機力通風冷卻塔噪聲控制

李春太

（北京圖聲天地科技有限公司，北京 100068）

引言

機力通風冷卻塔現已廣泛應用于醫院、商場、寫字樓等大型公共建筑的中央空調循環水系統。出于運行期間的熱交換需要，冷卻塔均盡可能地露天設置，但其中大功率風機、落水等產生的較強噪聲，將難以避免的影響周邊環境[1]。

某機關辦公區院內，3組7臺冷卻塔（噪聲源）位于設備機房樓頂平臺面上，冷卻塔（噪聲源）東側為公司東廠界，廠界外為道路，西側100m范圍內為綠化帶，北側廠界外有高層居民樓，南側有辦公樓，距冷卻塔的水平距離約50m，冷卻塔的下方為設備機房。冷卻塔最大負荷運行時產生的噪聲，對北側居民樓和南側辦公區域產生了影響。辦公區域內該冷卻塔機組周圍建筑物情況較復雜，導致噪聲傳輸的路徑多、各傳輸途徑的貢獻量難以評估，難于制定出可行有效的治理措施。據此，某公司在對冷卻塔噪聲現狀準確分析的基礎上，有針對性的設計了噪聲控制綜合治理方案，定量預測評價了治理效果，并對方案實施后的實際治理效果進行了測量和對比分析。

1 冷卻塔噪聲現狀分析

1.1 噪聲源強

從工作原理上，機力通風冷卻塔的噪聲主要包括淋水噪聲和軸流風機噪聲。

1.1.1 淋水噪聲

該噪聲為下落的循環冷卻水濺落在蓄水區產生的水流沖擊聲，主要由冷卻塔下部的進風口傳出。噪聲頻率以高頻和中頻為主，噪聲大小與淋水密度、落水高度成正比，也與塔內的通風速度有關[2]。

1.1.2 軸流風機噪聲

該噪聲主要源于風機葉片高速攪動空氣產生的湍流噪聲；同時，在轉動系統不平衡狀態下，風機電機及傳動部件也產生一定的旋轉機械噪聲。軸流風機噪聲主要由以下組成：

（1）風機運行時產生的進風口和排風口的空氣動力性噪聲；由旋轉噪聲和渦流噪聲組成[3]，旋轉噪聲是由于工作輪旋轉時，輪上的葉片打擊周圍的氣體介質、引起周圍氣體的壓力脈動而形成的。對于給定的空間某質點來說，每當葉片通過時，打擊這一質點氣體的壓力便迅速起伏一次，旋轉葉片連續地逐個掠過，就不斷地產生壓力脈動，造成氣流很大的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲。其頻率表達式為：

式中：

f─旋轉噪聲的基頻（Hz）；

n─葉輪轉數；

z─葉片數。

渦流噪聲又稱為紊流噪聲。它主要是氣流流經葉片界面產生分裂時，形成附面層及旋渦分裂脫離，而引起葉片上壓力的脈動，輻射出一種非穩定的流動噪聲。

式中：

fi─渦流噪聲的基頻；

K─斯脫路哈數；

V─氣體與葉片的相對速度，m/s；

D─氣體入射方向的物體厚度，m。

此部分噪聲分為進風噪聲和排風噪聲兩部分。離心風機聲功率級估算公式為：

式中：

Q—風量，m3/h；

H—全壓，Pa。

（2）機殼以及電動機軸承等輻射的機械性噪聲。

（3）電動機的電磁噪聲。

（4）基礎振動輻射的固體聲。

1.2 噪聲源強現場測量

有關單位進行了噪聲現場測量，以確定冷卻塔噪聲源強及其頻譜分布、冷卻塔噪聲隨距離的衰減情況，以及未設置降噪措施的情況下，辦公區域附近居民居住區等建筑物受到的噪聲影響。

現場實地勘察，根據冷卻塔運行時的實際情況（未全部運行），當冷卻塔部分開啟時，距離冷卻塔1m處的最大噪聲值在80dB（A）左右，北側最近廠界噪聲為53.6dB（A），影響到北側住宅8層窗外1m噪聲在57.4dB（A）左右。實際冷卻塔噪聲最大部位位于風扇頂部斜上方，對北側居民樓6～10層的影響最大，如圖1所示。具體測量結果見表1。噪聲特征頻譜圖見圖2。

圖1 現場噪聲測點及數值圖

表1 現場噪聲測點及數值表

圖2 噪聲特征頻譜圖

設備聲源頻譜特征表明，設備噪聲表現為寬頻帶，即低頻、中頻和高頻均存在較大能量，其中中低頻部分（500Hz以下）主要為冷卻塔風機噪聲，高頻部分（500Hz以上）主要為淋水噪聲。對設備噪聲成分分析表明，風機噪聲聲級在80dB（A）左右，淋水噪聲在75dB（A）左右。因此，風機噪聲和淋水噪聲為該項目的治理重點。

