既有居住建筑附屬地下換熱站降噪研究

張九紅，李 楓，陳顯華，張軼稀

(1. 東北大學，遼寧沈陽110819；2. 沈陽建筑大學，遼寧沈陽110168)

0 引 言

建筑最初是用來遮風避雨的“遮蔽物”。隨著社會的發展，人們對建筑功能的要求越來越高，安靜的環境也成為了人們關注的焦點。雖然現代工業文明極大提升了人類的生活水平，但是也帶來了前所未有的噪聲干擾。安靜的環境并不是徹底消除噪聲，而是把噪聲降低到一個能夠容忍的噪聲水平。在現有建筑聲學設計方面，人們關注的焦點往往是影劇院、音樂廳等對聲學要求較高的建筑空間。但是對于其它附屬類型的功能空間的聲環境考慮則比較欠缺，例如換熱站、設備間等。這些空間是噪聲產生的主要源頭，聲學設計上又往往被忽略，導致使用過程中對周邊影響過大，這種現象亟待解決，尤其是對于存在噪聲污染的既有建筑，聲環境的改造需要進一步加強[1]。

本文對居住建筑附屬換熱站的降噪進行研究，為保證居住區住戶有一個安靜的生活環境，需要對換熱站進行噪聲處理。換熱站主要是提供24小時大水量、高水壓、恒溫的熱水，滿足建筑不同熱水、冷暖需求，同時又能消耗最少的能源。換熱站內有大量的機械設備，設備在運轉過程中會產生較大的噪聲，這也是換熱站的主要噪聲來源。因此降低設備運轉噪聲也就成為降低換熱站噪聲的主要手段。

1 地下換熱站現狀與聲學分析

1.1 地下換熱站聲環境現狀

居住建筑位于撫順市，處于嚴寒地區，為了給住戶提供舒適的生活環境，小區配備了熱泵系統。由于周邊環境條件的限制，換熱站放置在地下一層，緊鄰部分住戶。由于地下換熱站產生很大的噪聲，且在設計與施工過程中缺乏降噪處理，導致出現了較為嚴重的噪聲問題，對該區域住戶的生活造成了一定的影響，破壞了小區良好的聲環境。

根據現場調研，換熱站位于地下一層的一個L型空間。經過測試發現，地下換熱站內的噪聲主要來自4臺大型電動機，運行時每兩臺一組，兩組循環使用，以此提高電機的使用壽命。地下換熱站內墻面和頂棚均為混凝土材料，地面鋪設地磚，由于電動機本身噪聲比較大，且室內所用材料吸聲性能較差，造成了室內的噪聲值較高，也給周邊住戶帶來了嚴重的噪聲困擾[2-3]。

1.2 地下換熱站噪聲測試與分析

針對地下換熱站內的實際噪聲情況進行調研，發現其主要噪聲來源于電動機自身工作產生的噪聲。高速運動的馬達位于電動機的前端，不僅產生噪聲，同時也產生振動。測試采用Nor121聲學測試系統，根據相關聲學標準和實際情況布置不同組傳感器點位，傳感器均布置在電動機的周圍。噪聲測試傳感器點位如圖1所示，各點位的傳感器1～12記錄的聲壓級數據如表1所示。

圖1 噪聲測試傳感器點位Fig.1 Noise test sensor sites

1.3 存在問題

由表1可知，各測試點的聲壓級均較高，說明聲源附近具有較高的聲壓級，可以證明換熱站的主要噪聲來源于工作時的電動機。因此降低換熱站的噪聲主要是對噪聲源進行處理。

表1 傳感器記錄聲壓級Table 1 Sound pressure levels recorded by sensors

在對地下換熱站內部噪聲測試后，考慮到對上部辦公及居住空間的影響，對其一樓的辦公空間和二樓及以上的居住空間進行了噪聲測試。測試中發現，一樓的辦公空間受到地下換熱站噪聲的影響比較明顯、不滿足噪聲標準要求，二樓及以上的居住空間受噪聲影響比較小、滿足噪聲標準要求。

