Акустичні вимоги і правила проектування малошумних систем вентиляції

В. П. Гусєв, доктор техн. наук, зав. лабораторією захисту від шуму вентиляційного та інженерно-технологічного обладнання (НИИСФ)

У більшості випадків досить ефективним заходом боротьби з шумом в системі вентиляції є раціональний вибір параметрів і якості цієї системи на стадії її проектування, зокрема, вибір складу, протяжності, оптимальної кількості повітря, що подається, вибір вентилятора, розмірів повітропроводів і швидкості потоку в них, компонування арматури.

При проектуванні системи вентиляції необхідно, перш за все, вибирати повітрообмін (кількість повітря) без зайвих запасів, т. К. Зі збільшенням кількості повітря зростають швидкості його руху в елементах повітроводів і їх гідравлічні опору або поперечні розміри. Наслідком цього є зростання надходить в приміщення потоку звукової енергії.

Опір системи вентиляції визначається конфігурацією і розмірами мережі повітропроводів за умови, що опір одно що розвивається тиску вентилятора.

Конфігурація системи вентиляції зазвичай задана умовами компонування, а розміри - економічністю, мінімальними габаритами і низькою генерацією шуму в фасонних елементах.

Оцінка впливу параметрів системи вентиляції на її гучність

Вплив параметрів системи вентиляції на її гучність можна оцінити за допомогою двох, відомих з робіт Е. Я. Юдина, рівнянь, справедливих при відсутності протитиску, коли опір мережі одно повного тиску вентилятора:

- рівняння для рівня шуму в приміщенні:

(1)

- рівняння мережі повітропроводів в абстрактних координатах:

(2)

де y - коефіцієнт тиску; f - коефіцієнт витрати; Q, D - витрата повітря і діаметр патрубка вентилятора (воздуховода); Fc - площа перетину патрубка вентилятора (воздуховода); xc - коефіцієнт опору, що враховує втрати в фасонних елементах і прямих ділянках повітроводів; B - величина, що включає критерій подібності вентилятора і звукопоглинання в приміщенні.

З рівняння (1) видно, що при постійній робочій точці (y, f) на безрозмірною характеристикою вентилятора величина D2 / Fc постійна для заданого x c.

Це рівняння також дає можливість оцінити вплив параметрів мережі повітроводів, а саме:

а) при заданій конфігурації мережі і розмірах повітропроводів зменшення витрат знижує рівень шуму на величину DL = 60lg Q2 / Q1;

б) збільшення поперечних розмірів повітропроводів знижує рівень шуму на величину, рівну DL = 50lg Fс2 / Fс1;

в) зниження коефіцієнта опору мережі також є важливим засобом зниження шуму (DL = 30lg x c2 / x c1), тому слід прагнути до застосування фасонних елементів більш досконалої аеродинамічної форми.

З рівняння (2) випливає, що зниження коефіцієнта гідравлічного опору повітропроводів, збільшення їх поперечного перерізу і зменшення по можливості продуктивності дає економію електроенергії. Потужність, споживана вентилятором, пропорційна добутку витрати повітря і розвивається напору, який пропорційний квадрату швидкості руху повітря по повітропроводу.

Малюнок 1.

Питомі рівні звукової потужності вентиляторів (сторона нагнітання)

З одного боку, збільшення швидкості потоку повітря дозволяє зменшити площу поперечного перерізу воздуховода, зробити його компактнішим і тим самим знизити витрати на виготовлення і монтаж. З іншого боку, підвищення швидкості потоку повітря призведе до необхідності застосування високонапірних вентиляторів, а вони при однаковій продуктивності з низьконапірними споживають більш високу (додаткову) енергію, а, отже, мають більш високі експлуатаційні витрати.

У кожному конкретному випадку слід шукати компромісне рішення між цими суперечливими вимогами.

