冷卻塔機房噪聲測量及物理封堵降噪效果評估★

郭彥玲，田沛靈，唐川宇，聶志琪，廖云丹，3

(1.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510000；3.廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510006)

1 概述

噪聲是聲源進行無規(guī)則震動發(fā)出的聲音，會對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不良影響。人長期暴露在85 dB(A)的噪聲環(huán)境下可以造成輕微的聽力損失[1]。建筑設(shè)備的噪聲治理在大型公共建筑中是一個重點關(guān)注問題。在大型公共建筑中，冷卻塔是營造室內(nèi)環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)必不可少的組成部分，一般置于建筑的裙樓樓頂或屋頂，近些年也有置于地下室的下沉式設(shè)計。冷卻塔的運行不但會形成噪聲，而且會引起周圍設(shè)備或建筑構(gòu)件的共振。王少云認為，冷卻塔設(shè)備是制冷系統(tǒng)中噪聲和振動的主要貢獻者[2]。當(dāng)冷卻塔、熱泵機組的噪聲在周圍環(huán)境超過現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定時，應(yīng)對冷卻塔、熱泵機組采取有效的降低或隔離噪聲措施。

目前，冷卻塔機組的噪聲控制的主要思路是對冷卻塔機組的設(shè)計進行改良或?qū)υ肼晜鞑ヂ窂竭M行阻擋。如趙傳輝的《陣列式消聲器對自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔性能的影響》提出使用陣列式消聲器對冷卻塔的外部結(jié)構(gòu)進行改良，以阻斷噪聲的傳播路徑，分析了該方法對冷卻塔性能的影響[3]。舒永先的《火電廠冷卻塔噪聲原因分析及降噪改造》提出在冷卻塔內(nèi)部加裝降噪網(wǎng)，以降低淋水噪聲[4]。

對冷卻塔噪聲的治理必須考慮到冷卻塔噪聲具有的“寬頻帶、多來源”的特點。在設(shè)計降噪方案時，必須對冷卻塔機組進行個案分析，確認其最主要的噪聲源。為了找出其最主要的噪聲源，需要對冷卻塔噪聲進行分頻率的測量與分析，而后才能出具符合需求的降噪方案。得出降噪方案后，在評估降噪效果時，也需要注意每個頻率的降噪效果。

本文以深圳某高新科技公司在建總部大樓為例。首先對其噪聲分頻率進行測量，并分析冷卻塔機組的主要噪聲來源。而后進行降噪改造，對冷卻塔機組周邊進行物理封堵，并對進、出風(fēng)口加裝消聲器的效果，根據(jù)各噪聲頻率的聲壓級降低幅度評估降噪效果。

2 冷卻塔機組原理及案例分析

2.1 冷卻塔機組工作原理

冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用排除工業(yè)過程或制冷空調(diào)中所產(chǎn)生廢熱的一種機械設(shè)備。基本原理是：干燥(低焓值)的空氣經(jīng)過風(fēng)機的抽動后，自進風(fēng)網(wǎng)處進入冷卻塔內(nèi)；飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力較低的空氣側(cè)流動，濕熱(高焓值)的水由播水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)水滴和空氣接觸時，一方面是由空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸氣表面和空氣之間存在壓力差，在壓差作用下產(chǎn)生傳質(zhì)現(xiàn)象，利用潛熱換熱，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，進而達到降溫目的。

經(jīng)過換熱設(shè)備后的高溫回水被送到冷卻塔頂部的布水系統(tǒng)，由噴嘴噴淋至填料；同時，空氣由冷卻塔底部的進風(fēng)口進入，逆水流方向通過填料。在空氣-水換熱的過程中，部分水被蒸發(fā)帶走熱量，降低冷卻塔出水溫度。熱濕空氣由頂部的通風(fēng)機排至周圍環(huán)境，被冷卻的水則滴落水盤后重新回到冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中。