對數據進行整理分析，發現地下換熱站存在以下問題：

(1) 地下換熱站內部的噪聲聲壓級在高、中、低頻均很高，對工作人員影響嚴重。

(2) 地下換熱站產生的噪聲對一層空間影響較大，使一層空間未達到允許的噪聲標準。

(3) 對周邊環境也產生一定影響，人們經過此處會有受到明顯的噪聲干擾[4-5]。

2 聲學改造設計理論

2.1 聲學標準要求

綜合考慮聲學效果和施工的成本控制，附屬用房的噪聲標準都以噪聲評價曲線和單值 A聲級同時列出作為標準要求。我國對于一般建筑的噪聲(人耳聽聞)評價曲線，均以NR曲線為標準，如表2所示[6]。

表2 一般建筑的允許噪聲標準Table 2 Allowable noise standards for general residential buildings

2.2 降噪方法與理論

地下換熱站具有完整的建筑圍護結構，圍護結構的隔聲量應符合現行國家標準GB50118《民用建筑隔聲設計規范》的有關規定[7]。

2.2.1 罩的隔聲原理

式中：R為隔聲量(dB)；α為罩內表面的平均吸聲系數；τ為罩內的平均透射系數。

2.2.2 隔聲量計算

(1) 隔聲量的理論計算公式：

(2) 隔聲量的經驗計算公式：

式(2)、(3)中：m為構件的面密度(kg·m-3)；f為聲音的頻率(Hz)；ΔR為空氣層的隔聲量(dB)。

2.2.3 穩態聲壓級

當一已知聲功率級為LW的聲源在室內連續發聲，聲場達到穩定狀態時，距離聲源為r處的穩態聲壓級由直達聲與混響聲兩部分組成。在室內距離聲源r處的聲壓級為

式中：Lp為室內與聲源距離為r處的聲壓級(dB)；LW為聲源的聲功率級(dB)；Q為聲源的指向性因數，它與聲源的方向性和位置有關。通常把無方向性的聲源放在房間中心時，Q=1。CR為房間常數，取決于室內總表面積S(m2)與平均吸聲系數，其計算式為

通過式(4)發現，降低噪聲需要從吸聲、隔聲以及消聲幾個方面進行降噪處理。

計算地下換熱站內部可用吸聲面積和容積時，需要考慮到工作人員對機械設備的維修和檢查，以及機械設備必要的通風。因此需要合理地布置吸聲材料[1,8-9]。

3 地下換熱站改造設計方案

在對地下換熱站進行噪聲測試分析的時候，應從以下兩個方面進行噪聲控制處理。(1) 從聲源處對噪聲進行控制：設計電動機隔聲罩；(2) 在傳播的過程中對噪聲進行控制：增加房間降噪措施。

3.1 電動機隔聲罩設計方案

從聲源處降低噪聲，對控制整個噪聲的影響是最有效、最積極的措施。為了使設備噪聲的聲壓級達到允許的噪聲標準要求，隔聲罩設計主要從吸聲、隔聲、消聲、隔振等幾個方面采取措施。隔聲罩在外觀上起裝飾作用，在聲學上有隔絕噪聲的效果。

本隔聲罩采用復合隔聲板與鉸鏈鎖扣的組合形式來隔絕電動機的噪聲；在隔聲罩與基座以及管道接觸處鋪設彈性材料以減小振動噪聲。隔聲罩設置進、出風口，保證了電動機正常運轉處于合適的工作溫度。電動機隔聲罩的構造設計圖如圖2所示。

圖2 電動機隔聲罩的構造設計圖Fig.2 The structural design drawing of soundproof cover of motor

3.1.1 復合降噪板設計

(1) 構造及材料選擇

經過測試發現地下換熱站噪聲值均高于標準要求的允許噪聲值，這時候應當選擇合理的降噪構造形式。由于電動機噪聲比較大，需要采取“質量-彈簧-質量”系統對噪聲進行多層次的隔絕。通過對聲音頻率的分析，對中、高頻的噪聲主要是采用良好的吸聲材料對噪聲進行吸收，而對中、低頻的噪聲主要是采用薄板共振進行降噪。因此選用了“薄板+吸聲材料+薄板”作為隔聲罩的構造形式。