Компонування і планування системи вентиляції

При компонуванні і плануванні системи вентиляції доцільно керуватися такими міркуваннями:

1. Поблизу вентиляційної камери не повинно бути приміщень з низьким рівнем власних шумів (при розміщенні таких приміщень далеко від венткамера знижується передача шуму по воздуховодам).

2. Слід уникати протяжних мереж повітропроводів або розташування приміщень на великих відстанях від вентилятора; в приміщеннях, які близько розташовані від вентилятора, створюються невигідні з акустичної точки зору умови, при яких окружна швидкість і потужність вентилятора, що визначаються тиском для далекого ділянки, - зайве високі для ближнього приміщення, а надходить в ближнє приміщення кількість повітря - неприпустимо велика, і , таким чином, доводиться дросселіровать відгалуження, підвищуючи тим самим випромінюється системою шум.

3. Дросель-клапани слід розташовувати якомога далі від приміщення, що обслуговується, а за ними (перед гратами) слід передбачати кінцеві глушники або гнучкі повітроводи зі звукопоглинанням.

4. У мережі повітропроводів максимальні швидкості потоку повітря слід встановлювати на основі існуючих у вентиляційній практиці норм з урахуванням акустичних вимог.

5. Система розподілу повітря повинна мати мінімальний гідравлічний опір, оскільки генерація шуму вентилятором, незалежно від його типу, збільшується з ростом розвиває їм статичного тиску.

6. При високому рівні шуму не можна забувати про застосування глушників, передбачаючи місця для їх установки; відсутність місця для глушника - поширений недолік багатьох проектів.

7. Аеродинамічний, акустичне регулювання і наладку змонтованої системи вентиляції слід проводити спільно, домагаючись найменшої гучності при подачі заданої кількості повітря.

Малюнок 2.

Поправка на режим роботи вентилятора. hD,% - відхилення від режиму hmax

Підбір вентилятора

При підборі вентилятора важливо звертати увагу на такі умови:

1. Вентилятор повинен мати найменший питомий рівень звукової потужності (критерій шумності) і спектральний склад шуму, що відповідає заданим умовам експлуатації, при інших оптимальних параметрах і максимальному ККД (h max).

2. Потужність вентилятора повинна відповідати гідравлічним втратам в мережі повітроводів, т. Е. Його аеродинамічні параметри повинні бути підібрані відповідно до технічних потреб проекту.

3. Слід уникати застосування вентиляторів з числом лопаток менше 12; вони часто генерують інтенсивні тональні складові аеродинамічного шуму на частоті проходження лопаток і її гармоніках; їх інтенсивність залежить від конструкції вентилятора, від коливань потоку на вході в робоче колесо і від реакції системи повітропроводів.

4. Приєднувані повітроводи на стороні всмоктування і нагнітання повинні бути в 2-3 рази більше максимального розміру (діаметра) патрубка вентилятора, вони забезпечують рівномірний потік повітря; відхилення від таких схем можуть істотно вплинути як на аеродинамічну, так і на акустичну характеристики вентилятора.

5. У системах вентиляції з регульованою витратою повітря особливу увагу слід приділяти впливу зміни аеродинамічних параметрів на звукову потужність вентилятора, наприклад, зменшення витрати повітря за допомогою зміни кута установки лопаток може значно збільшити рівень шуму.

6. Зниження рівня шуму вентилятора може бути досягнуте за допомогою зниження швидкості обертання робочого колеса в допустимих межах при збереженні його потужності (витрати повітря і тиску).

7. Між патрубками вентилятора і воздуховодами рекомендується встановлювати гнучкі вставки, що знімають напруження і запобігають передачу вібрації від вентилятора.

Малюнок 3.

Шумова характеристика вентилятора ВЦ-14-46 № 5 (сторона нагнітання):

1 - паспортні дані;

2 - розрахунок за формулою (3);

3 - розрахунок за формулою (4)

Методи вимірювань шумових характеристик

Для більшості типів вентиляторів характерно існування трьох незалежних шляхів поширення шуму: по воздуховодам всмоктування, нагнітання і через стінки корпусу в навколишній простір, т. Е. Вентилятор розглядається як сукупність трьох окремих джерел шуму. Як джерело шуму вентилятор представляють за допомогою безрозмірних і розмірних шумових характеристик [1].

