Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения

В. П. Гусев, доктор техн. наук, зав. лабораторией защиты от шума вентиляционного и инженерно-технологического оборудования (НИИСФ)

Выбор средств и методов снижения различных составляющих вентиляционного шума в зданиях и на территориях городской застройки осуществляется на основе акустических расчетов [1], обязательность выполнения которых для всех объектов устанавливает основополагающий нормативный документ [2].

Представленный материал предназначен для упрощения задачи такого выбора для проектировщиков и включает анализ акустических характеристик разных типов глушителей в зависимости от их конструктивных параметров, оценку возможностей звукопоглощения в технических помещениях, способы виброизоляции оборудования и изоляции воздушного шума, экранирования и защиты жилой застройки от шума элементов систем холодоснабжения.

Снижение шума в воздушных каналах

Для снижения шума, распространяющегося по воздуховодам от вентилятора, а также от фасонных элементов и путевой арматуры, предназначены шумоглушители. Их применяют в тех случаях, когда рациональным выбором параметров вентиляционной системы, ее соответствующей компоновкой, использованием малошумного вентилятора нельзя добиться уровня звукового давления, допустимого для данного помещения, зоны, объекта [3].

Выбор конструкции глушителя зависит от спектра требуемого снижения шума, от размеров воздуховода и допустимой скорости воздушного потока в нем, от имеющегося запаса по давлению в сети, от располагаемого места для его установки.

Поскольку указанные источники излучают аэродинамический (воздушный) шум с широкополосным спектром, для его снижения наиболее пригодны активные глушители (со звукопоглощающим материалом), обеспечивающие удовлетворительную эффективность также в широком диапазоне частот. Преимущественно используются трубчатые, пластинчатые, канальные глушители, реже цилиндрические, камерные, экранные и облицованные изнутри воздуховоды (на поворотах). Растет спрос на гибкие воздуховоды, обладающие акустическими свойствами (рис. 1).

Рисунок 1. (подробнее) Схемы различных типов глушителей

Трубчатый глушитель круглого или прямоугольного сечения конструктивно наиболее прост и представляет собой трубу с поглощающими звук стенками (рис. 1а). Прозрачное для звука покрытие (перфорированный металлический лист и стеклоткани, пленки) служит для сохранения формы воздушного канала, защиты от механических повреждений и предотвращения от выдувания потоком звукопоглощающего материала (ЗПМ).

Затухание в трубчатом глушителе пропорционально длине активной части (числу его калибров), периметру проходного сечения и коэффициенту звукопоглощения, зависящему от физико-механических свойств и толщины слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ). При увеличении слоя ЗПМ эффективность трубчатого глушителя возрастает на низких частотах (наиболее важный с точки зрения шумоглушения диапазон). Поэтому для обеспечения требуемого снижения шума бывает достаточно вместо глушителя длиной 1 м с толщиной слоя ЗПМ 50 мм установить глушитель длиной 0,5 м с толщиной слоя ЗПМ 100 мм.

К разновидностям трубчатых глушителей, пожалуй, можно отнести разнообразные гибкие (каркасные и бескаркасные) круглые воздуховоды (рис. 1и). Они в настоящее время изготавливаются отечественными фирмами и используются в вентиляционных системах, прежде всего, для плавного подвода воздуха к рас-пределительным устройствам.

Результаты испытаний, приведенные в работе [4], показывают, что разнообразные каркасные воздуховоды со звукопоглощением, например, при длине 1 м и внутреннем диаметре 200 мм на низких частотах имеют невысокую акустическую эффективность (3–7 дБ), однако она существенно увеличивается с ростом частоты и достигает максимума (20–25 дБ) на частотах 500–2000 Гц. Акустическая эффективность бескаркасного воздуховода (из пенофола) выше, чем у каркасного без звукопоглощающего слоя, но значительно ниже, чем у каркасного со звукопоглощением. Особого внимания заслуживают гибкие воздуховоды, изготавливаемые фирмой «ЭйрОптим» (из других материалов), поскольку характер снижения в них уровня шума существенно отличается. Они весьма эффективны не только на высоких, но и на низких частотах. Акустическая эффективность такого воздуховода длиной 1 м на частоте 63 Гц составляет 10 дБ и повышается на частоте 250 Гц до 23 дБ. С увеличением длины она значительно возрастает (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Акустическая эффективность гибких воздуховодов в зависимости от длины активной части

Для увеличения затухания в воздуховодах больших размеров прибегают к равномерному распределению ЗПМ по сечению. Этот принцип использован в пластинчатом глушителе (рис. 1б). Толщина пластин 2d и расстояние между ними 2d_o часто сохраняются по всему сечению канала. Исключение составляет расстояние между крайней пластиной и корпусом глушителя, равное d_o. При схеме с крайними пластинами, установленными вплотную к стенкам корпуса, их толщина должна быть равной d_o половине толщины других пластин.

