Проблемы шума в системах распределения воздуха

E. Cirillo

Зачастую системы распределения воздуха создают немалые проблемы с точки зрения акустики в силу того, что использование вентиляторов большой мощности и высокая скорость движения воздуха по воздуховодам генерируют шум и вибрацию.

Вообще говоря, проблему шумности следует рассматривать уже на этапе проектирования систем распределения воздуха, поскольку на готовом объекте проводить корректирующие действия всегда сложнее и дороже.

Для того чтобы проектируемая система распределения воздуха имела хорошие показатели по акустике, полезно будет учесть следующие обстоятельства: описываемый феномен обусловлен одновременным наличием источника шума, средств передачи и приемника. Источниками шума являются механические и электрические устройства: вентиляторы, компрессоры, насосные агрегаты, а также диффузоры, решетки, клапаны. Все они генерируют шум, распространяющийся по воздуховодам через структуру самого сооружения и различными путями поступающий к приемнику, иначе говоря, к людям, находящимся в здании (рис. 1).

Рисунок 1. Пути распространения шума от источника к приемнику: 1 – шум, передаваемый через структуру сооружения – полы; 2 – шум, передаваемый воздушным путем через систему подачи воздуха; 3 – шум, генерируемый в трубопроводной сети; 4 – шум, передаваемый воздушным путем через систему возврата воздуха; 5 – шум, передаваемый через структуру сооружения – стеновые конструкции; 6 – источники шума; 7 – приемник

С точки зрения акустики такие источники шума помимо мощности и направленности характеризуются также спектром излучения, который может содержать низкочастотные либо высокочастотные колебания, тоновые или широкополосные, непрерывного типа либо изменяющиеся во времени.

Важно проанализировать с точки зрения спектра излучения все узлы используемого оборудования, поскольку, во-первых, низкочастотный шум регулировать сложнее, чем шум средних и высоких частот, а во-вторых, чистые тона и изменяемость во времени делают шум особенно неприятным (рис. 2).

По результатам исследований, проведенных в 1990-х годах в Великобритании и Швейцарии, низкочастотный шум (до 200 Гц), излучаемый вентиляционным оборудованием и системами кондиционирования воздуха, непосредственно влияет на самочувствие людей и существенно снижает трудоспособность. Характерными симптомами являются повышенная утомляемость, затруднения с концентрацией внимания, головная боль.

Таким образом, технической задачей является разработка проекта системы распределения воздуха таким образом, чтобы в помещении соблюдались как расчетные показатели, так и предельно допустимые уровни шума. Ниже мы подробнее рассмотрим некоторые аспекты проблемы шумности в системах распределения воздуха.

	Рисунок 2. (подробнее) Шумовой спектр различных типов механических устройств
	Рисунок 3. (подробнее) Спектральная динамика шума, генерируемого центробежными и аксиальными вентиляторами

Вентиляторы

От того, насколько тщательно будут рассчитаны параметры системы вентиляции и правильно произведена установка оборудования, в значительной степени зависит качество системы воздухоподготовки и вероятность последующих корректирующих действий по снижению шумности работы агрегатов.

Поскольку мощность звукоизлучения вентиляторов определяется механической мощностью, при проектировании системы распределения воздуха необходимо минимизировать препятствия на пути движения потока. Вентиляторы следует выбирать с наименьшими показателями акустической мощности при прочих равных аэродинамических характеристиках.

Акустическая мощность может быть рассчитана, например, по формуле:

L_W = 10logV + 20log∆P dB в зависимости от объемного расхода V, м³/ч, и полного давления ∆P , Па.

Следует, тем не менее, подчеркнуть, что результат решения данного уравнения будет иметь достоверность с допускаемым отклонением в пределах ±4 дБ. Уточнить данные можно непосредственно у производителей оборудования, особенно, если испытания проводятся согласно требованиям действующих нормативов. Наибольшее значение имеют те данные по звукоизлучению агрегатов, которые позволяют определить акустическую мощность вентиляторов на сети воздуховодов. Как правило, предоставляются данные об уровне звуковой мощности устройства, а также повышающие коэффициенты для определения частотного спектра звукоизлучения на всасывающем и подающем патрубках вентилятора.

