機(jī)力通風(fēng)冷卻塔噪聲控制

李春太

（北京圖聲天地科技有限公司，北京 100068）

引言

機(jī)力通風(fēng)冷卻塔現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、商場、寫字樓等大型公共建筑的中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)。出于運(yùn)行期間的熱交換需要，冷卻塔均盡可能地露天設(shè)置，但其中大功率風(fēng)機(jī)、落水等產(chǎn)生的較強(qiáng)噪聲，將難以避免的影響周邊環(huán)境[1]。

某機(jī)關(guān)辦公區(qū)院內(nèi)，3組7臺冷卻塔（噪聲源）位于設(shè)備機(jī)房樓頂平臺面上，冷卻塔（噪聲源）東側(cè)為公司東廠界，廠界外為道路，西側(cè)100m范圍內(nèi)為綠化帶，北側(cè)廠界外有高層居民樓，南側(cè)有辦公樓，距冷卻塔的水平距離約50m，冷卻塔的下方為設(shè)備機(jī)房。冷卻塔最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，對北側(cè)居民樓和南側(cè)辦公區(qū)域產(chǎn)生了影響。辦公區(qū)域內(nèi)該冷卻塔機(jī)組周圍建筑物情況較復(fù)雜，導(dǎo)致噪聲傳輸?shù)穆窂蕉?、各傳輸途徑的貢獻(xiàn)量難以評估，難于制定出可行有效的治理措施。據(jù)此，某公司在對冷卻塔噪聲現(xiàn)狀準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上，有針對性的設(shè)計(jì)了噪聲控制綜合治理方案，定量預(yù)測評價(jià)了治理效果，并對方案實(shí)施后的實(shí)際治理效果進(jìn)行了測量和對比分析。

1 冷卻塔噪聲現(xiàn)狀分析

1.1 噪聲源強(qiáng)

從工作原理上，機(jī)力通風(fēng)冷卻塔的噪聲主要包括淋水噪聲和軸流風(fēng)機(jī)噪聲。

1.1.1 淋水噪聲

該噪聲為下落的循環(huán)冷卻水濺落在蓄水區(qū)產(chǎn)生的水流沖擊聲，主要由冷卻塔下部的進(jìn)風(fēng)口傳出。噪聲頻率以高頻和中頻為主，噪聲大小與淋水密度、落水高度成正比，也與塔內(nèi)的通風(fēng)速度有關(guān)[2]。

1.1.2 軸流風(fēng)機(jī)噪聲

該噪聲主要源于風(fēng)機(jī)葉片高速攪動空氣產(chǎn)生的湍流噪聲；同時(shí)，在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)電機(jī)及傳動部件也產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲。軸流風(fēng)機(jī)噪聲主要由以下組成：

（1）風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的空氣動力性噪聲；由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[3]，旋轉(zhuǎn)噪聲是由于工作輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪上的葉片打擊周圍的氣體介質(zhì)、引起周圍氣體的壓力脈動而形成的。對于給定的空間某質(zhì)點(diǎn)來說，每當(dāng)葉片通過時(shí)，打擊這一質(zhì)點(diǎn)氣體的壓力便迅速起伏一次，旋轉(zhuǎn)葉片連續(xù)地逐個掠過，就不斷地產(chǎn)生壓力脈動，造成氣流很大的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲。其頻率表達(dá)式為：

式中：

f─旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻（Hz）；

n─葉輪轉(zhuǎn)數(shù)；

z─葉片數(shù)。

渦流噪聲又稱為紊流噪聲。它主要是氣流流經(jīng)葉片界面產(chǎn)生分裂時(shí)，形成附面層及旋渦分裂脫離，而引起葉片上壓力的脈動，輻射出一種非穩(wěn)定的流動噪聲。

式中：

fi─渦流噪聲的基頻；

K─斯脫路哈數(shù)；

V─氣體與葉片的相對速度，m/s；

D─氣體入射方向的物體厚度，m。

此部分噪聲分為進(jìn)風(fēng)噪聲和排風(fēng)噪聲兩部分。離心風(fēng)機(jī)聲功率級估算公式為：

式中：

Q—風(fēng)量，m3/h；

H—全壓，Pa。

（2）機(jī)殼以及電動機(jī)軸承等輻射的機(jī)械性噪聲。

（3）電動機(jī)的電磁噪聲。

（4）基礎(chǔ)振動輻射的固體聲。

1.2 噪聲源強(qiáng)現(xiàn)場測量

有關(guān)單位進(jìn)行了噪聲現(xiàn)場測量，以確定冷卻塔噪聲源強(qiáng)及其頻譜分布、冷卻塔噪聲隨距離的衰減情況，以及未設(shè)置降噪措施的情況下，辦公區(qū)域附近居民居住區(qū)等建筑物受到的噪聲影響。

