低噪聲風機在冷卻塔噪聲治理中的應用

文_張友志 黃青青 韓濤 上海環(huán)境保護有限公司

冷卻塔是空調(diào)系統(tǒng)中常用的熱交換設備，廣泛應用于現(xiàn)代化的城市建筑中。冷卻塔運行會產(chǎn)生較大的噪聲，產(chǎn)生噪聲污染。近些年城市建筑密度加大，建筑屋頂?shù)睦鋮s塔與周邊居民樓的距離越來越近，冷卻塔的噪聲影響呈逐年上升的趨勢，已然成為城市噪聲污染的主要源頭之一，亟待解決。

1 冷卻塔的噪聲特性分析

冷卻塔按通風方式分為自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔。冷卻塔按熱水和空氣的流動方向分為逆流式冷卻塔和橫流（直交流）式冷卻塔。城市建筑中應用較多的是橫流式冷卻塔。

冷卻塔噪聲包含風機噪聲、淋水噪聲、電機及減速器噪聲、塔體振動所輻射的二次結(jié)構(gòu)噪聲，具體分析如下。

（1）風機噪聲：冷卻塔的風機為軸流風機，其噪聲包括空氣動力噪聲和機械噪聲，其中以空氣動力噪聲為主。空氣動力噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲，且主要成分是湍流噪聲。研究表明，風機噪聲與葉片速度的6次方成正比。風機噪聲呈中低頻特性，噪聲衰減慢。

（2）淋水噪聲：水滴直接沖擊水面發(fā)生碰撞輻射出的脈沖噪聲，其值隨水滴大小和濺落沖擊速度有關(guān)。對于橫流式冷卻塔，水沿著填料層往下流動，下落到水面時流速小，因此淋水噪聲小。淋水噪聲一般呈中高頻特性。

（3）電機噪聲：電機噪聲與功率有關(guān)，一般民用建筑中冷卻塔電機的功率都不大，因此噪聲一般在80dB(A)左右。電機的體形小，所輻射噪聲的聲功率小，噪聲呈點聲源衰減，衰減快，影響相對較小。電機噪聲呈中高頻特性。

（4）塔體振動產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲：風機及電機運行產(chǎn)生的振動會引起塔體振動并向外輻射二次結(jié)構(gòu)噪聲，不過二次結(jié)構(gòu)噪聲的噪聲級相對較小，影響也比較小。二次結(jié)構(gòu)噪聲呈低頻特性。

綜上所述，對于現(xiàn)代建筑中常用的橫流式冷卻塔，其最主要的噪聲源就是冷卻塔頂部的風機。

冷卻塔風機噪聲向外傳播的途徑可以分為三種。

①噪聲隨著排風向上方空間傳播，這是最主要的途徑。

②噪聲向下傳播到塔體內(nèi)，并經(jīng)塔體和水面反射后形成混響噪聲，使塔體內(nèi)的噪聲增大，塔體內(nèi)的噪聲通過填料層從進風面向外傳播。因此從進風面?zhèn)鞒龅脑肼暟L機噪聲和淋水噪聲，且對于橫流式冷卻塔，以風機噪聲為主。

③除了兩個進風面，冷卻塔另外兩個面一般是玻璃鋼材質(zhì)，其隔聲量不高，因此塔體內(nèi)的噪聲也會透過這兩個面向外傳播，但這一途徑傳出的聲能相對上述兩種小。

2 冷卻塔噪聲治理措施綜述

噪聲控制措施分為噪聲源控制、傳播途徑控制及接受者的防護三大類。冷卻塔的噪聲治理措施主要針對前兩類，即噪聲源控制和傳播途徑控制，而對受冷卻塔噪聲影響的居民樓采取隔聲窗之類的被動防護措施是不可取的。

第一類是噪聲源控制，包括更換低噪聲風機和增加落水消聲裝置。風機噪聲是冷卻塔最主要的噪聲源，將其更換為低噪聲的風機可以獲得很好的降噪效果，一般可取得8～15dB(A)的降噪量。落水消聲裝置是用來降低淋水噪聲的，主要用在逆流式冷卻塔上，一般可取得5～10dB(A)的降噪量。

第二類是傳播途徑控制，指在冷卻塔周邊采取隔聲措施，即在噪聲的傳播途徑中設置隔聲裝置，降低噪聲的傳播影響。此類治理措施有全封閉式隔聲罩、半封閉式隔聲罩、出風消聲器+聲屏障、單獨實施聲屏障或出風消聲器等幾種類型，大致的降噪量如表1。

