CC BY
107Раздел 3. Экологическая безопасность и энергоэффективность инженерных систем зданий
УДК 534.8
СТРУКТУРНЫЙ ШУМ ОТ НАСОСОВ ОТОПЛЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЕГО СНИЖЕНИЯ
В ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ
М.Ю. Владимиров, О.И. Клименкова, Н.К. Калашникова, И.П. Чеботарев
В настоящее время причины возникновения и распространения структурного шума и методы борьбы с ним являются одной из актуальных проблем в акустике. В данной работе на примере насосов отопления для жилых помещений были показаны основные пути распространения структурного шума и методы борьбы с ним. Выбор данного оборудования обусловлен большим количеством жалоб от жильцов домов, обслуживаемых этим оборудованием.
Ключевые слова: Шум, инженерные системы, насосы, акустический расчёт, звуковое давление, структурный
шум, дБ.
Насосное оборудование - неотъемлемая часть классических систем отопления жилых и общественных зданий. Насосы доставляют нагретый до нужной температуры теплоноситель в радиаторы отопления. Размещаются насосы либо в отдельном здании теплового пункта, либо в пространстве технического этажа здания. В некоторых случаях насосы могут входить в состав чиллеров1.
При работе насосов отопления излучается воздушный шум и структурный шум, который иногда называют виброшумом. Воздушный шум, излучаемый насосами, и возможные шумозащитные мероприятия достаточно хорошо освещены в специализированной периодике. В настоящей статье рассмотрим структурный шум, проблема снижения которого в настоящее время актуальна.
Одной из особенностей структурного шу-ма является распространение его на большие расстояния, и мероприятия, применяемые для снижения воздушного шума, практически не дают эффекта для структурного шума. Как пример можно привести случай с насосами, установленными в насосной станции, предназначенной для обслуживания 25-этажного жилого дома. Машзал насосной станции располагался в подвальном помещении, пристроенном к жилому дому по Волжскому бульвару..Жилые помещения в доме начинались с 3-го этажа. Несмотря на повышенную звукоизоляцию конструкций дома и звукопоглощающую облицовку поверхностей насосной, в жилых помещениях на третьем этаже и выше имел место структурный шум, который вызывал жалобы жильцов.
Другой пример, когда в жилой дом структурный шум от насосов проникал из отдельно стоящей ЦТП, расположенной на расстоянии 30м от этого дома. Здесь также были жалобы от жильцов дома.
Структурный шум от насосов распространяется двумя путями:
1) непосредственно на конструкции здания (фундаментную плиту, перекрытие или стену), в зависимости от схемы монтажа насоса;
2) по трубопроводам.
В первом случае структурный шум, распространяясь далее по конструкциям зданий, преобразуется в воздушный шум в помещениях здания. Во втором случае виброшум, распространяясь по трубопроводам, может передаваться на конструкции здания в местах «жесткого» контакта трубопроводов со стенами и перекрытиями, и далее непосредственно в помещениях преобразовываться в воздушный шум. Кроме того, структурный шум, распространяясь по трубопроводам, может преобразовываться в воздушный шум непосредственно на элементах трубопроводной сети. Трубопроводы и радиаторы отопления могут «гудеть», «звенеть». При этом в нормируемых жилых и административных помещениях зданий возникает акустический дискомфорт. Уровни звукового давления (УЗД) в нормируемых помещениях могут существенно превышать допустимые санитарными нормами значения [1] в октавных полосах. Кроме того, сама вибрация конструкций здания может оказывать существенный дискомфорт.
Правильно подобранная виброизоляция для насосов систем отопления существенно снижает уровни распространяющегося виброшума, а, следовательно, и уровни воздушного шума, излучаемого конструкциями зданий и элементами систем отопления (трубопроводами и радиаторами) во внутрь помещений.
Виброизоляция насоса осуществляется двумя путями: установкой опорных виброизоляторов под корпус насоса и установкой виброгасящих вставок между насосом и подводящими трубопроводами.