現(xiàn)場實(shí)地勘察，根據(jù)冷卻塔運(yùn)行時(shí)的實(shí)際情況（未全部運(yùn)行），當(dāng)冷卻塔部分開啟時(shí)，距離冷卻塔1m處的最大噪聲值在80dB（A）左右，北側(cè)最近廠界噪聲為53.6dB（A），影響到北側(cè)住宅8層窗外1m噪聲在57.4dB（A）左右。實(shí)際冷卻塔噪聲最大部位位于風(fēng)扇頂部斜上方，對北側(cè)居民樓6～10層的影響最大，如圖1所示。具體測量結(jié)果見表1。噪聲特征頻譜圖見圖2。

圖1 現(xiàn)場噪聲測點(diǎn)及數(shù)值圖

表1 現(xiàn)場噪聲測點(diǎn)及數(shù)值表

圖2 噪聲特征頻譜圖

設(shè)備聲源頻譜特征表明，設(shè)備噪聲表現(xiàn)為寬頻帶，即低頻、中頻和高頻均存在較大能量，其中中低頻部分（500Hz以下）主要為冷卻塔風(fēng)機(jī)噪聲，高頻部分（500Hz以上）主要為淋水噪聲。對設(shè)備噪聲成分分析表明，風(fēng)機(jī)噪聲聲級在80dB（A）左右，淋水噪聲在75dB（A）左右。因此，風(fēng)機(jī)噪聲和淋水噪聲為該項(xiàng)目的治理重點(diǎn)。

2 冷卻塔噪聲治理目標(biāo)

該項(xiàng)目將噪聲控制在《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）（見表2）和《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096—2008）允許的范圍內(nèi)，達(dá)到國家1類標(biāo)準(zhǔn)，即工業(yè)企業(yè)廠界噪聲晝間≤55dB（A）、夜間≤45dB（A）；住宅窗外1m處晝間噪聲≤55dB（A）、夜間≤45dB（A）。為了使相鄰域有一個良好的聲環(huán)境，應(yīng)對冷卻塔進(jìn)行噪聲治理，以達(dá)到國標(biāo)及甲方要求，超標(biāo)情況表如表3所示。

表2 《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）

現(xiàn)北側(cè)廠界噪聲值為53.6dB（A），住宅窗外1m處噪聲值為57.4dB（A），分別超出標(biāo)準(zhǔn)限值8.6dB（A）和12.4dB（A），考慮設(shè)計(jì)余量及安裝損失，設(shè)計(jì)方案總體降噪量目標(biāo)值為20dB（A）。

表3 超標(biāo)情況

3 冷卻塔噪聲預(yù)測模型

采用德國Braunstein+Berndt GMBH公司開發(fā)的聲學(xué)商業(yè)軟件SoundPLAN7.3 對冷卻塔周邊聲場進(jìn)行仿真分析，該軟件廣泛應(yīng)用于建筑聲學(xué)與環(huán)境噪聲的聲場預(yù)測。

使用AUTOCAD 軟件建立噪聲敏感地帶及其周邊環(huán)境的三維模型，在原圖的基礎(chǔ)上對模型小于主要音頻波長的次要細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡略，以在不影響模型聲學(xué)精度的基礎(chǔ)上簡化問題。簡化后的噪聲涉及區(qū)域幾何模型為確定冷卻塔面聲源絕對源強(qiáng)，采用SoundPLAN軟件進(jìn)行聲學(xué)模擬仿真。預(yù)測是在機(jī)組全部工作的情況下進(jìn)行的，預(yù)測模型及預(yù)算結(jié)果見圖3。

圖3 冷卻塔噪聲預(yù)測模型

通過噪聲預(yù)測軟件的預(yù)測結(jié)果及相應(yīng)云圖可看出，在冷卻塔全部運(yùn)轉(zhuǎn)工作的情況下，采用上述降噪方案后，周圍環(huán)境的噪聲水平明顯下降，并且北側(cè)廠界和居民窗外1m處敏感點(diǎn)的噪聲水平能夠低于45dB（A），達(dá)到了預(yù)期的降噪指標(biāo)。分析表明，該方案可實(shí)現(xiàn)最終的噪聲控制目標(biāo)。

4 噪聲控制綜合治理方案

4.1 設(shè)計(jì)方案概述

設(shè)計(jì)方案采取封閉式隔聲罩結(jié)構(gòu)對設(shè)備噪聲進(jìn)行控制，同時(shí)在隔聲罩的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置進(jìn)、排氣消聲器對噪聲進(jìn)行控制。

