Lufttechnik in einer thermisch hochbelasteten Küche

Luftführung in der Küche

Zunächst schien es ein Routineprojekt zu werden. Die Messe Düsseldorf beabsichtigte, in der Halle 4 ein Restaurant mit einer Fläche von 130 m² für 100 Personen einzurichten. Zur Versorgung dieses Restaurants war eine direkt angrenzende Küche geplant, deren wesentliche Räume die Warmküche mit einer Fläche von ca. 14 m² und die Spülküche mit einer Fläche von ca. 12 m² waren. Des Weiteren gab es die Kaltküche, den Lagerraum und den Kühlraum.

Während die Planung des Restaurants problemlos verlief und sich sowohl die Wärme- als auch Schadstofflasten im üblichen Rahmen bewegten, wuchs im Laufe der Küchenplanung die installierte elektrische Leistung dramatisch an. Von moderaten Anfangswerten stieg die Gesamtleistung für alle Küchenräume zunächst auf 144 kW und schließlich auf 152 kW. Damit könnte man mehr als 15 Einfamilienwohnhäuser beheizen! Für die beiden kritischen Räume der Warmküche und der Spülküche ergaben sich die installierten elektrischen Leistungen gemäß Tabelle 1.

In diesen Werten war allerdings noch kein Gleichzeitigkeitsfaktor enthalten. Dieser wurde vom Küchenplaner mit einem Wert von 75 % festgelegt. Aus den hohen spezifische elektrischen Leistungen ist ersichtlich, welch große Anforderungen an die RLT-Anlage gestellt wurden. Die Auslegung der RLT-Anlage gemäß VDI-Richtlinie 2052 – RLT-Anlagen für Küchen – stieß schnell an unüberwindliche Grenzen. Die Berechnung der Ablufthauben gemäß dieser Richtlinie ergab Luftleistungen, aus denen eine Zu- und Abluftrate für die Warmküche von 225 m³/hm² und für die Spülküche von 312 m³/hm² resultierten. Diese Werte lagen weit über dem in der VDI-Richtlinie 2052 empfohlenen und aufgrund von Erfahrungswerten auch als realistisch anzusehenden Maximalwert für die Zuluftrate von 90 m³/hm². Wird dieser Wert überschritten, ist mit Zugerscheinungen und unbehaglichen Raumluftbedingungen zu rechnen. Zudem hätte die zur Verfügung stehende Deckenfläche nicht ausgereicht, um die erforderlichen Zuluftauslässe unterzubringen. Die Konsequenz aus den Regularien der VDI-Richtlinie 2052 für den RLT-Planer war, Bedenken anzumelden und darauf aufmerksam zu machen, dass entweder die installierte Geräteleistung gesenkt, der Gleichzeitigkeitsfaktor reduziert oder die Küchenfläche vergrößert hätte werden müssen. All dies kam jedoch nicht in Betracht. Denn die Größe des Restaurants musste aufgrund der Aufgabenstellung und der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen aufrechterhalten werden. Damit aber waren die Kapazität und die Leistung der Kücheneinrichtung vorgegeben. Eine Vergrößerung der Küchenfläche kam nicht in Frage, weil die Nachbarräume langfristig vermietet waren und nicht abgegeben werden konnten.

