暖通室外設備噪聲頻譜特性及治理策略

刁岳峰 何建龍 蔣丁山 霍小樂

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江立新眾智聲學科技有限公司,杭州)

0 引言

暖通系統作為營造健康舒適室內物理環境的重要保障,已成為現代建筑不可或缺的重要組成部分,同時暖通系統中各類機械設備的運行和空氣的循環也給周圍環境帶來了一系列的噪聲污染問題。研究表明,噪聲污染能干擾睡眠和正常語言交流、導致精神狀態不佳、誘發和加劇神經系統和心血管系統疾病、減緩兒童認知能力發展,是人體健康的重要威脅[1]。2022年6月5日開始實施的新版《中華人民共和國噪聲污染防治法》[2]明確規定,“排放噪聲的單位和個人應當采取有效措施,防止、減輕噪聲污染”“排放噪聲造成嚴重污染,被責令改正拒不改正的,生態環境主管部門或者其他負有噪聲污染防治監督管理職責的部門,可以查封、扣押排放噪聲的場所、設施、設備、工具和物品”,違反《中華人民共和國噪聲污染防治法》規定將處以罰款甚至刑罰。

暖通系統設備眾多,其中室外設備的噪聲問題尤其突出。原因是室外設備露天布置,噪聲傳播衰減少、影響范圍廣;其噪聲不僅可以通過空氣傳聲向鄰近區域和周圍環境傳播,還可通過固體傳聲向所服務建筑的室內空間傳播并二次生成噪聲。近年新頒布的GB 55016—2021《建筑環境通用規范》[3]對建筑室內聲環境有較高要求,給暖通室外設備的降噪帶來了較大的挑戰。常見的易產生噪聲污染問題的暖通室外設備主要包括集中空調制冷系統的冷卻塔、空氣源熱泵機組、多聯式變制冷劑流量系統(VRF)空調室外機等[3-4]。

在實際噪聲治理中,噪聲的頻譜特性非常重要,噪聲的能量往往集中在某一個或者幾個頻帶。如果所采用的降噪措施沒有針對性,對非能量集中頻段有較好的降噪效果而對能量集中頻段效果欠佳,總的降噪效果也會很差。

本文基于典型暖通室外設備的現場實測聲學數據,結合調研情況,經理論計算和聲學模擬,總結了典型暖通室外設備噪聲頻譜特性和傳播規律,并基于聲學基本原理,提出了將隔聲、吸聲、消聲和隔振等措施綜合運用的噪聲治理策略,以實現精準高效降噪。

1 典型室外暖通設備噪聲失控案例

1.1 某城市商業綜合體樓頂冷卻塔和熱泵噪聲現狀

1) 建筑概況。

某城市商業綜合體,建筑面積約30萬m2,主樓共35層,商業部分由地下1層和地上1～4層、局部7層組成,7層以上為住宅部分;裙樓為7層,裙樓屋頂設置有26臺集中空調制冷系統的冷卻塔和12臺空氣源熱泵,提供商業部分供熱和空氣調節的冷熱源;設備位于住宅樓之間,與住宅樓最近距離僅約20 m。

2) 不當技術措施。

設備底座設置橡膠減振墊,且在冷卻塔和熱泵機組上方及四周搭建了隔聲板,阻止噪聲向四周擴散;同時為滿足散熱需求,留有部分空隙。

3) 問題總結。

該項目噪聲通過空氣形式傳播,且以中低頻為主,但降噪措施未充分考慮中低頻聲傳播規律及設備運行能效問題,采用單一的降噪措施使得噪聲治理并沒有達到預期效果,經實測綜合體的住宅辦公區窗外1 m邊界A聲級噪聲約為65～72 dB,遠超過國家標準規定的2類聲環境功能區限值(晝間60 dB、夜間50 dB)。另外,由于搭建隔聲板時未周全考慮設備的排風散熱等能效問題,導致冷卻塔和熱泵的進風、排風、散熱受阻,反而極大影響夏季制冷效率和室內空氣調節效果。

