區域供冷項目中冷卻塔降噪技術分析與模擬

香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 文雪新 陳 倩 駱婉婧深圳前海巽陣聲學科技有限公司 孫 昊

0 引言

區域供冷系統是指對一定區域內的建筑物群，由一個或多個能源站集中制取冷媒，通過區域管網提供給最終用戶，實現用戶制冷要求的系統。區域供冷在節能、環保及運行管理等方面都具有優勢，已經在歐美、日本等國家和地區得到了廣泛的應用[1]。

冷卻塔作為制冷系統中的重要設備，在其設計布置時，不僅要考慮建筑功能、平面布局、場地限制等因素，還要考慮其噪聲對周圍環境的影響。冷卻塔噪聲主要包括風機的空氣動力噪聲、電動機噪聲、落水噪聲及管道振動輻射噪聲等。其中冷卻塔的進、排風噪聲(排風噪聲最顯著)、淋水噪聲是主要的噪聲源，也是噪聲控制的重點。電動機噪聲對周圍環境影響較小。冷卻塔的噪聲控制主要從控制聲源、傳播途徑、收受點采取防護3個方面采取技術措施。常見的降噪方法有：選擇靜音型風機，采用隔振基礎削弱電動機和管道的噪聲傳播，安裝消聲器、隔聲罩等。

以深圳某區域供冷項目為例，通過對冷卻塔進、排風側采用消聲器，冷卻塔整體采用消聲器+吸聲隔聲板這2種方案進行對比，選出最優方案，再利用Cadna/A軟件進行仿真模擬，驗證噪聲治理方案的可行性。

1 項目簡介

該項目為獨立制冷站，總建筑面積約9 600 m2，裝機容量約84.8 MW(2.41萬rt)，尖峰供冷能力約123 MW(3.5萬rt)，服務區域約107萬m2。如圖1所示，該項目高約19 m，北側為商業場所，南側為變電站，東西側為超高層辦公建筑，A為該項目西側廠界外1 m處噪聲最不利點，B為西側辦公樓廠界外1 m處噪聲最不利點。冷卻塔布置在建筑物屋頂，平臺面積約2 000 m2，如圖2所示。該項目冷卻塔分為10個單元，每個單元由3個冷卻塔組成，其中CT(S)-1和CT(J)-1單元中的冷卻塔因空間受限，采用圖2中虛線所示布置方式。根據某品牌冷卻塔選型手冊，冷卻塔噪聲參數如表1所示，性能參數如表2所示。

表1 冷卻塔噪聲參數 dB

表2 冷卻塔性能參數

注：H為高度。圖1 項目周邊建筑物分布

2 降噪目標聲源分析

2.1 周邊建筑物分析

從圖1可知，該項目南側為變電站，距離制冷站最近，其自身作為一個噪聲源，噪聲治理方案主要從變電站內部分析、解決，本文不再贅述。項目東、西側為辦公樓，屬噪聲敏感建筑物，且西側辦公樓與冷卻塔的水平距離較近，為15 m，相較于冷卻塔周邊其他建筑物，受冷卻塔噪聲影響最大，故本文對項目西側建筑物從不同維度、不同高度全面分析其噪聲分布。

該項目處于交通要道，噪聲測量中的本底噪聲主要來自交通噪聲。根據《深圳市環境狀況公報》(2011—2015年)，2011—2015年全市區域環境噪聲等效聲級平均值為56.7～56.9 dB，道路交通干線噪聲等效聲級加權平均值為68.8～69.3 dB[2]。由此可推斷，本底噪聲已接近冷卻塔噪聲，而本項目著重于從仿真模擬和理論計算對比、研究冷卻塔的最優降噪方案，因此在仿真模擬計算中不再考慮本底噪聲。

根據GB 3096—2008《聲環境質量標準》[3]，該項目執行2類聲環境質量標準，降噪目標為“廠界排放噪聲和噪聲敏感建筑物受到的噪聲同時達標”，即冷卻塔降噪后：設備所在建筑物邊界外1 m的A聲級噪聲滿足晝間≤60 dB，夜間≤50 dB；東、西側辦公樓和北側商業樓的建筑外1 m處的設備噪聲滿足晝間≤60 dB，夜間≤50 dB。

2.2 降噪技術重點與難點分析

1) 由于冷卻塔在屋面布置較為緊湊，外圍設備距離幕墻僅2.5 m，不利于噪聲的衰減，因此要在廠界外1 m處達到降噪目標，對降噪設備的消聲量和流阻特性有很高的要求。