Deshalb wurde eine aus der Vergangenheit bekannte Lösung gewählt, die allerdings heute nicht mehr in allen Punkten konform geht mit den Anforderungen der aktuellen VDI-Richtlinie 2052. Nachdem zunächst vom Bauherrn keine Küchenlüftungsdecke, sondern Ablufthauben gewünscht waren, wurde auf den besonderen Typ der Induktionshaube zurückgegriffen. In diese Induktionshaube wird durch einen speziell gestalteten Venturi-Spalt an der dem Raum zugewandten Längsseite thermisch unbehandelte Zuluft eingeblasen. Die hohe Luftgeschwindigkeit des Strahls sorgt für eine starke Induktion der wärme- und schadstoffbelasteten Thermik-Luftströme, die von den Küchengeräten unter der Haube aufsteigen, und somit für eine bessere Erfassung als bei den üblichen Ablufthauben. Wichtig dabei ist, dass eine strömungstechnisch optimierte Zulufteinbringung mit laminarer Strömung gewählt wird, bei der die Induktion hoch ist und Zugerscheinungen unter der Haube vermieden werden. Bild 1 zeigt das Prinzip der Induktionshaube. Abgestimmt auf die Küchengeräte wurden in der Warmküche und in der Spülküche jeweils zwei Hauben vorgesehen. Die Hauben bestehen aus Edelstahl mit patentierter, ausgerundeter Zuluft-Venturidüse. Ein flammendurchschlagsicheres Hochleistungs-Abscheidesystem mit Selbstreinigungseffekt entfernt weitgehend Aerosole und Fett aus der Abluft. Spritz- und strahlwassergeschützte Spezialeinbauleuchten sorgen für die gute Ausleuchtung des Küchenbereiches unter den Hauben. Die Abluftleistung ist mit verstellbaren Abluftschiebern regelbar. Klappen mit Stellhebel und Bowdenzug dienen der Einregulierung der Induktionszuluftleistung. Bild 2 zeigt die Induktionshaube über den Gargeräten in der Warmküche, Bild 3 über der Doppelkorb-Spülmaschine in der Spülküche. Die Abluftleistung der Hauben wurde gemäß den Algorithmen zur Berechnung der Thermik und Wrasenströme gemäß VDI-Richtlinie 2052 ausgelegt, jedoch ohne die darin geforderte Addition des Induktionsluftstroms. Die so berechnete Abluftleistung wurde damit als Gesamtzuluftleistung zugrunde gelegt. Von dieser wurden 60 % als Induktionsluft in die Hauben und 40 % als Zuluft in den Raum geführt. Somit war es möglich, die Raumzuluftleistung um den Induktions­luftstrom zu vermindern. Nachfolgende einfache Formel verdeutlicht diese Rechnung:

V_ZUL,Raum = V_{ABL, Haube} - V_{ZUL, Induktion}

Nach dieser Auslegung stellten sich die Luftbilanzen gemäß Tabelle 2 ein.

Durch die Anwendung dieser Maßnahme wurde für die Warmküche die nach VDI-Richtlinie 2052 empfohlene Luftrate von 90 m³/hm² eingehalten. In der Spülküche wurde eine Überschreitung akzeptiert, da dort die Zuluft mit mehreren relativ schmalen Laminarauslässen an verschiedenen Stellen eingeführt und die Luftführung somit strömungstechnisch günstiger gestaltet werden konnte.

Quell-Luftauslässe im Aufenthaltsbereich, die eine optimale Lösung der Zulufteinbringung gewesen wären, kamen infolge der kleinen und völlig ausgeschöpften Arbeitsfläche nicht in Betracht. Als beste Alternative wurden Decken-Laminarauslässe gewählt, durch die die Zuluft mit einer geringen Geschwindigkeit von < 0,20 m/s vertikal nach unten austritt. In der Warmküche wurde der größtmögliche Abstand zwischen Haube und Auslass von 0,75 m gewählt, so dass die herabströmende Luft nicht vom Induktionsimpuls der Haube erfasst wird. In der Spülküche ist dieser Abstand geringer, bedingt durch die ungünstige Grundfläche des Raumes. Dies wird jedoch kompensiert durch die oben beschriebene differenzierte Anordnung der Auslässe.

Hinsichtlich der Luftrate konnte somit nahezu den Empfehlungen der VDI-Richtlinie 2052 entsprochen werden. Die Gesamtabluftleistung der Hauben ist nach den Algorithmen dieser Richtlinie allerdings zu klein, da die Induktionsluftleistung nicht zur Thermikstromluftleistung addiert wurde, wie es die Richtlinie fordert. Nach intensiven Gesprächen mit dem Haubenhersteller und unter Berücksichtigung der Erfahrungen mit dessen Induktionshauben, die über eine strömungstechnisch optimierte Zulufteinbringung mit laminarer Strömung verfügen, wurde nach Zustimmung vom Bauherrn entschieden, die Auslegung der Hauben ohne Addition des Induktionsluftstroms zu realisieren, zumal eine andere technische Lösung nicht zur Verfügung stand.

In der Schlussphase der Planung wurde die Küche um einen zusätzlichen Kombidämpfer mit einer Leistung von 19 kW ergänzt. Nach der Anmeldung von Bedenken und nach erneuten Diskussionen wurde ein Kompromiss geschlossen, der vorsah, die Tür des zusätzlichen Dämpfers mit den Türen der anderen Dämpfer zu verriegeln, so dass sie nicht gleichzeitig geöffnet werden können.

Die so entwickelte Kompromisslösung wurde im Einvernehmen mit allen an der Planung Beteiligten verabschiedet. Es war äußerst erfreulich, dass allseitiges Interesse an einer unkomplizierten praktikablen Lösung bestand und der Kompromiss unbürokratisch umgesetzt werden konnte.