在進行降噪材料的選擇時，經過對市場上常見的降噪材料的降噪量進行查找，發現薄板主要以金屬板為主。常用的金屬板有鍍鋅鐵板、鋁板等，吸聲材料有玻璃棉和巖棉等，但是考慮到換熱站常年潮濕和施工方便，因此降噪材料要具有防火、防水、防潮的性能且便于安裝施工。在經過對比后選擇了適合做隔聲罩的相應的聲學材料：鋁板和鍍鋅鐵板材質輕、耐高溫、耐腐蝕、防火、防潮、防振，吸收中低頻噪聲，且組裝簡便，可用于各類車間廠房、人防地下室等作為降噪材料[10]。水泥壓力板質量較大，對于隔絕空氣傳聲比鋁板效果好，但比較重不如鋁板安裝方便，而玻璃棉具有較好的防火、減振、吸收中高頻噪聲的特性。因此，隔聲罩的整體采用金屬鋁板、鋼板作為薄板，中間夾雜玻璃棉，即采用鋁板和玻璃棉形成整體構造。隔聲罩各層材料如圖3所示。

圖3 隔聲罩各層材料Fig.3 Materials of different layers of soundproof cover

(2) 隔聲吸聲復合構造

對所選擇的材料進行分層組合，根據隔聲量計算公式結合《建筑隔聲設計》中對各種材料隔聲量的實測表對比來對隔聲罩進行設計[9]。常用金屬板隔聲量如表3所示。

雖然鋼板的隔聲量隨著密度的增加會越來越大，但是其隔聲量的增長值沒有鋁板的增長值大，并且面密度越大重量也會越大，不利于施工。鋼板的耐腐蝕、防潮性能都不如鋁板。因此選用鋁板+鍍鋅薄鋼板+鋁板的構造形式，其中鍍鋅薄鋼板是為了在增加隔聲量的同時增加隔聲罩的整體牢固度。

表3 常用金屬板的隔聲指數Table 3 Sound insulation of commonly used metal plate

根據計算公式，可以得出隨著空氣層厚度的增加，附加隔聲量會越來越大，但是在實驗中發現在厚度為100 mm時，隔聲量與厚度的比值會達到一個峰值，之后隨著厚度的增加隔聲量的增加值越來越小，資料中也驗證了這一點[10]。因此，在進行設計時將隔聲罩的空氣層厚度定在 100 mm。為了使隔聲罩的隔聲量能進一步增加，在空氣層中增加了吸聲材料。這種做法是考慮到吸聲材料的流阻特性，能進一步提高隔聲量。常見的超細玻璃棉厚度為30、50 mm，考慮到經濟性選擇30 mm厚的超細玻璃棉，同時留出施工過程中出現誤差的空間。

在對隔聲罩進行隔聲計算時，分別對有、無填充吸聲材料進行了計算，發現填充吸聲材料時隔聲量明顯高于無填充吸聲材料時的隔聲量。對其數據進行了整理，結果如表4所示，達到了設計要求。

表4 雙層結構的隔聲量Table 4 Sound insulation of double-layer structure

根據罩的隔聲原理公式(1)和隔聲量計算公式(2)、(3)并結合查表，對隔聲罩的復合隔聲板進行了完整的設計。從外向內，首先外層鋪設鋁板，在鋁板內部鋪設 30 mm厚的超細玻璃棉，其次鋪設1 mm厚的鍍鋅鐵板，之后再鋪設30 mm的超細玻璃棉，最后用玻璃布在隔聲罩內部進行鋪設，組成復合隔聲板構件如圖3和圖4[11]所示。

