La ventilazione e in particolar modo l’estrazione dell’aria inquinata prodotta nelle cucine commerciali, rappresentano una sfida sempre nuova per il progettista HVAC, chiamato in prima istanza a garantire le condizioni essenziali di sicurezza e di igiene al personale nell’ambiente di lavoro, e nello stesso tempo al mantenimento delle condizioni ideali di comfort e IAQ, dovendo peraltro coniugare entrambi i temi con le revisioni normative imposte dal risparmio energetico.
Gli impianti di cottura di grandi dimensioni comportano la richiesta di un efficace sistema di ventilazione ed espulsione dei prodotti effluenti generati dalla cottura dei cibi. Ma se in passato questa esigenza veniva risolta con un aumento consistente dei ricambi d’aria e conseguente innalzamento della portata d’aria espulsa (NFPA 96, VDI 2058), oggigiorno tutti i diversi operatori interessati al processo, dal progettista HVAC all’installatore fino al committente, sono concordi che il problema può essere risolto solamente con una approfondita analisi globale del “sistema ventilazione”, inteso come un insieme correlato tra diversi e funzionali allestimenti.
Questa esigenza scaturisce principalmente dalla aumentata comprensione che alla varietà d’impianti possibili, è necessario rispondere assicurando in ogni modo una più ampia tutela della salute degli operatori, innanzitutto attraverso idonei valori di qualità e di ricambi dell’aria e di comfort, obbligandosi nel contempo ad ottimizzare l’utilizzo dell’energia consumata.
Le condizioni di lavoro
È noto che le cucine commerciali evidenziano un ambiente dalle condizioni di lavoro severe, talvolta critiche, nelle quali consistenti quantità di energia termica, sia convettiva e sia irraggiata, vengono rapidamente smaltite dal sistema di evacuazione, attraverso punti di aspirazione localizzati (cappe) o in modo più articolato da controsoffitti estesi (modulari).
Nel corso della cottura dei cibi si formano vapori, particelle liquide (e solide). Le particelle liquide con dimensioni fra 10 e 100 m (in genere particelle di olio) ricadono nelle immediate vicinanze della apparecchiatura di cottura; quelle comprese fra 0,01 e 3 µm, sono il risultato della ricondensazione dei vapori di grasso che si liberano nella cottura.
Si stima che una particella di 100 µm impieghi poco più di 4 secondi per cadere da una altezza di un metro, mentre una di 1 µm possa restare in sospensione per ore. Se le particelle più piccole non vengono subito rimosse, queste andranno a depositarsi sulle superfici affacciate all’ambiente generando cattivi odori.
La cottura dei cibi provoca anche la formazione di grandi quantità di vapore d’acqua che, se non adeguatamente smaltito, rappresenta una delle principali cause di crescita delle muffe.
Infine i vapori organici generati dalla cottura dei cibi sono fonte di odori che si diffondono dalla cucina anche nei locali adiacenti.
Per evitare dunque la diffusione di odori, particelle sospese e vapore acqueo dalle cucine è indispensabile l’adozione di cappe ubicate al di sopra del piano di cottura.
Gli impianti di condizionamento e di ventilazione sono dunque necessari nelle moderne cucine commerciali per:
– assicurare la rimozione degli odori, degli inquinanti e delle particelle di grasso;
– per aumentare le condizioni di igiene ambientale e in generale di IAQ;
– asportare le ingenti quantità di calore (convezione e radiazione) generato dai piani di cottura;
– consentire il controllo della variazione di umidità conseguente alla preparazione dei pasti e del lavaggio;
– mantenere delle condizioni di comfort per gli operatori che non ne determino uno scadimento produttivo.
Considerazioni sul funzionamento delle cappe
La progettazione di un sistema di ventilazione delle cucine deve necessariamente iniziare con la raccolta delle specifiche tecniche delle attrezzature di cottura da installare, ivi compreso l’allestimento e il layout della ambiente – cucina, le dimensioni delle cappe aspiranti e naturalmente una stima della portata d’aria di espulsione necessaria al regolare funzionamento della cucina.