表1 不同類型降噪措施的降噪量

3 低噪聲風機在冷卻塔噪聲治理中的應用

3.1 案例概況

本案例的冷卻塔安裝在能源站屋頂上，能源站為2層建筑，其東側(cè)和南側(cè)是新建的小高層居民樓（7～8層），相距較近，最近距離不到20米。能源站的北側(cè)為別墅區(qū)，相距約90米。能源站屋頂?shù)睦鋮s塔對周邊住宅樓的影響較大。

屋頂共安裝了4組冷卻塔，每組冷卻塔由4個單元組成，即4臺風機，其中有2組冷卻塔每臺風機的風量為2800m3/min，另外2組冷卻塔每臺風機的風量為3110m3/min。

冷卻塔安裝區(qū)域的四周均設有高度為5.5m的墻，其中東墻的北半部分和南墻的西半部分為消聲百葉墻，其余均為實心墻。冷卻塔的風筒頂端與四周的墻基本持平。有3臺冷卻塔的一個進風面離墻很近，距離不到1m，據(jù)負責人介紹，墻對冷卻塔的進風有影響，冷卻塔的進風量不夠。

3.2 噪聲影響分析

（1）噪聲源強

實測冷卻塔風筒45°、1m處的噪聲值為85dB(A)，進風面1m處的噪聲值為80dB(A)。

（2）噪聲傳播分析

冷卻塔風機的噪聲隨排風向上方及四周空間傳播。由于冷卻塔風筒的出口與屋頂四周的墻基本持平，因此冷卻塔風機的噪聲基本無遮擋地向外傳播，是最主要的噪聲影響源。而冷卻塔的進風面比屋頂四周的墻低，墻對進面的噪聲起到了一定的遮擋作用，進風面噪聲是次要噪聲影響源。

（3）居民樓處的噪聲計算

由于噪聲設計時旁邊的居民樓還未建設，因此無法實測到居民樓處的噪聲超標量，為此采用Cadna/A軟件進行聲學計算，設計輸入采用實測的源強。

圖1和圖2分別是8樓和3樓高度的水平聲場分布圖。

根據(jù)環(huán)評批復文件，居民樓處執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中的2類區(qū)標準。通過聲學計算可知，擬新建居民樓處晝間噪聲最大超標約6dB(A)，夜間最大超標達16dB(A)，超標嚴重。能源站北側(cè)現(xiàn)有別墅區(qū)夜間超標約5dB(A)。

3.3 噪聲治理措施

（1）噪聲治理方案的確定

根據(jù)上述計算可知，居民樓處噪聲最大超標16dB(A)，需采用全封閉隔聲罩的降噪措施，即在冷卻塔的出風口加裝高消聲量的出風消聲器，并在隔聲罩的外墻上設置進風消聲百葉。采取全封閉隔聲罩后，冷卻塔需從消聲百葉進風，然后通過出風消聲器排風，冷卻塔通風的阻力會增大50Pa以上。而在噪聲治理前，冷卻塔的通風量已經(jīng)不夠，并且影響到冷卻塔的冷卻性能，因此如果再加裝隔聲罩的話，通風阻力增大，冷卻塔的通風量會進一步下降，冷卻塔的性能也會下降，將會影響冷卻塔的正常使用，因此全封閉隔聲罩的方案行不通。

既要降低噪聲，不影響冷卻塔的性能甚至要提升冷卻塔的性能，冷卻塔風機改造是一種行之有效的措施。將冷卻塔原有的風機更換為專用的低噪聲風機，這樣既可以大幅降低風機噪聲，還可以根據(jù)需要來提高風機的風量和風壓，從而提升冷卻塔的性能。

根據(jù)冷卻塔的性能要求進行計算，更換低噪聲風機可取得10dB(A)的降噪量，但由于噪聲超標量大，除了更換低噪聲風機外，還需采取其它輔助的隔聲降噪措施。

（2）低噪聲風機的選型

冷卻塔風機噪聲與葉片速度的6次方成正比，因此為了降低風機噪聲，需降低風機的轉(zhuǎn)速，但同時要確保風機的風量不降低而且能夠有所增大，從而保證冷卻塔的性能。

低噪聲風機的設計選型時一般需要考慮以下因素。

①風機的風量（不降低或者有所增大）。

②風機的轉(zhuǎn)速。

③風機的葉型及數(shù)量。

④風機減速比的選配。

⑤風機的支撐結(jié)構(gòu)。

⑥電機的驅(qū)動功率。

由于噪聲超標量大，除了更換低噪聲風機外，還需采取其他輔助的隔聲降噪措施，這會使風機進出口的靜壓增加，所以更換風機的同時，提高軸功率至18.5kW（原來11kW），使風量增大至3300m3/min。

