Cuisines professionnelles

Une cuisine professionnelle concentre dans quelques mètres carrés des dizaines de kilowatts, de la vapeur, des graisses en aérosol et des odeurs. La ventilation n'y sert pas d'abord à renouveler l'air : elle doit capter à la source un panache chaud que les appareils produisent sans arrêt, et remplacer l'air qu'elle emporte. Ce chapitre suit un restaurant d'entreprise de 300 couverts, de la ligne de cuisson à la facture annuelle.

53.1 Ce qu'une cuisine impose

Le cas d'exemple est une cuisine de production de 120 m² sous 3,0 m, soit 360 m³. Contre un mur, une ligne de cuisson de 4,0 m réunit un four mixte électrique de 11 kW, une sauteuse basculante de 15 kW, une friteuse à deux bacs de 22 kW et un fourneau gaz à six feux de 36 kW. Une plonge à lave-vaisselle à convoyeur a sa propre hotte, et une zone froide loge les meubles réfrigérés. Puissances, taux d'utilisation et parts convective, rayonnée et latente sont des ordres de grandeur publics, choisis pour l'exemple.

La ligne totalise 84 kW installés, mais elle n'en dégage que 43,1 kW à la pointe du service : les appareils ne tournent pas tous à plein en même temps. De ces 43,1 kW, 15,52 kW partent en convection, dans l'air qui monte au-dessus des appareils ; 4,88 kW partent en rayonnement, vers les parois et les cuisiniers ; 6,31 kW partent en vapeur. Le reste chauffe les aliments.

Cette répartition dicte la conception. La chaleur convective, la vapeur et les graisses montent ensemble dans un panache : une hotte placée au-dessus peut les capter avant qu'ils se mélangent à l'ambiance. Le rayonnement, lui, échappe à toute hotte et arrive directement sur les personnes. S'y ajoutent le risque d'incendie, les odeurs à garder hors de la salle et le confort de cuisiniers qui travaillent debout dans une ambiance chaude (chapitre 14).

53.2 Le panache au-dessus d'un appareil

L'air chauffé par une plaque ou une friture s'allège et monte en entraînant l'air qui l'entoure : le panache s'élargit et son débit grandit avec la hauteur. Morton, Taylor et Turner ont décrit ce mécanisme en 1956 pour une source ponctuelle. Le débit d'air entraîné par unité de hauteur est proportionnel à la vitesse du panache et à son périmètre. Par analyse dimensionnelle, le débit à la hauteur z ne dépend alors que de la puissance convective Φ_c et de z :

La constante C = 0,005, soit 18 pour q en m³/h, est celle que publie Mundt pour les sources thermiques des locaux. On la retrouve avec la solution de Morton, Taylor et Turner à profil uniforme et un coefficient d'entraînement de 0,131. Les exposants sont à retenir : doubler la puissance n'augmente le débit que de 26 %, mais chaque centimètre de hauteur compte, à la puissance 5/3.

Un appareil n'est pas un point. On le remplace par une source virtuelle placée sous sa surface, au sommet du cône qui s'ouvre sur ses bords. Avec un évasement tan θ = 0,3, ordre de grandeur de l'ouverture visible d'un panache, la source est à z₀ = d_h / (2 tan θ) = 1,67 d_h sous la surface, d_h étant le diamètre hydraulique de l'appareil. Le panache a alors, à la hauteur z, la largeur de l'appareil plus 2 z tan θ.

Le mur joue le rôle d'un miroir. Un appareil adossé se comporte comme la moitié d'une source de puissance double : son débit vaut 2^1/3 / 2 = 0,630 fois celui de la même source isolée, et 0,397 dans un angle. La même ligne placée en îlot, sans mur, produirait un panache 1,59 fois plus fort. La hotte ne voit que le flux convectif.

53.3 Le débit d'extraction : panache contre règles anciennes

Le débit d'une hotte se calcule donc sur le panache qu'elle doit avaler à son bord bas, ici à 2,00 m du sol. C'est le principe des méthodes de la VDI 2052 Blatt 1:2017 et de l'EN 16282-1:2026 : un débit thermique par appareil, au bord de la hotte, corrigé selon la pose et multiplié par des facteurs de captage et de simultanéité. Le cours en reprend la méthode, pas les coefficients ni les tableaux.

Exemple 1. Débit de la hotte de la ligne.