Il progettista deve inoltre verificare che le cappe siano sufficientemente ampie da garantire una copertura cha vada oltre l’estensione dei banchi di cottura (di norma ulteriori 25 cm sul frontale e altri 15 cm lateralmente, dimensioni che raddoppiano, almeno frontalmente, per i forni con sportello).
Per verificare poi il loro regolare funzionamento deve essere inoltre previsto un test di riscontro nelle condizioni di pieno funzionamento della cucina attraverso prove di fumo che indicano la reale cattura degli effluenti emessi (IMC, 507.16.1).
Il calcolo della minima portata d’aria di espulsione
Si può idealmente immaginare che le attrezzature presenti nell’ambiente cucina possano essere equiparate a dei generatori di aria contaminata. La quantità di aria “prodotta” da ogni unità di cottura dipende dalla sua superficie piana orizzontale e dalla sua temperatura, condizioni queste che determinando il valore del cambio di densità dell’aria e che di conseguenza producono nella zona coinvolta una corrente d’aria ascensionale. Il processo si autoalimenta attraverso l’aria confinante, chiamata immediatamente a sostituire quella risalita ed espulsa. Questa aria supplementare stabilisce la velocità minima di cattura sulla superficie di cottura (metodo della velocità frontale) e aiuta a contenere i gas contaminanti sviluppati dal piano cottura. La direzione e la velocità di questi gas viene in ogni modo influenzata dalla geometria della cappa aspirante e dal suo collocamento all’interno della cucina.
Lo studio della cappa aspirante (a copertura integrale), grazie anche alla spinta dovuta alla variazione di densità dell’aria, può essere limitato al solo progetto della dimensione necessaria a ricevere e trattenere l’aria contaminata prodotta dal piano cottura, al fine di garantirne la sua espulsione.
Le portate d’aria in gioco
Se individuiamo come QC la quantità di aria inquinata generata dai piani cottura della cucina che viene catturata dalla cappa, con QE la quantità di aria espulsa dalla cappa, ritorna naturale che per rimuovere tutta l’aria contaminata, QE deve essere uguale o più grande di QC.
Se QC dovesse superare QE a causa di una progettazione impropria o da improvviso e consistente aumento dei gas, rimane evidente che lungo il perimetro esterno della cappa, dove la velocità di cattura risulta per definizione nulla, una determinata quantità di aria si potrà sottrarre all’estrazione e liberarsi nell’ambiente.
Per prevenire ed evitare questa spiacevole situazione, la velocità di cattura deve essere stabilita e determinata per quelle zone dove il valore del gradiente di densità dell’aria è poco significativo o nullo.
La quantità di aria richiesta per mantenere questa velocità di cattura QF deve essere così sommata a quella estratta QE; in questo modo sarà possibile evitare le indesiderate fughe laterali, garantendo nel contempo la completa estrazione degli inquinanti.
Nel tempo si sono ridotte considerevolmente le richieste di grandi quantità di aria espulsa, tipiche delle installazioni passate, determinate semplicemente dal tipo di attrezzatura da cucina sottostante e dal tipo di sostanze gassose da essa sprigionate.
Sulla base di nuove revisioni normative l’Ashrae nello Standard 154 ha elaborato un tabella della portata di estrazione per metro lineare della cappa in funzione della tipologia di cappa e del processo di cottura svolto. Vengono inoltre previste portate di estrazione differenti a seconda o meno dell’approvazione della cappa allo standard UL 710.
Oltre a questa stima della portata di estrazione d’aria per metro lineare della cappa conviene ricordare in Europa il metodo definito del “carico termico”, utilizzato dalla normativa tedesca VDI 2052:2006, che considera il calore (convettivo) emesso dai piani di cottura, la zona di esposizione, la distanza tra il piano e l’unità di estrazione e l’efficienza di rimozione degli agenti inquinanti della ventilazione generale.