2) 為確保冷卻塔的良好性能，各塔體間距必須滿足通風散熱最小距離要求，因此降噪設備所占空間要盡可能少，且阻力損失小，通風效果良好。

3) 冷卻塔排風口的空氣濕度大，對采用吸聲材料的防水性能有較高的要求。

4) 受限于屋面空間，冷卻塔安裝降噪設備后，應預留檢修口，結構形式便于拆卸，供日常維護和設備檢修。

3 降噪方案探討

3.1 方案1

分別在冷卻塔進風側、排風側安裝消聲器，消聲器與冷卻塔之間通過消聲箱連接，具體措施如下。

1) 進風側：采用“0.5 m長消聲箱+1.2 m長消聲器”。

2) 排風側：頂側排風口采用“1 m長消聲箱+0.9 m長消聲器”。

3) 消聲器通風率≥50%，進、排風側安裝的消聲器壓力損失之和≤30 Pa。消聲器采用鋁合金板制作，表面噴塑處理，外殼板厚度不小于1.5 mm，芯片的護面板厚度不小于1.2 mm，穿孔率20%～25%，孔徑3 mm。消聲芯片內填充惰性、防蟲、憎水玻璃纖維，密度不小于48 kg/m3，防火等級為A級不燃材料，壓縮梯級不應小于5%，玻璃棉和護面板間設置平紋、無堿、憎水玻璃纖維布。

4) 根據上文冷卻塔噪聲性能參數及式(1)計算出冷卻塔所需的消聲量[4]，同時結合市場上常用消聲器型號，得出消聲量應不低于表3中數值。

表3 消聲器性能參數

式中 ?(α0)為與α0有關的消聲系數；α0為正入射吸聲系數；P為消聲器通道截面周長,m；S為消聲器通道截面積，m2；l為消聲器的有效長度，m。

5) 消聲箱用于平緩進、排風氣流的同時，增加消聲量，采用100mm厚吸聲隔聲板拼接，采用鋁合金板材質，表面噴塑處理。

方案1冷卻塔降噪措施平面示意圖見圖3，冷卻塔降噪措施大樣圖見圖4。

圖3 冷卻塔降噪措施平面示意圖(方案1)

3.2 方案2

消聲器分別安裝在冷卻塔進風側和排風側，吸聲隔聲板布置在冷卻塔之間的空隙中，與方案1不同的是，進風側消聲器沒有直接安裝在冷卻塔上，而是與吸聲隔聲板一起固定于屋面外圍，具體降噪措施如下。

1) 冷卻塔側面：屋面外圍的進風側安裝1.2 m長消聲器，冷卻塔之間的非進風面安裝0.1 m厚吸聲隔聲板。

2) 冷卻塔頂面：排風側安裝0.9 m長消聲器，冷卻塔之間的非排風面安裝0.1 m厚吸聲隔聲板。

3) 消聲器通風率≥50%，進、排風側安裝的消聲器壓力損失之和≤30 Pa，消聲器消聲量不低于表3中的數值。

4) 消聲器采用鋁合金板材質，表面噴塑處理。

方案2冷卻塔降噪措施平面示意圖如圖5所示，冷卻塔降噪措施剖面示意圖如圖6、7所示。

圖5 冷卻塔降噪措施平面示意圖(方案2)

圖6 冷卻塔降噪措施剖面示意圖1-1(方案2)

圖7 冷卻塔降噪措施剖面示意圖2-2(方案2)

3.3 方案對比

1) 方案1和方案2中冷卻塔排風側安裝消聲裝置，勢必會增大風機的阻力，導致風量降低、水溫上升，從而影響系統的熱工性能，因此需在冷卻塔選型時考慮此損失，具體分析可參考相關工程案例[5]。

2) 研究表明，冷卻塔場地布置不受限時，采用方案1可以取得良好的降噪效果[6]。但該項目冷卻塔布置面積受限，采用方案1中的降噪措施會使內側冷卻塔進風面之間的距離僅有2.6 m，不能滿足多個單元排列且進氣口相對時的最小距離6 m，致使冷卻塔進風量減小，水氣換熱性能相應降低，冷卻塔效率也隨之降低。

3) 根據表4，可得方案2采用消聲器和吸聲隔聲板相結合的形式，不僅可以降低冷卻塔的噪聲，還可以滿足冷卻塔的有效進風面積?？紤]到該項目冷卻塔平臺面積受限，因此采用方案2進行噪聲治理。

表4 方案1和方案2對比

4) 方案2中采用吸聲隔聲板后會對部分冷卻塔進風側周圍的氣流產生影響，因項目組后續會研究降噪后冷卻塔周圍流場的變化，因此本文僅分析冷卻塔噪聲治理方案的可行性。

4 噪聲理論計算

在環境影響評價中，應根據聲源、聲功率級或靠近聲源某一參考位置處的已知聲級(如實測得到的)、戶外聲傳播衰減，計算距離聲源較遠處的預測點的聲級[7]。

已知距離無指向性點聲源參考點r0處的倍頻帶(用63～8 000 Hz的8個標稱倍頻帶中心頻率)聲壓級Lp(r0)，計算出參考點(r0)和預測點(距聲源r處)之間的戶外聲傳播衰減后，預測點8個倍頻帶聲壓級可分別用式(2)計算[7]。

