机力通风冷却塔噪声控制

李春太

（北京寰宇和声科技有限公司，北京，102600）

摘  要：机力通风冷却塔广泛应用于CBD等大型公共建筑中的中央空调循环冷却水系统，运行时对周边环境的噪声影响很大。针对机关办公楼使用的3 组共7 台机力通风冷却塔，首先通过声学仿真技术，定量分析了这些冷却塔对周边环境的噪声影响，提出了噪声控制的综合治理方案，并预测评价了治理效果; 之后，对方案实施后的实际治理效果进行了详细测量，并与预测评价进行对比分析。结果显示，方案设计阶段的仿真预测结果与实测结果基本相吻合，仿真模型准确可靠。
关键词：噪声控制; 冷却塔; 声学仿真技术 ;降噪措施

Noise Control of Mechanical Ventilation Draft Cooling Towers

Li  Chuntai

(Beijing NV&M Technology Co., Ltd., Beijing 100068,China)

Abstract: Mechanical draft cooling towers are mostly used in cooling water circulation systems for central air conditioners in large public buildings such as CBD. They usually generate high levels of noise，annoying the surrounding communities． In this paper，an engineering design and implementation study on noise control of large mechanical draft cooling towers is introduced and discussed based on a real project．The mechanical draft cooling towers involved are used by administrative office building and are composed of three groups of seven towers． In the design stage，we first built a numerical model based on acoustic simulation technology with commercial software (SoundPLAN)．This model enables simulation of the noise impact around the towers before they are controlled，as well as prediction of community noise reduction around the towers after control engineering has been done． Second，we proposed a set of practical engineering measures for tower-noise control，based on the prediction support in the simulation model above．The engineering measures were implemented in sequence and detailed measurements were carried out on the community noise after the control engineering． The results show that，that the simulation prediction results are basically consistent with the measured results, and the simulation model is accurate and reliable.
Key Word: Noise Control; Cooling Tower; Acoustic Simulation Technology；Noise Reducing Measures

 

0引言

  随着社会的进步和人民生活水平的提高,人们对于居住和工作环境有了更高的要求。好的居住和工作环境不仅仅是装潢的舒适,还更应该是安静的。如今的快节奏生活更是让人们渴望拥有一个安静的居住和工作环境。噪声是困扰着人们的一个重大因素。
  机力通风冷却塔如今广泛应用于医院、商场、写字楼等大型公共建筑的中央空调循环水系统。出于运行期间热交换的需要，冷却塔均尽可能的露天设置，于是其中大功率风机、落水等产生的较强噪声，将难以避免的影响了周边环境［1］。
  某机关办公区院内，3组7台冷却塔（噪声源）位于设备机房楼顶平台面上，在冷却塔（噪声源）东侧为公司东厂界，厂界外为道路，西侧100米范围内为绿化带，北侧厂界外有高层居民楼，南侧有办公楼，距离冷却塔水平距离约50米，在冷却塔（噪声源）下方为设备机房。冷却塔最大负荷运行时产生的噪声，对北侧居民楼和南侧办公区域产生了影响。办公区域内该冷却塔机组周围建筑物情况比较复杂，导致噪声传输路径多、各传输途径贡献量难以评估，难于制定出可行有效的治理措施。据此，首先我们在对冷却塔噪声现状准确分析的基础上，针对性的设计了噪声控制综合治理方案，并定量预测评价了治理效果; 然后，我们对方案实施后的实际治理效果进行了详细测量，并进行了对比分析。    

1冷却塔噪声现状分析

1.1噪声源强

  从工作原理上，机力通风冷却塔噪声主要包括2 部分:
1) 淋水噪声，该噪声为下落的循环冷却水溅落在蓄水区产生的水流冲击声，主要由冷却塔下部的进风口传出。噪声频率以高频和中频为主，噪声大小与淋水密度、落水高度成正比，也与塔内的通风速度有关；［2］。