根據(jù)上述的相關(guān)要求，所選型的低噪聲風機的主要參數(shù)如下。

①轉(zhuǎn)速：由250RPM降至160RPM。

②葉片寬度：370mm。

③葉片數(shù)量：6片。

④葉片材質(zhì)：FRP，輪轂采用金屬模成型，葉片用不銹鋼U型碼連接，無級調(diào)節(jié)風機角度，高強度、耐腐蝕。

⑤風量：3300m3/min。

（3）低噪聲風機輔助系統(tǒng)改造

①更換減速機：更換低噪聲風機后，風機的轉(zhuǎn)速降低了，因此減速機也需更換，使得減速比與風機轉(zhuǎn)速相匹配。

②更換電機：風機的軸功率從11kW提高到18.5kW，因此電機及電纜需進行更換。同時將電機改為內(nèi)置式，有利于降低電機噪聲的影響。

③更換風機支撐結(jié)構(gòu)：改造前冷卻塔的風機是懸掛在風筒上緣的，電機和減速機置于風筒之上；改造后，將電機和減速機移到風筒內(nèi)，更換風機的支撐結(jié)構(gòu)，采用下支撐的形式，支撐固定在塔體內(nèi)。

④更換風筒：更換低噪聲風機后，原有風筒與風機不匹配，尖端間隙過大，影響風量，因此對風筒進行更換，確保葉片與風筒之間保持合理的間隙。

（4）輔助降噪措施

為進一步降低冷卻塔風機噪聲及淋水噪聲對居民的影響，分別對風機出風口和冷卻塔進風面采取了消聲、隔聲措施。

風機出風口加裝排風消聲器。每一組冷卻塔合并安裝一臺大型的排風消聲器，排風消聲器采用片式阻性消聲器，消聲片的厚度根據(jù)風機噪聲的頻率特性進行設計，提高消聲性能。排風消聲器的底部與塔頂之間預留了1.8m的空間，方便巡檢。排風消聲器將電機及減速機也圍隔在內(nèi)，同時可降低電機及減速機的噪聲。

為保證冷卻塔有足夠的進風量，將靠近冷卻塔的實心墻更換為消聲百葉窗，其既可以降低進風面噪聲對居民的影響，又不影響冷卻塔進風。冷卻塔安裝區(qū)域的四周都有墻，為降低冷卻塔進風面噪聲對居民的影響，對冷卻塔進風面的上部進行隔聲圍擋，隔聲圍擋和四周的實心墻相結(jié)合完全將冷卻塔的進風面遮擋住，達到降低進風面“直達聲”影響的效果。

3.4 噪聲治理效果

（1）噪聲達標

冷卻塔更換低噪聲風機后，風筒45°、1m處的降噪量為8～10dB(A)，200Hz以下低頻段的降噪量為4～5dB，達到了預期的降噪效果。

低噪聲風機改造后，又采取了出風口加裝排風消聲器和進風面增加隔聲圍擋的措施，最終經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測，居民窗外1m處的噪聲均低于49dB(A)，滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中的2類區(qū)標準；居民室內(nèi)在關(guān)窗情況下的噪聲均低于37dB(A)，滿足《民用建筑隔聲設計規(guī)范》的要求，噪聲全面達標。

（2）冷卻塔性能提升

冷卻塔噪聲治理實施完成后，經(jīng)測試，冷卻塔的風量較治理前增大了5%～10%，冷卻塔的性能不但沒受影響，反而有所提升。

4 結(jié)語

冷卻塔是降噪工程中經(jīng)常碰到的噪聲源，常規(guī)的降噪方法是在噪聲傳播途徑上采取被動的隔聲措施，如隔聲罩、出風消聲器、聲屏障等，這些降噪措施都會使冷卻塔的通風阻力增大，影響冷卻塔的冷卻性能，還會增大用電量，使運營成本上升。而冷卻塔風機的低噪聲改造是一種主動降噪技術(shù)，從源頭降低冷卻塔的風機噪聲，從而使冷卻塔整體噪聲能夠大幅度地降低，而且不影響冷卻塔的性能、用電量、檢修等。筆者在實際工程中成功應用了冷卻塔風機的低噪聲改造技術(shù)，并取得了很好的降噪效果，深刻地體會到風機低噪聲改造技術(shù)在冷卻塔降噪工程中會有良好的應用前景。