Безрозмірна шумова характеристика - це безрозмірний спектр вентиляторного шуму. Вона дозволяє за результатами вимірювань шуму вентилятора одного розміру D і при окружної швидкості u знайти спектр шуму такого ж вентилятора при інших розмірах і швидкостях, зберігаючи постійним лише коефіцієнт продуктивності f. При перерахунку потрібно зберігати однаковими безрозмірні частоти f / n (n - частота обертання робочого колеса, об / с) на кордонах частотних вимірювальних смуг.

Розмірна шумова характеристика - це рівні звукової потужності в октавних смугах частот. Вони вимірюються стандартними методами. Для реалізації стандартних методів вимірювань шумових характеристик потрібні вимірювальні камери і випробувальні стенди, будівництво яких пов'язане з великими матеріальними витратами. Засоби заводів-виготовлювачів обмежені, тому вони в технічних паспортах вентиляторів приводять характеристики аналогічних агрегатів або розрахункові дані. В результаті, виконувані на їх основі акустичні розрахунки, не відображають реальну акустичну ситуацію, а витрати на шумоглушенія виявляються завищеними або неефективними.

Малюнок 4.

Допустима швидкість потоку в кінцевому глушнику в залежності від призначення обслуговується системою вентиляції приміщення

У таких випадках дуже актуальними стають розрахункові методи. Особливість вітчизняної методики розрахунку октавних рівнів звукової потужності вентиляторів була закріплена в основоположному документі в області боротьби з шумом [2], що діє близько 30 років, в керівництві до нього [3] і виражається напівемпіричної формулою:

(3)

де Lкш - критерій шумності, що залежить від типу і конструкції вентилятора, дБ;

pn - повний тиск, що створюється вентилятором, кгс / м2;

Q - об'ємна витрата повітря вентилятора, м3 / с;

D Lреж - поправка на режим роботи вентилятора, дБ;

D L1 - поправка, що враховує розподіл звукової потужності за октавними смугах частот і залежить від типу і частоти обертання вентилятора, дБ;

D L2 - поправка, що враховує акустичне вплив приєднання воздуховода до вентилятора, дБ.

За формулою (3) спочатку розраховується сумарний рівень звукової потужності вітчизняного вентилятора (для даного напрямку випромінювання шуму) по його критерієм шумності, Lкш, і аеродинамічним параметрам при h max. Потім за допомогою поправки D Lреж враховується зміна цього рівня на заданому режимі, а за допомогою поправки D L1 визначаються октавні рівні звукової потужності шуму, випромінюваного, наприклад, патрубком всмоктування вентилятора в навколишній простір. Щоб визначити величину звукової потужності, випромінюваної в приєднується повітропровід, необхідно внести поправку D L2.

Фірми США і деякі європейські виробники використовують більш короткий шлях розрахунку октавних рівнів звукової потужності, випромінюваної вентилятором в приєднуються повітроводи, за допомогою напівемпіричної формули у вигляді:

(4)

де LРуд - питомий рівень звукової потужності в октавной смузі частот, дБ;

pn - повний тиск, що створюється вентилятором, Па;

D Lf - підвищує поправка, дБ, що залежить від типу вентилятора і враховується в октавной смузі з лопатки частотою F л = zn, де z - число лопаток робочого колеса, n - частота обертання, об / с. Інші позначення як у формулі (3).

Як видно, у формулі (4), на відміну від формули (3), використовуються не критерії шумності, а питомі рівні звукової потужності, LРуд, - це рівні звукової потужності вентилятора в октавних смугах частот, що розвиває продуктивність 1 м3 / с і повний тиск 1 Па. Значення цих питомих рівнів звукової потужності для різних типів вентиляторів, які випускаються фірмами США, містяться в довіднику [4].