Структурный шум от работающего исправного насоса распространяется на двух основных частотах Г, Гл, Гц, где Г - основная расчетная частота вынуждающей силы насоса, Гл - «лопаточная» частота насоса (Гл = Г * п, где п - число лопаток рабочего колеса насоса). Кроме того, в спектре вибросигнала могут присутствовать гармоники лопаточной частоты. Как правильно подобрать виброизоляторы для вибрирующего насоса? Согласно [2] для насоса необходимо обеспечить требуемую эффективность акустической
1 В этом случае жидкий теплоноситель циркулирует между фанкойлами потребителей и чиллером.
виброизоляции. Эффективность акустической виброизоляции агрегата АЬ, дБ, ориентировочно определяют по формуле (8) работы [2]:
АЬ = 20^(Г2Я"22 -1), (1)
где Г - основная расчетная частота вынуждающей силы насоса, Гц;
Ь - собственная частота вертикальных колебаний виброизолируемого агрегата, Гц.
Для обеспечения в помещениях допустимых уровней шума и вибрации, создаваемых работой агрегатов, необходимо, согласно работе [2] соблюдать следующие условия:
1) эффективность акустической виброизоляции агрегата АЬ не должна быть меньше значения АЬгреб. В нашем случае АЬфеб = 26 дБ;
2) собственная частота колебаний виброизолируемого агрегата в вертикальном направлении Ь не должна превышать значений допустимых частот собственных колебаний в вертикальном направлении Ьдоп.
Расчетная частота вынуждающей силы в нашем случае - это частота вращения ротора насоса. Как правило, частоты вращения роторов насосов систем отопления находятся в диапазоне 24 - 50 Гц (1450 - 3000 об/мин).
Для виброизоляции насосов существует достаточно много разновидностей виброизоляторов. Например, резиновые перфорированные виброизоляторы ВИ-1 (см. Рис 1, 2). Они обеспечивают частоту колебаний виброизованного насоса в вертикальном направлении Ь в интервале 4,2 - 14,0 Гц в зависимости от нагрузки на виброизолятор. Минимальная частота Ь обеспечивается при установке насоса на виброизоляторы ВИ-1 (поперек каналов перфорации). Существенный недостаток виброизолятора ВИ-1 -минимальная требуемая нагрузка на виброизолятор равна 100 кг.
Виброизолировать насосы, при их монтаже на опорные поверхности, достаточно легко. Сложности возникают при виброизоляции насосов в местах их соединения с трубопроводами.
Рис. 1. Виброизоляторы ВИ-1 в свободном состоянии
Рис. 2. Виброизоляторы ВИ-1 под нагрузкой
Как правило, предотвратить передачу структурного шума от насосов на трубопроводы систем отопления пытаются при помощи виброкомпенсаторов (см. Рис 3).
V
Рис. 3. Виброкомпенсаторы
Основное назначение таких компенсаторов -компенсация продольных и поперечных смещений трубопроводов Для предотвращения передачи виброшума от насосов на трубопроводы систем отопления рекомендуется выполнять следующие мероприятия:
1) всегда проверять, работают ли насосы в оптимальном рабочем режиме (определяется гидравлическим расчетом системы). При согласованной работе насоса и сети трубопроводов уровни излучаемого насосом виброшума на частотах Г и будут иметь минимальные значения. Кроме того, при исправных насосах уровни виброшума гармоник «лопаточной» частоты будут существенно ниже уровней на частотах Г и Гл;
2) виброизолировать подводящие трубопроводы от насосов при помощи гибких вставок (см. Рис
4).
Рис.4. Виброизоляция трубопроводов с помощью гибких вставок
Первое мероприятие достаточно эффективно, если насосы установлены в отдельном здании теплового пункта и теплосеть достаточно протяженная. В этом случае можно обойтись вообще без виброизоляции. Снижение уровней виброшума на частотах £, £п, а также гармониках частоты Гл происходит с расстоянием за счет энергетических потерь виброшума на опорах трубопроводов и за счет преобразования структурного шума в воздушный в здании теплового пункта и коллекторе трубопроводов.
Далее на примере №1 будет показана их крайне низкая виброэффективность в местах традиционной установки - между фланцами насоса и подводящими трубопроводами.
Рассмотрим интересный пример по виброизоляции насосного оборудования.
