大型客船廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

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）

0 引言

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]。每個廚房都需要配置1 臺或多臺排風(fēng)機，一般大型客船廚房排風(fēng)機的數(shù)量為20～ 30 臺，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，對應(yīng)的排風(fēng)風(fēng)機能耗也較高[2]。

廚房在烹調(diào)過程中會產(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?。òǚ伟⑿难芗膊?、呼吸系統(tǒng)疾病、皮膚病等），如果不及時排除烹調(diào)過程中所產(chǎn)生的水蒸氣、油污、燃燒附屬產(chǎn)物及余熱，將對廚房衛(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)備工作時產(chǎn)生的水蒸氣和油煙，以防油氣向廚房內(nèi)擴散，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行集中局部排風(fēng)。通過采用集氣罩排風(fēng)，能夠有效地排出烹飪設(shè)備工作時產(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)的烹飪設(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，無法根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)廚房排風(fēng)罩排風(fēng)量，使得廚房排風(fēng)機一直處于大風(fēng)量運行狀態(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，充分考慮降低排風(fēng)機運行能耗，對廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。基于對比實例驗證計算該新型廚房智能集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能量，并通過技術(shù)方案分析討論該系統(tǒng)應(yīng)用前景。

1 典型廚房傳統(tǒng)集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)

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化圖。

圖2 船員廚房集氣罩布置簡化圖

船員廚房的幾何尺寸（長×寬×高）為10 m×8 m×2.1 m。根據(jù)廚房烹飪設(shè)備的布置情況，共布置了集氣罩a、集氣罩b 和 集氣罩c，每個集氣罩的設(shè)計排風(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 臺排風(fēng)機，風(fēng)機的選型為科美福 KHLE 35/500，馬達功率為11 kW。

傳統(tǒng)集氣罩排風(fēng)機采用雙速風(fēng)機。當(dāng)廚房烹飪設(shè)備不運行時，廚房集氣罩排風(fēng)機采用低速檔；當(dāng)廚房烹飪設(shè)備運行時，廚房集氣罩排風(fēng)機采用高速檔。該系統(tǒng)采用排風(fēng)機和送風(fēng)機馬達啟動器連鎖控制的方式，當(dāng)排風(fēng)機故障停轉(zhuǎn)時，送風(fēng)機將無法 開啟[4]。

此外，由于傳統(tǒng)集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)完全靠手動切換“高-低-?！?，當(dāng)選定高-低檔后，排風(fēng)機始終處于定風(fēng)量運行。由于控制方式相對簡單，無法根據(jù)廚房烹飪設(shè)備的運行狀態(tài)調(diào)整排風(fēng)量，因此造成了極大的能耗浪費，無法滿足大型客船對智能調(diào)節(jié)、節(jié)能控制的要求。

2 客滾船新型廚房集氣罩排風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

為實現(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)機的運轉(zhuǎn)情況與廚房烹飪設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況相關(guān)聯(lián)，根據(jù)集氣罩的罩內(nèi)溫度變化實現(xiàn)對其風(fēng)閘的開度調(diào)節(jié)，通過定靜壓法、風(fēng)機變頻技術(shù)實現(xiàn)排風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實行變風(fēng)量控制模式。整個調(diào)節(jié)過程可實現(xiàn)智能化，無需人工參與。根據(jù)廚房的實際使用需求，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對排風(fēng)機的排風(fēng)量進行合理調(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、變風(fēng)量防火風(fēng)閘、排風(fēng)管路、風(fēng)機變頻器、溫度傳感器、壓力傳感器、集氣罩和機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）通過廚房房間溫度傳感器TT1 采集廚房房間溫度，通過集氣罩內(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傳輸至“機電控制輸入輸出模塊”。

（2）“機電控制輸入輸出模塊”計算每個集氣罩排風(fēng)溫度TT2 和廚房房間溫度TT1 的差值ΔT，并將ΔT與ΔTS進行比較，轉(zhuǎn)換成模擬量信號去控制變風(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設(shè)備有關(guān)，其取值可由廠家提供或通過式（1）計算確定：

式中：ΔTS為ΔT的設(shè)定值，℃；W為廚房集氣罩下方烹飪設(shè)備工作時產(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)計排風(fēng)量，L/s。

因為我受夠了別人或同情或猜忌的目光，還因為古意的回避和我那漫長孤獨的童年時光，以至于這個問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，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現(xiàn)ΔTS+2 ℃的波動要求。

（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，整個風(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輸入至“機電控制輸入輸出”模塊。

（4）“機電控制輸入輸出”模塊計算風(fēng)管管路中的實際靜壓和設(shè)計靜壓的差值ΔP，并將差值ΔP轉(zhuǎn)換成廚房排風(fēng)機變頻器變頻信號。

（5）通過變頻器變頻，調(diào)節(jié)廚房排風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)廚房排風(fēng)智能控制與節(jié)能調(diào)節(jié)。