1.2 某中醫院裙房樓頂暖通設備噪聲現狀

1) 建筑概況。

某中醫院門診樓4層裙房樓頂屋面布置有水(風)冷一體式冷熱水機組19臺、空氣源熱泵機組20臺及其配套水泵等設備。其中12臺冷熱水機組安裝于技術夾層上方,技術夾層內為手術室所用凈化機組及其管道,技術夾層下方即為手術室;剩余7臺冷熱水機組和4臺冷水循環泵及20臺空氣源熱泵和循環泵直接安裝于4層裙房屋面,其下方3層為ICU及部分手術室、辦公室。

2) 不當技術措施。

原設計及施工時,設備已采取了系列降噪措施。其中冷熱水機組、空氣源熱泵機組及其循環泵底部采用常規橡膠墊進行了隔振處理;冷水循環泵底部則安裝了常規減振器;水管則采用槽鋼支架直接安裝于基礎上等。

3) 問題總結。

該項目以低頻固體結構傳聲為主,主要噪聲頻率集中在125 Hz左右,聲波波長較長,穿透力強,降噪措施未進行減振產品質量控制、頻譜分析及合理有效的隔振效率選型計算,且冷熱水機組、空氣源熱泵機組及其循環泵底部采用常規橡膠與彈簧隔振無法顯著衰減低頻段噪聲,另外橡膠容易出現開裂、老化等問題,導致減振降噪處理效果不佳,雖實施了部分降噪措施,但并未考慮設備噪聲頻譜特性,樓下病房、手術室和辦公室的噪聲超標嚴重。根據GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規范》,按照高限標準,手術室和辦公室允許A聲級噪聲為40 dB,ICU允許A聲級噪聲為晝間40 dB、夜間35 dB[5]。經實測,上述設備正常開啟時,ICU內A聲級噪聲約為47.5 dB,手術室內A聲級噪聲約為45.5 dB,醫生辦公室內A聲級噪聲約為51.7 dB,均遠超過上述房間的噪聲允許限值。值得注意的是,該結構傳聲引起的噪聲以125 Hz左右的低頻為主,這與暖通設備的振動信號主要頻段相同,更加說明了解噪聲源頻譜及針對性采取降噪措施的重要性。

1.3 噪聲治理失敗原因分析

正常人耳的可聽聲頻率范圍為20～20 000 Hz,粗略分為31.5～16 000 Hz的10個倍頻帶。環境聲學中一般將500 Hz及以下倍頻帶歸為低頻部分,聲能在該頻率范圍占主導的噪聲稱為低頻噪聲;類似地,1 000、2 000 Hz倍頻帶為中頻部分,4 000 Hz及以上為高頻部分。聲音的頻率不同,相同降噪措施的效果相差很大,這就決定了制定降噪措施要針對噪聲源的頻譜特性。

上述2個案例中,雖然采取了一定的降噪措施,但降噪結果均不理想,沒有實現既定降噪目標。究其原因,在于未考慮噪聲源頻譜特性和聲傳播規律,所采取的措施和選用的降噪產品沒有針對性,也沒有經過定量的、嚴謹的預測計算。

2 典型暖通室外設備噪聲頻譜特性

暖通的室外設備主要有:空氣源熱泵、水泵、風機、冷卻塔、VRF室外機、油煙凈化設備等,本文選擇冷卻塔、空氣源熱泵、VRF室外機的噪聲特性作為代表重點介紹。

2.1 冷卻塔

2.1.1冷卻塔噪聲頻譜特性

冷卻塔噪聲的主要來源一般包括濺水噪聲、風機噪聲、電動機噪聲、殼體振動輻射噪聲和循環水泵及輸水管道振動輻射噪聲[6]。冷卻塔最后向外輻射的噪聲是上述噪聲的綜合。圖1為幾個典型案例中現場實測的冷卻塔噪聲頻譜,測量位置位于冷卻塔頂部出風口上1.5 m處,1～9為9個不同的用戶。