1. Puissances convectives à la pointe : four 1,32 kW (11 kW × 0,6 d'utilisation × 0,20 convectif), sauteuse 2,25 kW, friteuse 3,85 kW, fourneau 8,10 kW.
2. Hauteurs au-dessus des surfaces : 0,50 m pour le four, dont le dessus est à 1,50 m, et 1,10 m pour les trois autres. Sources virtuelles : 1,53 m pour le four, 1,58 m, 1,41 m et 1,71 m pour les autres.
3. Fourneau, à la main : q = 0,630 × 0,005 × 8 100^1/3 × (1,10 + 1,71)^5/3 = 0,630 × 0,005 × 20,08 × 5,610 = 0,3549 m³/s, soit 1 278 m³/h.
4. Les autres panaches : four 405 m³/h, sauteuse 768 m³/h, friteuse 825 m³/h. La hotte reçoit 3 275 m³/h.
5. Débit de projet : 1,148 fois le panache, soit 3 760 m³/h, ou 783 m³/(h·m) de hotte.

Pourquoi ce facteur de 1,148 ? Parce que le panache bat : les remous de la cuisine et les variations de la cuisson le font enfler et dégonfler en permanence, et la hotte ne peut pas avaler plus que son débit au moment où il gonfle. Avec des fluctuations d'écart type relatif 0,20, hypothèse d'ordre de grandeur, une hotte qui extrait exactement le débit moyen du panache n'en capte que 93,6 % ; à 1,1 fois, 97,0 % ; il faut 1,148 fois pour atteindre 98 %, objectif retenu pour l'exemple, et à 1,5 fois on capte 99,98 %.

Les règles anciennes, usages sans valeur normative, donnaient des débits très différents. Avec trente renouvellements d'air par heure, la cuisine de 360 m³ extrairait 10 800 m³/h, 2,39 fois les 4 517 m³/h que demandent la hotte de la ligne et celle de la plonge (758 m³/h). Avec 1 500 m³/h par mètre de hotte murale, la hotte de 4,8 m extrairait 7 200 m³/h, 1,91 fois son débit calculé. Elles ignorent ce qui chauffe : elles sous-dimensionnent des fourneaux puissants dans une petite pièce et surdimensionnent tout le reste. Le débit calculé ici fait 12,5 volumes par heure et 15,1 m³/h par couvert.

Le panache suit la cuisson. À 50 % de la puissance de pointe, il ne descend qu'à 2 600 m³/h, 79,4 % de sa valeur de projet ; à 20 %, à 1 916 m³/h, encore 58,5 %. Le débit varie comme la puissance à la puissance 1/3 : c'est la base de la régulation (§ 53.9).

53.4 Débordements et facteurs de captage

Un panache qui n'entre pas dans la hotte déborde dans la cuisine, avec sa chaleur, sa vapeur et ses graisses. Il y a deux manières de déborder. Si le débit manque, la hotte avale ce qu'elle peut et le surplus roule sous sa lèvre avant de remonter devant la jupe. Si le panache sort de l'emprise de la hotte, parce qu'elle est trop courte, trop haute ou parce qu'un courant d'air le pousse, un surcroît de débit le rattrape mal : l'aspiration s'affaiblit vite hors de la hotte, et le modèle du cours, pessimiste, tient cette part pour perdue. La figure 53.1 montre les deux.

Débords. La hotte de l'exemple mesure 4,80 × 1,30 m pour une ligne de 4,0 × 0,9 m : 0,40 m de débord de chaque côté et à l'avant. Au bord bas, le panache du fourneau mesure 0,93 m de demi-largeur et 1,23 m de profondeur depuis le mur : il tient dans l'emprise.

Hauteur. Remonter la hotte de 2,00 à 2,30 m, par exemple pour dégager une marmite, change tout. Le panache arrive plus large, plus gros de 20,1 %, et 66 m³/h sortent de l'emprise, soit 1,69 %. Au débit prévu pour 2,00 m, le captage tombe à 90,7 %. Redimensionné à 4 516 m³/h, il ne remonte qu'à 96,7 %, car le modèle tient pour perdue la part sortie de l'emprise.

Courants d'air. Un courant d'air le long de la ligne emporte le panache pendant sa montée. Le panache du fourneau met 0,88 s pour monter jusqu'au bord de la hotte : à 0,15 m/s, il est dévié de 0,132 m, et le captage passe de 98,0 % à 97,0 %.

Exemple 2. Une bouche qui souffle le long de la ligne.