冷卻塔機房的主要噪聲來源有：1)風(fēng)機進排氣噪聲；2)淋水噪聲；3)風(fēng)機減速器和電動機噪聲；4)冷卻塔水泵、配管和閥門噪聲[5]。對噪聲進行測量時，主要關(guān)注的三個特性是：波長、頻率與聲速[6]。頻率在20 Hz～500 Hz之間的聲音是低頻噪聲，在2 000 Hz～20 000 Hz之間的是高頻噪聲。落水噪聲與風(fēng)機噪聲的頻率都很寬，其中，風(fēng)機噪聲主要以中低頻噪聲為主[7]。

2.2 案例實際情況

案例項目大樓屬雙塔式結(jié)構(gòu)，冷卻塔機房處于兩幢大樓的3層～5層位置，如圖1所示。在冷卻塔機組運行過程中，存在較大噪聲，相關(guān)人員在噪聲敏感點A檢測到了超過87 dB(A)的噪聲。超過了設(shè)計要求中指定環(huán)境下噪聲強度上限要求的日間65 dB(A)、夜間55 dB(A)。考慮到冷卻塔機房鄰近研發(fā)部門的辦公室，有必要對超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的噪聲進行處理。項目中的冷卻塔采用離心式通風(fēng)機，屬強風(fēng)逆流式濕式冷卻塔。該型號冷卻塔的額定設(shè)計工況見表1。

表1 冷卻塔額定設(shè)計工況

冷卻塔機組排布方式為每幢大樓3臺，分別置于兩幢大樓三樓通風(fēng)側(cè)面，距地面高度13.5 m。冷卻塔布置的位置屬于該建筑的3層～4層，通過風(fēng)管將出風(fēng)引到第5層，再由第6層的西面排出，出風(fēng)口處做消聲處理。為了保證冷卻塔的出風(fēng)不回流，錯開了進出風(fēng)口的位置，未將其布置在同一層樓：如果在同一層設(shè)置進出風(fēng)口，可能導(dǎo)致風(fēng)量增加，以致冷卻塔的進風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)管阻力均增大。因此為了保證冷卻塔的性能和回風(fēng)，進出風(fēng)口采用兩層錯開的布置方式。在噪聲處理方面，該型號冷卻塔屬于帶離心式通風(fēng)機的低噪型冷卻塔機組，進行型號再升級的經(jīng)濟性和可行性不高，對冷卻塔機房進行降噪處理是經(jīng)濟合理的選擇。

3 噪聲測試與分析

3.1 噪聲敏感點的選取

為分析出機房噪聲對其臨近的辦公室所造成的噪聲影響，首先選取噪聲敏感點。選取距離冷卻塔機房百葉口外3 m處的兩塊區(qū)域為最不利噪聲敏感點，將其作為分析基準(zhǔn)點。在本案例中，噪聲敏感點設(shè)計在冷卻塔機房外，同時，噪聲敏感點距任意反射面至少0.5 m以上，距地面1.2 m，距外窗1 m以上，如圖2所示。

考慮到兩幢大樓在3層、6層處均有與冷卻塔機房相鄰的辦公室等人員活動區(qū)域，因此，選取4個最不利噪聲敏感點(NSR)：即3層A處的最不利噪聲敏感點(NSRA3F)，3層B處的最不利噪聲敏感點(NSRB3F)，6層A處 的最不利噪聲敏感點(NSRA6F)，6層B處的最不利噪聲敏感點(NSRB6F)。A處與B處與冷卻塔機房的相對位置如圖2所示。

3.2 噪聲測量分析

測量噪聲時，冷卻塔機組需處于正常工作狀態(tài)。且環(huán)境的A聲級噪聲需比冷卻塔正常工作時的A聲級噪聲低10 dB(A)[8]。噪聲測量分為晝間與夜間兩個時段，分別在14:00與20:00進行。每次均對各測點進行20 s的連續(xù)測量，測量3次，結(jié)果取平均值。而后對測量結(jié)果進行合并計算得出某一噪聲敏感點NSR的合并聲壓級值。測點高度距地面1.2 m。測量儀器為某品牌聲級計LA-1440，量程為26 dB～130 dB。