2) 轴流风机噪声，主要源于风机叶片高速搅动空气产生的湍流噪声; 同时，在转动系统不平衡状态下，风机电机及传动部件也产生一定的旋转机械噪声。轴流风机噪声，主要由以下四部分组成:
a.风机运行时产生的进风口和排风口的空气动力性噪声；由旋转噪声和涡流噪声组成［3］，旋转噪声是由于工作轮旋转时，轮上的叶片打击周围的气体介质、引起周围气体的压力脉动而形成的，对于给定的空间某质点来说，每当叶片通过时，打击这一质点气体的压力便迅速起伏一次，旋转叶片连续地逐个掠过，就不断地产生压力脉动，造成气流很大的不均匀性，从而向周围辐射噪声。其频率表达式为：

  涡流噪声又称为紊流噪声。它主要是气流流经叶片界面产生分裂时，形成附面层及旋涡分裂脱离，而引起叶片上压力的脉动，辐射出一种非稳定的流动噪声。

  此部分噪声分为进风噪声和排风噪声两部分。离心风机声功率级估算公式：

LW=24+10lg(QH2)-20
式中：Q-风量（m3/h）
H-全压 (Pa)
b.机壳以及电动机轴承等辐射的机械性噪声；
c.电动机的电磁噪声；
d.基础振动辐射的固体声。

1.2噪声源强现场测量

  我们进行了噪声现场测量，以确定冷却塔噪声源强及其频谱分布，冷却塔噪声随距离的衰减情况，以及未设置降噪措施的情况下，办公区域附近居民居住区等建筑物受到的噪声影响。
  现场实地勘察，根据冷却塔运行时的实际情况（未全部运行），当冷却塔部分开启时，距离冷却塔1米处的最大噪声值在80dB（A）左右，北侧最近厂界噪声为53.6dB（A），影响到北侧住宅8层窗外1m噪声在57.4 dB（A）左右。实际冷却塔噪声最大部位位于风扇顶部斜上方，对北侧居民楼6-10层影响最大。如图1所示。具体测量结果如表1所示。
 

图1 现场噪声测点及数值图

表1 现场噪声测点及数值表
 
 

图 2噪声特征频谱图

  设备声源频谱特征表明，设备噪声表现为宽频带，即低频、中频和高频均存在较大能量，其中中低频部分（500Hz以下）主要有冷却塔风机噪声，高频部分（500Hz以上）主要为淋水噪声。对设备噪声成分分析表明，风机噪声声级在80dB（A）左右，淋水噪声在75dB（A）左右。因此风机噪声和淋水噪声为本项目主要治理重点。

2冷却塔噪声治理目标

  本项目将噪声控制在工业企业厂界噪声排放标准（ GB12348-2008）和声环境质量标准（GB 3096－2008）允许的范围内，达到国家1类标准，即工业企业厂界噪声昼间≤55dB（A），夜间≤45dB（A）；住宅窗外1m处昼间噪声≤55dB（A），夜间≤45dB（A）。
  现北侧厂界噪声值为62.4dB（A），住宅窗外1m处噪声值为67.4dB（A），分别超出标准限值17.4dB（A）和22.4dB（A），设计方案总体降噪量目标值为30dB（A）。

表2工业企业厂界噪声排放标准(GB12348-2008) Leq[dB（A）]
 

    为了使相邻域有一个良好的声环境，应对冷却塔进行噪声治理，以达到国标及甲方要求，超标情况表如表3所示。

表 3超标情况表

3冷却塔噪声预测模型

  本项目采用德国Braunstein+Berndt GMBH公司开发的声学商业软件SoundPLAN7.3 对冷却塔周边声场进行仿真分析，该软件广泛应用于建筑声学与环境噪声的声场预测。
  我们使用AUTOCAD 软件建立噪声敏感地带及其周边环境的三维模型，在原图的基础上对模型小于主要音频波长的次要细节进行了简略，以在不影响模型声学精度的基础上简化问题。简化后的噪声涉及区域几何模型.为确定冷却塔面声源绝对源强，采用SoundPLAN软件进行声学模拟仿真。
  预测是在机组全部工作的情况下进行的，预测模型及预算结果如图3所示。
 

图 3  噪声预测

  通过噪声预测软件的预测结果及相应云图能够看出，在冷却塔全部运转工作的情况下，采用上述降噪方案后，周围环境的噪声水平明显下降，并且北侧厂界和居民窗外1m处敏感点的噪声水平能够低于45dB（A），达到了预期的降噪指标。
  上述分析表明此方案可实现最终的噪声控制目标。

