計(jì)靜壓的差值ΔP,并將差值ΔP轉(zhuǎn)換成廚房排風(fēng)機(jī)變頻器變頻信號(hào)。
(5)通過(guò)變頻器變頻,調(diào)節(jié)廚房排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)廚房排風(fēng)智能控制與節(jié)能調(diào)節(jié)。
(6)通過(guò)布置在排風(fēng)總管上的風(fēng)速儀測(cè)量廚房排風(fēng)機(jī)風(fēng)速,并且將排風(fēng)機(jī)風(fēng)速信號(hào)傳輸至廚房送風(fēng)空調(diào)器的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制箱。
根據(jù)ISO 9943—2009[6],廚房?jī)?nèi)的空氣壓力宜低于相鄰起居處所內(nèi)的壓力。廚房作為特殊服務(wù)處所,也是油煙和蒸氣的聚集地,必須設(shè)置有效的通風(fēng)把廚房產(chǎn)生的油煙和蒸氣排出。為了不使廚房產(chǎn)生的油煙和水蒸氣外溢流入走道和其他通風(fēng)系統(tǒng),廚房必須保持負(fù)壓(即抽風(fēng)量大于送風(fēng)量);同時(shí),為了保證廚房?jī)?nèi)部的氣壓平衡,當(dāng)集氣罩排風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)時(shí),廚房空調(diào)器送風(fēng)機(jī)也需要進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。
為了實(shí)現(xiàn)上述要求,需要將廚房空調(diào)器送風(fēng)機(jī)馬達(dá)與集氣罩排風(fēng)機(jī)馬達(dá)進(jìn)行聯(lián)鎖。當(dāng)集氣罩排風(fēng)機(jī)故障時(shí),廚房空調(diào)器送風(fēng)機(jī)也無(wú)法啟動(dòng);并且當(dāng)集氣罩排風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)時(shí),PLC 控制箱也通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)廚房空調(diào)器風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)廚房空調(diào)器和廚房排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖,進(jìn)而保證廚房穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)集氣罩排風(fēng)量增大或減小,廚房空調(diào)器送風(fēng)量同步增大或減小。由于廚房空調(diào)器的風(fēng)量是根據(jù)集氣罩排風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化而變化的,因此當(dāng)采用新型廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)廚房空調(diào)器送風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能,同時(shí)也降低了廚房送風(fēng)噪聲。
圖5 集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)船員廚房排風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)比曲線
由圖5 可見,藍(lán)色曲線和綠色曲線之間圍的面積就是優(yōu)化后船員廚房排風(fēng)機(jī)節(jié)省的風(fēng)量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下船員廚房排風(fēng)機(jī)的日總風(fēng)量(藍(lán)色曲線和坐標(biāo)軸所圍面積)為251 322 m3;使用優(yōu)化后的排風(fēng)系統(tǒng)時(shí),船員廚房排風(fēng)機(jī)的日總風(fēng)量(綠色曲線和坐標(biāo)軸所圍面積)為176 752 m3,日總風(fēng)量減少約30%。
根據(jù)GB/T 1236—2017[7],來(lái)自電源的輸入電功率可由式(2)計(jì)算得出:
式中:Pe為輸入電功率,kW;qv為風(fēng)量,m3/s;pf為通風(fēng)機(jī)壓力,kPa;ηr為通風(fēng)機(jī)葉輪效率、ηb為通風(fēng)機(jī)軸承效率、ηT為傳動(dòng)效率、ηm為電機(jī)效率、ηc為控制效率,均以小數(shù)表示。
對(duì)于同一臺(tái)排氣設(shè)備,可認(rèn)為pf、ηr、ηb、ηT、ηm、ηc不變,因此風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)來(lái)自電源的輸入電功率之間呈正相關(guān)。優(yōu)化后的廚房排風(fēng)機(jī)風(fēng)量明顯降低,風(fēng)機(jī)來(lái)自電源的輸入電功率也明顯減低,節(jié)能效果顯著。
隨著變風(fēng)量控制方式在空調(diào)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,此方案易于實(shí)現(xiàn)。此外,為保持廚房負(fù)壓,廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)馬達(dá)需進(jìn)行連鎖。優(yōu)化后的廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng),集氣罩排風(fēng)量的大小主要是跟隨其下方烹飪?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有關(guān),與設(shè)計(jì)工況(夏季或冬季)無(wú)關(guān)。當(dāng)廚房排風(fēng)機(jī)采用變風(fēng)量控制方式后,廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)也會(huì)跟隨排風(fēng)機(jī)進(jìn)行變風(fēng)量變化。例如,當(dāng)ΔT≤ΔTS時(shí),表示集氣罩下方烹飪?cè)O(shè)備沒有全開,房間的熱負(fù)荷較小,此時(shí)排風(fēng)機(jī)按照最小風(fēng)量運(yùn)行,廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)按照最小風(fēng)量運(yùn)行。采用此方案后,不僅廚房排風(fēng)機(jī)能夠節(jié)能,廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果也非常明顯。
另外,廚房烹飪?cè)O(shè)備眾多,當(dāng)廚房設(shè)備運(yùn)行時(shí),廚房噪聲極難控制。根據(jù)ISO 9943—2009[6],廚房的最大噪聲值為75 dB(A)。廚房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),也必須考慮廚房的噪聲要求。采用本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后,集氣罩排風(fēng)機(jī)和廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)采用變風(fēng)量控制方式,送排風(fēng)系統(tǒng)無(wú)需一直保持最大風(fēng)量運(yùn)行狀態(tài)。送排風(fēng)風(fēng)機(jī)可以通過(guò)變頻降低風(fēng)機(jī)噪聲,進(jìn)而降低廚房的噪聲水平,從而有效改善廚房工作人員的工作環(huán)境。
總體而言,該優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠根據(jù)廚房排風(fēng)的實(shí)際需求,調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,實(shí)行變風(fēng)量控制。在滿足廚房通風(fēng)要求的前提下,避免了不必要的能量浪費(fèi)。優(yōu)化后的方案形成了1 套完整的智能控制系統(tǒng),不僅提高了設(shè)備的可靠性,也完全不需要人工參與,降低了維護(hù)成本。但需指出的是,集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方案是基于溫度變化來(lái)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)的。當(dāng)集氣罩內(nèi)溫度較低時(shí)(即烹飪?cè)O(shè)備未滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或剛啟動(dòng)),由于系統(tǒng)處于低風(fēng)量運(yùn)行,故可能會(huì)造成油煙擴(kuò)散。操作者此時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)操作,使排風(fēng)機(jī)按照最大風(fēng)量運(yùn)行即可。
(1)本文所述廚房集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案能夠根據(jù)廚房排風(fēng)的實(shí)際需求調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,實(shí)行變風(fēng)量控制。
(2)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了該廚房集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案可有效降低廚房排風(fēng)機(jī)能耗,可節(jié)約30%左右電能。
(3)采用該廚房集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案后,廚房空調(diào)送風(fēng)機(jī)會(huì)跟隨排風(fēng)機(jī)同步進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)變化,進(jìn)一步提高節(jié)能效果。