Пример 1. Отопление 17-этажного жилого дома осуществляется из отдельно стоящего здания центрального теплового пункта (ЦТП). Жилой дом находится на расстоянии 18м, т.е. в непосредственной близости от ЦТП. В помещении ЦТП установлен основной циркуляционный насос отопления ЦО1 «ОРиКБРОБ» (о =160м3/ч, п = 1450 об/мин). Насос «ОРЦКВРОБ» был установлен после поломки старого основного насоса отопления. При этом между фланцами насоса и подводящими трубопроводами были установлены фланцевые виброкомпенсаторы (см. Рис 3). Внешним теплоносителем в ЦТП является специально подготовленная вода, которая поступает с ТЭЦ и передает тепло через теплообменник теплоносителю ЦТП. Циркуляционный насос перекачивает теплоноситель по трубам из ЦТП в прилегающие здания. В подвале под каждым подъездом рассматриваемого жилого дома установлены элеваторные узлы отопления - устройства, подмешивающие возвратный теплоноситель обратно в систему отопления (см. Рис. 5).
После замены основного циркуляционного насоса отопления ЦО1 в квартирах2 указанного дома появился сильный шум от радиаторов и труб системы отопления.
Рис.5. Типовой элеваторный узел системы отопления
Специалистами ООО НПФ «ЭКОПРОЕКТ АММ» были проведены натурные акустические измерения уровней шума в двух жилых комнатах квартиры указанного дома при работе основного циркуляционного насоса отопления ЦО1. Измерения проводились в двух жилых комнатах площадью по 13м2. Сравнительный анализ показал, что уровни звука (УЗ) и уровни звукового давления (УЗД) в двух жилых комнатах (Б1=13м2, Б2=13м2) квартиры при работе циркуляционного насоса ЦО1 не превышали допустимые уровни (ДУ) шума для дневного и ночного времени суток. В то же время отмечались существенные превышения над фоновыми значениями УЗД - на 3 - 8 дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 125 - 1000 Гц, что создавало условия для акустического дискомфорта и оказывало беспокоящее воздействие на жильцов.
В данном случае основной циркуляционный насос системы отопления, расположенный в ЦТП, являлся первичным источником структурного шума (виброшума). От него виброшум распространялся по трубопроводам на частотах: £, Гл и на гармониках частоты где
Г= (1450 об/мин) / (60 сек)=24 Гц; £,= (1450/60) х п, Гц, где п - число лопаток рабочего колеса насоса (в нашем случае п = 5=>:Тл= 120 Гц); 2х£л = 240 Гц, 4х£л = 480 Гц и т.д. Как показано нижеприведенным расчетом, резиновые фланцевые виброкомпенсаторы, которые установлены в ЦТП на подводящих к основному циркуляционному насосу трубопроводах, не снижают уровни структурного шума на частоте £
Эффективность виброизоляции трубопровода фланцевым виброкомпенсатором, установленном на подводящем к основному циркуляционному насосу трубопроводе, дБ, ориентировочно определяют по формуле (2):
АЬ = 201ё(£/Гу2-1) (2)
2 Все жалобы исходили от жильцов подъезда, ближайшего к месту ввода (приямку подвала) трубопроводов системы отопления, проложенных из ЦТП в жилой дом.
где Г - частота вращения вала насоса в Гц (в нашем случае Г = 24 Гц);
Гу - собственная частота колебаний виброизолированного трубопровода в горизонтальном направлении (экспериментально установлено, что Гу в нашем случае составляет около 70Гц).
При этом снижение амплитуды колебаний имеет место, если Г2/Гу2 -1> 1. В нашем случае (Г2/Гу2 -1) = - 0,88 <1 и снижение структурного шума, распространяющегося по трубопроводу на частоте Г = 24 Гц, не происходит. Рассматриваемый виброкомпенсатор немного снижает виброшум, распространяющийся по трубопроводу на «лопаточной» частоте Г л =120 Гц. Снижение структурного шума на «лопаточной» частоте Г л составляет АЬ = 5,7 дБ. Вто же время происходит существенное снижение виброшума на гармониках «лопаточной» частоты Г л. На гармонике 2хГл виброшум снижается на 20,6 дБ, на гармонике 4хГл - 33,2 дБ. Снижение уровней структурного шума на частоте Г, и дальнейшее снижение уровней структурного шума на частотах Гл и гармониках «лопаточной» частоты происходит с расстоянием за счет энергетических потерь виброшума на опорах трубопроводов и за счет преобразования виброшума в воздушный. При обследовании объекта в приямке подвала жилого дома ощущалась заметная вибрация трубопроводов системы отопления.
