Ventilação de cozinhas profissionais

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1 SEMINÁRIO Sessão Técnica dedicada à Ventilação Ventilação de cozinhas profissionais Eficiência versus conforto térmico Metodologia de cálculo de acordo com a pren Porto, 6 de abril 2016 Victor Santos Monteiro 1 Plano 1. Introdução As metodologias utilizadas e conhecidas Desvantagens das atuais metodologias 2. Bases e metodologia indução térmica Normas e bases de trabalho Traçado esquemático do sistema. Soluções possíveis Fórmulas práticas, tabelas e equações associadas na pren Determinação dos caudais e cargas térmicas Conceitos: Exaustão e insuflação segundo a EN O segredo para o bom funcionamento da instalação - partição dos caudal Folha de cálculo e software de cálculo: exemplos de instalação 4. Modelo ideal de cozinha projeto de investigação Objetivo: Condições de Trabalho em Cozinhas Profissionais: avaliar e melhorar Metodologia de investigação. Validação da nova metodologia Resultados do projeto 5. Conclusões 2 1

2 1. Introdução Metodologias atualmente utilizadas (NP ) Método universal O caudal é calculado em função do tipo de equipamento. Os valores são extraídos do quadro 3 da NP Método da superfície de cocção É baseado na atribuição de 300 l/s de caudal de exaustão por cada m 2 de superfície de cocção Método da taxa de renovação horária Multiplica-se o volume do local por 15 a 30 Renvol/h Método tradicional ou da velocidade de aspiração O perímetro aberto é multiplicado pela velocidade, v = 0,20 a 0,50 m/s e corrigido pelo coeficiente de altura da hote (h). Mais utilizado Método do número de refeições Atribui-se um caudal/refeição que se situa entre 10 e 25 m 3 /refeição 3 1. Introdução Metodologia mais utilizada (NP ) Método tradicional ou da velocidade de aspiração V EHA = v asp u h V EHA Caudal de exaustão v asp é a velocidade (0,20 a 0,50 m/s) Fator de conversão (m 3 /s m 3 /h) u Perímetro aberto h Altura entre o superfícies 4 2

3 1. Introdução Estimativa de caudal Pré-dimensionamento Desvantagens destes métodos: Os métodos de cálculo não tomam em conta nem fazem a distinção: entre os tipo de hote (parietal ou central) e os tipos de teto filtrante dos diversos aspetos construtivos das hotes da tipologia do aparelhos e outro tipo de equipamento da posição relativa de cada aparelho no layout Com a aplicação destes métodos resultam: caudais de exaustão e insuflação excessivos sobredimensionamento de ventiladores e condutas regulação difícil e, por vezes, inadequada consumo energético excessivo pouca fiabilidade 5 2. Normas prévias pren pren DNP Aparelhos para cozinhas profissionais Elementos de VCP Requisitos e métodos de cálculo Normas base: VDI 2052, ASTM 1704:2004, DW/172 (BS) e o IMC (esta aplicada às churrasqueiras) Motivação: eficiência energética e eficiência de ventilação Objectivos: obter condições de conforto nas cozinhas profissionais com a minimização dos custos de funcionamento (operacionais) Nova metodologia: foi designada de indução ou carga térmica e possui como base a teoria da pluma térmica Método experimental: baseado em estudos científicos e testes de campo dando origem a uma fórmula prática fiável tanto aplicada às hotes como aos tetos filtrantes 6 3

4 2. Partes da norma pren Parte 1 - Requisitos gerais, incluindo os métodos de cálculo Parte 2 Hotes: requisitos de projeto e de segurança Parte 3 Tetos filtrantes: requisitos de projeto e de segurança Parte 4 Entradas e saídas de ar: requisitos de projeto e de segurança Parte 5 Condutas: projeto e dimensionamento Parte 6 Separadores de aerossóis: requisitos de projeto e de segurança Parte 7 Instalação e utilização de sistemas de extinção de incêndios fixos Parte 8 Instalações de tratamento de fumos de cozinha: requisitos e ensaios Parte 9 Captura, contenção e desempenho de sistemas de extração: métodos de ensaio. (Existes discrepâncias com a parte 1) 7 22 ºC A metodologia utilizada 1. Assenta na teoria da pluma térmica 2. Reproduz na prática experiências de campo 3. Introduz o conceito de caudal eficiente 4. Tem como base a potência e a energia de cada alimentação de cada equipamento 5. Maximiza a eficiência e minimiza os custos 6. pressupõe o conhecimento da emissão do calor sensível emitido por cada equipamento 7. É um processo moroso, mas muito fiável 8. Já é utilizada pelas maiores empresas instaladoras na EU (ex. HALTONFoodservice) Manequim térmico 8 4