Разные типы вентиляторов дают различное звукоизлучение, и шумность агрегатов в пределах одной категории определяется различными факторами. Чаще всего, если вентилятор подобран для работы в условиях наивысшей аэродинамической эффективности строго в соответствии с расчетными показателями напора и расхода воздуха и с точки зрения акустики, его рабочие параметры будут неплохими. Снижение эффективности даже на несколько процентов из-за того, что разработчик «перебрал» или «недобрал» в части расчетных параметров, может вдвое увеличить уровень звукоизлучения системы (+3 дБ).

Говоря о двух наиболее распространенных типах вентиляторов – центробежных и аксиальных (осевых), следует отметить, что звуковой спектр последних достаточно ровный, а первые дают снижение шума порядка 4–6 дБ на октаву. Для центробежных вентиляторов характерным является генерирование и распространение низкочастотного шума. Аксиальные (осевые) вентиляторы, будучи несколько тише на низких частотах по сравнению с центробежными вентиляторами той же мощности, гораздо более шумные на высоких частотах (рис. 3).

Правильный выбор типа вентилятора и его рабочей точки дает возможность регулировать в определенных пределах спектральные составляющие излучаемого шума, соответствующие той или иной частоте и ей кратным, определяемым умножением скорости вращения рабочего колеса на число лопаток. Центробежные вентиляторы с лопатками, загнутыми вперед, применяемые во многих кондиционерах, на низких частотах генерируют характерный гул, особенно когда рабочая точка левее точки максимальной производительности. Центробежные вентиляторы с лопатками, загнутыми назад, либо с крыльчатым профилем (притом, что их энергетическая эффективность намного выше), как правило, все-таки более шумные, чем такие же вентиляторы с лопатками, загнутыми вперед, в частности, в указанной выше полосе частот, находящейся, к сожалению, в диапазоне, смягчить который весьма проблематично. В полосах ниже и выше такие вентиляторы тише вентиляторов с лопатками, загнутыми вперед.

Аксиальный вентилятор по сравнению с любым другим вентилятором, при аналогичных заданных параметрах давления и производительности, генерирует меньше шума на низких частотах. С акустической точки зрения это обстоятельство имеет большое значение, поскольку гораздо труднее бороться с низкими частотами, чем с высокими.

Рисунок 4. (подробнее) Распространение шума, излучаемого агрегатами воздухоподготовки крышного типа

Скорость воздуха в воздуховодах

Скорость перемещения воздуха является причиной аэродинамического шума, главным образом на изогнутых участках, ответвлениях, регулирующих заслонках и других компонентах систем распределения воздуха. Поэтому рекомендуется избегать резкой смены сечения воздуховодов. Вообще говоря, их следует постепенно наращивать с углом расширения не более 15°. В противном случае на таких участках вероятно отделение воздушного потока от плоскости трубопровода, что резко повышает шумность. Соединения в зонах ответвлений либо изгибов следует оформлять очень мягко. И, наконец, необходимо, чтобы скорость воздуха была как можно ниже, поскольку чем она ниже, тем ниже аэродинамический шум в воздуховоде: его уровень снижается пропорционально снижению скорости воздуха. С учетом параметров воздуховодов, особенностей установки и назначения помещения рекомендуется не превышать показатели скорости воздуха, приведенные в таблице.

В том случае если речь идет о помещениях с особыми требованиями к акустике, регулирующие заслонки и аналогичные устройства нельзя устанавливать на участке непосредственно перед воздухораспределительным устройством. Расстояние между ними должно быть не менее 5–10 диаметров, при этом данный участок обязательно закрывается звукопоглощающими панелями.

Воздухораспределительные устройства вентиляционных систем (как правило, диффузоры и решетки) необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы генерируемый шум был приемлемым с учетом непосредственного назначения помещения, где их намереваются установить. За основу здесь можно взять данные, предоставляемые производителем. Однако следует помнить, что производитель осуществляет замеры в режиме плавного изменения скорости воздуха в патрубке воздухораспределительного устройства (диффузора или решетки). Если непосредственно перед этим устройством предусматривается изгиб либо установлена регулирующая заслонка, поток воздуха будет характеризоваться завихрениями, из-за чего фактический уровень шума может быть существенно выше (с превышением номинальных показателей до 12 дБ). И тогда придется ставить в воздуховоде перед диффузором стабилизирующую решетку для выравнивания потока воздуха.