3.1.2 進出風口消聲設計

圖4 隔聲罩構造圖Fig.4 The structural diagram of soundproof cover

設計進出風口是為了保證電動機的正常工作，但是這樣會破壞隔聲罩的密閉性，使隔聲罩的隔聲量降低，因此需要對進出風口進行一定的隔聲設計。在考慮進出風口的隔聲設計時，不能影響氣流的正常流通，因此對進出風口使用的消聲裝置進行處理，這樣不僅能起到降低噪聲的效果，同時也能夠最大化地保證氣流的正常流通。電機產生的噪聲頻率較高，故采用阻型消聲器。這類消聲器的特點是對中、高頻聲能有較高的衰減。由于進風口處孔洞比較密集，不能單獨設置消聲裝置，為了施工方便將進風口處整體采用超細玻璃棉穿孔，在噪聲向外界傳播的過程中吸收噪聲。為了保證熱量能夠均勻快速散出，因此出風口需要有序地分布在隔聲罩前半部分末端，同時對每個出風口進行單獨的消聲處理。即每一個出風口處向外伸出一小段距離的出風管，并在伸出的出風管上進行消聲處理。通過對進出風口進行消聲處理，使電動機向外界傳出的噪聲被最大化的吸收，進、出風口的消聲處理示意圖如圖5、6所示。

圖5 進風口消聲處理Fig.5 Muffling treatment at air inlet

圖6 出風口消聲處理Fig.6 Muffling treatment at air outlet

3.1.3 隔振設計

隔振設計的原則是降低隔振系統的固有頻率。從隔振原理可知，只有當擾力頻率大于系統固有頻率的2倍時，隔振系統才能起到隔振的作用。系統固有頻率越低，隔振效率越高。為了避免隔聲罩安裝后被電機帶動一起振動，應在隔聲罩與熱泵系統所接觸的部位安置相應的彈性墊層。一處是在隔聲罩與電機基座相接觸的部位安置彈性墊層，另一處是在與管道接觸處用優質的彈性橡膠材料進行密封處理。這種做法不僅能起到隔振作用，同時也能起到隔聲的效果，示意圖如圖7、8所示[13]。

圖7 基座接觸部位的彈性墊層Fig.7 Elastic cushion at base contact site

圖8 管道連接處的彈性橡膠Fig.8 Elastic rubber at pipe connections

3.2 改造后噪聲測試

在地下換熱站工程施工完成后進行了噪聲測試。測試過程中采用聲學頻譜分析儀等聲學測試設備，對同樣的點位進行了測試，測試結果如表5所示。

由表1和表5對比可知，電機隔聲罩之后地下換熱站的噪聲降低了3～6 dB。測試中能夠感覺到噪聲明顯減小。

表5 傳感器記錄聲壓級Table 5 Sound pressure levels recorded by sensors

本文通過對實測數據的分析，提出了針對電機降噪的聲學改造方案，并對方案進行了評估。從評估結果來看，這種電機隔聲罩至少能夠降低 3～6 dB的噪聲。測試中能夠明顯地感覺到地下換熱站的噪聲降低了。在測試中發現雖然噪聲滿足要求，但電動機運行過程中會產生大量的熱量，而密閉空間內熱量無法及時排出，會導致隔聲罩內部的溫度急劇上升，使電動機處于高溫工作狀態，長時間高溫工作環境會對電動機產生較大的影響。整體設計的隔聲罩并不便于工人日常的檢修。針對這兩個問題對電動機隔聲罩方案進行改進。電動機及改造前安裝隔聲罩的電動機如圖9、10所示。