Таким образом, вибрация распространяется по трубопроводам из ЦТП в указанный жилой дом на частотах Г, Гл. Вибрация на тех же частотах распространяется и непосредственно теплоносителем. В теплоносителе, при его протекании через струйный насос (см. Рис.6) элеватора, происходит перераспределение энергии колебаний (так называемая «проблема в проточной части»)- вновь возникают гармоники «лопаточной» частоты 2хГл = 240 Гц, 4хГл = 480 Гц, 8хГл = 960 Гц. Теплоноситель передает колебания на гармониках «лопаточной» частоты трубам системы отопления. Далее вибрация на частотах Г, Гл, 2хГл, 4хГл, 8хГл распространялась по трубам к потребителям тепла - в квартиры рассматриваемого жилого дома. Виброшум преобразовывается в воздушный акустический.. Как было отмечено, в
сопло элеватора смешивающая камера
Д вода из обратного трубопровода
Рис.6. Схема протекания теплоносителя через струйный насос элеватора
жилых комнатах квартиры, в которых были выполнены натурные акустические измерения, отмечались превышения фоновых значений на 3 - 8 дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 125,250,
500, 1000 Гц. Превышения фоновых значений отмечались на частотах, близких к «лопаточной» частоте и ее гармониках.
Были предложены виброзащитные мероприятия:
1) Проверить, работает ли насос ЦО1 в оптимальном рабочем режиме (определяется гидравлическим расчетом системы). При согласованной работе насоса ЦО1 и сети теплоностителя ЦТП уровни излучаемого насосом структурного шума на частотах Г и Гл будут находиться на минимальном уровне. Следовательно, за элеватором амплитуда частоты Гл и амплитуды гармоник 2хГл, 4хГл, 8хГл также будут минимальны. Если есть рассогласованность системы трубопроводов и насоса (насос не работает в расчетном режиме), то произвести необходимые ремонтные работы в ЦТП;
2) Установить резиновые фланцевые виброкомпенсаторы на трубопроводах теплоносителя за элеватором подъезда (на участке между элеватором и квартирой 1-го этажа), ближайшем к приямку ввода трубопроводов теплоносителя из ЦТП.
Резиновые виброкомпенсаторы существенно снизили структурный шум, распространяющийся на частотах: 2хГл,4хГл, 8хГ л. Согласно формуле (2) снижение структурного шума АЬ составляет соответственно 20,6 дБ; 33,2 дБ; 45,4 дБ. Снижение виброшума, распространяющегося на частоте Гл , составит 5,7 дБ.
В дальнейшем было выполнено виброзащитное мероприятие, рекомендованное в пункте 2, и жалобы жильцов прекратились.
Пример 2. Чиллер фирмы-изготовителя «АЕЯМЕС» системы кондиционирования квартир жилого дома установлен на кровле 5-этажного здания (см. Рис.7).
Рис. 7. Установленный на крыше чиллер
Чиллер охлаждает или нагревает жидкий теплоноситель и подает его при помощи встроенного насоса по системе трубопроводов в фанкойлы помещений. Чиллер был смонтирован на рекомендованных продавцом виброопорах и экранирован конструкциями здания в направление окон квартир указанного жилого дома. Помещения квартир обслуживаются системами приточно-вытяжной вентиляции, окна - тройные стек-лопакеты, которые не открываются для проветривания. Система кондиционирования работает круглосуточно.
Были проведены натурные акустические измерения уровней шума в трех жилых комнатах двухуровневой квартиры на 4-м и 5-м этажах указанного дома. Измерения проводились в столовой (4-й этаж), спальне и кабинете (5-й этаж) квартиры. Измерения были проведены при работающем и выключенном чиллере.
Во всех жилых помещениях квартиры, где проводились измерения уровней шума, выявлены превышения над санитарно-гигиеническими нормами [1] при работе чиллера. Превышения составили:
- в дневное время суток - на 4 - 10 дБ в октав-ной полосе со среднегеометрической частотой 63 Гц и на 3 дБ по шкале «А»;
- в ночное время суток - на 1 -18 дБ в октавной полосе со среднегеометрической частотой 63 Гц и на 7 -10 дБ по шкале «А».
