城市軌道交通通風空調消聲降噪設計要點分析

陳耀武

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司.430063,武漢∥高級工程師)

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城市軌道交通通風空調消聲降噪設計要點分析

陳耀武

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司.430063,武漢∥高級工程師)

城市軌道交通的通風空調工程對環境影響評價的主要內容是風亭、冷卻塔等對聲環境和空氣質量的影響。工程設計中應注意準確理解相關名詞概念?！兜罔F設計規范》中明確的噪聲防護距離是以常規設備為前提的,但必要時可采用低噪聲設備或降噪措施來滿足要求。在城市軌道交通環境評價中的噪聲限值均是等效連續A聲級。合成A聲級采用的計算公式在首次使用前應進行驗證。在背景噪聲超標的情況下,應加大對風亭、冷卻塔的消聲降噪程度。在設計中還應充分重視冷卻塔的選址以及準確識別聲環境類別的重要性。

城市軌道交通； 通風空調； 消聲降噪

城市軌道交通工程運營后常遭遇噪聲和空氣問題的投訴。其中多為聲環境方面問題,如列車及風機通過風亭傳出的噪聲、冷卻塔等運行產生的噪聲等。在這些投訴事件中，有的是建設過程中對環評報告內容的疏忽,沒有較好地理解內容和把握概念所引起；也有的是在設計過程或是整改過程中出現執行標準有偏差現象,使得車站方案執行難度和投資加大或拆遷量加大,從而也影響工程實施及投資。規范及手冊等對消聲降噪的設計標準均有規定,且內容非常豐富。若有針對性選擇和準確應用這些資料需花費大量精力和時間,故在實際工程設計中均有淡化該部分內容的現象。因而有必要就城市軌道交通對環境的影響進行梳理,以便能給設計人員一些借鑒和提醒作用,減少設計的疏忽,合理把握和引用規范、標準等資料的內容,能和環評專業有效溝通以確定合理的設置標準,并有利于控制工程投資和達到環保要求。

1 工程特點決定的環境影響內容

城市軌道交通工程有以下特點:① 由車站(點)和區間(線)構成帶形,輻射范圍廣; ② 城市軌道交通以地下工程為主,相對封閉; ③ 運轉設備多為內置，且只有較少的口部連通室外; ④ 土建工程厚重結實; ⑤ 地面工程通風空調設備較分散,數量少，體型小。

以上特點決定了城市軌道交通通風空調工程對環境的主要影響為：在運營期中的風亭(或面對室外的風口)噪聲和廢氣排放,以及地面冷卻塔(或多聯空調室外機、風冷熱泵機組)的噪聲。

2 通風空調消聲降噪設計要點

2.1 正確把握易疏忽的具體名詞概念

(1) 晝間和夜間:根據《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》,“晝間”是指6:00 至22:00 之間的時段; “夜間”是指22:00 至次日6:00 之間的時段。城市軌道交通隧道通風設備在運營開始前和運營結束后均有30 min的通風換氣運行時間。如列車運營時間為6:00～22:00(具體線路各有不同),則雖然列車是在晝間運營,但城市軌道交通隧道通風噪聲影響卻跨越了晝間和夜間。而晝間與夜間的噪聲限值標準相差10～15 dB(A)。這一點往往易被疏忽,而使環境保護達不到要求。

(2) 噪聲敏感建筑物:指醫院、學校、機關、科研單位、住宅等需要保持安靜的建筑物。不少設計人員有時會對住宅樓下的商業建筑也使用住宅的環保標準,從而增加了工程難度。