圖9 電動機Fig.9 Motor

圖10 改造前安裝隔聲罩的電動機Fig.10 Motor with soundproof cover before transformation

3.3 電動機隔聲罩設計方案改進

3.3.1 通風散熱設計

在電動機的進風口處增設了 20個直徑為10 mm的進風口，在保證電動機所需進風量的同時減少進風口對噪聲的傳播。出風口位于電動機兩廂的交接處，采用直徑為 10 mm的出風管道有序地安置在隔聲罩的側后方，通過風壓能夠將熱風及時排出。馬達位于電動機前半部分，馬達工作時高速運轉產生的熱量需快速進行散熱處理，但是隔聲罩將電動機封閉在一個密閉空間中，散熱需要一定的時間，因此隔聲罩與電動機前半部分之間要保持100 mm的距離，給電動機留出足夠的散熱空間。而電動機后半部分不產生熱量，因此不需要考慮散熱空間。在隔聲罩改進設計中，在出風口的位置將隔聲罩分為前后兩個部分，第一部分為電動機的進風口至出風口的位置，第二部分則是從電動機的出風口至末端與管道連接處。這種設計不僅能夠增大電動機工作時所需要的散熱空間，同時還能夠設置出風口，使熱量能夠有序且快速地排出。在設置進、出風口后的測試中發現，電動機的工作溫度保持在正常工作允許的溫度范圍內。進、出風口的位置如圖11、12所示。

圖11 進風口位置Fig.11 Air inlet position

圖12 出風口位置Fig.12 Air outlet position

3.3.2 便捷檢修與安裝設計

為了減少現場施工，隔聲罩的尺寸可以提前在工廠預制好，并按順序在每塊板子上標記，然后再用鉸鏈鎖扣安裝在每塊隔聲板的四周，運抵施工現場后再按照順序依次固定鎖扣，將其連為一個整體組裝成為隔聲罩。在電動機檢修口安置一塊可開啟的單獨吸聲板材，方便工作人員每日的例行檢查。

3.4 房間內部降噪

在對電動機隔聲罩改進完成后，對上層使用空間內部的噪聲值進行測試，測試結果顯示房間噪聲級仍較高，為 46 dB。根據《民用建筑隔聲設計規范》臥室、起居室(廳)內的允許噪聲級的規定(如表6所示)，未達到要求。

根據規范中的規定，進一步降低對地下換熱站內部噪聲，降噪方案從以下幾個方面進行考慮：

(1) 圍護結構頂棚及墻面處理：頂棚和墻面均可以鋪設鋁穿孔板和多孔吸聲材料。加強門的密閉措施，或更換為隔聲門。

表6 臥室、起居室(廳)內的允許噪聲級Table 6 Permissible noise levels in bedroom and living room (hall)

(2) 通風口的消聲處理：由于地下換熱站機器運轉產生的溫度較高，根據熱壓作用，設置通風口,但是噪聲也會沿著通風口傳到外界，因此需要對通風口處做消聲處理。在設計中，考慮到地下換熱站內溫度、濕度較高，因此在通風口處應采用防火、防水、防潮、強度高的吸聲材料做成百葉，并在內表面處粘貼玻璃棉進行吸聲處理，在保證正常通風的同時吸收噪聲。

(3) 對地下換熱站內部的管道用吸聲材料進行包裹，減少因電動機的振動帶動管道振動產生的噪聲。

在對地下換熱站進行內部降噪處理后，根據式(4)中的穩態聲壓級公式計算并測得上層使用空間的內部的噪聲值為40.5 dB，滿足《民用建筑隔聲設計規范》中的要求。經過對方案的不斷改進和整合，最終形成了完整的針對地下換熱站降噪的設計方案。

4 結 語

本文通過對既有居住建筑附屬用房地下換熱站室內噪聲實測數據進行分析，提出了對該房間改造的可行性方案，并對方案進行了測試評估。測試結果表明，降噪效果完全達到了改造的預期值。

通過對比研究發現，對居住區附屬用房的降噪設計過程中，首先要找出主要的噪聲源并分析其頻譜，制定合理的降噪設計方案。如果滿足標準要求則按照設計方案實施，如果未滿足標準要求則需要根據噪聲的傳播途徑進行進一步的降噪方案的深化設計。這種方法不僅能夠有效地降低噪聲產生的影響，同時還能最大化地節約改造成本，符合既有建筑改造的要求。

對地下換熱站降噪改造設計，應在綜合考慮居民和工作人員健康、舒適的基礎上，提出合理的綜合降噪處理技術。保證改造后居住空間噪聲明顯降低，聲環境指標達到標準要求，減少附屬用房產生的噪聲對居民生活的影響，有效地改善居住建筑的聲環境。本文提出的方案為制定民用建筑附屬用房聲學設計標準提供了技術支撐。