4噪声控制综合治理方案

4.2设计方案概述

本设计方案采取封闭式隔声罩结构对设备噪声进行控制，同时在隔声罩的进风口和出风口设置进、排气消声器对噪声进行控制。

4.2设计方案详述

本设计的冷却塔降噪主体方案为封闭式隔声罩辅以进、排气口消声器，涉及降噪的部分包括隔声罩墙体的设计、进排气消声器的设计、隔声门的设计及其他辅助设计。

4.2.1.    隔声罩体设计

按照设计要求，总体降噪量达30dB（A），隔声墙体结构采用双层钢板中间填充高密度岩棉板的复合墙体结构，双层钢板能够有效阻隔噪声的传播，同时填充的岩棉层结构能够降低腔体的共振并消耗声能量。此种墙体结构的平均隔声量能够达到30dB（A）以上，设计的墙体结构在各频带的隔声量如表4所示。

表 4 墙体隔声量

  考虑隔声罩体的防腐，对罩体外侧钢板刷涂环保漆，并考虑和与主体建筑风格的一致性，选择相应的颜色。

4.2.2.    隔声门设计

根据《环境保护产品技术要求隔声门》（HJ/T 379-2007）的分类等级，本项目隔声门计权隔声量为40dB，能够有效降低冷却塔噪声向外传递，满足设计要求。

4.2.3.    消声器设计

  据厂家提供资料，北侧单台冷却塔的风量为1330m3/min，北侧2组冷却塔，每组的风量为4260m3/min，因此，冷却塔总风量为9850m3/min，即164.2m3/s。
  本项目选用片式消声器，进风口消声器的总长度16.1m，高2.7m,，宽1m，消声片厚度0.1m，消声片间距0.15m。出风口消声器的总长度16.1m，高3.2m,，宽1m，消声片厚度0.1m，消声片间距0.15m。
（1）进气消声器
  在东西两侧设置进风消声通道，消声器总长度为16.1m，有效通风面积设计为50%，为减小进口压力损失和气流再生噪声，进气气流速度控制在4m/s以下，则进风消声通道的高度经计算设计为2.7m。
  消声片的厚度为0.1m，吸声系数与消声系数的关系为：

表5消声系数表

  本项目声源的主要频率分布在630Hz~2500Hz，因此，在保证设备引起的总声压级在45dB（A）以下时，对于低频处的消声量可适当降低指标。片式消声

器消声量的计算公式如下公式1所示：

  其中， 为消声系数； 为消声通道的有效长度，m； 为消声片间距，m。
  根据计算，消声通道的有效长度设计为1.0m，能够满足设计要求。
（2）排气消声器
  排气消声通道设计，主要原则是降低流速并增加消声量（排气口的噪声为90dB（A））。
  消声器总长16.1m，消声通道间距0.1m，根据公式1进行计算，消声通道有效长度设计为1.0m，则此设计下的排气口消声器有效消声量可达30dB（A）左右，满足设计要求。
  消声器设计需考虑上限失效频率，上限失效频率的计算为：

  其中，c为声速，344m/s；D为消声通道的当量直径，m，对于矩形通道 ，a为通道截面长度（m），d为片间距（m）。
  风机出口与消声器连接处设置过渡段，过渡段的长度为0.55m，可使流场分布更为均匀，同时能够防止出口回流，造成进口和出口的气流短路。
5 通风、散热设计
  通风、散热是保证冷却塔冷却效率的主要因素，采用隔声罩和进、排气消声器的措施对冷却塔噪声进行控制，需考虑通风、散热的问题。冷却塔选型时对风机流量和压头会有设计余量，隔声罩和进、排气消声器的设置造成的压力损失应在设计余量范围内，这是保证冷却塔有足够通风量的前提。本项目针对提出的隔声罩进、排气消声器的措施，利用数值仿真方法对机组加装隔声罩机组的通风散热进行计算，同时通过计算气流的组织形式，对隔声罩的方案进行优化。
  对设备风机流量或压力产生影响的一般主要为排气和进气消声器，其中排气消声器的压力影响相对较大。
  对排气消声器的压力损失进行仿真计算分析，通过比较风机筒内截面的平均总压进行讨论。采用计算流体动力学三维数值仿真方法（有限体积法）和Fluent商用软件，以单台风机为例，计算模型如图4所示。