(3) 廠界:指由法律文書(如土地使用證、房產證、租賃合同等)確定的業主所擁有使用權(或所有權)的場所或建筑物邊界。各種產生噪聲的固定設備廠界為其實際占地的邊界。軌道交通車站風亭、冷卻塔等在環境評價報告中一般不是執行廠界標準,而是按敏感點處的噪聲限值標準執行。預測噪聲時需考慮傳至敏感點處的噪聲值,故設計時需具有目的性和針對性的計算。由于車站風亭及冷卻塔等占地面積少,且較分散、無明確的界線,故驗收各方如按廠界標準則在取值上易產生分歧,難以執行。當規范中的廠界環境噪聲排放限值與敏感點處環境噪聲限值基本一致時,由于敏感建筑距噪聲源的距離一般遠大于噪聲源至廠界的距離,故在工程滿足環境保護目的條件下，采用敏感點環境噪聲限值標準的實際操作性更強。

2.2 明確采用噪聲防護距離的前提條件

設計人員若一味按規范表格數字執行,而不注意規范標準對應的使用條件,是不能做出最優方案的。如GB 50157—2013《地鐵設計規范》的表29.3.4中，其噪聲防護距離是以地鐵車站風機常規消聲設計為前提,且以冷卻塔為低噪聲冷卻塔條件下確定的標準,對于機械/活塞風道內僅對風機進行消聲降噪,而旁流的活塞風道是沒有采取消聲措施的。這從我國地鐵的各工程驗收情況可以得到驗證。地鐵常用冷卻塔的名義冷卻水流量為150～300 m3/h,根據GB/T 7190.1—2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔第1部分:中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔》中的要求,低噪聲冷卻塔的噪聲指標應為63～66 dB(A)(見表1)。實際的最小防護距離要通過計算確定,而規范提出的防護距離是為地鐵工程沿線的控制、規劃和拆遷提供了依據。

表1 各型冷卻塔的噪聲指標

當實際工程中的條件不是按常規方式設置時,其防護距離應不同于規范。即當防護距離達不到規范要求時,設計就不能按常規來設置。例如，當噪聲源距敏感建筑距離受限時,可通過強化噪聲防護措施來解決。風道內增設消聲器,采用超低噪聲冷卻塔或進一步采取降噪措施都是可行的工程解決方案。城市軌道交通車站方案應綜合考慮各項因素,若認識不到規范的前提條件,則可能加大拆遷量和增加工程投資,因為拆除敏感建筑能最徹底地滿足環評要求。

2.3 掌握軌道交通環境評價標準的評價量

暖通專業的消聲設計多針對民用建筑物內的噪聲。常用的允許噪聲標準為A計權總聲級(A聲級)和噪聲評價曲線(頻帶聲壓級)。在聲環境質量標準和環境噪聲排放標準規范中,其限值為等效連續A聲級。環評驗收測出的A聲級也應滿足要求。因此，計算對室外的影響應與室內計算區別對待,避免習慣性錯誤。

等效連續A聲級既反映噪聲能量的影響,也反映與時間長短作用的關系。文獻[4]附錄B.2關于城市軌道交通工程中風亭及冷卻塔的噪聲等效計權A聲級計算公式為:

式中:

LA,P——評價時段內測點的等效計權A聲級;

t0——評價時段的規定運行時間,晝間(6：00至22：00)運行時，t0=16 h=57 600 s；夜間(22：00至次日6：00)運行時t0=8 h=28 800 s;

t——風亭、冷卻塔運行時間；

LP，A——測點的等效聲級。

城市軌道交通的風亭、冷卻塔運行狀態屬穩態固定點聲源。在運行工況沒發生變化的時間段內,其聲壓級數值不變。由于設計者僅考慮各時段的單值A聲級均低于限值,而未考慮作用時間的影響,故實際工程消聲設計中會出現標準偏高的現象。這樣的設計雖能滿足環評要求,但會增加消聲工程的設置規模和投資，且處理較困難。