（6）通過布置在排風(fēng)總管上的風(fēng)速儀測量廚房排風(fēng)機風(fēng)速，并且將排風(fēng)機風(fēng)速信號傳輸至廚房送風(fēng)空調(diào)器的可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）控制箱。

2.2 送排風(fēng)風(fēng)機連鎖

根據(jù)ISO 9943—2009[6],廚房內(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)，廚房必須保持負壓（即抽風(fēng)量大于送風(fēng)量）；同時，為了保證廚房內(nèi)部的氣壓平衡，當(dāng)集氣罩排風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)時，廚房空調(diào)器送風(fēng)機也需要進行同步調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)上述要求，需要將廚房空調(diào)器送風(fēng)機馬達與集氣罩排風(fēng)機馬達進行聯(lián)鎖。當(dāng)集氣罩排風(fēng)機故障時，廚房空調(diào)器送風(fēng)機也無法啟動；并且當(dāng)集氣罩排風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)時，PLC 控制箱也通過變頻器調(diào)節(jié)廚房空調(diào)器風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)量，實現(xiàn)廚房空調(diào)器和廚房排風(fēng)機聯(lián)鎖，進而保證廚房穩(wěn)定的負壓狀態(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)計時，還可以實現(xiàn)廚房空調(diào)器送風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能，同時也降低了廚房送風(fēng)噪聲。

2.3 實驗對比

圖5 集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)船員廚房排風(fēng)機風(fēng)量對比曲線

由圖5 可見，藍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)機節(jié)省的風(fēng)量，實驗數(shù)據(jù)顯示傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下船員廚房排風(fēng)機的日總風(fēng)量（藍色曲線和坐標(biāo)軸所圍面積）為251 322 m3；使用優(yōu)化后的排風(fēng)系統(tǒng)時，船員廚房排風(fēng)機的日總風(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],來自電源的輸入電功率可由式（2）計算得出：

式中：Pe為輸入電功率，kW；qv為風(fēng)量,m3/s；pf為通風(fēng)機壓力，kPa；ηr為通風(fēng)機葉輪效率、ηb為通風(fēng)機軸承效率、ηT為傳動效率、ηm為電機效率、ηc為控制效率，均以小數(shù)表示。

對于同一臺排氣設(shè)備，可認為pf、ηr、ηb、ηT、ηm、ηc不變，因此風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)機來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)機風(fēng)量明顯降低，風(fēng)機來自電源的輸入電功率也明顯減低，節(jié)能效果顯著。

2.4 優(yōu)化設(shè)計方案分析與討論

隨著變風(fēng)量控制方式在空調(diào)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，此方案易于實現(xiàn)。此外，為保持廚房負壓，廚房空調(diào)送風(fēng)機和排風(fēng)機馬達需進行連鎖。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設(shè)備運行狀態(tài)有關(guān)，與設(shè)計工況（夏季或冬季）無關(guān)。當(dāng)廚房排風(fēng)機采用變風(fēng)量控制方式后，廚房空調(diào)送風(fēng)機也會跟隨排風(fēng)機進行變風(fēng)量變化。例如，當(dāng)ΔT≤ΔTS時，表示集氣罩下方烹飪設(shè)備沒有全開，房間的熱負荷較小，此時排風(fēng)機按照最小風(fēng)量運行，廚房空調(diào)送風(fēng)機按照最小風(fēng)量運行。采用此方案后，不僅廚房排風(fēng)機能夠節(jié)能，廚房空調(diào)送風(fēng)機的節(jié)能效果也非常明顯。

另外，廚房烹飪設(shè)備眾多，當(dāng)廚房設(shè)備運行時，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)計時，也必須考慮廚房的噪聲要求。采用本優(yōu)化設(shè)計方案后，集氣罩排風(fēng)機和廚房空調(diào)送風(fēng)機采用變風(fēng)量控制方式，送排風(fēng)系統(tǒng)無需一直保持最大風(fēng)量運行狀態(tài)。送排風(fēng)風(fēng)機可以通過變頻降低風(fēng)機噪聲，進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)計能夠根據(jù)廚房排風(fēng)的實際需求，調(diào)節(jié)排風(fēng)機的風(fēng)量，實行變風(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。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，降低了維護成本。但需指出的是，集氣罩排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方案是基于溫度變化來進行風(fēng)量調(diào)節(jié)的。當(dāng)集氣罩內(nèi)溫度較低時（即烹飪設(shè)備未滿負荷運轉(zhuǎn)或剛啟動），由于系統(tǒng)處于低風(fēng)量運行，故可能會造成油煙擴散。操作者此時可以根據(jù)實際情況手動操作，使排風(fēng)機按照最大風(fēng)量運行即可。

3 結(jié)論

（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)的實際需求調(diào)節(jié)排風(fēng)機的風(fēng)量，實行變風(fēng)量控制。

（2）通過對比試驗驗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)機會跟隨排風(fēng)機同步進行風(fēng)量調(diào)節(jié)變化，進一步提高節(jié)能效果。