測量過程中分別對三個噪聲源進行了噪聲測量：機殼漏聲、T1-3進風(fēng)口噪聲與T1-3出風(fēng)口噪聲。由于聲壓級無法直接進行合并計算，對聲壓級與聲壓進行了如下轉(zhuǎn)化計算：

Lp=20lg(P/P0)

(1)

其中,Lp為聲壓級，dB;P為聲壓,Pa；P0為基準(zhǔn)聲壓，在空氣中一般取P0=2×10-5Pa。

算出聲壓后，通過式(2)算其疊加聲壓：

(2)

最后再利用式(1)進行合并聲壓級計算。

由此，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，可以計算出各噪聲敏感點NSR的合并計算聲壓級，如表2所示。

表2 各噪聲敏感點NSR的合并計算聲壓級

將各個敏感點的合并聲壓級與《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]的最不利噪聲敏感點標(biāo)準(zhǔn)聲壓級進行比較。從表3可以看出，降噪前的噪聲聲壓級均超出2類標(biāo)準(zhǔn)18 dB以上。需要對冷卻塔機組采取消聲措施。

如表3所示，四個噪聲敏感點NSR實際所受的噪聲值均超過概述中提到的標(biāo)準(zhǔn)值。如表3冷卻塔的噪聲分為低頻噪聲和高頻噪聲，這兩類噪聲會對辦公環(huán)境產(chǎn)生合并影響，因此，在噪聲測量和計算的過程中，需要對各頻率的噪聲分別測量。圖3～圖5分別展示了T1-3進風(fēng)口、T1-3出風(fēng)口與機殼漏聲分別對四個噪聲敏感點產(chǎn)生的影響。橫軸為從63 Hz～8 000 Hz的8個倍頻帶中心頻率，縱軸為噪聲的聲壓級，合并聲壓級在折線末尾用加粗?jǐn)?shù)字標(biāo)出。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聲壓級限值55 dB也在折線圖中標(biāo)出。

表3 NSR所受噪聲與噪聲標(biāo)準(zhǔn)比較

從圖3～圖5中，我們可以看出，進風(fēng)口在每一個噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級都超過了標(biāo)準(zhǔn)限值。而出風(fēng)口在6層A，B兩處噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級超過了標(biāo)準(zhǔn)限值，機殼漏聲在3層A，B兩處噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級超過了標(biāo)準(zhǔn)限值。

3.3 噪聲源分析及降噪措施

在本案例中，噪聲源主要是風(fēng)機運行進排氣噪聲和淋水噪聲。風(fēng)機通過進排氣口和塔體向外輻射噪聲。排氣口噪聲頻譜特性為低頻為主的連續(xù)譜，屬低頻噪聲。是冷卻塔噪聲的一個主要噪聲源。循環(huán)熱水從淋水裝置落下時，與塔底接水盤中的積水撞擊產(chǎn)生的淋水聲屬高頻噪聲，淋水聲的大小與淋水高度和單位時間的水流量有關(guān)，高頻聲會從進風(fēng)口傳出，是冷卻塔噪聲的另一個主要噪聲源。冷卻塔的噪聲源表現(xiàn)出明顯的寬頻帶噪聲特性,因此單一的隔聲或吸聲無法得到良好的降噪效果[10-11]。設(shè)計冷卻塔降噪方案時，應(yīng)該考慮吸聲與隔聲措施綜合運用。