以某線車站夏季設備運行為例，該站運營時間為6:00～23:00,隧道風機在運營前和收班后各運行30 min。車站冷卻塔全天運行,且夜間為部分負荷。采用常規運行方式時，晝間運行2臺冷卻塔，夜間運行1臺冷卻塔。采用優化運行方式時，晝間運行2臺冷卻塔，22：00～23：00運行1臺冷卻塔，23：00至次日6：00低頻運行或停風機。新/排風亭為全天運行,且夜間為部分設備運行。各時間段的設備噪聲貢獻值如表2所示，聲壓級見表3。

表2 車輛設備在一晝夜不同時段的噪聲貢獻值

表3 車輛設備在一晝夜不同時段的噪聲聲壓級

盡管晝間冷卻塔實際有1～2臺運行,但實際工程較易滿足晝間限值標準要求。為簡化計算,表2中冷卻塔在晝間按2臺運行分析。經計算可得，冷卻塔采用常規運行方式時，晝間的LA，P為68.95 dB(A)，夜間的LA，P為65.30 dB(A),二者相差3.65 dB(A)；當冷卻塔采用優化運行方式時，晝間的LA，P為68.95 dB(A)，夜間的LA，P為62.28 dB(A),二者相差6.67 dB(A)。

由表2可見:① 晝間與夜間的風亭、冷卻塔對環境噪聲的貢獻值相差約3～7 dB(A),而晝間與夜間的標準限值相差10～15 dB(A)。因此，噪聲治理重點在夜間范圍。② 在能滿足地鐵環境需求前提下,冷卻塔可采用分時段調臺和變頻方式進行優化運行，能使噪聲的貢獻值減少約3 dB(A),而且還可節能。 ③ 由于夜間的等效連續A聲級僅為65.3 dB(A)，故采用夜間局部某個時段的聲壓級最大值69.24 dB(A)作為貢獻值進行消聲設計，會提高設計標準,增加設計難度。

2.4 倍頻帶聲壓級合成A聲級的計算

城市軌道交通設備一般采用統一招標方式。消聲設施設計者將根據設備制造商提供的8個倍頻帶(程)聲功率級及風道特征來驗證計算和選配消聲器。因此,設計時應采用各聲源消聲后合成的A聲級計算出車站在該區域的等效A聲級，進而預測評價。

2.4.1 驗證初次采用的計算公式

相關正版資料中均有合成A聲級LA的計算公式。其中偶爾也會有印刷排版的錯誤。若引用因印刷排版錯誤的公式，則會導致結果出錯。文獻[5]、文獻[9]的LA計算公式分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

式中:

Lp，i——各個倍頻帶聲壓級；

ΔLi——第i個倍頻帶的A計權網絡修正值,dB;

n——總倍頻帶數。

(2)

式中:

Li——各個倍頻帶聲壓級；

Ai——第i個倍頻帶的A計權網絡修正值,dB;

N——總倍頻帶數。

2.4.2 合成A聲級計算的必要性

由于各設備噪聲源原始數據是8個倍頻帶(程)聲功率級,評價結果是需要等效連續A聲級的貢獻值。因此,需先采用常規消聲方案,并按預設目標逐個計算出合成的A聲級,再分時段將各噪聲源疊加成總A聲壓級;然后,計算并判斷等效連續A聲級的貢獻值是否滿足環評要求;若不滿足，則需進一步調整消聲方案措施。

2.4.3 用評價數NR標準評價的不足

不少工程的方案計算書中采用噪聲限值對應的評價數來比較各倍頻帶聲壓級數值,并根據經驗考慮約3 dB(A)的安全裕量。例如，當環境噪聲限值為55 dB(A)時,將各聲源消聲后至地面噪聲的各頻帶聲壓級+3 dB(A)，并與評價數NR 50進行比較，以判斷是否符合要求。評價數對應的A聲級與合成A聲級計算值見表4。由表4可見，在NR 35～NR 55范圍內的各倍頻帶聲壓級計算合成值均大于對應的A聲級約3 dB(A)。可見，經驗安全裕量已經沒有富裕。如再考慮到各噪聲源的相互綜合效應,則對環境影響的貢獻值就已超出限值要求。因此將合成A聲級計算值與環境噪聲限值比較更為恰當。

