基于Cadna/A軟件的冷卻塔聲屏障設(shè)計(jì)

呂　璇，　陳選文，　施　霞

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

基于Cadna/A軟件的冷卻塔聲屏障設(shè)計(jì)

呂璇，陳選文，施霞

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

摘要:冷卻塔因其安裝位置一般距離居民區(qū)較近，近年來成為工業(yè)噪聲擾民中被投訴最多的噪聲源之一。安裝聲屏障被認(rèn)為是降低冷卻塔噪聲污染的一種最直接有效的措施。以某新建大樓樓頂冷卻塔機(jī)組為例，介紹冷卻塔的聲屏障設(shè)計(jì)。利用Cadna/A 軟件進(jìn)行冷卻塔聲屏障的聲學(xué)設(shè)計(jì)研究，確定聲屏障的設(shè)置位置和高度，直觀反映聲屏障實(shí)施前后區(qū)域噪聲橫斷面和水平面分布，在滿足降噪效果要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展聲屏障材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，最終達(dá)到理想的降噪效果。

關(guān)鍵詞:噪聲；冷卻塔；聲屏障；聲學(xué)設(shè)計(jì)

0引言

近年來，隨著工業(yè)飛速發(fā)展，噪聲污染問題日漸凸顯，其中冷卻塔噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響問題逐漸引起人們的重視，開始出現(xiàn)了整治冷卻塔噪聲污染的呼聲。特別是某些樓頂?shù)拇笮屠鋮s塔機(jī)組一般距離居民區(qū)較近，其工作時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)噪聲嚴(yán)重影響著居民的正常休息。妥善解決冷卻塔噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響問題，正逐步成為社會(huì)的共識(shí)。

冷卻塔是一種利用水和空氣流動(dòng)接觸后進(jìn)行冷熱交換產(chǎn)生的蒸汽，通過蒸發(fā)散熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等過程來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱，進(jìn)而降低水溫的蒸發(fā)散熱裝置[1]。冷卻塔噪聲主要包含冷卻塔運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)的進(jìn)排氣和減速噪聲、淋水噪聲，以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)水泵、配管、閥門和塔體向外輻射的噪聲。大型冷卻塔的噪聲屬于中高頻穩(wěn)態(tài)噪聲，治理目標(biāo)一般是將受噪聲干擾的敏感點(diǎn)噪聲級(jí)控制在當(dāng)?shù)氐脑肼晣?guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，主要采用聲屏障、消聲器或隔聲窗等措施[2]。這里以某新建大樓的冷卻塔為例，對(duì)冷卻塔聲屏障措施進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1項(xiàng)目概況

項(xiàng)目新建大樓高23 m，大樓西側(cè)緊鄰9層高的1號(hào)居民住宅樓、7層高的3號(hào)居民住宅樓以及一棟8層高的老年活動(dòng)中心，大樓北側(cè)為7層高的2號(hào)居民住宅。西側(cè)居民樓距離該大樓較近，約為31 m；北側(cè)居民樓距離該大樓較遠(yuǎn)，約為75 m；具體敏感點(diǎn)位置分布見圖1(a)。

(a) 敏感點(diǎn)位置分布

(b) 冷卻塔實(shí)物

大樓頂層設(shè)置了5臺(tái)冷卻塔(見圖1(b))，總長(zhǎng)12.6 m，寬3.9 m，高4.9 m。該冷卻塔機(jī)組工作負(fù)荷大，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)(一般可至23：00)，因此其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)周圍居民區(qū)居民的正常生活(尤其在夜間居民休息時(shí)間)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖2　冷卻塔進(jìn)風(fēng)口噪聲頻譜

根據(jù)冷卻塔廠家提供參數(shù)，冷卻塔頂面排風(fēng)口噪聲值一般比四面進(jìn)氣口大3~5 dB(A)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)聲環(huán)境監(jiān)測(cè)，冷卻塔水平進(jìn)風(fēng)口噪聲源強(qiáng)約為85 dB(A)，頂部排風(fēng)口噪聲源強(qiáng)為89 dB(A)。進(jìn)風(fēng)口的頻譜特性見圖2，由該圖可知，進(jìn)風(fēng)口噪聲以中高頻為主。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)開啟時(shí)，噪聲對(duì)老年活動(dòng)中心晝間的貢獻(xiàn)值達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)3～5 dB(A)(老年活動(dòng)中心臨路按《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096-2008)4a類標(biāo)準(zhǔn)：晝間70 dB(A)，夜間55 dB(A))；對(duì)1~3號(hào)居民樓晝間貢獻(xiàn)值超標(biāo)5～8 dB(A)，夜間超標(biāo)8～10 dB(A)(居民樓按《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)2類標(biāo)準(zhǔn)：晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A))[3]。