4.2 設(shè)計(jì)方案詳述

設(shè)計(jì)的冷卻塔降噪主體方案為封閉式隔聲罩輔以進(jìn)、排氣口消聲器，涉及降噪的部分包括隔聲罩墻體的設(shè)計(jì)、進(jìn)排氣消聲器的設(shè)計(jì)、隔聲門的設(shè)計(jì)及其他輔助設(shè)計(jì)。

4.2.1 隔聲罩體設(shè)計(jì)

按設(shè)計(jì)要求，總體降噪量達(dá)30dB（A），隔聲墻體采用雙層鋼板中間填充高密度巖棉板的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)，雙層鋼板能夠有效阻隔噪聲的傳播，同時(shí)填充的巖棉層結(jié)構(gòu)能夠降低腔體的共振并消耗聲能量。此種墻體結(jié)構(gòu)的平均隔聲量能達(dá)到30dB（A）以上，設(shè)計(jì)的墻體結(jié)構(gòu)在各頻帶的隔聲量見表4?？紤]隔聲罩體的防腐，對罩體外側(cè)的鋼板刷涂環(huán)保漆，并考慮與主體建筑風(fēng)格的一致性，選擇相應(yīng)的顏色。

表4 墻體隔聲量

4.2.2 隔聲門設(shè)計(jì)

根據(jù)《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求隔聲門》（HJ/T 379—2007）的分類等級，項(xiàng)目的隔聲門計(jì)權(quán)隔聲量為40dB，能夠有效降低冷卻塔噪聲向外傳遞，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 消聲器設(shè)計(jì)

據(jù)廠家提供的資料，北側(cè)單臺冷卻塔的風(fēng)量為1330m3/min，北側(cè)2組冷卻塔，每組的風(fēng)量為4260m3/min，因此，冷卻塔總風(fēng)量為9850m3/min，即164.2m3/s。

選用片式消聲器，進(jìn)風(fēng)口消聲器的總長度16.1m、高2.7m、寬1m，消聲片厚度0.1m，消聲片間距0.15m。

（1）進(jìn)氣消聲器。在東西兩側(cè)設(shè)置進(jìn)風(fēng)消聲通道，消聲器總長度為16.1m，有效通風(fēng)面積設(shè)計(jì)為50%，為減小進(jìn)口壓力損失和氣流再生噪聲，進(jìn)氣氣流速度控制在4m/s以下，進(jìn)風(fēng)消聲通道的高度經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)為2.7m。

消聲片的厚度為0.1m，吸聲系數(shù)與消聲系數(shù)的關(guān)系見表5。

表5 消聲系數(shù)表

項(xiàng)目聲源的主要頻率分布在630～2500Hz，因此，在保證設(shè)備引起的總聲壓級在45dB（A）以下時(shí)，對于低頻處的消聲量可適當(dāng)降低指標(biāo)。片式消聲器消聲量的計(jì)算如下公式。

根據(jù)計(jì)算，消聲通道的有效長度設(shè)計(jì)為1.0m，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）排氣消聲器。排氣消聲通道設(shè)計(jì)，主要原則是降低流速并增加消聲量〔排氣口的噪聲為90dB（A）〕。

消聲器總長16.1m，消聲通道間距0.1m，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，消聲通道有效長度設(shè)計(jì)為1.0m，則此設(shè)計(jì)下的排氣口消聲器有效消聲量可達(dá)30dB（A）左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

消聲器設(shè)計(jì)需考慮上限失效頻率，上限失效頻率的計(jì)算公式為：

其中：c為聲速，344m/s；D為消聲通道的當(dāng)量直徑，m，對于矩形通道D=1.13√ad，a為通道截面長度，m，d為片間距，m。

風(fēng)機(jī)出口與消聲器連接處設(shè)置過渡段，過渡段的長度為0.55m，可使流場分布更為均勻，同時(shí)能夠防止出口回流造成的進(jìn)口和出口的氣流短路。

5 通風(fēng)、散熱設(shè)計(jì)

通風(fēng)、散熱是保證冷卻塔冷卻效率的主要因素，采用隔聲罩和進(jìn)、排氣消聲器的措施對冷卻塔噪聲進(jìn)行控制，需考慮通風(fēng)、散熱的問題。冷卻塔選型時(shí)對風(fēng)機(jī)流量和壓頭會有設(shè)計(jì)余量，隔聲罩和進(jìn)、排氣消聲器的設(shè)置造成的壓力損失應(yīng)在設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，這是保證冷卻塔有足夠通風(fēng)量的前提。該項(xiàng)目針對提出的隔聲罩進(jìn)、排氣消聲器的措施，利用數(shù)值仿真方法對機(jī)組加裝隔聲罩后機(jī)組的通風(fēng)散熱進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)通過計(jì)算氣流的組織形式，對隔聲罩的方案進(jìn)行優(yōu)化。