In questo modo è possibile con il calcolo della portata della colonna di gas (aria e inquinanti) emesso dal piano di cottura, ignorando il tipo di cottura, stabilire la portata d’aria necessaria a mantenere in equilibrio il processo di cottura e l’ambiente circostante.
La grande leva termica ascendente sviluppata grazie al principio di Archimede sopra una superficie riscaldata aiuta a trasportare i prodotti inquinanti della cucina (aria calda, vapori grassi, fumo, vapore, e combustione di gas) alla cappa. Giovandosi di questo fenomeno naturale, la quantità dell’aria di espulsione può essere decisamente ridotta a valori più contenuti e quindi meno dispendiosi.
Raccomandazioni
Come si può notare sono molteplici gli aspetti qualitativi e quantitativi a corredo di un corretto dimensionamento, e dove ovviamente il dispositivo di estrazione e l’unità di trattamento dell’aria giocano un ruolo fondamentale ed unico nella riuscita del progetto.
Per attuare efficacemente i necessari ricambi d’aria la tipologia degli impianti di ventilazione delle grandi cucine rivestono quindi una fondamentale importanza nel progetto delle grandi cucine, sistemi che si possono cosi distinguere in:
ventilazione naturale, ventilazione meccanica con cappa con e senza insufflazione d’aria, impianti con cappe tradizionali e speciali, impianti con controsoffitto attivo – non attivo.
Naturalmente il progetto dell’impianto non si esaurisce nel dimensionamento della minima portata d’aria tale da garantire le condizioni di sicurezza igienico – batteriologica degli operatori attraverso la cattura (velocità di captazione) e il contenimento, delle emissioni inquinanti sviluppate dalla combustione, ma si deve necessariamente provvedere anche a determinare le condizioni “tipiche” di funzionamento, tra le quali possiamo distinguere:
– Assicurare al sistema cucina – impianto la massima protezione antincendio.
– Abbattere le emissioni espulse nell’atmosfera entro limiti previsti.
– Stabilire i corretti ricambi d’aria ambiente, garantendo condizioni accettabili di comfort ambientale.
– Favorire economie di esercizio attraverso le tecnologie del recupero del calore evacuato e della sua possibile ridistribuzione.
– Dimensionare l’impianto in modo tale che richieda una manutenzione periodica semplice e non invasiva, che prediliga il possibile riutilizzo dei materiali impiegati (rimozione e lavaggio delle occlusioni generate dalle particelle inquinanti e possibile rigenerazione degli elementi filtranti…) e nel contempo mantenga un funzionamento nel tempo non troppo distante dalle condizioni di progetto.
– Corredare l’impianto di un sistema intelligente di controllo e supervisione che implementi tra loro le differenti esigenze sia dei vari componenti e sia delle differenti zone servite.
Energy saving e comfort
Quasi il 30% dell’energia totale consumata nei ristoranti è prelevata dall’impianto HVAC e di questa il 75% viene sottratta dal solo impianto di estrazione delle cappe aspiranti. Appare dunque evidente come il problema del “giusto dimensionamento” del sistema viene in questo caso amplificato dall’importante incidenza economica sui costi di esercizio dell’intera attività.
E proprio alla luce di questa sostanziale voce di bilancio che i maggiori organismi internazionali hanno via via definito degli standard e delle normative più efficienti, che non si limitano solamente a garantire l’igiene e la sicurezza degli addetti, attraverso elevate quantità d’aria in estrazione, ma permettano un utilizzo più razionale dell’energia, contenendo al minimo i valori di aria esterna di ricambio.
La portata dell’aria nell’ambiente cucina viene visto così nel suo insieme tra esigenze di riscaldamento/raffreddamento, ventilazione IAQ, (de)pressurizazione verso gli spazi confinanti e l’espulsione dell’aria inquinata da parte delle cappe.