由圖1可知:冷卻塔設備周圍A聲級噪聲普遍在76～85 dB,頻譜上表現出寬頻特性,而且不同的冷卻塔之間還存在著差異,在不同方向上也表現出不同的頻譜特點;在各用戶處測得的噪聲頻譜特性相似,聲能量主要集中在中低頻,A聲級噪聲在68～93 dB之間,且低頻噪聲更加顯著,A聲級噪聲基本都在80 dB以上,這表明冷卻塔噪聲類型主要是固體結構傳聲,在進行治理時要注意做好減振隔振措施。同時在31.5～125 Hz頻段,9個測點用戶呈現出一定的差異性,這主要是由于不同品牌、型號的冷卻塔的重量、結構、風機轉速等都存在一定的區別,從而導致其振動特性也存在一定的差異。

2.1.2冷卻塔噪聲影響路徑和治理對策

冷卻塔噪聲的治理,都必須提前進行噪聲測試,得到其噪聲頻譜,然后才能依據頻譜分析結果針對性地設計噪聲治理方案。

冷卻塔濺水噪聲的產生是由于冷卻塔內部水流從高處濺落在底部,水流與冷卻塔底部金屬材質發生碰撞,從而產生較大的噪聲。濺水噪聲可通過在冷卻塔內部底端鋪設透水消聲墊來降低[7]。風機噪聲為氣動噪聲,由冷卻塔頂部風扇轉動所致,主要由冷卻塔排風口向外輻射。對于風機噪聲,從源頭降噪比較困難,是現階段冷卻塔噪聲治理的重點和難點。而電動機運行時會引起地面或者樓板發生振動,從而產生固體結構傳聲,若樓板下方為臥室、會議室等對噪聲敏感區域,則會產生嚴重的噪聲污染。綜合考慮,可對整個冷卻塔進行全封閉吸隔聲處理,但需要充分考慮冷卻塔及其配套設備的進風、排風、散熱需求,留足進出風消聲通道。

2.2 VRF空調室外機

2.2.1VRF空調室外機噪聲頻譜特性

VRF結構簡單、易于維護、室內機控制自由,被廣泛應用于辦公樓、酒店、學校等建筑中。VRF的室外機運行噪聲包括軸流風扇轉動引起的氣動噪聲、壓縮機運行時產生的振動和噪聲、室外機本身存在的運動部件在工作過程中產生的振動和噪聲及運動部件激發與其相連零部件產生振動輻射的噪聲等[8]。

圖2顯示了典型VRF空調室外機噪聲頻譜,測量位置位于VRF空調室外機排風口,1～3為3個不同的用戶。由圖2可知,VRF空調室外機噪聲頻帶較寬,主要集中在200～2 000 Hz的中低頻段,A聲級噪聲綜合值為75 dB左右,表明VRF空調室外機的噪聲既有固體結構傳聲也有空氣傳聲,且空氣傳聲的影響相對更加顯著,進行噪聲處理時要作好減振隔振及吸隔聲處理。

圖2 VRF空調室外機典型噪聲源頻譜

2.2.2VRF室外機噪聲影響路徑和治理對策

VRF空調室外機噪聲的重要來源是風扇氣動噪聲和壓縮機機械噪聲,其中前者主要從VRF空調室外機頂部向外輻射,后者則主要從下部的進風口向外輻射,二者相比較,風扇的噪聲對環境影響更大。

宜采用分區的辦法來進行降噪處理。風扇氣動噪聲采用頂部加裝低風阻高效排風消聲裝置降噪;壓縮機機械噪聲為聲壓較強的低頻噪聲,需采用特定頻率的吸聲材料進行降噪,但需要充分考慮VRF空調室外機及其配套設備的進風、排風、散熱需求,留足進出風消聲通道。

2.3 空氣源熱泵機組

2.3.1空氣源熱泵噪聲頻譜特性

空氣源熱泵機組運行噪聲主要來源為壓縮機、風機和配套水泵工作產生的機械噪聲和排風產生的氣動噪聲[9]。其中壓縮機、風機和水泵工作時還會通過基礎向建筑結構傳播振動,并以結構傳聲的方式在同一建筑的各樓層房間激發二次噪聲。