Рисунок 3. (подробнее) Влияние расстояния между пластинами на величину снижения уровней шума глушителем ЗПК глушителя

Степень затухания в пластинчатом глушителе при фиксированной длине зависит от расстояния между пластинами, от толщины пластин и от его звукопоглощающей конструкции (ЗПК) [5]. С уменьшением расстояния между пластинами 2d_o эффективность глушителя возрастает (рис. 3), но соответственно возрастает и его гидравлическое сопротивление и шумообразование в нем. Если расстояние между пластинами остается неизменным, а толщина пластин увеличивается 2d (при f_св = const), область максимального затухания смещается в сторону более низких частот (рис. 4).

Рисунок 4. (подробнее) Эффективность пластинчатого глушителя в зависимости от толщины пластины ЗПК глушителя

Характерно, что эффективность пластинчатого глушителя не зависит от количества пластин (каналов для воздуха), а также от высоты пластин и от схемы компоновки глушителя.

Сотовый глушитель по своим акустическим качествам не уступает пластинчатому практически во всем диапазоне измеряемых частот, а на самых низких и высоких частотах он даже несколько эффективнее. Недостатком сотовых глушителей является весьма высокое гидравлическое сопротивление и большие габариты, что часто является препятствием для их использования.

Вариантом пластинчатого глушителя с одной крайней пластиной толщиной, равной половине поперечного размера канала, является так называемый канальный глушитель (рис. 1ж). Такие глушители устанавливают в основном в прямоугольных воздуховодах (каналах). При установке в узких каналах их эффективность сравнима с эффективностью соответствующих пластинчатых глушителей, но с увеличением поперечных размеров канала она быстро уменьшается (рис. 5).

Рисунок 5. (подробнее) Эффективность канальных глушителей в зависимости от поперечных размеров канала

У комбинированных (из трубчатых и цилиндрических) глушителей (рис. 1е) эффективность выше, чем у составных элементов. Вместе с тем, они имеют более высокое гидравлическое сопротивление и более дорогие, а это часто исключает возможность их применения.

Эффективность всех рассмотренных выше глушителей возрастает по мере увеличения их длины. Увеличивая длину, можно обеспечить заданное снижение шума. Однако длина глушителя более 3 м нецелесообразна из-за неизбежных косвенных путей распространения шума. В тех редких случаях, когда требуется длина более 3 м, следует делить глушитель на две-три части. Длина воздуховодов между этими частями должна составлять 800–1000 мм.

Одним из простейших типов реактивных глушителей являются расширительные камеры (рис. 1г). Камерные глушители с внутренней звукопоглощающей облицовкой применяются в тех системах, где не требуется ограничение по гидравлическим потерям. Коэффициент местного сопротивления таких глушителей составляет 1,5–2,0. При установке камерного глушителя его акустическая эффективность может уменьшиться из-за резонансных явлений в воздуховодах.

Применение экранных глушителей ограничивается неизбежностью их установки в обслуживаемом помещении (на некотором расстоянии от конца воздуховода) и относительно низкой эффективностью.

Так, круглый экранный глушитель диаметром d_Э = 360 мм и толщиной облицовки 100 мм, установленный у воздуховода диаметром 180 мм, эффективен на частотах, где выполняется условие d_Э/l≥ 1, а в области низких частот, где d_Э/l < 0,2, его эффективность минимальна. Она возрастает (во всем диапазоне частот) с уменьшением расстояния между экраном и отверстием воздуховода (это сопровождается ростом сопротивления и шумообразованием). При расстоянии, равном 0,5 d_Э, снижение уровня шума ниже 10–11 дБ, а при расстоянии, равном 0,1 d_Э, оно достигает 15–16 дБ.

Применение звукопоглощающей облицовки экрана приводит к повышению эффективности в области частот т ≥ c_n / 4d (c_n – скорость звука в поглотителе, м/с; d – толщина облицовки, м). Важнейшие свойства глушителей – простота и прочность конструкции, удобство монтажа, долговечность, низкая стоимость, а также минимальное обслуживание и безопасность в процессе эксплуатации.

Наши испытания показывают, что многие отечественные фирмы стремятся к их достижению. Некоторые из них даже переусердствовали.