Lp(r)=Lp(r0)-

(Adiv+Aatm+Abar+Agr+Amisc)

(2)

式中 Lp(r)為距聲源r處的倍頻帶聲壓級，dB；Lp(r0)為參考位置r0處的倍頻帶聲壓級，dB；Adiv為聲波幾何發散引起的倍頻帶衰減，dB；Aatm為空氣吸收引起的倍頻帶衰減，dB；Abar為聲屏障引起的倍頻帶衰減，dB；Agr為地面效應引起的倍頻帶衰減，dB；Amisc為其他多方面效應引起的倍頻帶衰減，dB。

預測點的A聲級LA(r)可按式(3)計算，即將8個倍頻帶聲壓級合成，計算出預測點的A聲級LA(r)[7]：

式中 Lpi(r)為預測點處，第i倍頻帶聲壓級，dB；ΔLi為第i倍頻帶的A計權網絡修正值，dB。

根據式(2)、(3)，計算該項目西側廠界外1m處噪聲最不利點A與西側辦公樓廠界外1m處噪聲最不利點B處的噪聲值，計算結果見表5、6。通過分析表5中的數據，可知該項目西側廠界外1m處降噪前噪聲值為67.46dB，降噪后噪聲值為49.77dB；通過分析表6中的數據，可知西側辦公樓廠界外1m處降噪前的冷卻塔噪聲值為66.25dB，降噪后噪聲值為48.47dB。由此可得，采用方案2對冷卻塔進行降噪后，可滿足規范要求。

表5 項目西側廠界外1 m處噪聲最不利點A處的噪聲匯總

表6 西側辦公樓廠界外1 m處噪聲最不利點B處的噪聲匯總 dB

5 噪聲仿真模擬

Cadna/A是基于德國RLS90通用計算模型的噪聲模擬軟件，其計算原理源于ISO 9613-2：1996《聲學 戶外聲傳播的衰減 第2部分：一般計算方法》，適用于環境評價、建筑設計、交通管理、城市規劃等眾多領域。經國家環?？偩汁h境工程評估中心認證，該軟件理論基礎與HJ 2.4—2009《環境影響評價技術導則 聲環境》要求一致，預測結果直觀可靠，可以作為我國聲環境影響評價的工具軟件[8]。

近年來，Cadna/A軟件廣泛應用于冷卻塔降噪分析和聲屏障優化設計中[9-10]。本文利用Cadna/A軟件，對該項目及周邊建筑物接收到的噪聲進行了模擬與對比。

5.1 建模條件

利用Cadna/A軟件進行三維建模計算，聲源及所處環境建模實景效果如圖8所示，冷卻塔聲源用體源模擬，進風口、排風口以面聲源模擬，消聲器的插入損失噪聲見表3。

圖8 聲源及所處環境建模實景效果圖(西南視角)

5.2 降噪前噪聲分布

如圖9、10所示，該項目及周邊建筑物廠界外1 m處接收到的A聲級噪聲為61～69 dB，超出夜間小于等于50 dB的要求。圖9、10中噪聲分布數據接收面高度為屋面上方1.5 m，測點分布間距為1 m。

圖9 降噪前該項目及周邊建筑物噪聲分布

圖10 降噪前廠界外1 m處噪聲分布

如圖11所示，西側辦公樓建筑外1 m處的A聲級噪聲最高值為66 dB(朝冷卻塔方向)，超出夜間小于等于50 dB的要求，超出部分主要分布在該樓層豎直高度6～87 m之間。

圖11 降噪前西側辦公樓噪聲分布(東北視角)

綜上分析，該項目冷卻塔所需降噪的最大值為19 dB，且該項目西側廠界外1 m處噪聲超標值最高。

5.3 降噪后噪聲分布情況

降噪后，該項目及周邊建筑物廠界外1 m處接收到的A聲級噪聲為38～50 dB，西側辦公樓建筑外1 m處接收到的A聲級噪聲最高值為44 dB(朝冷卻塔方向)，均滿足夜間小于等于50 dB的要求。

6 結語

通過對降噪目標的聲源分析，提出了2種方案：冷卻塔進、排風側分別安裝消聲器；冷卻塔整體采用消聲器與吸聲隔聲板相結合的方式。由于該項目冷卻塔場地布置受限，因此在保證冷卻塔有效進風面積的前提下，選取了方案2，即采用消聲器與吸聲隔聲板相結合的方式。

為驗證方案2的可行性，通過理論計算和仿真模擬對冷卻塔降噪前后，該項目周邊建筑物敏感點接收到的噪聲進行了對比分析。通過理論計算和模擬結果可知，此方案可使廠界外1 m處及周圍噪聲敏感建筑物的噪聲達到相關標準，滿足噪聲治理要求。