Системы с переменным расходом воздуха (VAV-системы)

Системы с переменным расходом воздуха в силу возможности изменять транспортируемые его объемы, безусловно, позволяют уменьшить энергопотребление, но при этом приводят к значительному увеличению уровня шума вентилятора. Во избежание проблем проектировщику придется с большей тщательностью, нежели того требуют системы с постоянным расходом воздуха, отнестись к расчету сети воздуховодов, систем регулирования статического давления, равно как и к выбору самого вентилятора или кондиционера и соответствующих систем регулирования расхода воздуха.

Как и для других систем, для систем с переменным расходом воздуха сети воздуховодов должны проектироваться таким образом, чтобы потери статического давления были минимальными, особенно на участках трубопровода вблизи вентилятора либо собственно кондиционера.

Вообще в системах с переменным расходом воздуха проблемы повышенных уровней шума чаще всего обусловлены некорректным регулированием системы распределения воздуха. Классический пример – регулирование только посредством позиционирования заслонок без изменения (уменьшения) скорости вращения рабочего колеса вентилятора. В этом случае в сети воздуховодов, где ни одна из заслонок не открыта до конца, вентилятор будет работать в условиях большего статического давления по сравнению с тем, которое ему фактически необходимо. Полностью открыв либо вообще убрав регулирующие заслонки, мы избавимся от шума.

С точки зрения уровней шума выбор вентилятора для системы с переменным расходом воздуха представляется более трудным, чем для системы с постоянным расходом воздуха.

В системе с постоянным расходом воздуха вентилятор выбирается с расчетом на работу с наивысшей производительностью при заранее определенном расходе воздуха. Для систем с переменным расходом воздуха, напротив, вентиляторы выбираются с расчетом на стабильное функционирование в пределах всего рабочего диапазона. Обычно вентиляторы выбираются для работы с максимальной производительностью на 70–80 % максимального пропускного объема (расхода). В этом случае при фактическом недоборе по отношению к максимальной производительности при 100%-м расходе вентилятор будет более шумным. Но рост уровня шума с превышением до 5 дБ еще может считаться приемлемым. А вот вентилятор с завышенными расчетными параметрами может дать потерю скорости при срыве потока. И здесь рост уровней шума пойдет в основном в полосе низких частот, а это весьма неприятно.

Регулирование расхода воздуха в VAV-системах можно осуществлять следующим образом:

1. Устанавливать регуляторы расхода воздуха с поворотными лопатками на всасывающий патрубок либо регулирующие заслонки на нагнетательный патрубок вентилятора. При этом меняются рабочие параметры вентилятора и, соответственно, сдвигается диаграмма зависимости давление-расход. Регуляторы расхода с поворотными лопатками на всасывающем патрубке позволяют регулировать расход воздуха путем изменения воздушного потока на входе в вентилятор. В этом случае расход воздуха и давление вентилятора меняются даже при неизменной скорости вращения. Это ведет, с одной стороны, к снижению шума в воздуховодах вследствие снижения скорости и давления пропускаемого в них воздуха, с другой стороны – к росту уровня шума самого вентилятора вследствие турбулентности и деформации воздушного потока в регулирующих устройствах, препятствующих всасыванию вентилятора.

В центробежных вентиляторах с лопатками крыльчатого профиля, где регуляторы установлены внутри всасывающего патрубка, звуковой уровень характерной частоты при прохождении через лопатки увеличивается с 2 до 8 дБ в зависимости от снижения расхода воздуха. Рост может быть незначительным (в пределах 2–3 дБ) на установках наружного типа. И, наконец, у вентиляторов с загнутыми вперед лопатками эти показатели обычно меньше на 1–2 дБ.

У вентиляторов аксиального типа регуляторы дают рост уровней шума на низких частотах от 2 до 8 дБ при положении, когда регулятор перекрывается в пределах от 25 до 50 %.

2. Устанавливать вентиляторы аксиального типа с переменным шагом и изменяемым углом поворота лопаток, что позволяет повысить производительность в режиме установленного расхода воздуха. При сокращении расхода от 80 до 40 % от номинального уровни шума вентилятора снижаются в пределах от 2 до 5 дБ по всему частотному диапазону от 125 до 4 000 Гц.