5 ASTM 1704 Conceito de caudal eficiente V1 Caudal insuficiente V2 Caudal eficiente V3 Caudal exagerado V4 = V3 - V2 = Desperdício V4-Desperdício 9 Cálculo do caudal de exaustão, VEHA Princípio de conservação da massa: Caudal de ar tratado [m 3 /h] VEHA = VSUP f + VSUP t + VTRA (1) Caudal de exaustão [m 3 /h] Caudal de ar filtrado [m 3 /h] Caudal de ar transferido [m 3 /h] 10 5

6 EN Traçado esquemático - simbologia UTAN standard UVC especial Partição de caudais 11 EN Traçado esquemático - simbologia UTAN especial Partição de caudais 12 6

7 Conceito aplicável a hotes e tetos filtrantes Teoria da pluma térmica fórmula prática (*) V th = k Q S,K φ Z d 3 hyd r (2) V th Caudal mínimo teórico para manter a pluma térmica [m 3 /h] k Coeficiente empírico. Hote genérica; k = 18 [m 4/3 W -1/3 h -1 ] Q S,K Proporção convectiva da carga térmica sensível φ Coeficiente de simultaneidade (diversidade) Z Altura acima da fonte de calor d hyd Diâmetro hidráulico do equipamento r Factor de redução do caudal térmico [W] [adimensional] [m] [m] [adimensional] (*) Kosonen, R. (2006), investigador da Haltonfoodservice 13 Começa-se por determinar o diâmetro hidráulico d hyd = 2 L B L + B (3) L é o comprimento da superfície de cocção de cada aparelho/equipamento [m] B é a largura da superfície de cocção de cada aparelho/equipamento [m] Z altura acima da fonte de calor [m] h Altura de cada aparelho de cocção [m] 14 7

8 Importância da nomenclatura - QS De seguida, calcula-se a proporção convectiva emitida por cada aparelho para a formação da pluma térmica Q S,K = P Q S b (4) Q S,K 65% Q S,K - é a proporção convectiva sensível... [W] P - é a potência nominal do aparelho [kw] Q S - é a potência térmica sensível/aparelho. [W/kW] b - é o grau de poluição... [0,5 a 1,0] Q rad 35% Q S - Valor extraído da tabela A.1 da norma 15 EN O caudal mínimo de exaustão para estabilizar/manter a pluma térmica gerada sob a hote é calculado por: V Erf = V th a e eff (5) V Erf Caudal de exaustão de cada hote V th Caudal teórico de indução da pluma térmica a fator de permissão/tolerância. Depende da estratégia de difusão do ar no(s) recinto(s) e eff - Rendimento da hote valor a indicar pelo fabricante da hote; (e eff = 1) 16 8

9 Carga sensível Poderão existir fontes térmicas instaladas fora da área de influência da(s) hote(s). É o caso dos armários frigoríficos. Nesta situação, o caudal de exaustão deverá ser corrigido pelas equações: V ABL = n i=1 V th + V th a e V th,ne + V Ausgl 0,1 i=1 (6) (7) n V Erf V ABL Caudal de exaustão corrigido, [m 3 /h] V th,ne Caudal total, [m 3 /h] V Ausgl Caudal de compensação, [m 3 /h] V Erf Caudal de exaustão de cada hote, [m 3 /h] 17 Carga latente Verificação do cálculo: comparação dos resultados com o cálculo obtido pela emissão de vapor de água dos diversos aparelhos, VABL (calor latente) V ABL = n j=1 m d φ c ABL c ZUL ρ (8) m d é o caudal mássico emitido por cada aparelho [kg/h] - é o coeficiente de simultaneidade (c ABL - c ZUL) = 6 g/kg ρ = 1,20 kg/m