1. La bouche souffle 3,0 m/s par 0,020 m², à 6,0 m de la hotte. La vitesse d'axe d'un jet libre rond décroît comme 1/x (chapitre 33) : v = 6,77 × 3,0 × 0,1414 / 6,0 = 0,48 m/s le long de la ligne.
2. Pendant ses 0,88 s de montée, le panache du fourneau est dévié de 0,424 m : 19,0 % de sa section passe au-delà du bout de la hotte.
3. Captage de la ligne au débit de projet : 91,8 %, au lieu de 98,0 %.
4. Augmenter le débit de 50 % ne rend presque rien dans le modèle : 92,6 %. Borne pessimiste mais plausible : même à 1,5 fois le débit, l'aspiration moyenne sur la face de la hotte, 0,251 m/s, reste loin des 0,48 m/s du courant d'air.
5. Des joues latérales, tôles verticales aux bouts de la hotte, gardent le panache dans l'emprise : le captage revient à 98,0 % dans le modèle, sans un mètre cube de plus. Déplacer la bouche ou la remplacer par un diffuseur à basse vitesse est encore mieux.

À 0,30 m/s, le captage est de 94,7 % ; à 0,60 m/s, de 89,8 %, et 50 % de débit en plus ne donnent que 90,4 %. Une porte ouverte fait de même ; une hotte en îlot y est plus sensible encore.

Plafonds filtrants. Dans les cuisines ouvertes ou très chargées, on remplace parfois les hottes par un plafond filtrant : des cassettes de filtres et de soufflage couvrent tout le plafond, et les panaches montent jusqu'à lui. La cuisine reste dégagée, mais les panaches arrivent plus haut, donc plus gros : il faut plus de débit.

53.5 L'air de compensation

Tout ce qui est extrait doit entrer. Si rien n'est prévu, l'air arrive par les portes, les fenêtres et la salle, et la cuisine se met en forte dépression. La règle de l'art souffle mécaniquement la plus grande part et transfère le reste depuis la salle : la cuisine reste en légère dépression, et ses odeurs n'en sortent pas.

Dans l'exemple, la cuisine extrait 4 517 m³/h. On souffle 90 %, soit 4 066 m³/h, et 452 m³/h viennent de la salle par une ouverture de transfert de 0,071 m², dimensionnée pour 5 Pa. Le transfert suit la loi d'orifice, et la dépression croît comme le carré du débit transféré. Si le soufflage ne compense plus que 80 %, encrassé ou mal réglé, et que l'ouverture reste le seul passage, la dépression monte à 20,0 Pa ; à 60 %, à 80,0 Pa. Les portes deviennent dures, la hotte perd du débit, et les appareils à gaz peuvent mal évacuer leurs produits de combustion : cela se vérifie à la mise en service (chapitre 69).

L'air de compensation doit arriver sans souffler sur les panaches. Un plafond diffusant à 0,25 m/s demande 4,52 m² pour 4 066 m³/h : c'est le prix d'une diffusion à basse vitesse près des hottes (chapitre 33). Un soufflage rapide vers la ligne coûte plus de 6 points de captage.

Cet air se chauffe en hiver et se refroidit en été. De −7 °C à 16 °C de soufflage, il faut 31,5 kW pour la cuisine, soit 6,97 kW par 1 000 m³/h extraits. En été, de 31 °C à 22 °C, la puissance sensible est de 12,5 kW, soit 2,77 kW par 1 000 m³/h. Avec la règle des trente volumes, il faudrait souffler 9 720 m³/h et chauffer 75,2 kW, 43,8 kW de plus : un débit trop fort se paie deux fois, au ventilateur et sur l'air neuf.

53.6 Graisses, conduits et incendie

Les graisses sortent des fritures et des plaques en gouttelettes et en vapeur qui se condense en refroidissant. La première barrière est le filtre de la hotte. Le filtre à chocs fait faire à l'air des virages serrés entre des lames : les gouttelettes, trop lourdes pour suivre, frappent les lames et ruissellent vers une gouttière et un godet. Il arrête mal les plus fines particules et la vapeur grasse, qui condensent plus loin dans les conduits.

Un filtre colmaté perd du débit et devient un dépôt combustible au-dessus des flammes : on le lave au rythme de l'activité. Les conduits d'extraction sont étanches et résistants à la chaleur, sans point bas où la graisse stagne, et munis de trappes de visite qui permettent de les nettoyer sur toute leur longueur ; leur tracé et leurs pertes de charge suivent le chapitre 32. Ce nettoyage, confié à des entreprises spécialisées, fait partie de la maintenance et de l'hygiène de l'installation (chapitres 71 et 73).