2治理措施的選擇

噪聲治理主要從噪聲源、傳播途徑和受體(受影響對(duì)象)等三方面展開，相應(yīng)的措施主要是聲源削減(如進(jìn)排風(fēng)口安裝消聲器)、傳播途徑阻斷(如聲屏障)、噪聲敏感建筑保護(hù)(如隔聲窗)等。分析該冷卻塔機(jī)組及周圍環(huán)境的實(shí)際狀況可知：冷卻塔所在大樓的高度與周圍居民樓的高度相差不大，安裝聲屏障可使敏感點(diǎn)處于聲屏障背后的聲影區(qū)內(nèi)，且該冷卻塔的噪聲以中高頻為主，采用聲屏障措施聲繞射量較小，可更有效地阻隔中高頻噪聲的傳播；而消聲器措施雖同樣具有較良好的降噪效果(20~30 dB(A))，但主要針對(duì)中低頻噪聲，且其實(shí)施面積大，需將整個(gè)機(jī)組罩住，造價(jià)較高，性價(jià)比較低，實(shí)施難度較大。因此，綜合降噪效果、可操作性和工程性價(jià)比等因素，該冷卻塔噪聲治理采用于安裝聲屏障的措施。

3聲屏障設(shè)計(jì)

3.1聲屏障設(shè)計(jì)說明

聲屏障的聲學(xué)設(shè)計(jì)采用國(guó)家環(huán)?？偩终J(rèn)可的德國(guó)Cadna/A預(yù)測(cè)軟件。該軟件由DataKustic公司開發(fā)，主要依據(jù)ISO 9613，RLS-90和Schall 03等標(biāo)準(zhǔn)，并采用專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)可的方法進(jìn)行修正，非常適合復(fù)雜噪聲的預(yù)測(cè)和分析[4]。

圖3　冷卻塔聲屏障平面布置圖

項(xiàng)目中，由于敏感點(diǎn)緊鄰樓頂噪聲源，因此可在該樓頂女兒墻處(見圖3)加裝聲屏障對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)降噪。此外，在不影響排風(fēng)量的前提下，可在靠近冷卻塔聲源處的房屋結(jié)構(gòu)梁上和基礎(chǔ)臺(tái)上加裝聲屏障，這樣能更有效地阻隔噪聲的傳播，降噪效果更好。

利用Cadna/A軟件進(jìn)行三維建模計(jì)算，聲源及所處環(huán)境建模實(shí)景效果見圖4。冷卻塔聲源用體源模擬，即進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口以面聲源模擬；考慮噪聲內(nèi)部連續(xù)反射，設(shè)置混響次數(shù)為5次；聲源頻譜以實(shí)測(cè)頻譜數(shù)據(jù)輸入；聲屏障吸聲系數(shù)設(shè)置為0.7。

圖4　聲源及所處環(huán)境建模實(shí)景效果圖

3.2聲屏障設(shè)計(jì)具體內(nèi)容

在聲屏障的聲學(xué)設(shè)計(jì)中，聲屏障的高度是決定聲屏障降噪效果的最重要因素，根據(jù)“聲屏障的聲學(xué)設(shè)計(jì)原則”和 “聲屏障降噪目標(biāo)”，設(shè)計(jì)的聲屏障高度應(yīng)能起到顯著的降噪效果、具有良好的社會(huì)效益，同時(shí)兼顧聲屏障的性價(jià)比和工程可行性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，敏感點(diǎn)主要受冷卻塔噪聲影響：冷卻塔關(guān)閉時(shí)受公路噪聲影響，臨路敏感點(diǎn)噪聲值晝間約為60 dB(A)，夜間約為56 dB(A)；冷卻塔工作時(shí)，相同位置的噪聲值晝、夜間分別增加5~10 dB(A)。因此，該噪聲治理的目標(biāo)為使敏感點(diǎn)處冷卻塔噪聲貢獻(xiàn)值晝、夜間均達(dá)標(biāo)。

對(duì)比預(yù)測(cè)中的結(jié)果，聲屏障的高度分別選取為4 m，5 m，6 m，7 m，8 m，以確定最佳的聲屏障高度。表1為不同聲屏障高度的噪聲預(yù)測(cè)值對(duì)比，由于冷卻塔噪聲源位于樓頂，附近居民樓低樓層的居民受噪聲影響較小，因此只考慮5層以上樓層的噪聲預(yù)測(cè)情況。

由表1可知：樓層越高，受噪聲影響越嚴(yán)重；設(shè)置的聲屏障越高，對(duì)各敏感點(diǎn)的降噪效果越好。其中：6 m高聲屏障降噪量為4.0～8.0 dB(A)，7 m聲屏障降噪量為5.0～10.6 dB(A)，8 m聲屏障降噪量為5.7～12.5 dB(A)?？紤]到冷卻塔機(jī)組高4.9 m，塔頂排風(fēng)口以上1 m處的噪聲值為89 dB(A)，設(shè)置的聲屏障高度應(yīng)高于冷卻塔排風(fēng)口高度，以使敏感點(diǎn)處于屏障聲影區(qū)；此外，考慮結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)載荷和景觀因素，屏障高度不宜過高。因此，設(shè)置聲屏障的高度為7 m，總長(zhǎng)度為43 m，實(shí)施后，綜合降噪量為5.0～10.6 dB(A)，敏感點(diǎn)處冷卻塔噪聲貢獻(xiàn)值晝、夜間均達(dá)標(biāo)。圖5和圖6為實(shí)施聲屏障前后噪聲源與距離較近敏感點(diǎn)老年活動(dòng)中心噪聲橫截面分布圖。圖7為實(shí)施聲屏障前后整個(gè)區(qū)域環(huán)境噪聲樓頂水平面分布圖。