Lo standard 90.1-2010 dell’Ashrae stabilisce che, per portate d’aria totale del sistema di ventilazione dell’ambiente cucina superiore ai 2.400 L/s, oltre a rispettare le specifiche di espulsione previste per ogni singola cappa, almeno la metà di tutta la portata d’aria di ricambio deve essere prelevata/trasferita dagli altri ambienti confinanti. Inoltre deve essere previsto un sistema di controllo della ventilazione (DVS, demand ventilation system) che operi su almeno il 75% della portata d’aria di espulsione, questo in funzione di una riduzione di almeno il 50% dell’aria espulsa e di ricambio.
Il controllo modulare della portata d’aria di ventilazione in funzione delle reali esigenze (carichi parziali o nulli) viene visto come un “must have” non più procrastinabile.
Allo stesso tempo, in questi casi, deve essere previsto anche l’utilizzo di un unità di recupero del calore con efficacia superiore al 40% che operi su almeno il 50% della portata d’aria espulsa.
In merito alle condizioni della portata d’aria esterna di rinnovo in grado di assicurare le condizioni termoigrometriche di comfort nell’ambiente cucina, la nuova prUNI 10339:2014 indica in 7 L/s per persona il valore per i saloni ristorante e fino a 16 ricambi orari la portata di estrazione per la zona cucina.
Il valore minimo pro capite consigliato dallo Ansi/Ashrae standard 62.1:2013, anch’esso in diminuzione, viene indicato in 7 L/s persona per la zona cucina e 9,4 L/s persona per la zona pranzo.
La tendenza di risparmio energetico è quello di ridurre l’aria di espulsione e di conseguenza l’aria complessiva di ventilazione. L’IMC 2009-2012 (sezione 403.3) richiede una portata d’aria di 3,5 L/s persona e 0,08 L·s/m2 di spazio occupato.
L’aria di rinnovo e il sistema di ventilazione
Nelle cucine l’implementazione dell’impianto dedicato al reintegro dell’aria espulsa dalle cappe riveste una grande influenza sul funzionamento stesso delle cappe. In generale la quantità d’aria introdotta, in condizioni ambiente, è pressoché identica (100%) a quella espulsa dalle cappe e questo significa che è necessario prevedere un trattamento climatico su una quantità d’aria esterna decisamente ragguardevole.
Una leggera differenza di pressione in negativo (5 Pa) è sempre consigliata per mantenere la zona cucine in depressione rispetto agli altri locali confinati (si immagini una sala ristorante).
Le condizioni di immissione dell’aria esterna che va in sostituzione a quella espulsa incidono comunque pesantemente sul conto economico di esercizio dell’impianto. Va da se che immettere direttamente l’aria esterna senza un pre-trattamento comporta un notevole risparmio energetico, ma anche un concreto rischio di ritrovarsi un ambiente con caratteristiche termoigrometriche compromesse.
Detto questo sono tre oggi i sistemi considerati per controbilanciare la portata d’aria espulsa dalle cappe:
– l’immissione di aria primaria per le esigenze IAQ inviata dall’impianto HVAC;
– l’immissione di aria per il reintegro di quella espulsa dalla cappe (makeup air);
– il trasferimento dell’aria dai locali contigui.
L’aria primaria prodotta dall’impianto HVAC vien inviata in cucina per garantire le condizioni di comfort termoigrometriche in ambiente al personale. Questa aria è di norma filtrata, riscaldata e raffreddata per soddisfare gli standard IAQ. L’aria primaria può essere fornita da una singola unità locale (ad esempio, roof top posto in copertura) o viceversa dall’impianto generale HVAC centralizzato.
L’aria di rispristino (IMC 508.1 Makeup Air) invece rappresenta l’aria introdotta appositamente in prossimità delle cappe, da un unità dedicata a compensare quella contaminata dai vapori e inquinanti prelevata direttamente dalle cappe per l’estrazione. In questo caso la portata d’aria immessa può essere o meno trattata dai normali processi di climatizzazione indipendentemente dalle condizioni di comfort previste in cucina (di questo si deve occupare invece l’aria primaria).
In ogni caso la temperatura dell’aria immessa, che dipende anche e soprattutto dal clima esterno, non dovrebbe essere diversa di 6/7 °C da quella presente in ambiente, a meno che anche questa differenza non comprometta il comfort o sia presente un sistema separato di climatizzazione (IMC 508.1.1).