對設(shè)備風(fēng)機(jī)流量或壓力產(chǎn)生影響的主要為排氣和進(jìn)氣消聲器，其中排氣消聲器的壓力影響相對較大。

對排氣消聲器的壓力損失進(jìn)行仿真計(jì)算分析，通過比較風(fēng)機(jī)筒內(nèi)截面的平均總壓進(jìn)行討論。采用計(jì)算流體動力學(xué)三維數(shù)值仿真方法（有限體積法）和Fluent商用軟件，以單臺風(fēng)機(jī)為例，計(jì)算模型見圖4。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化，氣流在風(fēng)機(jī)和消聲通道內(nèi)的流場組織及壓力分布見圖5。

對于出口處壓力損失，在設(shè)計(jì)流量情況下（單臺28.6kg/s），安裝消聲器前后的出口處平均總壓分別為101Pa和106Pa，總壓損失為5Pa。對于進(jìn)口壓力損失，由于有效通風(fēng)面積較大，氣流速度較小，壓力損失影響較小，通過計(jì)算，進(jìn)氣消聲器處的總壓損失為2.8Pa。

進(jìn)、排氣消聲器處的總壓損失為7.8Pa，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，設(shè)計(jì)壓頭為55Pa，余量為15%，因此，該設(shè)計(jì)方案進(jìn)、排氣消聲器造成的壓力損失小于設(shè)計(jì)余量，滿足設(shè)備的正常使用要求。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

圖5 氣流流場及壓力分布

5 主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，隔聲罩的設(shè)計(jì)包括兩種不同方案，分別針對兩種方案對隔聲罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

冷卻塔隔聲罩工程，共一層，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，總高度7.0m。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

工程建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按丙類建筑要求，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。框架抗震等級為三級。

該地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓按照0.5kN/m2考慮，地面粗糙度類別為B類。

結(jié)構(gòu)支撐以工字鋼為主。工字鋼以原有冷卻塔條形基礎(chǔ)為支撐，進(jìn)行懸挑支撐，在冷卻塔原有基礎(chǔ)側(cè)面加固鋼板，與挑梁工字鋼焊接加固，框架底部外框焊接于挑梁工字鋼上，在底部外框焊接工字鋼作為立柱支撐。

（1）荷載計(jì)算。屋面：屋面自重按實(shí)際板厚及做法計(jì)算，組成材料為100mm巖棉+雙面0.5mm鋼板，計(jì)算如下：

不上人的屋面活荷載：0.5kN/m2。

（2）風(fēng)荷載?；撅L(fēng)壓值0.50kN/m2，地面粗糙程度B類。

（3）雪荷載?；狙褐?.40kN/m2。

（4）利用SATWE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，過程及結(jié)果為：

截面信息：

載荷信息：

計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，隔聲罩結(jié)構(gòu)的周期、位移等參數(shù)均符合要求。

6 治理效果實(shí)測

綜合降噪方案實(shí)施后，對實(shí)際治理效果進(jìn)行了現(xiàn)場測量，包括冷卻塔內(nèi)外、辦公區(qū)域和居民住宅等噪聲敏感點(diǎn)。方案實(shí)施現(xiàn)場前后的實(shí)測噪聲值對比見表6。

表6 噪聲治理前后實(shí)測對比表

7 總結(jié)

針對機(jī)關(guān)辦公區(qū)域內(nèi)大型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行了噪聲控制工程設(shè)計(jì)，首先基于數(shù)值仿真模型，定量分析了這些冷卻塔對周邊環(huán)境的噪聲影響，提出了噪聲控制的綜合治理方案，并定量預(yù)測評價(jià)了治理效果；然后對方案實(shí)施后的實(shí)際治理效果進(jìn)行了詳細(xì)測量。結(jié)果顯示，在加入綜合降噪措施后，冷卻塔周邊居民區(qū)最不利敏感點(diǎn)處最大能夠獲得近12.4dB（A）的降噪量，成功達(dá)到了工程預(yù)期目標(biāo)。對施加的降噪措施進(jìn)行了暖通分析，降噪措施本身對冷卻塔制冷效果基本沒有影響，降噪措施施加后能顯著改善冷卻塔周邊聲環(huán)境。

由于現(xiàn)場噪聲源情況、周邊建筑幾何情況等較復(fù)雜，難以簡單計(jì)算，類似冷卻塔噪聲控制工程通常憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要做到精確設(shè)計(jì)非常困難。本文基于效果精確預(yù)測的冷卻塔降噪工程設(shè)計(jì)，能盡可能保證措施的有效性及針對性，同時(shí)避免了噪聲控制工程中常見的反復(fù)補(bǔ)救，可作為室外大型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔噪聲控制工程的參考。