2 冷卻塔噪聲治理目標

該項目將噪聲控制在《工業企業廠界噪聲排放標準》（GB 12348—2008）（見表2）和《聲環境質量標準》（GB 3096—2008）允許的范圍內，達到國家1類標準，即工業企業廠界噪聲晝間≤55dB（A）、夜間≤45dB（A）；住宅窗外1m處晝間噪聲≤55dB（A）、夜間≤45dB（A）。為了使相鄰域有一個良好的聲環境，應對冷卻塔進行噪聲治理，以達到國標及甲方要求，超標情況表如表3所示。

表2 《工業企業廠界噪聲排放標準》（GB 12348—2008）

現北側廠界噪聲值為53.6dB（A），住宅窗外1m處噪聲值為57.4dB（A），分別超出標準限值8.6dB（A）和12.4dB（A），考慮設計余量及安裝損失，設計方案總體降噪量目標值為20dB（A）。

表3 超標情況

3 冷卻塔噪聲預測模型

采用德國Braunstein+Berndt GMBH公司開發的聲學商業軟件SoundPLAN7.3 對冷卻塔周邊聲場進行仿真分析，該軟件廣泛應用于建筑聲學與環境噪聲的聲場預測。

使用AUTOCAD 軟件建立噪聲敏感地帶及其周邊環境的三維模型，在原圖的基礎上對模型小于主要音頻波長的次要細節進行了簡略，以在不影響模型聲學精度的基礎上簡化問題。簡化后的噪聲涉及區域幾何模型為確定冷卻塔面聲源絕對源強，采用SoundPLAN軟件進行聲學模擬仿真。預測是在機組全部工作的情況下進行的，預測模型及預算結果見圖3。

圖3 冷卻塔噪聲預測模型

通過噪聲預測軟件的預測結果及相應云圖可看出，在冷卻塔全部運轉工作的情況下，采用上述降噪方案后，周圍環境的噪聲水平明顯下降，并且北側廠界和居民窗外1m處敏感點的噪聲水平能夠低于45dB（A），達到了預期的降噪指標。分析表明，該方案可實現最終的噪聲控制目標。

4 噪聲控制綜合治理方案

4.1 設計方案概述

設計方案采取封閉式隔聲罩結構對設備噪聲進行控制，同時在隔聲罩的進風口和出風口設置進、排氣消聲器對噪聲進行控制。

4.2 設計方案詳述

設計的冷卻塔降噪主體方案為封閉式隔聲罩輔以進、排氣口消聲器，涉及降噪的部分包括隔聲罩墻體的設計、進排氣消聲器的設計、隔聲門的設計及其他輔助設計。

4.2.1 隔聲罩體設計

按設計要求，總體降噪量達30dB（A），隔聲墻體采用雙層鋼板中間填充高密度巖棉板的復合墻體結構，雙層鋼板能夠有效阻隔噪聲的傳播，同時填充的巖棉層結構能夠降低腔體的共振并消耗聲能量。此種墻體結構的平均隔聲量能達到30dB（A）以上，設計的墻體結構在各頻帶的隔聲量見表4。考慮隔聲罩體的防腐，對罩體外側的鋼板刷涂環保漆，并考慮與主體建筑風格的一致性，選擇相應的顏色。

表4 墻體隔聲量

4.2.2 隔聲門設計

根據《環境保護產品技術要求隔聲門》（HJ/T 379—2007）的分類等級，項目的隔聲門計權隔聲量為40dB，能夠有效降低冷卻塔噪聲向外傳遞，滿足設計要求。

4.2.3 消聲器設計

據廠家提供的資料，北側單臺冷卻塔的風量為1330m3/min，北側2組冷卻塔，每組的風量為4260m3/min，因此，冷卻塔總風量為9850m3/min，即164.2m3/s。

選用片式消聲器，進風口消聲器的總長度16.1m、高2.7m、寬1m，消聲片厚度0.1m，消聲片間距0.15m。

（1）進氣消聲器。在東西兩側設置進風消聲通道，消聲器總長度為16.1m，有效通風面積設計為50%，為減小進口壓力損失和氣流再生噪聲，進氣氣流速度控制在4m/s以下，進風消聲通道的高度經計算設計為2.7m。

消聲片的厚度為0.1m，吸聲系數與消聲系數的關系見表5。

表5 消聲系數表

項目聲源的主要頻率分布在630～2500Hz，因此，在保證設備引起的總聲壓級在45dB（A）以下時，對于低頻處的消聲量可適當降低指標。片式消聲器消聲量的計算如下公式。

根據計算，消聲通道的有效長度設計為1.0m，能夠滿足設計要求。

（2）排氣消聲器。排氣消聲通道設計，主要原則是降低流速并增加消聲量〔排氣口的噪聲為90dB（A）〕。

消聲器總長16.1m，消聲通道間距0.1m，根據公式進行計算，消聲通道有效長度設計為1.0m，則此設計下的排氣口消聲器有效消聲量可達30dB（A）左右，滿足設計要求。