Разом з тим у вітчизняній практиці в даний час існують труднощі при визначенні шумових характеристик вентиляторів. По-перше, за останні роки змінилися типи і конструкції випускаються в країні вентиляторів, відповідно, змінилися їх акустичні характеристики (критерії шумності). По-друге, з січня поточного року припинено дію СНиП [2]. Новий документ [5] не містить методичний матеріал, а звід правил до нього, що регламентує розрахунок і проектування шумоглушения вентиляційних установок, поки відсутня.

Малюнок 5.

Зміна рівня шуму шибера в залежності від ступеня його закриття

У НИИСФ дана проблема вирішується шляхом використання формули (4). Для розрахунку шумових характеристик вітчизняних вентиляторів, що відрізняються від зарубіжних по ряду параметрів, в лабораторії захисту від вентиляційного та інженерно-технологічного обладнання є банк необхідних даних: питомі рівні звукової потужності найбільш поширених загальнопромислових вентиляторів, поправки на режим їх роботи та поправки на тональну складову на частоті проходження лопаток.

Спектрограми шуму, LРуд, трьох типів відцентрових вентиляторів з діаметрами робочих коліс 500-800 мм представлені на рис. 1. Вони визначені при роботі вентиляторів в режимі, близькому до h max. При відхиленні від режиму h max рівень звукової потужності вентилятора збільшується на величину, відповідну цьому відхиленню, як показано на рис. 2.

Типові розрахункові дані ілюструє рис. 3, де порівнюються рівні звукової потужності відцентрового вентилятора ВЦ-14-46-5 (при витраті 15 000 м3 / ч, тиску 2 500 Па і частоті обертання 0,41 об / с), розраховані за формулою (3), (4) і виміряні стандартними методами (паспортні дані).

Розташування вентиляторів

При проектуванні малошумних систем вентиляції важливо не тільки точно визначати шумові характеристики, а й правильно вибрати місця розташування вентиляторів - основних джерел шуму систем. У проектований будинок вентилятори повинні бути розташовані в ізольованих приміщеннях (в венткамерах), віддалених від приміщень з жорсткими акустичними вимогами, а також від ліфтових, вентиляційних шахт і сходових прольотів, від дверей і вікон. На відкритих майданчиках вентилятори слід видаляти від поверхонь, що відбивають, що утворюють дво-, тригранні кути, в місця, в яких забезпечується як мінімальне проникнення шуму в приміщення даного будинку, так і його поширення на прилеглу до будинку територію забудови, в т. Ч. Селитебную територію . Виходи повітропроводів (вентиляційних систем) в атмосферу слід розташовувати таким чином, щоб випромінюється відкритими кінцями шум не був спрямований на житлові будівлі та місця відпочинку. Облік спрямованості шуму часто служить дієвим заходом захисту від шуму систем вентиляції зазначених об'єктів. Іншими словами, правильний вибір орієнтації вентиляційного отвору може без істотних витрат забезпечити допустимі рівні шуму в захищається від шуму зоні.

Малюнок 6.

Зміна рівня шуму шибера при наближенні його по воздуховоду до вентиляційної решітки (1-6 - відстані від шибера до вентиляційної решітки в калібрах: 10, 8, 6, 4, 2 і 0,5 калібрів відповідно)

Швидкість потоку повітря в повітроводах

Після зниження шуму вентилятора до необхідного рівня сильніше виявляється шум, що генерується потоком в елементах повітроводів. Цей шум обумовлений пульсаціями тиску і швидкості. Він залежить як від швидкості потоку, що набігає, коефіцієнта місцевого опору, розмірів і конструкції елемента воздуховода, так і від ступеня турбулентності набігаючого на нього потоку, рівномірності поля швидкостей в поперечному перерізі підводить до нього воздуховода, місця розташування елемента в мережі повітроводів. Так, при поганих умовах входу потоку в повітророзподільний пристрій рівень генерується шуму може збільшитися на 5-15 дБ [6].