針對噪聲源分析及噪聲數(shù)據(jù)評估，為降低冷卻塔噪聲對敏感區(qū)造成的噪聲干擾，需要對冷卻塔機房進行降噪處理。考慮到冷卻塔機組需要良好的通風(fēng)性和散熱性,不對其進行封閉隔聲[12]。因此，采取的降噪措施是對機房的進出風(fēng)口進行消聲，并對已有的墻體進行隔聲處理，即：在冷卻塔設(shè)備的出風(fēng)口處加裝SNAPAcoustics出風(fēng)消聲器；在冷卻塔機房的兩個進風(fēng)面處加裝SNAPAcoustics進風(fēng)消聲器。同時選擇在第四層與第五層的桁架之間的位置用S100隔聲板進行封堵；在第五層與第六層的墻體中加裝吸聲襯里處理，降低出風(fēng)區(qū)域的混響，見圖6。

本改造案例中采用的出風(fēng)消聲器外殼為不小于1.0 mm厚的鍍鋅鐵板制造，填充吸聲棉為惰性，其密度不低于40 kg/m3，能夠滿足設(shè)備所需消音性能。隔聲罩采用100 mm厚度的隔聲板進行構(gòu)建，吸聲物料為密度80 kg/m3的巖棉。隔聲墻采用1.0 mm厚的鍍鋅鋼龍骨，龍骨框架內(nèi)填充90 mm厚的巖棉板(密度60 kg/m3)。消聲器在不影響使用的條件下采取適當(dāng)?shù)姆烙炅苎b置,以延長消聲器的使用壽命[13]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 354[14]，隔聲板與吸聲棉的吸聲系數(shù)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)(見表4)。

表4 國際標(biāo)準(zhǔn)隔聲罩與吸聲棉吸聲系數(shù)

經(jīng)過降噪處理措施后，預(yù)期噪聲值如表5所示。

表5 降噪處理后的預(yù)期噪聲值

對于每個噪聲敏感點所受不同倍頻帶中心頻率的噪聲的降噪效果，如圖7所示。可見，上述降噪措施雖然在聲頻較低時效果不明顯，降噪效果最顯著的噪聲敏感點(如NSRB-6F)，聲壓級也僅降低了10%左右，對于NSRB-3F等噪聲敏感點，聲壓級減少未超過5%。隨著倍頻帶中心頻率的增加，降噪前的聲壓級也逐漸增加，最高超過70 dB。在經(jīng)過降噪處理后，當(dāng)噪聲的倍頻帶中心頻率值處于500 Hz～2 000 Hz之間時，可以取得非常顯著的降噪效果。如NSRA-3點位的噪聲敏感點在倍頻帶中心頻率為100 Hz時，聲壓級降幅超過50%。而且，在經(jīng)過降噪處理前，除倍頻帶中心頻率為63 Hz的聲壓級為50 dB左右外，各噪聲敏感點合并聲壓級均超過《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求的55 dB。但在經(jīng)過處理后，各噪聲敏感點在各倍頻帶中心頻率的合并聲壓級均低于50 dB，降噪效果十分顯著。

4 結(jié)語

在日常的生產(chǎn)生活中，冷卻塔機組是空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，普遍存在噪聲過大的問題。本論文采用分頻率測量的方式，得出進風(fēng)口在每一個噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級都超過了標(biāo)準(zhǔn)限值。而出風(fēng)口在6層A，B兩處噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級超過了標(biāo)準(zhǔn)限值，機殼漏聲在3層A，B兩處噪聲敏感點造成的噪聲聲壓級超過了標(biāo)準(zhǔn)限值。經(jīng)分析，本案例中噪聲的主要來源是風(fēng)機運行進排氣噪聲和淋水噪聲。

根據(jù)噪聲的來源特征和噪聲產(chǎn)生因素，提出了物理封堵的處理方法阻斷冷卻塔噪聲的傳播路徑，并根據(jù)計算，得出降噪處理后各噪聲敏感點噪聲強度均降低到符合《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2類標(biāo)準(zhǔn)。本論文說明，對于冷卻塔機組的噪聲處理應(yīng)針對冷卻塔機組的噪聲特性出具個性化的降噪方案，才能取得良好的降噪效果。