Например, одна российская компания на пути к упрощению конструкции трубчатых глушителей отказалась от применения стеклоткани в трубчатых глушителях, повысив опасность их использования. Отсутствие стеклоткани, даже при диаметре отверстий в перфорированном листе менее 3 мм, приводит к тому, что тонкие (в несколько микрон) и хрупкие волокна ЗПМ проникают в воздушный поток и в обслуживаемые вентиляционными системами помещения, создавая недопустимые с точки зрения гигиенических норм условия, в которых подвергается опасности здоровье человека. Кроме того, вероятно, фирма не проводила необходимые акустические испытания выпускаемых в настоящее время глушителей, т. к. в каталоге выпускаемой ей продукции существует ссылка, что приведенные «расчетные характеристики снижения шума приняты на основе экспериментальных данных НИИСФ». К сожалению, этим данным уже более двух десятков лет. За прошедшее время не могли не измениться используемые ЗПМ, их характеристики и технические условия изготовления глушителей, соответственно, изменились их акустические характеристики.

Виброизоляция

Работающее вентиляционное оборудование возбуждает вибрацию соединенных с ним конструкций. Вибрация оказывает двоякое неблагоприятное влияние на человека: вследствие непосредственного контактного воздействия и шума, излучаемого в помещения колеблющимися ограждающими конструкциями в звуковом диапазоне частот (структурного шума). Структурный шум распространяется по строительным конструкциям здания на большие расстояния от места установки источника вибрации.

Для снижения структурного шума, создаваемого в результате виброколебаний вентиляторов, используются виброизоляторы. Они рассчитываются для каждого агрегата и работают в достаточно узком диапазоне частот.

Наиболее важная характеристика виброизолируемого вентилятора – частота его собственных колебаний, определяемая суммой динамических жесткостей виброизоляторов и суммой масс вентилятора и железобетонной плиты. Только на частотах, значительно превышающих частоту собственных колебаний, виброизоляторы снижают колебания фундамента.

Эффективность виброизоляции, в общем, зависит от типа используемых виброизоляторов, от допустимой нагрузки на них и их жесткости, от их рабочей высоты и количества, и др.

Требуемая эффективность виброизоляции вентиляционного оборудования в жилых домах, в общественных зданиях категории А, в гостиницах, больницах, домах отдыха, библиотеках составляет 23–32 дБ [6].

При расположении в венткамере нескольких вентиляторов разных размеров и с разной частотой вращения рабочих колес часто, например в жилых и общественных зданиях, штатные виброизоляторы не обеспечивают требуемую защиту от структурного шума. В таких случаях в венткамерах следует дополнительно предусматривать полы на упругом основании («плавающие полы»). Их эффективность может быть ниже, чем у виброизоляторов (в рассчитываемой полосе частот), но демпфирующая способность таких полов проявляется в широком диапазоне частот. Эффективность «плавающего пола» зависит от динамической жесткости упругого основания (вибродемпфирующей прокладки) и поверхностной плотности плиты пола. Он эффективно изолирует, если основание выполнено из слоя материала с малой плотностью и низким динамическим модулем упругости.

Звукоизоляция

Возможности планировочных решений в зданиях для снижения шума вентиляционного оборудования в защищаемых помещениях ограничены. Поэтому, как правило, требуются акустические мероприятия. Одним из таких мероприятий является установка на заводах-изготовителях кожухов на приточные, некоторые вытяжные установки и кондиционеры. Как правило, это два металлических листа с ЗПМ между ними.

Акустическая эффективность таких кожухов составляет 10–15 дБ на низких и 30–40 дБ – на высоких частотах. Она может быть несколько повышена посредством внутренней звукопоглощающей облицовки.

Однако в жилых и в общественных зданиях, где допустимые уровни вентиляционного шума низкие, такая мера оказывается недостаточной.

Основная защита от воздушного шума, создаваемого вентоборудованием, осуществляется надлежащим выбором звукоизоляции ограждающих конструкций помещения (венткамеры), где оно установлено. Ограждения могут существенно различаться в зависимости от расположения вентиляционных камер в здании, от конструкции и типа здания, от назначения смежных помещений. Например, стены могут быть как из легких (слоистых) конструкций толщиной 100–120 мм, так и железобетонные, толщиной 120–200 мм, или кирпичные, толщиной в 1/2 кирпича или в 1 кирпич, а перекрытия – типовые железобетонные толщиной 140–300 мм.

Для выбора оптимальных конструкций ограждений, с точки зрения акустики и материальных затрат, определяется требуемая изоляция воздушного шума [2, 6, 7].

Звукопоглощение

Наличие отражений звуковых волн от поверхностей замкнутого пространства (помещения) и находящихся в нем предметов обычно увеличивает интенсивность звука по сравнению с уровнями, создаваемыми тем же источником звука, излучающим в свободное (открытое) пространство.

В отличие от условий в архитектурной акустике, с позиций защиты от шума всякое увеличение уровня звука в помещении является нежелательным. Для устранения отраженной части звукового поля применяют различные ЗПМ и конструкции на их основе.