Необходимо отметить, что при работе чиллера во всех жилых комнатах, где проводились измерения шума, уровни звукового давления на октавных полосах со среднегеометрической частотой 63 Гц совпадали с уровнями звукового давления в 1/3-октавных полосах со среднегеометрической частотой 50 Гц. Во всех случаях имелась ярко выраженная тональность на третьок-тавной частоте 50 Гц. Скорость вращения вала рабочего колеса насоса составляло 2900 об/мин, а частота вращения - £■= 2900/60 = 48,3 Гц. Таким образом, можно говорить о проникающем структурном шуме. Структурный шум насоса чиллера распространялся по строительным конструкциям здания и трубопроводам, преобразуясь в акустический воздушный шум, и вызывая дискомфорт в нормируемых помещениях жилого дома.
Для снижения уровней проникающего структурного шума были предложены следующие шумо-виброзащитные мероприятия:
1) демонтировать существующие виброопоры чиллера и установить чиллер на виброизоляторы ВИ-1 (поперек каналов перфорации). Использовать 12 - 14 виброизоляторов (см. Рис 1, 2);
2) установить гибкие вставки на трубопроводах чиллера на участках от чиллера до манометров (см. Рис 4);
3) трубопроводы чиллера виброизолировать на участке «манометры - резиновые компенсаторы» при помощи четырех виброизоляторов ТМТО-1;
4) для предотвращения горизонтальных перемещений чиллера выполнить 10 виброизолированных упоров с 20 виброизоляторами ТМТО-1.
После выполнения указанных виброзащитных мероприятий с незначительными коррективами3 были проведены повторные натурные акустические измерения в тех же трех комнатах квартиры. Превышений над санитарно-гигиеническими нормами не было выявлено. Причем эффективность реализованных шумо-виброзащитных мероприятий составила 16-19 дБ в октавной полосе со среднегеометрической частотой 63Гц и 8-11 дБ по шкале «А».
Заключение
В данной работе рассмотрены основные причины возникновения и распространения структурного шума от насосов отопления для помещений, а также методы борьбы с ним. Выбор данного оборудования заключается в большом количестве жалоб на шум от этого оборудования.
В данной работе перечислены основные причины возникновения структурного шума, определены пути его распространения и приведены мероприятия по его снижению.
На примере 1 показано, что при правильном определении причин возникновения структурного шума и путей его распространения подобранные мероприятия дали снижение структурного шума на 5.7дБ на низких и на 20-45 дБ на средних и высоких частотах.
На примере 2 рассмотрено применение чиллера как источника тепла или холода в помещениях. Входящий в состав чиллера насос также может вызывать жалобы жильцов, когда является источником повышенного структурного шума в помещениях. При правильном подборе обесшумливающих мероприятий снижение шума может достигать 8-11дБА и 16-19дБ по спектру.
В обоих случаях жалобы прекратились после внедрения мероприятий по снижению структурного шума.
Литература
1. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки: Санитарные нормы. - М.: Минздрав России, 1997.
2. Пособие к МГСН 2.04-97. Проектирование защиты от шума и вибрации инженерного оборудования в жилых и общественных зданиях. М.: Правительство Москвы, Москомархитектура, 1998.
M.Y. Vladimirov, O.I. Klimenkova, N.K. Kalashnikova, I.P. Chebotarev
STRUCTURAL NOISE FROM PUMPS IN HEATING SYSTEMS AND PROBLEMS OF ITS MITIGATION IN RESIDENTIAL AND PUBLIC BUILDINGS
At present, the causes for the emergence and spread of structural noise and methods of dealing with it are one of the most actual problems in acoustics. In this paper, the heating pumps for residential buildings were taken as the example to show the main pathways of structural noise and methods to combat it. This equipment was chosen due to the large number of complaints from residents of homes served by this equipment.
Keywords: Noise, engineering systems, pumps, acoustic calculations, soundpressure, structural noise, dB.
3 В ограничивающих упорах вместо ТМТО-1 были применены другие виброизоляторы.
