王秋珍

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

組合聲屏障在風(fēng)冷式冷水機(jī)噪聲治理中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及降噪性能研究

王秋珍

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

通風(fēng)散熱與壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)噪聲是風(fēng)冷式冷水機(jī)工作中的共生問題。降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合的聲屏障可以滿足在風(fēng)冷式冷水機(jī)通風(fēng)要求的同時(shí)對(duì)冷水機(jī)的壓縮機(jī)和風(fēng)扇噪聲有顯著降噪作用。利用聲學(xué)仿真軟件CadnaA對(duì)降噪效果進(jìn)行仿真模擬，并和實(shí)際建造的組合聲屏障的降噪效果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，兩者數(shù)據(jù)高度契合，組合聲屏障在風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理中具有良好的降噪效果。

聲屏障； 噪音； 通風(fēng)； 模擬

1 引言

國(guó)務(wù)院《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，部署全面推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，鼓勵(lì)和促進(jìn)制造業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新和質(zhì)量提升。在這股產(chǎn)品創(chuàng)新和提升的智造大潮中，工業(yè)冷水機(jī)在電子、化工、冶金、建材、建筑、機(jī)械、制藥、食品等各行業(yè)得到了快速應(yīng)用。伴隨而生的是工業(yè)冷水機(jī)在使用中所產(chǎn)生的噪聲污染越來越嚴(yán)重，不僅影響著冷水機(jī)使用單位職工的身心健康和工作效率，也給周邊居民的生活環(huán)境帶來了嚴(yán)重的噪聲干擾。根據(jù)國(guó)家一系列的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(如《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》、《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)企業(yè)職工聽力保護(hù)規(guī)范》)的要求以及環(huán)保主管部門的督促，很多單位開始重視對(duì)工業(yè)冷水機(jī)的噪聲治理工作。

工業(yè)冷水機(jī)按其在制冷過程中產(chǎn)生的熱量排放方式(冷凝器的型式)，可分為風(fēng)冷式和水冷式兩大類。但無(wú)論是風(fēng)冷還是水冷，冷水機(jī)所產(chǎn)生的冷量都是以冷凍水形式提供的，都稱為冷水機(jī)。相較于水冷式冷水機(jī)，風(fēng)冷式冷水機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)安裝方便：機(jī)組自帶冷凝風(fēng)扇，無(wú)需外接冷卻塔、冷卻水泵；(2)節(jié)約水資源；(3)節(jié)省用地面積；(4)供冷效果穩(wěn)定(水冷式會(huì)因水垢影響供冷效果)。風(fēng)冷式冷水機(jī)無(wú)論是在使用行業(yè)或使用數(shù)量上都比水冷式冷水機(jī)要廣泛得多。在噪聲治理上，風(fēng)冷式冷水機(jī)存在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)冷卻散熱和工作噪聲問題以及壓縮機(jī)工作噪聲問題，而水冷式冷水機(jī)只存在壓縮機(jī)工作噪聲問題，風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理比水冷式冷水機(jī)的噪聲治理的難度大很多，因此，本文單就風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理問題進(jìn)行論述。

2 風(fēng)冷式冷水機(jī)在噪聲治理中的特殊性

如圖1所示：風(fēng)冷式冷水機(jī)，主要由制冷劑循環(huán)、水循環(huán)、電器自控三個(gè)相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成。其制冷劑循環(huán)系統(tǒng)是：蒸發(fā)器8中的液態(tài)制冷劑吸收回水12中的熱量并開始蒸發(fā)，使制冷劑與水之間形成一定的溫度差，液態(tài)制冷劑完全蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)后被壓縮機(jī)1吸入并壓縮(壓力和溫度增加), 將常溫的水通過壓縮機(jī)制冷到一定的溫度，冷凝器4吸收熱量，凝結(jié)成液體，散熱風(fēng)扇5將冷凝器交換出的熱量向空中擴(kuò)散。通過干燥過濾器6和膨脹閥(或毛細(xì)管)7節(jié)流后變成低溫低壓制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器8，完成制冷劑循環(huán)過程。其水循環(huán)系統(tǒng)是：水泵9負(fù)責(zé)將水從蒸發(fā)器8的水箱中抽出泵到用戶需冷卻的設(shè)備，冷凍水將熱量帶走后溫度升高，再回到冷凍水箱中。電器自控系統(tǒng)：包括電源部分和自動(dòng)控制部分。電源部分是通過接觸器，對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)扇、水泵等供應(yīng)電源。自動(dòng)控制部分包括溫控器、壓力保護(hù)、延時(shí)器、繼電器、過載保護(hù)等相互組合達(dá)到根椐水溫自動(dòng)啟停，保護(hù)等功能。