Il reintegro dell’aria esterna può anche avvenire direttamente attraverso la cappa aspirante tramite un plenum integrato o esterno. In questo modo è evidente che diviene possibile sfruttare gratuitamente il trasferimento termico tra l’aria espulsa e quella di immissione, consentendo quindi un pre-trattamento all’aria di rinnovo. La differenza della posizione del plenum influisce sulla capacita della cappa di trattenere i fumi e i gas della combustione, che risulta maggiore nel plenum integrato; viceversa il plenum esterno oltre ad essere meno costoso permette un più facile retrofitting del sistema.
Vi sono pero delle limitazioni a tale soluzione, difatti in questi casi la raccomandazione IMC 6.5.7.1.1 indica che la portata d’aria immessa direttamente nella cappa non possa essere superiore al 10% di quella espulsa.
Tra i diversi modi per introdurre l’aria in cucina per sostituire quella estratta, uno dei preferiti per minimizzare le correnti e i flussi d’aria in ambiente (diffusori a feritoia, griglie, pannelli perforati), consiste nell’utilizzo di una barriera d’aria verticale, con una velocità di mandata compresa tra i 0.5 e i 0.75 metri al secondo, in grado cosi di migliorare i livelli di comfort dell’operatore prossimo all’attrezzatura da cucina e contenere le possibili fughe di aria inquinata.
In ogni caso, con l’avvento del sistema di controllo della ventilazione (DVS), tutta la portata d’aria di reintegro viene modulata in funzione delle reali esigenze del locali cucina e addirittura azzerata nel caso di non funzionamento delle cappe.
In ultimo, una parte anche consistente dell’aria necessaria all’ambiente cucina può essere trasferita dai locali circostanti (sala ristorante), garantendo così anche che gli odori restino in cucina. In questi casi può essere necessario l’utilizzo di unità ventilante di trasferimento onde evitare possibili raffreddamenti delle pietanze.
Estrazione dalla cappa aspirante e reintegro con diffusori a soffitto non direzionali
Probabilmente questo è il miglior sistema per portare l’aria esterna trattata nelle grandi cucine commerciali. Va da se che risulti decisamente conveniente quando la temperatura dell’aria esterna risulta prossima a quella in ambiente. Non avendo nessun tipo di reintegro dell’aria esterna attraverso la cappa, il 100% dell’aria di ricambio deve essere immessa dai diffusori perforati già trattata facendo si che necessariamente ci si obbliga a consumare notevoli quantità di energia.
Questo sistema è dunque il meno complesso e nella maggior parte anche il più funzionale, ma tuttavia non il più economico.
Data dunque la grande quantità d’aria immessa dai diffusori forellinati, riamane comunque importante il posizionamento di questi in modo da mantenere la velocità dell’aria uniforme a livelli accettabili (0,25 m/s), evitando fastidiose correnti direzionali e cortocircuiti.
Diffusori a dislocamento
Il sistema ormai consolidato della ventilazione a dislocamento, con velocità d’immissione dell’aria di rinnovo esterna decisamente basse, comporta nell’ambiente cucina, secondo recenti studi scandinavi, una riduzione della portata dell’aria esterna di circa il 19%, se confrontato con analoghi sistemi di ventilazione a miscela. Inoltre se ben calibrato, il dislocamento consente di ottenere un efficienza di ventilazione molto elevata, attorno al 98%, almeno 5 punti sopra l’immissione con diffusori a soffitto.
Inoltre, nel calcolo della minima portata d’aria necessaria a mantenere “sicuro” il processo di evacuazione dell’aria contaminata dalla combustione, è ipotizzabile utilizzare per il sistema a dislocamento un fattore di spillamento pari a 1.05 contro 1.25 proposto per la ventilazione a miscela (in altre parole la portata d’aria potrà essere tra il 5-25% minore).