2.5 背景噪聲對降噪要求的影響

當背景噪聲在敏感點處形成的噪聲污染值小于評價限值標準時,如按經驗控制風亭及冷卻塔的合成噪聲與敏感點處的噪聲限值標準有3 dB(A)的富裕量,則較易達到環評要求。

表4 評價數NR對應的A聲級與合成A聲級計算值 dB(A)

當背景噪聲在敏感點處形成的噪聲污染值大于評價限極標準時,環評專項審查會要求該類區域維持現狀(背景噪聲已處超標狀態),但不得進一步惡化；而實際操作要求新建項目產生的噪聲貢獻值疊加背景噪聲后不得超過現狀的噪聲值+0.5 dB(A)。

根據文獻[7],為使建成后環境綜合噪聲新增不大于0.5 dB(A),則要求新的噪聲貢獻值低于背景噪聲10 dB(A)。這對風亭及冷卻塔的消聲降噪提出了更嚴格的要求。風亭、冷卻塔的噪聲已經低于環境背景噪聲，但限值標準仍不符合環評要求。此狀況常容易被忽視或不易直觀接受。只有了解環境評價的目的和計算方法,才能采取相應的措施來解決此類問題。

2.6 冷卻塔位置的選址要求

為盡量減少車站風亭及冷卻塔等設施對周邊環境的影響,一般每座車站設置2組風亭,且冷卻塔鄰近風亭組合放置。

眾所周知,地下設備的運轉噪聲均通過地下風道傳到地面風亭,因此只要在風道內設置足夠的消聲設施即可滿足地面環境要求。而冷卻塔一般放置在地面,距離敏感建筑物不小于 10 m。根據冷卻塔符合點聲源條件,利用文獻[4]中的幾何發散衰減計算公式(B.15)可推出冷卻塔從噪聲源邊緣至敏感建筑物處的噪聲衰減量約為6.5 dB(A)?？梢姡刂凭嚯x為10 m時，常規運行的冷卻塔(噪聲貢獻值為63～66 dB(A)),難以滿足4a類標準的夜間限值(55 dB(A))要求。故應加大冷卻塔與敏感建筑的距離，或采用超低噪聲冷卻塔，必要時還應對冷卻塔采取進一步的消聲措施。地面冷卻塔采取消聲措施普遍較困難,投資較大，且效果不佳，還影響景觀,因此冷卻塔的選址和控制距離比風亭更重要。其位置設置應綜合考慮車站空調主要負荷端、距既有敏感建筑較遠的自然條件及不影響地面景觀等條件。

2.7 風亭、冷卻塔等位置的聲環境功能類別

《地鐵設計規范》明確了風亭及冷卻塔等邊界與不同聲環境功能類別中敏感建筑物的水平最小距離,設計者應準確識別建筑物的聲環境功能類別,而不是簡單地根據既有建筑物名字來判斷。例如,某地鐵車站周邊有住宅及機關等,而設計者卻按1類標準將風亭控制距敏感建筑保持不小于30 m,從而使得車站風亭方案難以實現，增加了拆遷難度。

在項目決策階段,城市軌道交通車站多布置在城市快道或主次干道;在項目實施階段，按上階段批復的方案執行,包括環境評價。因此,軌道交通車站所處位置或與原城市聲環境功能區標準一致,或已在一定范圍內(按GB/T 15190—2014的8.3.1條執行)合法改變了原城市聲環境功能區標準(新的噪聲源引入應該是降低了該區域的聲環境標準),并體現在批復的環評報告中。在城市快速路、主次干道范圍內的車站風亭及冷卻塔等應明確按4a類聲環境功能區標準執行,而并非按道路邊房屋的名稱來確定聲環境功能類別。正確識別聲環境功能類別可提高地鐵車站設計的合規性,避免了僅按建筑物名字來判斷采用標準的不足。當聲環境功能區類別為4a類時,只有距周邊敏感建筑不小于10 m(新區按15 m)的防護距離才不違反政策及規范的要求。若噪聲有超標現象,應采取進一步的消聲措施,以兼顧環保和工程方案實施的可行性。