圖1 風(fēng)冷式冷水機(jī)原理圖

由上述風(fēng)冷式冷水機(jī)的工作原理可知：要治理風(fēng)冷式冷水機(jī)在工作中所產(chǎn)生的噪聲，首先是要對(duì)壓縮機(jī)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的噪聲進(jìn)行屏蔽，同時(shí)，要考慮冷凝器散熱時(shí)風(fēng)機(jī)所必須的風(fēng)速風(fēng)量，還須考慮冷凝器散熱時(shí)風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)面積及對(duì)應(yīng)平面、風(fēng)機(jī)出風(fēng)面積及對(duì)應(yīng)平面。風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理，既不能對(duì)其全屏蔽全封閉，也不能對(duì)屏蔽面積無(wú)限擴(kuò)張，增大用地面積和治理費(fèi)用。所以需設(shè)計(jì)出一種兼顧上述兩種要求的特殊方案，達(dá)到優(yōu)化噪聲治理的效果。

3 組合聲屏障的設(shè)計(jì)

3.1 降噪百葉窗的結(jié)構(gòu)：

風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理首先要考慮的是降噪消聲必須要保證散熱風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)散熱。所以，需要使用消聲百葉窗，一種允許氣流通過，又能消除噪聲的窗式結(jié)構(gòu)，百葉條上部是防雨不銹鋼板，中間是超細(xì)玻璃棉，下部是小孔鋼板網(wǎng)。其基本結(jié)構(gòu)有四種形式，如圖2所示：

圖2 消聲百葉窗的四種結(jié)構(gòu)形式

在選用消聲百葉窗的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，還要考慮風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲發(fā)源處的聲源震動(dòng)倍頻帶的中心頻率。根據(jù)華東建筑設(shè)計(jì)研究院的計(jì)育根等實(shí)際測(cè)量，風(fēng)冷式冷水機(jī)(或風(fēng)冷式熱泵)的噪聲最大值出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，其聲源震動(dòng)倍頻帶的中心頻率范圍是125-2000Hz，極值范圍在1000Hz左右[1]。圖3是華東建筑設(shè)計(jì)研究院的計(jì)育根等實(shí)際測(cè)量美國(guó)約克幾種風(fēng)冷式冷水機(jī)噪聲發(fā)源處的聲源震動(dòng)倍頻帶的中心頻率曲線圖。

圖3 風(fēng)冷式冷水機(jī)噪聲中心頻率曲線

在確定了聲源震動(dòng)倍頻帶的中心頻率范圍后須根據(jù)表1及表2選擇消聲百葉窗的結(jié)構(gòu)形式。

表1 消聲百葉窗消聲量(dB)

通風(fēng)凈面積按外框尺寸30-50%計(jì)算，通過消聲百葉窗凈面積的風(fēng)速以小于4m/s為宜。

表2 消聲百葉窗規(guī)格表

消聲百葉窗氣流阻力小，消聲量大，外形美觀，通過合理設(shè)置衰減噪聲的輻射，葉片下側(cè)設(shè)置的微孔活塞式吸聲共振體吸收噪聲。每平方米適用流量1500m3/h～3000m3/h。

3.2 隔聲屏的結(jié)構(gòu)

考慮到風(fēng)冷式冷水機(jī)在使用過程中會(huì)有檢修維護(hù)或撤裝的方便，隔聲屏采用圖4所示凹凸止口形狀，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。圖5表述了隔聲屏的隔聲材料構(gòu)成:迎聲面是1mm的不銹鋼板網(wǎng)，穿孔率不得低于20%，接著是50mm厚的巖棉板，中間100mm厚的離心玻璃棉，玻璃棉后是隔聲氈，最外面是1mm厚的彩板或不銹鋼板做成的防雨板。噪聲穿透不銹鋼板網(wǎng)，阻止了噪聲波的反射，噪聲波進(jìn)入巖棉板后反復(fù)震蕩，聲能大部被消耗掉，少量高頻噪聲進(jìn)入離心玻璃棉內(nèi)，被進(jìn)一步的消耗。經(jīng)過隔聲氈和防雨板的阻隔，噪聲被降下來。

圖4 隔聲屏外形結(jié)構(gòu)

圖5 隔聲屏剖面結(jié)構(gòu)

3.3 T形圓弧頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)

針對(duì)風(fēng)冷式冷水機(jī)的特殊性，結(jié)合國(guó)外當(dāng)前的設(shè)計(jì)范例，即通過改善聲屏障幾何形狀及吸聲性能，特別是在豎直障板頂端加上一些簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)，在不增加聲屏障高度的情況下顯著提高聲屏障的降噪隔聲性能[2]。T 形圓弧形頂部結(jié)構(gòu)具有環(huán)境協(xié)調(diào)，外觀美觀，制造、安裝、維修方便等特點(diǎn)。圓弧形頂部結(jié)構(gòu)剖面如圖6所示。

圖6 防繞射T形圓弧頂結(jié)構(gòu)