圖3顯示了典型熱泵機組噪聲頻譜,熱泵機組位于5層樓頂,選取5層、4層部分位置進行噪聲測量,1～9為9個不同的用戶。由圖3可知,熱泵機組周圍A聲級噪聲普遍為80～90 dB,頻譜上表現出寬頻特性,主要集中在1 000 Hz以下。同時,熱泵機組振動引起的結構傳聲不可忽略。圖4顯示了典型熱泵機組結構傳聲導致的同幢建筑其他房間室內噪聲頻譜,測量位置位于設備安裝位置樓下4、5層,1～9為9個不同的用戶。由圖4可知,在熱泵機組結構傳聲的影響下,同幢建筑下方房間的室內A聲級噪聲普遍在40 dB以上,且以低頻為主。而根據GB 50118—2010,病房、宿舍、臥室等需要安靜的房間夜間允許A聲級噪聲為35 dB以下,明顯超標。當熱泵設備不開啟時,背景A聲級噪聲為26.2 dB(編號6),可見超標是由熱泵機組結構傳聲引起的。

圖3 熱泵機組典型噪聲源頻譜

圖4 熱泵機組結構傳聲典型噪聲頻譜

2.3.2空氣源熱泵噪聲影響路徑和治理對策

熱泵機組的空氣傳聲來源及降噪處理與VRF空調室外機類似,差異是比VRF空調室外機噪聲更大、影響更廣,同時產生結構傳聲。

結構傳聲與空氣傳聲不同,其能量傳遞是以振動波的形式在密實固體結構(如建筑中的混凝土承重結構)中傳播,最后到達同幢建筑的其他房間后,通過房間表面(墻體、頂棚、地面等)輻射噪聲。振動波在固體結構中傳播時能量損失相比在空氣中傳播要小得多,且頻率也較低,因此能對很遠的房間造成影響[10]。

對于結構傳聲,最有效的降噪方法就是在振動源與基礎間采取精準高效的隔振措施,目標是阻斷聲音的物理連接及結構傳導。

3 某住宅區冷卻塔噪聲治理案例

3.1 項目工況分析

某住宅區建有10幢6層疊墅、10幢高層,在小區1層地面綠化區內配備有4臺方形橫流冷卻塔,單臺功率為15 kW。冷卻塔距離最近的住宅樓約10 m,住宅樓住戶反映有噪聲污染。經過檢測,4臺冷卻塔滿負荷運行時,冷卻塔進風口處A聲級噪聲約為82.7 dB,排風口處約為86.5 dB(見圖5)。住宅樓處噪聲測試數據如表1所示,窗外1 m處A聲級噪聲均超過60.0 dB,室內關窗情況下A聲級噪聲也超過40.0 dB。

表1 某住宅區內冷卻塔運行時不同噪聲頻率下最近住宅樓處噪聲測量數據 dB

圖5 某住宅區冷卻塔噪聲實測數據

3.2 問題分析

根據GB 22337—2008《社會生活環境噪聲排放標準》[11],該案例中冷卻塔邊界處A聲級噪聲排放應滿足2類聲環境功能區標準,即晝間≤60 dB、夜間≤50 dB。顯然,該案例中冷卻塔邊界處噪聲遠超過該限值。根據GB 3096—2008《聲環境質量標準》[12],該案例中住宅樓窗外1 m處A聲級噪聲應滿足2類聲環境功能區標準,即晝間≤60 dB、夜間≤50 dB的要求,而實測數據均超過60 dB。根據GB 55016—2021《建筑環境通用規范》[3],關窗情況下,住宅樓臥室內晝間等效連續A聲級噪聲不應高于45 dB、夜間等效連續A聲級噪聲不應高于35 dB,該案例中夜間要求無法滿足。

根據現場位置踏勘、設備噪聲頻譜及數值的實測和聲學理論模擬,確定冷卻塔噪聲主要影響南側住宅樓,且4、5層影響最嚴重,A聲級噪聲超標20 dB左右,噪聲傳播途徑主要為空氣傳聲,頻譜上表現出寬頻和一定的低頻特性。

3.3 治理措施

根據上述分析,首先確定冷卻塔降噪目標值為20 dB。然后結合現場情況和測量數據,確定綜合降噪方案,即采用吸聲、消聲、隔聲一體化方式,同時兼顧設備排風、進風、散熱等技術要求,冷卻塔噪聲控制措施三維效果圖見圖6。具體方案如下:

圖6 冷卻塔噪聲控制措施三維效果圖

1) 冷卻塔周圍采用針對噪聲源頻譜的吸隔聲復合體,復合體一般選用密度較大的材料如金屬板、石膏板與一些多孔材料如玻璃纖維棉、礦棉等復合而成,同時要求吸隔聲復合體的隔聲量R≥25 dB。隔聲量R是描述材料空氣聲隔聲性能的指標[12],其定義為

(1)

隔聲量的大小與隔聲構件的結構、性質有關,也與入射聲波的頻率有關。

2) 冷卻塔頂部安裝矩陣式高效排風消聲器,出風面積應使風阻低于設備正常運行最低要求,最大風速應低于8 m/s,要求消聲量≥25 dB;冷卻塔東西側進風處安裝側向靜態高效進風消聲器,進風面積和最大風速要求同排風消聲器,要求消聲量≥25 dB。冷卻塔降噪常用阻性消聲器,其消聲的原理是在氣流通過的管道周壁上固定吸聲材料,當聲波進入消聲器時會引起阻性消聲器內多孔材料中的空氣和纖維振動,由于摩擦阻力和黏滯阻力,部分聲能轉化為熱能而散失,從而起到消聲的作用。消聲量的計算方法主要有2種,分別是別洛夫公式和賽賓公式[13]。

別洛夫公式如下:

(2)

式中LNR為消聲量;ψ(α0)為消聲系數,由正入射系數α0確定,ψ(α0)和α0的關系見表2;P為吸聲襯里的通道截面周長;S為吸聲襯里的通道截面面積;L為吸聲襯里的通道長度。

表2 消聲系數ψ(α0)與正入射系數α0的關系

賽賓公式如下:

(3)

式中α為混響室法測得的吸聲系數。

3.4 治理效果

經上述綜合降噪措施治理后,現場監測結果見表3。由表3可知,對照GB 55016—2021《建筑環境通用規范》要求,距離冷卻塔最近的住宅樓室內噪聲已達標。降噪措施實施前后現場照片見圖7。

表3 某住宅區內冷卻塔降噪前后最近住宅樓處噪聲數據對比 dB

4 某醫院熱泵機組噪聲治理

4.1 項目工況分析

某醫院大樓共11層,6組熱泵機組及配套管道安裝于樓頂,所在位置下方為醫生辦公室和值班休息室。熱泵機組底部已安裝有隔振器,隔振器固定于槽鋼框架上,并安裝在混凝土基礎上,熱泵機組管道均落地固定在設備頂部結構梁上。該項目中業主的主要噪聲訴求是同幢建筑其他房間的結構傳聲干擾,對空氣傳聲干擾無要求?，F場噪聲測量數據見表4、5。6臺熱泵機組滿負荷運行時,熱泵機組附近A聲級噪聲達到80 dB以上;受熱泵機組結構傳聲影響,樓下醫生辦公室A聲級噪聲近50 dB,醫生值班休息室A聲級噪聲近40 dB,且都呈現出顯著的低頻特性。同時,振動測量數據顯示:熱泵機組底部振動非常嚴重,即使通過隔振器隔振后,熱泵機組下方的水泥地基的振動衰減很少,隔振效率較低;落地支架及頂部結構梁的管道振動也非常強烈,而該部分振動未作過任何隔振處理。

表5 某醫院熱泵機組現場實測振動數據

4.2 問題分析

根據GB 55016—2021《建筑環境通用規范》,由于處于2類聲功能區內,醫療、辦公房間的室內晝間和夜間等效連續A聲級噪聲不應高于45 dB。而睡眠休息的房間(醫生值班休息室)夜間等效連續A聲級噪聲不應高于35 dB。由表4可知,該案例中因熱泵機組引起的醫生辦公室和醫生值班休息室噪聲均超過這一標準規定的限值。