图 4 数值计算模型

  经过数值计算和优化，气流在风机和消声通道内的流场组织及压力分布如图5所示。

图 5气流流场及压力分布

  对于出口处压力损失，在设计流量情况下（单台28.6kg/s），安装消声器前后的出口处平均总压分别为101Pa和106Pa，总压损失为5Pa。
  对于进口压力损失，由于有效通风面积较大，气流速度较小，压力损失影响较小，通过计算，进气消声器处的总压损失为2.8Pa。
  进、排气消声器处的总压损失为7.8Pa，根据厂家提供的参数，设计压头为55Pa，余量为15%，因此，本设计方案进、排气消声器造成的压力损失小于设计余量，满足设备的正常使用要求。

5 主体钢结构设计

  根据设计方案，隔声罩的设计包括两种不同方案，分别针对两种方案对隔声罩的结构进行设计说明。
本工程为冷却塔隔声罩工程，共一层，采用钢框架结构，总高度7.0m。本工程结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年。建筑结构安全等级为二级。
  本工程建筑抗震设防标准按丙类建筑要求，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组。框架抗震等级为三级。
  廊坊地区50年一遇的基本风压按照0.5kN/m2考虑，地面粗糙度类别为B类。
  结构支撑以工字钢为主要支撑。工字钢以原有冷却塔条形基础为支撑，进行悬挑支撑，在冷却塔原有基础侧面加固钢板，与挑梁工字钢焊接加固，框架底部外框焊接于挑梁工字钢上，在底部外框焊接工字钢作为立柱支撑。
（1）荷载计算
  屋面：屋面自重按实际板厚及做法计算，组成材料为100mm岩棉+双面0.5mm钢板，计算如下：

1kN/m3×0.1m +（0.005+0.005）m×78kN/m3=0.88kN/m2

不上人的屋面活荷载：0.5 kN/m2
（2）风荷载
  基本风压值 0.50kN/m2 ，地面粗糙程度B类。
（3）雪荷载
  基本雪压值 0.40kN/m2。
（4）利用SATWE软件对结构进行计算，过程及结果如下：
截面信息：
 
 

载荷信息：

 
计算结果：

 
  根据结构计算，隔声罩结构的周期、位移等参数均符合要求。

图 6冷却塔效果图

6 治理效果实测

  综合降噪方案实施后，我们对实际治理效果进行了现场测量，包括冷却塔内外、办公区域和居民住宅等噪声敏感点。方案实施现场前后的实测噪声值对比表6.

表6噪声治理前后实测对比表

7  总结

  针对机关办公区域内大型机力通风冷却塔进行了噪声控制工程设计，首先基于数值仿真模型，定量分析了这些冷却塔对周边环境的噪声影响，提出了噪声控制的综合治理方案，并定量预测评价了治理效果; 之后，对方案实施后的实际治理效果进行了详细测量。结果显示，在加入综合降噪措施之后，冷却塔周边居民区最不利敏感点处最大能够获得将近12.4 dBA 的降噪量，成功达到了工程预期目标。方案中对施加的降噪措施进行了暖通分析，降噪措施本身对冷却塔制冷效果基本没有影响，降噪措施施加后能显著改善冷却塔周边声环境。
  由于现场噪声源情况、周边建筑几何情况等复杂难以简单计算，类似冷却塔噪声控制工程通常凭借经验进行设计，要做到“预测即所得”的精确设计有相当的困难。本文基于效果精确预测的冷却塔降噪工程设计，能尽可能保证措施的有效性与针对性，同时避免了噪声控制工程中常见的反复补救，可作为室外大型机力通风冷却塔噪声控制工程的有益参考。

参考文献：
[1] 马大猷; 噪声与振动控制工程手册; [M].北京:机械工业出版社,2002
[2]张怀军；自然通风冷却塔噪声源控制研究［J］． 噪声与振动控制，2009，29( 1) : 153-156
[3]方丹群，张斌等；噪声控制工程学；［M］．北京；科学出版社，2013

作者简介：
姓名：李春太
出生年月：1981年3月
研究方向：噪声与振动控制
工作单位：北京寰宇和声科技有限公司
联系电话：18618293926
Email：lct810301@126.com