T形防繞射聲屏障頂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使噪聲傳播中難處理的噪聲繞射問題得到解決。此結(jié)構(gòu)采用了吸聲材料形成空腔，可以最大程度的阻隔和吸收通過頂部繞射的噪聲。該結(jié)構(gòu)由鋼框架形成的空腔填入離心玻璃棉，底部由穿孔不銹鋼板，頂端由吸聲材料和防雨板等構(gòu)成?？蚣苄纬扇齻€(gè)截面積變化的空腔，.空腔間相互隔開[3]。這種結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是采用漸變截面空腔結(jié)構(gòu)形式，吸聲頻帶變寬；由于有較深的空腔，吸聲頻帶向低頻移動(dòng)，從而提高聲屏障的降噪效果。大大降低隔聲屏障的高度，節(jié)約了建設(shè)成本，提高了降噪效果。

4 組合式隔聲屏的應(yīng)用

降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂?shù)慕M合聲屏障在理論上是可行的，在實(shí)際應(yīng)用中的狀況如何呢？某非紡織布公司按照 “降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂”的組合方式，對(duì)風(fēng)冷式冷水機(jī)噪聲進(jìn)行了治理。治理前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 冷水機(jī)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 隔音墻下部百葉窗(半月形)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，兩臺(tái)風(fēng)冷式冷水機(jī)壓縮機(jī)噪聲分別為74dB(A)和79dB(A)，風(fēng)機(jī)的噪聲是81 dB(A)和85dB(A)，結(jié)合部是87dB(A)。冷水機(jī)高度是2.35米。治理噪聲的聲屏障具體結(jié)構(gòu)如圖9：

圖9 降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合隔聲屏

即底部是百葉為半月形的百葉窗，中部是巖棉板和離心玻璃棉等組成的隔聲板，頂部是T形圓弧頂組合成的隔聲屏。因一邊靠近廠房，故未設(shè)置隔聲屏。

5 聲學(xué)仿真軟件CadnaA對(duì)組合式隔聲屏的模擬數(shù)據(jù)

針對(duì)該公司風(fēng)冷式冷水機(jī)的降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合的聲屏障設(shè)計(jì)，應(yīng)用聲學(xué)仿真軟件CadnaA進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真模擬，得出以下視圖(圖11)：

圖10 隔聲屏高度為4.2米。噪聲源高度為2.3米，高度為2米平面噪音預(yù)測(cè)圖

據(jù)《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB12348-2008)規(guī)定：工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲應(yīng)執(zhí)行3類聲功能區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，晝間(6:00～22:00)：65dB(A); 夜間(22:00～6:00): 55dB(A)。

表3 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放限值 單位：dB(A)

根據(jù)聲學(xué)仿真軟件CadnaA對(duì)組合式隔聲屏的模擬數(shù)據(jù)，降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合的聲屏障在設(shè)計(jì)上是可行的。

6 組合式隔聲屏的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

該公司風(fēng)冷式冷水機(jī)的降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合的聲屏障建成使用一星期后，對(duì)治理效果進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB12348-2008)規(guī)定，取廠界測(cè)量點(diǎn)為廠界圍墻外1m，高于圍墻0.5m以上的位置進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)均與聲學(xué)仿真軟件CadnaA的仿真模擬數(shù)據(jù)高度吻合。

7 結(jié)論

風(fēng)冷式冷水機(jī)的噪聲治理，在不密封不擴(kuò)大隔聲面積的情況下，應(yīng)用降噪百葉窗+隔聲屏+T形圓弧頂組合的聲屏障是可行的。在使用降噪百葉窗時(shí)，必須計(jì)算風(fēng)機(jī)通風(fēng)量及風(fēng)速要求，合理設(shè)置降噪百葉窗通風(fēng)面積，保證散熱風(fēng)機(jī)通風(fēng)需要。

[1]計(jì)育根，夏元龍，胡仰耆.常用風(fēng)冷式熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組的噪聲測(cè)量和分析[J]. 暖通空調(diào),1999，(3)：29.

[2]朱曉天，候秋文.脈沖法對(duì)隔聲屏障頂端式樣的衍射分析[J].環(huán)境工程，2006，24(3)：54-57．

[3]張英，周敬宣，夏鍇，等.聲屏障吸聲作用對(duì)繞射降噪量貢獻(xiàn)的分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2007，(3)：100-102.

On Structure Design and Noise Reduction Performance of Combined Noise Barrier in Noise Control of Air Cooled Water Chiller

WANG Qiu-zhen
(School of Physics and Electronics Information, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

Ventilation, heat dissipation, and noise of compressor and fan are the symbiotic problems in air-cooled chillers. Noise barrier with noise reduction shutter, sound screen and T-shape arc top have significant noise reduction effect on compressor and fan noise of water cooler while satisfying the requirement of ventilation of air cooling chiller. The noise reduction effect is simulated by the acoustic simulation software CadnaA, and which is compared with that of the actual constructed noise barrier. The results show that the data of both are highly consistent, and the combined noise barrier has good noise reduction effect in the noise control of air-cooled chillers.

noise barrier; noise; ventilation; simulation

TB65

A

1674-344X(2017)8-0016-05

2017-07-02

王秋珍(1963-)，女，湖北武漢人，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)電一體化。