同時,根據GB 22337—2008《社會生活環境噪聲排放標準》,2類聲環境功能區A類房間的結構傳播固定設備室內A聲級噪聲排放限值為晝間45 dB、夜間35 dB;B類房間為晝間50 dB、夜間40 dB;而且對31.5～500 Hz倍頻帶聲壓級噪聲還有限值要求。該項目中醫生辦公室屬B類房間,醫生值班休息室屬A類房間。由表4可知,該案例中醫生辦公室和醫生值班休息室噪聲也超過該標準相關標準限值。

4.3 治理措施

根據現場踏勘實測,確定熱泵機組結構傳聲主要影響對象為同幢建筑的其他房間,特別是樓下醫生辦公室和值班休息室。對照GB 22337—2008《社會生活環境噪聲排放標準》、GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規范》和GB 55016—2021《建筑環境通用規范》的要求,確定該項目降噪目標為10 dB。由于噪聲主要傳播途徑為結構傳聲,因此治理措施的重點是綜合隔振。根據眾多項目經驗,若冷卻塔、熱泵機組等振動源進行過減振隔振處理,其下方的水泥地基臺的Z振級測試結果低于78 dB,則其下方普通房間內的結構傳聲都能達到相關要求。

具體方案為:更換熱泵機組底部原有隔振器,選用125 Hz頻段的綜合性限位阻尼彈簧復合隔振裝置,要求該頻段隔振效率達到90%以上;進一步在熱泵機組底部設置高效浮筑低頻隔振模塊,衰減63 Hz以下低頻結構共振;高效浮筑低頻隔振模塊底部設置針對250～500 Hz的綜合性厚阻尼彈簧復合隔振裝置,使該頻段隔振效率達到95%以上;結構梁頂部沿管道放置處進行管道隔振排布深化設計,采用綜合性限位厚阻尼彈簧復合隔振裝置;熱泵機組進出水管90°直角轉彎落地支撐采用高效浮筑低頻隔振模塊進行隔振處理。

4.4 治理結果

經過上述治理后的噪聲和振動數據見表4、5。對照GB 55016—2021《建筑環境通用規范》可知,經治理后,熱泵機組下方房間內的噪聲已滿足GB 55016—2021《建筑環境通用規范》中相關要求,降噪效果良好。降噪措施實施前后現場照片見圖8。

圖8 熱泵機組噪聲控制措施實施前后現場照片

5 結束語

暖通系統室外設備噪聲治理需考慮到具體案例的噪聲源頻譜特性、設備需求和現場情況,不可一概而論。實際中設計師往往忽略噪聲治理的這一特點,而將所有設備形式及安裝位置都采用統一技術措施,結果降噪效果甚微,甚至可能加劇噪聲污染、影響暖通系統的正常使用。

要想獲得良好的降噪效果,首先需要了解清楚噪聲源頻譜特征,實測場景的噪聲數據,充分調研噪聲傳播特性、傳播途徑。在此基礎上,針對具體噪聲的頻譜特征,遵循噪聲和振動傳播規律,選用針對性的措施和材料,并經科學計算和模擬,最后給出綜合性方案進行實施。

本著防患于未然的原則,在暖通施工圖設計階段就應該做好降噪減振專項設計。設計師要了解工程所選用設備的噪聲特性(包括強度、頻譜等),結合設備具體環境,給出對應的噪聲治理方案,對于大型、復雜、敏感的工程應該委托聲學公司進行減振降噪專項設計,包括消聲、隔聲措施前后聲學數值模擬分析,廠界和敏感點的噪聲值模擬計算及消聲,隔聲和隔振相關設計、措施等。

暖通系統室外設備主要通過空氣傳聲和結構傳聲2個途徑對周圍環境造成干擾和破壞。二者傳播規律和治理措施相差巨大,應根據理論計算和現場實測數據判斷,對癥下藥。

對空氣傳聲的治理,應靈活采用隔聲、吸聲、消聲相結合的綜合措施,不能有漏聲,同時要兼顧設備本身的通風、散熱要求。對于結構傳聲,以振動源與基礎或其他結構間的隔振為主。所采取的隔振措施應基于實測數據,針對具體頻段,且同時在隔振效率、振動加速度絕對值、絕對位移、防止共振等各方面嚴格要求。