Immissione frontale
Posizionato sulla parte anteriore della cappa, il diffusore permette l’immissione frontale, di solito a filo soffitto, dell’aria esterna in ambiente.
Il metodo viene utilizzato sia con aria esterna pre-trattata o in alternativa sfruttando in parte la miscelazione direttamente con l’aria ambiente in cucine con clima non controllato meccanicamente.
Si usano normalmente diffusori forellinati per minimizzare la velocità dell’aria o in alternativa per grandi ambienti, bocchette a lungo lancio.
Normalmente la portata oraria massima consentita è di 130 m3/h per metro lineare.
Questo tipo di soluzione non è raccomandata quando ci si trova in presenza di ostacoli posti a meno di 2 m dal diffusore nella direzione del lancio
L’immissione direttamente di aria esterna non trattata in cucine climatizzate può comportare l’inconveniente che l’aria esterna, normalmente più calda, ristagni nella parte superiore della cucina, con probabile formazione di condensa sulle superficie fredde dei diffusori, e che inoltre venga poi catturata dalle griglie di ripresa dell’impianto dell’aria condizionata, vanificando cosi sul nascere lo scopo di alimentare la portata d’aria richiesta dalle cappe di espulsione.
Con cortina d’aria integrata
L’utilizzo di una cortina d’aria integrata nella cappa viene sfruttato per creare una separazione fluidodinamica con il resto della cucina. Se lo scopo principale è quello di ottenere un elemento di sollievo per il personale, si immetterà aria esterna trattata, viceversa con l’alimentazione di aria non temperata, si otterrà un risparmio energetico a scapito delle condizioni climatiche degli operatori.
In questo caso comunque, immettendo aria non trattata, si ricade nei problemi del sistema precedente, con possibili galleggiamenti in ambiente dell’aria esterna di rinnovo.
La massima portata d’aria risulta di circa 60/70 m3/h per metro lineare.
Con plenum esterno di immissione
Pur realizzando nei fatti lo stesso principio della cappa con cortina d’aria, il sistema presenta il vantaggio di poter essere posizionato (il plenum) verticalmente ad un altezza variabile (superiore/inferiore), e di poter coprire tutti i lati liberi della cappa, consentendo una maggiore immissione di aria esterna.
La portata d’aria esterna può cosi variare fino a 100 m3/h per metro lineare.
E’ comunque necessario che l’immissione dell’aria non avvenga a velocità troppo elevata, in quanto questo comporta un sostanziale aumento della differenza di pressione (depressione) con la zona coperta dalla cappa, consentendo dunque probabili fughe di gas contaminati in ambiente.
Cappa combinata
Onde evitare di progettare cappe dalle dimensioni troppo generose, è possibile prevedere la combinazione tra il sistema con immissione frontale dell’aria esterna e la cappa a cortina d’aria. Questa soluzione è particolatamente consigliata per climi freddi, dove l’immissione diretta di aria esterna può consentire di raffreddare gratuitamente la cucina (free cooling).
La portata d’aria esterna è in questi casi maggiore, dovuta alla normale sommatoria dei due sistemi (con alcune limitazioni).
Una variante interessante del progetto è costituita dall’utilizzo di un plenum dotato di una serranda regolabile che divide il flusso tra verticale (cortina) e orizzontale (diffusione), aumentando nel contempo la portata di aria esterna.
Cappa con plenum posteriore d’immissione
Una variante insolita, ma sicuramente interessante è quella di immettere l’aria esterna lungo un condotto/plenum posto posteriormente alla cappa e ai piani di cottura.
In questo modo è possibile immettere aria esterna non trattata, a bassa velocità, soprattutto nelle stagioni fredde, in quanto l’aria uscirà da sotto i banchi cucina già riscaldata e quindi pronta per essere utilizzata a diluire la massa di gas prodotti dalla cottura dei cibi.
L’immissione viene normalmente sistemata ad una altezza di 80 cm dal pavimento, proveniente da un condotto largo 12 cm, con una portata d’aria massima di 130 m3/h per metro lineare.
di Luca Ferrari
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ottimo articolo