3. Устанавливать вентиляторы с электрическим приводом, обеспечивающим постоянное регулирование скорости вращения. Снижение скорости вращения вентилятора дает снижение излучаемой звуковой мощности ∆L_W, рассчитываемой при помощи следующего уравнения:

∆L_W = 50log n₂/n₁, дБ

где n₂ – уменьшенная скорость вращения относительно n₁.

Регулирование скорости вращения рабочего колеса вентиляторов осуществляется воздействием на двигатель путем электронного регулирования частоты электропитания при помощи устройств, которые, к сожалению, повышают общий уровень шума. Чаще всего это устройства типа CSI (инвертор, работающий в качестве источника тока), VSI (инвертор, работающий в качестве источника напряжения) и PWM (инвертор с модуляцией амплитуды импульсов). Наименее шумными считаются CSI и PWM третьего поколения. В любом случае уровни шума двигателя обуславливаются парой двигатель/регулятор, равно как и качеством обмотки. На самом деле двигатель излучает чистый тон, интенсивность которого зависит от неровности формы волны тока питания.

В целом можно сказать, что установка на всасывающем патрубке регуляторов расхода с поворотными лопатками либо регулирующих заслонок на нагнетании вентилятора может повысить шумность системы при работе в режиме сокращенного расхода, тогда как при использовании вентиляторов с переменным шагом лопаток либо регулированием скорости вращения в режиме сокращенного расхода система будет работать тише, чем при максимальной производительности.

Устройства воздухоподготовки крышного типа

Обычно такие системы очень шумные и дают большую вибрацию. Причины – близость установок к обслуживаемому объекту, ошибки строительно-монтажного проекта, недостаточная виброзащищенность конструкций, неэффективность вентиляторов, ошибки расчета воздуховодов.

Корректный расчет данного типа оборудования может существенно снизить функциональные шумы воздуховодной сети. Следует учитывать, что крышные установки зачастую монтируются на легких перекрытиях, в которых проделываются широкие проемы для организации сети подачи и отвода воздуха. Посредством этих воздуховодов крышная станция воздухоподготовки напрямую соединяется с кондиционируемыми помещениями. Нередко никаких специальных мероприятий по звукоизоляции и виброзащите не проводится вообще. Да и пространства для таких материалов не оставляется. При работе с установками крышного типа главное и основное правило: станцию располагают на участке, где акустическое воздействие на нижние помещения не является критичным: складские помещения, коридоры, санузлы, любые зоны, где нет постоянных посетителей.

Шумы, излучаемые станциями воздухоподготовки крышного типа, как правило, распространяются по следующим направлениям (рис. 4):

1. По воздуху от нижней части устройства кондиционирования в направлении обслуживаемых помещений. Такие шумы, генерируемые различными компонентами внутри шкафа агрегата воздухоподготовки, через стены идут в помещение снизу, как правило, непосредственно через подающий и отводящий воздуховоды. Поэтому рекомендуется проемы для них устраивать на достаточном расстоянии от обслуживаемых помещений и после прокладки конструктивных элементов для транспортировки воздуха тщательно заделывать их изолирующим составом. Для снижения шума, передаваемого по воздуху, рекомендуется саму крышную установку подготовки воздуха также монтировать на некоторой высоте от сечений воздуховодов в крышном перекрытии. Кроме того, опять-таки для снижения уровней шума в сети необходимо должным образом изолировать прямолинейные участки воздуховодов, параллельные перекрытию.

2. Через структуру здания. Вибрации генерируются отдельными компонентами агрегатов воздухоподготовки. Такие компоненты рекомендуется тщательно изолировать вибропоглощающими материалами.

3. Через подающие воздуховоды. Шумы здесь генерируются турбулентностью, чаще всего на участке у приточного патрубка вентилятора, а также у первого поворота воздуховода. Это, как правило, низкочастотные грохочущие шумы, и приглушить их довольно затруднительно. Можно рекомендовать прокладку воздуховода в вентиляционном коробе с подходящими акустическими параметрами.

4. Через вытяжные воздуховоды. Для уменьшения шума можно разделить такой воздуховод на несколько каналов, каждый из которых следует тщательно изолировать звукопоглощающим материалом (минимальная толщина слоя 25 мм), а также установить глушители либо использовать звукопоглощающие короба.

Перепечатано с сокращениями из журнала «CDA».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено В. Д. Коркиным – зав. кафедрой СПб ГАИЖСА им. И. Е. Репина.