Швидкість потоку в повітроводах повинна бути нижче граничних значень, після яких виникає підвищений шум. Критерієм визначення максимально можливої ​​швидкості повітря в повітроводах можуть бути поперечні розміри і мінімальна товщина використовуваного для їх виготовлення сталевого листа (табл. [7]).

Таблиця

поперечні
розміри
повітро
водів, мм

максималь-
ная швидкість
повітря, м / с

мінімальна
товщина
листа, мм

300x900

10

0,6

900x1 200

9

0,8

1 200x1 800

8

1,0

Як видно з табл., Максимальна швидкість 10 м / с дозволяється в повітроводах зі стінками товщиною 0,6 мм, але при невеликому поперечному перерізі; в міру збільшення площі поперечного перерізу повітропроводів потрібно збільшувати товщину стінок і знижувати швидкість потоку.

На жаль, автори не уточнюють призначення приміщень, будівель, при проектуванні яких можуть бути використані ці дані. Магістральні (транзитні) повітроводи не можна прокладати через приміщення, до яких пред'являються високі акустичні вимоги. Це дуже поширена помилка проектування, особливо в театрах, храмах, палацах і в елітному житлі.

Швидкість потоку повітря в глушники вентиляційних установок

Допустиму швидкість повітря в глушнику як елементі системи вентиляції слід вибирати в залежності від можливих втрат тиску і допустимого рівня звукової потужності, що генерується в його проточної частини шуму. Дані про власний шумообразование в глушники, що випускаються відповідно до СНиП [2], містяться в керівництві [3]. Коли глушник встановлюється на кінцевій ділянці воздуховода (на вході в приміщення), то обмеження швидкості повітря може бути пов'язано з допустимими рівнями звукового тиску в обслуговуваних системами приміщеннях. Для приміщень житлових, громадських, адміністративних та виробничих будівель цей зв'язок демонструє рис. 4. Видно, що при обслуговуванні, наприклад, залу музичного театру швидкість в кінцевому глушнику не повинна перевищувати 4 м / с, а офісу - 6 м / с. У вільному перетині центральних глушників вентиляційних установок допустима швидкість може бути вдвічі більше значень, наведених на рис. 4, але не більше 15 м / с, щоб уникнути видування з них звукопоглинального матеріалу.

Вплив дросселирующих пристроїв на рівень шуму

У розгалуженнях магістрального воздуховода для забезпечення заданої витрати повітря в кожній гілці вентиляційної мережі встановлюються дросселирующие пристрою. Шумообразование в цих пристроях залежить від їх коефіцієнта місцевого опору. Рівні шуму дросель-клапана в залежності від ступеня відкриття (закриття) заслінки представлені на рис. 5. На ньому видно, як у міру закриття дросселирующего пристрої зростає гідравлічний опір і генерується шум. Якщо потрібно дроселює з коефіцієнтом більше 5, то краще встановити послідовно кілька пристроїв, що забезпечують в сумі необхідний опір [7].

Дросселирующие елементи (шибери, дросель-клапани і т. П.), Що створюють незамкнуті вихрові зони в повітроводах, є джерелами підвищеного шуму. Необхідно прагнути до того, щоб ці вихрові зони були замкнутими. Дана умова забезпечує ділянку воздуховода між дросселирующим елементом і відкритим кінцем каналу (решітки) довжиною не менше 8-10 Н, де Н - розмір перешкоди (довжина шибера, проекція на площину поперечного перерізу дросель-клапана і т. П.). У міру збільшення відстані від місця установки дроселя до решітки відбувається значне зниження рівня шуму (рис. 6) [8].