Nach einer Gesamtbauzeit von ca. vier Monaten ging die Küche in Betrieb. Um die optimale Induktionswirkung der Hauben sicherzustellen, wurden diese unter Beachtung der Herstellererfahrungen besonders sorgfältig einreguliert. Die Überprüfung der Raumluftströmung und der thermischen Verhältnisse in der Küche zeigte, dass die in Hinblick auf die Behaglichkeit an der Grenze des Machbaren konzipierte Anlage gut funktioniert. Sowohl die thermischen Lasten als auch die Feuchtelasten werden ohne Störungen abgeführt und der Raumluftzustand ist behaglich.

Die Induktionsablufthauben und die Laminarauslässe sind natürlich nur Teile der Gesamtanlage, allerdings die wesentlichen. Zur vollständigen Erläuterung der Gesamtmaßnahme sind nachfolgend die Anlagenkonzeptionen der Teilklimaanlageanlagen für die Küche und das Restaurant beschrieben.

Teilklimaanlage Küche

Die Zuluft wird in einem Kastengerät aufbereitet, das in einer Technik­fläche oberhalb der Küche angeordnet ist. Zunächst wird der Gesamtzuluftstrom gefiltert. Auf eine zweite Filterstufe wurde verzichtet, weil durch den Einsatz eines Freilaufrad-Ventilators kein Keilriemenabrieb auftritt. Nach dem Ventilator findet die Splittung in die Raumzuluft und die Induktionszuluft statt. Die Raumzuluft wird nach Bedarf erwärmt oder gekühlt auf Zulufttemperaturen von 19 bis 24 °C. Die Induktionszuluft wird thermisch nicht behandelt, das heißt, sie wird mit der jeweiligen Außenlufttemperatur in die Induktionshaube eingeblasen. Das bedeutet im Winter Zulufttemperaturen bis zu -10 °C, im Sommer bis zu +32 °C. Bild 4 zeigt das Schema der Küchenanlage.

Die Abluft wird durch ein Kanalnetz aus wasser- und fettdicht geschweißten Stahlblechkanälen abgesaugt und von einem Dachventilator ins Freie gefördert. Durch die Wahl eines Dachventilators konnte der sonst zur Aufstellung eines Radialventilators erforderliche Zentralenraum mit der Feuerwiderstandsklasse F90 entfallen. Das Abluftkanalnetz ist mit den erforderlichen Revisionsöffnungen zur Reinigung und an allen Tiefpunkten mit Entwässerungsstutzen versehen. Die Abluftkanäle außerhalb des Küchenbereiches wurden gemäß den Anforderungen der Lüftungsanlagen-Richtlinie Nord-rhein-Westfalen mit einer Dämmung der Feuerwiderstandsklasse L90 versehen. Außen- und Zuluftkanäle wurden aus verzinktem Blech gefertigt. Die Raumzuluftkanäle sind mit Mineralwollmatten isoliert. Wegen des Betriebes mit kalter Außenluft bis zu -10 °C erhielten die Außenluftkanäle und die Induktionszuluftkanäle eine nichtbrennbare und dampfdiffusionsdichte Dämmung aus Schaumglas, die Wasserdampfkondensation an der Oberfläche verhindert.

Eine Wärmerückgewinnung wurde nicht vorgesehen, weil einerseits bereits der Betrieb der Induktionshauben mit thermisch unbehandelter Zuluft zu einer bedeutenden Energieeinsparung führt und andererseits durch der Einbau eines WRG-Wärmetauschers eine feuerbeständige Abluftzentrale erforderlich gewesen wäre, deren Investitionskosten sich nicht amortisiert hätten.

Zur Bedienung der Anlage durch das Küchenpersonal ist in der Küche ein Fernsteuertableau angeordnet. Die Raumzulufttemperatur wird konstant gefahren mit wählbaren Werten zwischen 19 und 24 °C. Zu- und Abluft-Ventilator können in den beiden vom Küchenpersonal wählbaren Luftleistungsstufen 100 % und 50 % betrieben werden. Weil der Zuluftventilator vor der thermischen Luftbehandlung angeordnet ist, variiert dort die Lufttemperatur von -10 °C bis +32 °C und damit auch die Dichte der Luft. Da der Ventilator stets einen konstanten Luftvolumenstrom fördert, verändert sich mit der Dichte der geförderte Massenstrom. Die Ablufttemperatur ist dagegen relativ konstant, sie variiert nur zwischen 20 °C und 30 °C, entsprechend stabil ist ihr Massenstrom. Um die nach der VDI-Richtlinie 2052 erforderliche ausgeglichene Massenbilanz zwischen Zuluft und Abluft sicher zu stellen, wird der Zuluftmassenstrom jeweils in der großen und kleinen Drehzahl konstant gehalten. Erreicht wird dies durch Messung der Lufttemperatur und Regelung der Luftleistung an der Einlaufdüse des Zuluftventilators.