3 結語

由上述分析可知,城市軌道交通通風空調工程設計應注意以下事項:

(1) 城市軌道交通通風空調工程對環境的影響主要是風亭及冷卻塔產生的噪聲和廢氣排放。

(2) 工程中涉及的專業名詞應按規范和概念準確應用,否則會達不到預期的環評要求或出現標準過高等現象。

(3) 《地鐵設計規范》中風亭及冷卻塔距周邊建筑物的距離標準是以采用常規的風機和冷卻塔等設備為前提條件的。在距離不滿足規范要求時,可考慮采用噪聲更低的設備或增加降噪措施來滿足環保要求,不應為滿足距離要求而改變合理的車站方案或增大拆遷量。

(4) 城市軌道交通車站降噪工程中用到的噪聲限值是評價周期內的等效連續A聲級,不能僅以局部時段內的噪聲值做為貢獻值。

(5) 預測噪聲貢獻值不僅需將倍頻帶聲壓級合成A聲級,還需將各噪聲源傳至敏感點的噪聲值進行合成來判斷,而且在初次采用參考資料上的公式時還應進行驗證。

(6) 在環境背景噪聲已超標的情況下,新建地鐵工程的噪音貢獻值會要求更低。

(7) 由于空間條件受限和通風要求，地面的地鐵冷卻塔降噪較風亭降噪更難處理,因而更應重視冷卻塔的選址。

(8) 準確識別風亭及冷卻塔等設備所在的聲環境功能區類別有利于采用合適的噪聲限值標準,能避免增加施工難度,又能滿足相關的環境政策要求。

[1] 環境保護部,國家質量監督檢驗檢疫總局.聲環境質量標準:GB 3096—2008[S].北京:中國環境科學出版社,2008.

[2] 環境保護部,國家質量監督檢驗檢疫總局.工業企業廠界環境噪聲排放標準:GB 12348—2008[S].北京:中國環境科學出版社,2008.

[3] 環境保護部,國家質量監督檢驗檢疫總局.環境空氣質量標準:GB 3095—2012[S].北京:中國環境科學出版社,2012.

[4] 環境保護部.環境影響評價技術導則 城市軌道交通:HJ 453—2008[S].北京:中國環境科學出版社,2009.

[5] 環境保護部.環境影響評價技術導則 聲環境:HJ 2.4—2009[S].北京:中國環境科學出版社,2010.

[6] 住房和城鄉建設部,國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

[7] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2008.

[8] 項端祈.空調制冷設備消聲與隔振實用設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1990.

[9] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.

Analysis of the Main Points in Noise Reduction Design for HVAC in Urban Rail Transit

CHEN Yaowu

The environmental impact assessment of urban rail transit HVAC engineering over acoustical environment and air quality focuses on the wind pavilion,cooling tower and so on, attention should be given to the concept accurace of the relative terms in engineering design.The noise protection distance mentioned in the “Code of Metro Design” is based on conventional equipment,but in case of need,low noise equipment and other noise reduction measures may be adopted. Since the noise limits in rail transit environment assessment are equivalent continuous A weighted sound pressure level,the calculation formula of synthetic A weighted sound pressure level should be verified before using.When the background noise exceeds the limits,the wind pavilion and cooling tower noise reduction measures should be strengthened.In the design,more attention should be paid to the location of cooling tower and the accurate identification of the sound environment category as well.

urban rail transit; HVAC (heating, ventilation and air conditioning); noise reduction Author′s address China Railway Fourth Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

U231.5

10.16037/j.1007-869x.2017.06.028

2016-02-14)