La graisse déposée brûle. Un feu de friteuse qui gagne le plénum puis les conduits se propage loin du point de départ. En France, les établissements recevant du public relèvent du règlement de sécurité contre l'incendie (arrêté du 25 juin 1980), dont une section traite des appareils de cuisson destinés à la restauration. Le cours n'en tire aucune valeur : les exigences se lisent dans le texte en vigueur et dans les règles des assureurs. Les bonnes pratiques retenues ici sont celles de la règle de l'art : filtres en place et propres, conduits accessibles et nettoyés, coupure de l'énergie des appareils en cas d'arrêt de l'extraction.

53.7 Charges sensibles et latentes de l'ambiance

La hotte emporte l'essentiel de la chaleur convective, mais pas tout. En été, l'ambiance de la cuisine reçoit 10 450 W sensibles : 4 880 W de rayonnement des appareils, 310 W de panache débordé (les 2 % non captés), les cuisiniers, l'éclairage, les apports de la plonge et les condenseurs des meubles froids logés en cuisine. Elle reçoit aussi 2 726 W latents : la respiration des cuisiniers, la buée de la plonge et seulement 126 W de vapeur de la ligne, puisque la hotte capte l'essentiel. La méthode est celle des chapitres 19 et 21 ; ce qui change, c'est la part du rayonnement, qui ne passe pas par l'air de la hotte.

Le débit de compensation est grand, et c'est lui qui évacue ces charges. Soufflé sans traitement à 31 °C, il laisse la cuisine monter à 37,2 °C. Refroidi à 22 °C, il la tient à 29,1 °C. Dans les deux cas, la vapeur rend l'air de la cuisine plus humide de 0,74 g/kg que l'air qui entre (bilan d'eau du chapitre 1). Le rayonnement des appareils réchauffe pourtant les cuisiniers quelle que soit la température de l'air (chapitre 14).

53.8 Récupérer la chaleur de l'air extrait

L'air extrait est chaud : 32,1 °C en hiver à la pointe, quand la cuisine est à 20 °C. Il est aussi gras. Un échangeur à plaques ou une roue placés dans ce flux s'encrasseraient vite, et se nettoient mal. La solution usuelle est la boucle à eau glycolée du chapitre 40 : une batterie dans l'air extrait, derrière des filtres, une autre dans l'air de compensation, et une pompe entre les deux. Les deux flux ne se touchent pas, et la batterie côté extraction reste accessible pour le lavage.

Avec une efficacité de 0,45, ordre de grandeur d'une boucle propre, la boucle préchauffe l'air de compensation de 17,6 K par −7 °C : il arrive à 10,6 °C, et 20,0 kW sur 26,2 kW sont fournis par la récupération pour la hotte de la ligne. Sur une année, pour la hotte de la ligne et avec le débit régulé du paragraphe suivant, le chauffage de cet air passe de 7 771 kWh à 490 kWh : 7 280 kWh évités, soit 93,7 % de ce besoin annuel. Ce chiffre élevé tient au climat doux des heures de service et à l'air extrait, de 24,1 à 32,1 °C selon la cuisson, bien plus chaud que les 16 °C visés. C'est un ordre de grandeur optimiste, à confirmer par la mesure : cuisine supposée à 20 °C, ni dégivrage ni arrêt pour le lavage, batterie propre. Encrassée, à 0,30 d'efficacité, elle n'évite plus que 5 713 kWh.

53.9 Réguler le débit selon la cuisson

Une cuisine de restaurant d'entreprise ne cuisine à plein que deux ou trois heures. Un variateur de vitesse sur les ventilateurs (chapitre 31) et une mesure de l'activité, une sonde de température dans le plénum ou un capteur optique de fumées, permettent de suivre le panache. Puisque le panache varie comme la puissance à la puissance 1/3, le débit nécessaire baisse beaucoup moins vite que la cuisson, et la puissance des ventilateurs, en q³, exactement comme elle (30 % de cuisson, 30 % de puissance, à rendement supposé constant).

Exemple 3. Une année de régulation.