10 Comparação Critério de eleição do valor do caudal de exaustão V = Equação (6) Equação (8) (9) Se V for positivo o caudal de exaustão será o obtido pela equação (6) V for negativo o caudal de exaustão será o obtido pela equação (8) 19 Adoção Exaustão e insuflação dados conhecidos: V ABL - Caudal de exaustão corrigido (uma hote) V th,ne - Caudal total (várias hotes) V Ausgl - Caudal de compensação (< 3 a 5% V th,ne ) Definir e adotar: 1 A estratégia de partição do ar de compensação (caso das hotes) 2 A possibilidade de insuflar até 65% do caudal de compensação (ar filtrado) pela hote depende do tipo de insuflação: (interno - indução ou externo à hote grelhas, difusores, ou outra) 3 A localização correta das unidades terminais de difusão do ar tratado 20 10

11 Unidades Determinação da carga térmica ( Q) para manutenção do conforto térmico (arrefecimento) em função do caudal de ar tratado insuflado ( V SUP ) V SUP = Q ρ c p t IDA t SUP (10) Q ar = V SUP x r x c p x (t IDA - t SUP ) + V SUP x r x c p x (t TRA - t SUP ) Condições: ρ massa específica do ar (densidade) [1,20 kg/m 3 ] c p capacidade térmica do ar [1004 kj/kg ºC] t IDA temperatura do ar interior a obter [22 ºC] t SUP A temperatura do ar a insuflar [14 ºC] 21 Exemplo 1 Cozinha à vista hote parietal Potência instalada: 153,5 kw DADOS DE ENTRADA (Input): 1 Aparelhos de linha modular 2 Profundidade 900 mm 3 Hote parietal compensada 2 faces 4 Capacidade no limite 5 Alimentações: GN e EE-400V 6 Cozinha restaurante (méd.) = 0,7 DADOS DE SAÍDA (Output): - Método da aspiração m 3 /h - Método do IMC m 3 /h - Método da indução térmica m 3 /h - Caudal de insuflação m 3 /h - Partição (65+35%) m 3 /h - Carga de arrefecimento... 7,7 kw 22 11

12 Fast food hote parietal HELP da Halton DADOS DE ENTRADA (Input): 1 Aparelhos de linha mista 2 Profundidade 750 e 900 mm 3 Hote parietal compensada -1face ab. 4 Capacidade no limite 5 Alimentações: GN e EE-400V 6 Cozinha de fast food =1 (100%) DADOS DE SAÍDA (Output): - Caudal de exaustão.2480 m 3 /h - Caudal de insuflação 1984 m 3 /h - Carga térmica (tudo ar) 28,3 kw Potência instalada: 76,5 kw 23 Pontos de controlo Exemplos de instalação: solução económica (sem sep.º de gordura) 24 12

13 Pontos de controlo Exemplo de instalação: solução eficiente 25 Pontos de controlo Exemplos de regulação e controlo: calor ou fumo 26 13

14 EXAUSTÃO EXTRAÇÃO Equipamentos e características. O que há de novo? Unidade de Ventilação de Exaustão, [UVE]: Turbina de pás recuadas: Transmissão direta Rendimento ErP 2015 Motor fora do fluxo de ar Envolvente com requisitos da NP EN 1886 F400/2H homologação pela norma EN Variação de velocidade controlo integrado Requisitos do Regulamento (EU) 1253/2014 Redução significativa do risco de incêndio! 27 INSUFLAÇÃO Equipamentos e características. O que há de novo? Unidade de Ventilação de Compensação/Insuflação, [UVC(I)]: Dois níveis de filtração: G4(M5) + F7(F8) Ventilador de pás avançadas: Transmissão direta Rendimento ErP 2015 Caixa ou envolvente requisitos da NP EN 1886 Requisitos do Regulamento (EU) 1253/2014 Variação de velocidade controlo integrado Pressóstato diferencial 28 14