消聲器設計需考慮上限失效頻率，上限失效頻率的計算公式為：

其中：c為聲速，344m/s；D為消聲通道的當量直徑，m，對于矩形通道D=1.13√ad，a為通道截面長度，m，d為片間距，m。

風機出口與消聲器連接處設置過渡段，過渡段的長度為0.55m，可使流場分布更為均勻，同時能夠防止出口回流造成的進口和出口的氣流短路。

5 通風、散熱設計

通風、散熱是保證冷卻塔冷卻效率的主要因素，采用隔聲罩和進、排氣消聲器的措施對冷卻塔噪聲進行控制，需考慮通風、散熱的問題。冷卻塔選型時對風機流量和壓頭會有設計余量，隔聲罩和進、排氣消聲器的設置造成的壓力損失應在設計余量范圍內，這是保證冷卻塔有足夠通風量的前提。該項目針對提出的隔聲罩進、排氣消聲器的措施，利用數值仿真方法對機組加裝隔聲罩后機組的通風散熱進行計算，同時通過計算氣流的組織形式，對隔聲罩的方案進行優化。

對設備風機流量或壓力產生影響的主要為排氣和進氣消聲器，其中排氣消聲器的壓力影響相對較大。

對排氣消聲器的壓力損失進行仿真計算分析，通過比較風機筒內截面的平均總壓進行討論。采用計算流體動力學三維數值仿真方法（有限體積法）和Fluent商用軟件，以單臺風機為例，計算模型見圖4。經過數值計算和優化，氣流在風機和消聲通道內的流場組織及壓力分布見圖5。

對于出口處壓力損失，在設計流量情況下（單臺28.6kg/s），安裝消聲器前后的出口處平均總壓分別為101Pa和106Pa，總壓損失為5Pa。對于進口壓力損失，由于有效通風面積較大，氣流速度較小，壓力損失影響較小，通過計算，進氣消聲器處的總壓損失為2.8Pa。

進、排氣消聲器處的總壓損失為7.8Pa，根據廠家提供的參數，設計壓頭為55Pa，余量為15%，因此，該設計方案進、排氣消聲器造成的壓力損失小于設計余量，滿足設備的正常使用要求。

圖4 數值計算模型

圖5 氣流流場及壓力分布

5 主體鋼結構設計

根據設計方案，隔聲罩的設計包括兩種不同方案，分別針對兩種方案對隔聲罩的結構進行設計說明。

冷卻塔隔聲罩工程，共一層，采用鋼框架結構，總高度7.0m。工程結構設計基準期為50年，結構設計使用年限為50年。建筑結構安全等級為二級。

工程建筑抗震設防標準按丙類建筑要求，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組。框架抗震等級為三級。

該地區50年一遇的基本風壓按照0.5kN/m2考慮，地面粗糙度類別為B類。

結構支撐以工字鋼為主。工字鋼以原有冷卻塔條形基礎為支撐，進行懸挑支撐，在冷卻塔原有基礎側面加固鋼板，與挑梁工字鋼焊接加固，框架底部外框焊接于挑梁工字鋼上，在底部外框焊接工字鋼作為立柱支撐。

（1）荷載計算。屋面：屋面自重按實際板厚及做法計算，組成材料為100mm巖棉+雙面0.5mm鋼板，計算如下：

不上人的屋面活荷載：0.5kN/m2。

（2）風荷載。基本風壓值0.50kN/m2，地面粗糙程度B類。

（3）雪荷載。基本雪壓值0.40kN/m2。

（4）利用SATWE軟件對結構進行計算，過程及結果為：

截面信息：

載荷信息：

計算結果：

根據結構計算，隔聲罩結構的周期、位移等參數均符合要求。

6 治理效果實測

綜合降噪方案實施后，對實際治理效果進行了現場測量，包括冷卻塔內外、辦公區域和居民住宅等噪聲敏感點。方案實施現場前后的實測噪聲值對比見表6。

表6 噪聲治理前后實測對比表

7 總結

針對機關辦公區域內大型機力通風冷卻塔進行了噪聲控制工程設計，首先基于數值仿真模型，定量分析了這些冷卻塔對周邊環境的噪聲影響，提出了噪聲控制的綜合治理方案，并定量預測評價了治理效果；然后對方案實施后的實際治理效果進行了詳細測量。結果顯示，在加入綜合降噪措施后，冷卻塔周邊居民區最不利敏感點處最大能夠獲得近12.4dB（A）的降噪量，成功達到了工程預期目標。對施加的降噪措施進行了暖通分析，降噪措施本身對冷卻塔制冷效果基本沒有影響，降噪措施施加后能顯著改善冷卻塔周邊聲環境。

由于現場噪聲源情況、周邊建筑幾何情況等較復雜，難以簡單計算，類似冷卻塔噪聲控制工程通常憑借經驗進行設計，要做到精確設計非常困難。本文基于效果精確預測的冷卻塔降噪工程設計，能盡可能保證措施的有效性及針對性，同時避免了噪聲控制工程中常見的反復補救，可作為室外大型機力通風冷卻塔噪聲控制工程的參考。