1. Plages de service, jours ouvrés : de 6 h 30 à 9 h, cuisson à 30 %, débit 2 517 m³/h (66,9 %), ventilateurs à 30,0 % de leur puissance ; de 9 h à 11 h, 60 %, 3 171 m³/h ; de 11 h à 13 h 30, 100 %, 3 760 m³/h ; de 13 h 30 à 15 h, 20 %, 2 199 m³/h.
2. Au projet, l'extraction absorbe 1 139 W et le soufflage 684 W. L'installation tourne 2 216 h par an, avec un débit régulé moyen de 2 980 m³/h, 79,3 % du projet.
3. Chauffage de l'air de compensation, climat de Paris-Montsouris : 9 966 kWh à débit constant, 7 771 kWh à débit régulé, soit 2 195 kWh (22,0 %) de moins.
4. Ventilateurs : 4 040 kWh contre 2 258 kWh, soit 1 782 kWh (44,1 %) de moins.
5. Coût, avec le gaz à 0,085 €/kWh et une chaudière à 0,90 de rendement, l'électricité à 0,170 €/kWh : 1 628 € HT/an à débit constant, 1 118 € HT/an à débit régulé.

Le gain le plus net vient des ventilateurs, dont la puissance suit le cube du débit. Sur la chaleur, la récupération fait bien plus que la régulation ; les deux se cumulent.

53.10 Erreurs fréquentes

Le débit fixé au plus fort toute la journée. Une hotte réglée à son débit de pointe et laissée en marche 24 h sur 24, au lieu des 8,5 h de service, consomme 2,82 fois plus d'électricité et, par une journée moyenne de janvier aux nuits plus froides, 3,05 fois plus de chaleur.

La compensation insuffisante. Un soufflage arrêté ou encrassé met la cuisine en forte dépression (80,0 Pa à 60 % de compensation) : l'air arrive alors par où il peut, y compris par les conduits d'évacuation des appareils à gaz.

La bouche qui souffle sur la hotte. À 0,48 m/s le long de la ligne, le captage tombe de 98,0 % à 91,8 %, et un excès de débit le rattrape mal. Les bouches se placent loin des hottes, à basse vitesse, et jamais face aux panaches.

Les filtres jamais nettoyés. Le débit baisse, la graisse s'accumule au-dessus des flammes, et la batterie de récupération s'encrasse : 5 713 kWh récupérés au lieu de 7 280 kWh dans l'exemple. L'entretien fait partie du projet (chapitre 71).

À retenir

• Le débit d'une hotte se calcule sur le panache convectif à son bord bas : il croît comme Φ_c^1/3 et comme la hauteur à la puissance 5/3, depuis une source virtuelle sous l'appareil.
• Le mur divise le panache par 1,59 par rapport à l'îlot ; un panache qui bat demande environ 1,15 fois son débit moyen pour 98 % de captage.
• Les règles au volume ou au mètre linéaire ne voient pas les appareils ; ici, elles extrairaient 2,39 ou 1,91 fois le débit calculé.
• Ce qui sort de l'emprise de la hotte se rattrape mal : contre une hotte trop haute ou un courant d'air, des joues ou une meilleure diffusion valent mieux qu'un surcroît de débit.
• L'air de compensation est soufflé à basse vitesse, en majorité mécaniquement, la cuisine restant en légère dépression par rapport à la salle.
• Le rayonnement des appareils échappe à la hotte et reste une charge de l'ambiance et des cuisiniers.
• La récupération sur air gras passe par une boucle à eau glycolée, avec filtration et accès pour le lavage.
• Réguler le débit sur la cuisson divise surtout la consommation des ventilateurs ; ne jamais laisser une hotte au plus fort toute la journée.

Sources publiques : B. R. Morton, G. I. Taylor et J. S. Turner, « Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources », Proceedings of the Royal Society A 234, 1956 ; E. Mundt, The performance of displacement ventilation systems, thèse, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, 1992 ; H. Skistad et al., Displacement ventilation in non-industrial premises, guide REHVA n° 1, 2002 ; ASHRAE Handbook, HVAC Applications, chapitre sur la ventilation des cuisines commerciales ; VDI 2052 Blatt 1:2017 et EN 16282-1:2026, citées pour leur méthode seulement, sans reprise de leurs coefficients ni de leurs tableaux ; S. B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, 2000, et ASHRAE Handbook, Fundamentals, chapitre sur la distribution de l'air, pour la décroissance d'un jet libre rond (chapitre 33) ; règlement de sécurité contre l'incendie relatif aux établissements recevant du public (arrêté du 25 juin 1980), nommé sans valeur tirée ; normales 1991-2020 de Paris-Montsouris (Météo-France) et méthode de Hitchin (Building Services Engineering Research and Technology, 1983) par le module d'exploitation du cours. Tous les nombres du chapitre et de la figure sortent du modèle du cours.