表1　不同聲屏障高度下各敏感點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)表　dB(A)

圖5　實(shí)施聲屏障前噪聲源與老年活動(dòng)中心噪聲橫截面分布

圖6　實(shí)施7 m屏障后噪聲源與老年活動(dòng)中心噪聲橫截面分布

3.3聲屏障降噪材料、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

聲屏障采用的吸聲材料為“鋁穿孔面板+內(nèi)填聚酯纖維”[5]，這種材料組合的整體平均降噪系數(shù)(Noise Reduction Coefficient, NRC)約為0.7，計(jì)權(quán)隔聲量一般可達(dá)到28 dB(A)(125~4 000 Hz，1/3倍頻程)。

結(jié)構(gòu)上，聲屏障可采用直立型、弧型，倒L型、全封閉型等幾種形式。其中：直立型聲屏障的降噪效果和景觀性一般，因此不考慮采用；直弧型聲屏障頂部的弧度可相應(yīng)增加聲屏障的等效高度(見圖8)，減少噪聲的繞射，吸收聲屏障頂部的噪聲，在降噪效果上有一定的增強(qiáng)作用，因此采用該結(jié)構(gòu)。

圖7實(shí)施聲屏障前后整個(gè)區(qū)域環(huán)境噪聲樓頂水平面分布(高23 m)

圖8　直弧型聲屏障的等效高度

聲屏障采用H型鋼立柱作為支撐，型鋼底部與基礎(chǔ)連接，屏體置于H型鋼槽中；結(jié)構(gòu)上，由上部帶弧型吸聲屏和下部吸聲屏組成，按噪聲傳播方向，上屏圓弧側(cè)向聲源；考慮屏體較高，屏體前部使用斜撐支持。聲屏障結(jié)構(gòu)形式見圖9(a)，屏障安裝后效果見圖9(b)。

該聲屏障實(shí)施后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試其降噪效果，敏感點(diǎn)處綜合降噪量為4~10 dB(A)，冷卻塔噪聲貢獻(xiàn)值分別達(dá)4a類和2類標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 聲屏障結(jié)構(gòu)

(b) 屏障安裝后效果

4結(jié)語

冷卻塔的噪聲污染問題正成為當(dāng)今亟待解決的新問題。對(duì)此，以某大樓樓頂安裝的冷卻塔機(jī)組為例，介紹了冷卻塔聲屏障的研究設(shè)計(jì)，利用噪聲預(yù)測(cè)軟件Cadna/A設(shè)計(jì)計(jì)算了所需聲屏障的參數(shù)指標(biāo)和降噪效果通過模擬實(shí)施聲屏障前后的區(qū)域聲環(huán)境，給出了合理的聲屏障措施。聲屏障措施實(shí)施后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，降噪效果與預(yù)測(cè)結(jié)果相符?？梢?，利用Cadna/A模擬可較好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，工程實(shí)施后可取得良好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙振國(guó). 冷卻塔[M]. 北京：中國(guó)水利出版社，2001.

[2]馬大猷. 噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]毛東興 洪宗輝. 環(huán)境噪聲控制工程[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[4]Datakustic Gmbh. Cadna/A Manual[M]. Germany, 2007.

[5]聲屏障信息門戶網(wǎng)專家組. 聲屏障技術(shù)與材料選用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

收稿日期：2015-06-12 2015-05-06

作者簡(jiǎn)介：呂璇(1988—)，男，江蘇泰州人，碩士，助理工程師，主要從事環(huán)境工程、聲屏障設(shè)計(jì)。 魏欣(1978—)，女，陜西西安人，副研究員，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)03-006-05 1674-5949(2015)03-011-04

中圖分類號(hào)：TB535

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of Noise Barrier for Cooling Tower Based on Cadna/A

LüXuan，ChenXuanwen,ShiXia

(China Shipping Environment Technology (Shanghai) Co.,Ltd, Shanghai 200135, China)

Abstract:Cooling towers have been the most complained industrial noise source, because they are often situated near to a residential area. Noise barrier is one of the most direct and effective measures to reduce the noise pollution in such cases. This paper introduces the noise barrier design for a cooling tower installed on the roof of a new building. The acoustic design of the noise barrier is performed by means of the software Cadna/A. The location and height of the noise barrier is determined and checked through mapping the sectional and horizontal distributions of noise before and after setting up of the noise barrier. The material and structure of the noise barrier are designed for best attenuation of the noise. The barrier has been installed and achieved satisfactory noise reduction effect.

Key words:noise; cooling tower; noise barrier; acoustic design