Teilklimaanlage Restaurant

Die Zuluft wird in einem Kastengerät aufbereitet, das in der Technikfläche über dem Restaurant angeordnet ist. Sie wird gefiltert und nach Bedarf erwärmt oder gekühlt. Zur Energierückgewinnung wurde ein Sorptions-Rotationswärmetauscher für Wärme- und Feuchteaustausch vorgesehen. Mit ihm ist neben der Wärmerückgewinnung im Winter eine Vorkühlung und Vorentfeuchtung der Luft in der warmen Jahreszeit möglich, wodurch der Luftkühler und die Kälteleitungen verkleinert werden konnten. Der Rotationswärmetauscher ist zur Vermeidung von Rückströmungen saugseitig von Zu- und Abluftventilator angeordnet und mit einer Doppelspülkammer ausgestattet. Vor der Wärmerückgewinnung wird die Abluft gefiltert. Die Anlage arbeitet mit 100 % Außenluft, weil die für die Personen bemessene Außenluftleistung nahezu identisch ist mit der zur Kühllastabfuhr erforderlichen Zuluftleistung. Bild 5 zeigt das Schema der Restaurantanlage. Die Zuluft wird durch Drallauslässe in den Raum eingeblasen, die Abluft durch unsichtbar angeordnete Abluftgitter abgesaugt. Die Luft wird durch ein Netz aus verzinkten Stahlblechkanälen gefördert. Die Zuluftkanäle erhielten eine Wärmedämmung aus Mineralwolle, die Außenluftkanäle aus Schaumglas.

Geregelt wird die Zulufttemperatur. Sie wird in Form einer Kaskadenregelung in Abhängigkeit von der Ablufttemperatur verschoben. Vom Temperaturregler werden Vorerhitzerventil, Wärmerad und Kühler in Sequenz angesteuert. Die Luftleistung der Anlage wird variabel von 50 bis 100 % in Abhängigkeit vom CO₂-Gehalt der Abluft gefahren. Der CO₂-Gehalt wird im Abluftkanal gemessen, sein Sollwert beträgt 1000 ppm. Mit dieser Luftqualitätsregelung wird stets nur der notwendige Volumenstrom gefahren, so dass sowohl die Luftförderkosten als auch die Kosten für Heiz- und Kühlenergie minimiert sind. Durch den Einsatz der Wärmerückgewinnung in Verbindung mit der CO₂-geführten Volumenstromregelung wurde die maximal mögliche Energieeinsparung erreicht. Die Beheizung des Restaurants erfolgt im Lüftungsbetrieb mit der Teilklimaanlage. Die raumhohe Fensterfassade wird in diesem Fall mit Deckenstrahlplatten thermisch abgeschirmt. Die Deckenstrahlplatten übernehmen auch den Stützbetrieb im Winter.

Bild 6 zeigt den Grundriss von Küche und Restaurant mit den lufttechnischen Einrichtungen, Bild 7 das Zuluftgerät für die Küche, Bild 8 einen Schnitt durch die Warme Küche mit dem Laminarauslass und der Induktionshaube. Die technischen Daten der beiden Anlagen sind der Tabelle 3 zu entnehmen.

Fazit

Das gute Ergebnis der Teilklimaanlage für die Küche zeigt, dass die Forderungen der VDI-Richtlinie 2052 im Hinblick auf die Behandlung des Induktionsluftstromes zu eng gefasst erscheinen und dass, unter Berücksichtigung der einschlägigen Erfahrungen des Haubenherstellers und der besonderen Konstruktionsmerkmale der Haube, die Berücksichtigung des Induktionsluftstromes bei der Berechnung der Gesamtabluftleistung in Ausnahmefällen toleranter behandelt werden sollte. Auf diese Art können sowohl die Herstellkosten als auch die Betriebskosten von RLT-Anlagen für Küchen gesenkt werden. Wäre die Planung in enger Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2052 erfolgt, hätte das Projekt in dieser Form nicht realisiert werden können, was für alle Beteiligten bedauerlich gewesen wäre. Die erreichten behaglichen Raumluftzustände zeigen, dass die Ausführung trotz grenzwertiger Auslegung der Küchenlüftungsanlage gerechtfertigt war.