Як видно на рис. 6, криві 1, 2 і 3 відповідають рівням шуму при замкнутої вихровий зоні і довжині каналу за шибером 10, 8 і 6 калібрів. У міру розмикання вихровий зони шум зростає в низько- і високочастотних смугах спектра (крива 4). Це пояснюється зростанням імпульсного обміну між основним потоком в каналі і розімкнутої вихровий зоною, в яку із зовні підсмоктується повітря. При цьому на кромці каналу виникають дрібномасштабні вихори, що є, цілком ймовірно, причиною збільшення рівнів шуму в високочастотної частини спектра. Подальше зменшення довжини каналу за шибером до двох калібрів збільшує інтенсивність шуму в області низьких і середніх частот; в високочастотної частини спектра рівень шуму зменшується. При довжині каналу за шибером 0,5 калібру спостерігається спад інтенсивності шуму і максимум в спектрі займає среднечастотную область. В цьому випадку повністю розмикається вихрова зона і потік веде себе як вільна струмінь.

Вплив повітрозабірних і повітророзподільних решіток на рівень шуму

Високі швидкості в повітрозабірних і повітророзподільних гратах також є причиною підвищеного рівня шуму в приміщенні. Перевищення припустимої швидкості руху повітря на 10% призводить до підвищення рівня шуму на 2 дБ. Подвоєння допустимої швидкості руху повітря може привести до підвищення рівня шуму на 10-12 дБ. Підключення решіток до воздуховоду повинно здійснюватися по одній осі. Відхилення від цієї вимоги призводить до підвищення рівня шуму, яке в ряді випадків може досягати 12-15 дБ. При дроселюванні потоку направляють заслінками решітки рівень шуму змінюється на 12 дБ [7].

Не рекомендується на одному воздуховоде встановлювати послідовно більше 4-5 розподільників повітря, т. К. В цьому випадку тиск повітря перед першим розподільником повітря може бути настільки високим, що може виникнути необхідність в установці дросселирующего пристрої з великим коефіцієнтом місцевого опору (з великим прикриттям), що неминуче призведе до збільшення створюваного їм шуму.

Після того як враховані вищевикладені основні акустичні вимоги і правила проектування систем вентиляції, необхідно виконати акустичний розрахунок [3]. Його результатом буде залежна від частоти величина необхідного зниження шуму, яка, в свою чергу, є основою для проектування шумоглушения, що забезпечує нормативні вимоги по фактору шуму в місцях проживання людини як в будівлях, так і в забудові, включаючи житлову.

Обсяг коштів і методів боротьби з вентиляційним шумом досить великий і продовжує збільшується. Тому в кожній конкретній ситуації важливо правильно визначити необхідний комплекс, що забезпечує необхідну ефективність і мінімальні матеріальні витрати на його здійснення. Мета досягається, як правило, в тих випадках, коли проектувальник володіє найбільш повною інформацією про обсяг і можливості сучасних засобів і методів боротьби з шумом.

Цим питанням, як етапам на шляху захисту від шуму систем вентиляції, будуть присвячені статті, які передбачається представити для публікації в журналі до кінця поточного року.

література

1. Відцентрові вентилятори / Под ред. Т. С. Соломаховой. М .: Машинобудування, 1975.

2. СНиП II-12-77. Захист від шуму.

3. Керівництво з розрахунку і проектування шумоглушения вентиляційних установок. М.: Стройиздат, 1982.

4. ASHRAE HANDBOOK. Sound and Vibration Control. 1987.

5. СНиП 23-03-2003. Захист від шуму.

6. Зниження шуму в будівлях і житлових районах / Под ред. Г. Л. Осипова, Є. Я. Юдина. М .: Стройиздат, 1987.

7. Системи вентиляції і кондиціонування. Теорія та практика. М .: Евроклимат, 2000..

8. Лешко М. Ю. Вплив приєднаного воздуховода на шум, створюваний регулюючим шибером // Зб. науч. тр. М .: НИИСФ, 1979.

Опубліковано в Журналі AВОК №4 / 2004