Акустические свойства материалов существенно зависят от их структурных параметров, которые определяют область применения этих материалов. Так, если требуется снижение шума в области низких частот, то целесообразно использовать облицовки, выполненные из ультра- или супертонких волокнистых материалов плотностью 15–20 кг/м³.

Для снижения широкополосного шума в диапазоне средних и высоких частот следует выбирать материалы с более крупными волокнами плотностью 20–30 кг/м³ и более [8].

Рисунок 6. (подробнее) Эффективность звукопоглощающей облицовки в зависимости от площади обработанной поверхности

Акустические возможности звукопоглощающей облицовки поверхностей помещений иллюстрирует рис. 6. На нем приведен эффект от такой облицовки с толщиной ЗПМ 80 мм и с защитным слоем из стеклоткани и перфорированного металлического листа для помещений венткамер средних размеров с постоянной помещения B = 100 м², в зависимости от обрабатываемой площади ограждений (S), выражающийся снижением уровня шума в помещении. Как видно на рис. 6, акустическая обработка 40 % свободной площади технического помещения (распространенный вариант) обеспечивает снижение уровня шума только на 5–7 дБ и только в диапазоне средних и высоких частот. На низких частотах эффективность таких облицовок близка к нулю; требуются специальные конструкции, разрабатываемые на основе расчетов. Поэтому акустическая обработка венткамер целесообразна как дополнительная мера и в тех случаях, когда требуемое снижение шума невелико и имеется высокооборотное оборудование, т. е. преимущественно высокочастотный повышенный шум.

Экранирование

При кондиционировании воздуха в зданиях применяются системы холодоснабжения, включающие холодильные машины и различные охладители, которые устанавливаются снаружи зданий (часто на кровле). Они работают как в дневное, так и в ночное время суток и излучают повышенный шум в окружающее пространство – в прилегающую городскую застройку. В результате воздействию этого вредного физического фактора подвергается в первую очередь жилая застройка.

Требуемое снижение шума на территории жилой застройки (и в жилье), в зависимости от типа элементов систем холодоснабжения и ситуации, составляет 7–18 дБ(А), а в октавных полосах частот достигает 10–20 дБ.

Источниками шума агрегатов являются осевые вентиляторы (от 2 до 24 шт.) с диаметрами рабочих колес от 500 до 900 мм, расположенные в верхней части агрегатов. Забор воздуха осуществляется через фильтры и устройства теплообмена сбоку или снизу, а свободный выброс – преимущественно вверх. У холодильных машин (у моноблоков) дополнительными источниками повышенного шума являются компрессоры, расположенные в их нижней части.

В связи с конструктивными особенностями агрегатов перечень эффективных средств защиты от их шума, пригодных для практического использования, весьма ограничен. В частности, на входе или выходе низконапорных осевых вентиляторов нельзя устанавливать глушители. Они неизбежно и недопустимо увеличат гидравлическое сопротивление в коротких сетях.

Многолетний опыт показал, что единственный способ защиты от шумового воздействия названных элементов систем холодоснабжения – экранирование. Один или несколько агрегатов выгораживается с двух, трех, или с четырех сторон акустическими экранами (экранами со звукопоглощающей облицовкой со стороны источника шума).

Звукопоглощающая облицовка с защитным слоем предназначена для устранения возможного увеличения звуковой мощности источника, связанного с отражениями звука в выгородке, образованной экранами.

Элементы экранов могут располагаться вертикально и под определенным наклоном к горизонтальной (вертикальной) плоскости. Угол наклона зависит от взаимного расположения источника шума и точки наблюдения.

Основные параметры экрана (высота, форма, толщина звукопоглощающей облицовки), при которых обеспечивается заданная акустическая эффективность при фиксированном расстоянии до источника шума, определяются расчетным путем [2, 8].

Литература

1. Гусев В. П. Акустический расчет как основа для проектирования малошумной системы вентиляции (кондиционирования) // АВОК. 2004. № 6.

2. СНиП II-12-77 (23-03-2003). Защита от шума. 1978 (2004).

3. Гусев В. П. Акустические требования и правила проектирования малошумных систем // АВОК. 2004. № 4.

4. Гусев В. П., Лешко М. Ю. Акустические и аэродинамические характеристики гибких воздуховодов // АВОК. 2004. № 1.

5. Гусев В. П. Акустические характеристики абсорбционных глушителей для защиты зданий и территорий застройки от вентиляционного шума // Безопасность жизнедеятельности. 2003. № 8.

6. Проектирование защиты от шума и вибрации инженерного оборудования в жилых и общественных зданиях. Пособие к МГСН 2.04-97.

7. Свод правил (СП 23-103-2003). Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. 2004.

8. Борьба с шумом на производстве. Справочник / Под ред. Юдина Е. Я. М.: Машиностроение, 1985.