Energy efficiency optimization of ventilation system in commercial kitchen

Suomessa toimii noin 22 000 ammattikeittiötä, jotka kuluttavat vuodessa noin 2,4 TWh sähköä ja lämpöä. Tästä suurin osa kuluu tilojen lämmitykseen sekä ilmanvaihtoon. Ilmanvaihdon tarve ammattikeittiöissä on erilainen kuin muualla rakennuksessa, sillä keittiöissä ilmanvaihdon päätehtävä on poistaa oleskeluvyöhykkeeltä keittiöprosesseissa syntyvä lämpö ja kosteus sekä terveydelle vaaralliset epäpuhtaudet ja käryt. Ammattikeittiössä työskentelyolosuhteet ovat usein haastavat, mikä korostaa sisäilmaston ja hyvän ilmanvaihdon merkitystä. Myös ammattikeittiöissä ilmanvaihdon energiatehokkuutta voidaan parantaa, mutta tämä ei milloinkaan saa aiheuttaa sisäilmaston laatutason heikkenemistä. Tutkimuksen tavoitteena oli ammattikeittiön ilmanvaihtojärjestelmän energiatehokkuuden optimointi. Tutkimusmenetelmänä käytettiin energiasimulointiin perustuvaa monitavoiteoptimointia. Monitavoiteoptimoinnin tavoitteena oli määrittää kustannusoptimaaliset ratkaisut lämmöntalteenoton ja tarpeenmukaisen ilmanvaihdon käytölle osana keittiöilmanvaihtoa. Tutkimuksen kohteena oli kolme esimerkkikeittiötä: koulun valmistuskeittiö, koulun lämmityskeittiö sekä liikenneaseman keittiö. Optimoinnin minimoitavat kohdefunktiot olivat ilmanvaihtojärjestelmän investointikustannukset sekä vuosittaiset ostoenergiakustannukset. Päätösmuuttujia oli kaksi: lämmöntalteenoton toteutustapa ja ilmanvaihdon ohjaustapa. Päätösmuuttujista muodostui ilmanvaihtojärjestelmälle erilaisia ratkaisuvaihtoehtoja yhteensä 15 (5 x 3) kappaletta. Kukin näistä ratkaisuista mallinnettiin ja simuloitiin IDA ICE -ohjelmistolla, minkä perusteella määritettiin kunkin vaihtoehdon vuosittaiset ostoenergiakustannukset. Näiden tulosten ja investointilaskelmien perusteella määritettiin kolmelle esimerkkikeittiölle investointi- sekä ostoenergiakustannuksiltaan optimaalinen ilmanvaihtojärjestelmä. Monitavoiteoptimoinnin lisäksi ratkaisuvaihtoehtoja vertailtiin myös laskettujen elinkaarikustannusten perusteella. Lämmöntalteenotto osoittautui taloudellisesti kannattavaksi ratkaisuksi kaikissa tutkimuksen esimerkkikeittiöissä. Tarpeenmukaisen ilmanvaihdon, eli Halton M.A.R.V.E.L. -järjestelmän, osoitettiin olevan taloudellisesti kannattava liikenneaseman keittiössä. Koulujen keittiöissä optimaaliseksi ilmanvaihdon ohjausratkaisuksi osoittautui muuttuvailmavirtajärjestelmä, jossa ilmavirtoja säädetään ajastetusti ja portaittain huuvaryhmäkohtaisilla sulkupelleillä. Vuorokauden ympäri avoinna olevassa liikenneaseman keittiössä ilmanvaihtomäärät ovat selvästi koulujen keittiöitä suuremmat, mistä syystä myös kalliimmat investoinnit energiatehokkuuteen osoittautuivat kannattavammiksi.In Finland, there is approximately 22 000 commercial kitchens where 2.4 TWh of electricity and heat is consumed. The majority of this goes to space heating and ventilation. In commercial kitchens the need for ventilation differs much from other sections of the building. The main function of kitchen ventilation is to remove heat, moisture and hazardous contaminants generated by the cooking process. Working conditions are typically especially demanding which underlines the importance of indoor climate and functional ventilation. Improving energy efficiency is possible also in commercial kitchens but it should never be done at the expense of quality of indoor climate. The objective of this study was to optimize the energy efficiency of ventilation in commercial kitchens. The research method was the simulation-based multi-objective optimization. The objective of the analysis was to determine the cost-optimal solutions for using heat recovery and demand-controlled ventilation as the part of kitchen ventilation. Three different commercial kitchens were selected to the study: school’s manufacturing kitchen, school’s heating kitchen and service station’s kitchen. The objective of the optimization was to minimize two objective functions: investment costs and annual delivered energy costs of the ventilation system. Decision variables were execution of heat recovery and execution of ventilation control. These decision variables formed 15 (5 x 3) different decision alternatives. Each of these alternatives were modelled and simulated with IDA ICE -software and simulation results were used to calculate annual energy costs. On the grounds of these results and investment calculations the cost-optimal ventilation system was determined to three studied kitchens. In addition to multi-objective optimization, decision alternatives were also compared by calculated life-cycle costs. Heat recovery proved to be economic solution in every studied kitchen. The results also indicated that demand-controlled ventilation, in this case Halton M.A.R.V.E.L. -system, is cost-optimal solution in service station’s kitchen. In schools’ kitchens the cost optimal ventilation control system proved to be variable airflow system where air volumes of the multiple exhaust hoods are controlled time scheduled with common flow damper. Service station’s kitchen is open round the clock and its air volumes are much bigger than in schools’ kitchens. This is why also more expensive investments proved to be more cost-effective in service station’s kitchen