15 INSUFLAÇÃO Equipamentos e características. O que há de novo? Unidade de Tratamento de Ar Novo, (UTAN), com partição: Dois níveis de filtração: M5 (M6) + 2 F8 Ventilador de pás avançadas: Transmissão indireta Rendimento ErP 2015 Requisitos da NP EN 1886 Pressóstatos diferenciais Requisitos do Regulamento (EU) 1253/2014 Variação de velocidade controlo integrado UTAN ainda não fabricada em Portugal! 29 Equipamentos e características. O que há de novo? Unidade de climatização de telhado, Roof Top Unit (RTU): Dois níveis de filtração: M5 (M6) + 2 F8 Ventilador de pás recuadas: Transmissão plug fan Rendimento ErP 2015 Requisitos da NP EN 1886 Compressores scroll, inverter Pressóstatos diferenciais Sistema de arrefecimento chilbooster Variação de velocidade controlo integrado Maiores exigências de controlo! 30 15

16 Frontal 4. Mic projeto de investigação Projeto recente, envolvendo a utilização desta metodologia em trabalhos de campo foram alvo de estudo de investigação, sob orientação de dois Professores universitários envolvendo: O DEM- FCTUC A Faculdade de Farmácia da UC A ACT 4 Hotéis 4 Restaurantes 4 Cantinas 1 Empresa instaladora 1 Investigador bolseiro Vários alunos de mestrado Objetivo Mic projeto de investigação Metodologia: recorreu-se, previamente à simulações com CFD com um modelo idealizado e a medições, realizadas nas cozinhas dos estabelecimentos previamente selecionados 32 16

17 4. Mic projeto de investigação Resultados: as medições confirmaram os valores dos caudais obtidos com a simulação em CFD Mic projeto de investigação Resultados: os trabalhos de campo com o ajustamento adequado, confirmaram os valores de conforto simulados em CFD 34 17

18 5. Mic projeto de investigação Resultados: as amostras recolhidas com os caudais de trabalho ou funcionamento otimizado confirmaram a total ausência HAP Conclusões 1. O caudal de exaustão nunca poderá ultrapassar as 50 renovações volumétricas por hora (VEHA < 50 RenVol/h) 2. Os caudais e as cargas térmicas dependem das seguintes variáveis: i) tipo, potência e número de aparelhos instalados na cozinha profissional ii) altura de instalação do teto filtrante ou da hote iii) temperatura interior de conforto requerida (22º ou 23 ºC) iv) temperatura do ar insuflado (14º a 19 ºC) v) coeficiente de simultaneidade (0,6 a 1,0) vi) Da estratégia de difusão do ar de compensação: hote e/ou difusores 3. O pré-dimensionamento de 90 m 3 /h por m 2 de área de cozinha permitirá uma aproximação do valor de caudal de exaustão e prevenir eventuais desvios à norma. 4. A determinação dos caudais é sempre da responsabilidade do projetista da hote ou do fabricante/instalador do teto filtrante. Desta metodologia de cálculo resultam valores reais de medição com desvio de + 10% 5. O sobredimensionamento do caudal em 10% diminui a possibilidade de erro e evita a mudança de ventilador em caso de expansão do negócio A partição dos caudais ajuda a procurar e manter o equilíbrio da instalação. 18

19 Bibliografia e recursos Regulamento (CE) 852/2004 HACCP Kosonen, R. (2006), Thermal plumes of kitchen appliances: Cooking mode, Energy and Buildings, science@direct Norma de referência: prnp DNP (documento normativo português), IPQ (versão de 2015) VDI 2052:2006 Kitchen Ventilation Systems Monteiro, V. (2016), Ventilação na Restauração e Hotelaria, 2.ª edição Santos, M. (2013), Modelo ideal de cozinha: conceção e análise crítica. ADAI/FCTUC/ACT/FFUC - Projeto n.º 044APJ/08 - DRH Documentos e imagens utilizados na investigação: DW/172:2005(BS) Halton Kitchen Design Guide (2007) Halton Design Guide (2014) Halton - Model-based Automated Regulation of Ventilation Exhaust Level (M.A.R.V.E.L) Paper work do CEN / TC 156/WG 14 DNP pren partes 37 Obrigado pela Vossa atenção viktor.monteiro@gmail.com 38 19