熊鴻斌,　吳　瑋

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥　230009)

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地下供熱、供水泵房降噪與減振的比例控制初探

熊鴻斌,吳瑋

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥230009)

摘要:地下泵房對樓上住戶的噪聲影響可以遠至10層樓,其振動和噪聲治理難度大,效果不理想。文章以合肥市香樟雅苑小區(qū)為例,進行了減振和降噪實驗研究,通過預(yù)測水泵機組系統(tǒng)空氣聲和固體聲對樓上住戶的影響,試圖找出水泵振動與噪聲對樓上住戶室內(nèi)噪聲影響的比例關(guān)系；試驗證明采取隔振措施后,居民家中噪聲治理程度最好的結(jié)果只能達到應(yīng)降噪量的80%～90%,必須通過聲源降噪等措施解決10%～20%的降噪量;根據(jù)這種比例關(guān)系采取了振動、噪聲的協(xié)同控制技術(shù),對減振、消聲、吸聲和隔聲系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計,為地下泵房噪聲的治理提供了一個新的理論和實踐途徑。

關(guān)鍵詞:噪聲;振動;地下泵房;比例關(guān)系;協(xié)同控制

地下供熱、供水泵房正常運行時,機組設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和振動對樓上住戶室內(nèi)噪聲影響大,會嚴重影響居民正常生活。關(guān)于水泵噪聲對建筑物室內(nèi)影響的預(yù)測很少,噪聲與振動對樓上住戶的噪聲影響的貢獻值比例研究也較少。文獻[1]提出了有限元聲學法,借助Anasys軟件,建立了有限元實體模型,對水泵房相鄰房間進行噪聲預(yù)測,但是預(yù)測值與實測值相比明顯偏小,并且只考慮了低頻振動源的影響。國外對建筑物內(nèi)的噪聲問題很重視,文獻[2]針對住宅樓內(nèi)的水泵、變壓器等設(shè)備的低頻噪聲對居民健康的影響進行了評價和研究；文獻[3]針對暖通空調(diào)制冷設(shè)備的振動造成建筑物內(nèi)業(yè)主和住戶環(huán)境受到影響的問題提出了一些實用的隔振理論和安裝指南。對水泵的噪聲與振動問題,多從源頭分析,以主動控制為主或在水泵制作過程中加入整體隔振器[4]。

水泵噪聲呈中低頻特性[5],長期的低頻噪聲會對人體健康產(chǎn)生很大的危害[6]。但是國內(nèi)在地下室噪聲控制方面，對治理后低頻聲是否達標的研究較少。文獻[7]以西安市某高層建筑地下室內(nèi)的換熱設(shè)備和水泵房為例,對地下1層的水泵房采用了隔振治理,治理后室內(nèi)聲壓級低于45 dB；文獻[8]對山東某高校住宅小區(qū)的地下2層的泵房進行了減振、吸聲和隔聲處理,治理后住戶室內(nèi)的噪聲低于40 dB；文獻[9]對某高層住宅的地下1層的水泵房進行了隔振和降噪處理。以上研究均未提及低頻聲的治理效果。

對水泵機組隔振，多選擇混凝土基座分別結(jié)合橡膠減振器、彈簧減振器或者橡膠減振墊[10-11]的方式,將其結(jié)合使用的研究較少,本研究選取了混凝土基座隔振、彈簧減振器結(jié)合雙層橡膠減振墊的復(fù)合隔振系統(tǒng),取得了很好的隔振效果。

合肥市香樟雅苑小區(qū)地下供熱、供水泵房是一個典型的地下供熱、供水泵房,本文以此為例,提供一種地下泵房噪聲比例控制的思路。首先分析噪聲源，然后分別對噪聲和振動對樓上住戶室內(nèi)噪聲的影響進行預(yù)測,定量分析不同傳播途徑噪聲的貢獻,得到噪聲和振動對樓上住戶室內(nèi)影響的比例關(guān)系,據(jù)此比例關(guān)系提出了一種新型的復(fù)合隔振技術(shù),結(jié)合降噪治理,使得治理效果能夠同時滿足《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》[12]中表2和表3的要求,低頻噪聲控制效果良好。

1地下供熱、供水泵房噪聲源分析

香樟雅苑小區(qū)位于聲功能區(qū)2類區(qū)域,整個小區(qū)的供熱供水系統(tǒng)安裝在其高層文墨齋5號樓(共18層)1單元的負一層內(nèi),是樓上居民室內(nèi)的主要噪聲來源。系統(tǒng)的主要設(shè)備有24 臺水泵機組,每號泵組都為2臺套,一備一用。每套泵組包括2臺采暖循環(huán)泵(流量為173 m3/h,質(zhì)量700 kg,功率30 kW)、2臺采暖定壓泵(流量分別為8 m3/h和23.5 m3/h,質(zhì)量120 kg和304 kg,功率5.5 kW和7.5 kW)、2臺采暖換熱泵(流量為93.5 m3/h,質(zhì)量216 kg,功率15 kW)、6臺熱水循環(huán)泵(流量為11.7~25 m3/h,質(zhì)量60~70 kg,功率1.5~3.0 kW)。另外,泵房里還有分汽缸、水箱、供回水管道，管路上的排氣閥、減壓閥、伸縮器閥件及室內(nèi)地溝等。

水泵產(chǎn)生的噪聲向外傳播有空氣傳聲和固體傳聲[13]2種方式。供熱供水系統(tǒng)正常運行時,現(xiàn)場的主觀感覺是聽到巨大的轟鳴聲,交談困難,接觸泵組及管道能感覺其劇烈的振動,其影響范圍為1~6層住戶。系統(tǒng)正常運行時,在居民室內(nèi)測得夜間連續(xù)等效聲壓級,測點位于室內(nèi)中心,距地板垂直距離1 m處。噪聲控制前的噪聲影響(夜間)見表1所列。按《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》[12]中表2的要求,2類功能區(qū)A類房間夜間噪聲排放限值為35 dB(A),B類房間夜間為40 dB(A),從表1可知,1~6層住戶家中噪聲均已超標,需要進行噪聲控制。本研究將水泵標記為1#～12#,水泵機組、分氣缸和減壓閥單獨開啟時距噪聲源1 m處的實測噪聲的連續(xù)等效聲壓級和噪聲頻譜見表2所列，如圖1所示。從表2和圖1可以看出,水泵機組噪聲在70～86 dB之間,噪聲在31.5～125 Hz和2～8 kHz之間有最大值。分氣缸和減壓閥的噪聲值高于水泵機組,可達到90.6 dB和91.6 dB,噪聲以中、高頻為主,能量主要集中在2～8 kHz之間。

表1　噪聲控制前的夜間噪聲影響

表2　距聲源1 m處的實測噪聲

圖1　聲源的頻譜圖

2噪聲、振動對住戶室內(nèi)噪聲影響預(yù)測

選取101客廳作為研究對象,地下泵房內(nèi)1#泵、2#泵、1臺減壓閥和2臺分氣缸位于101客廳的正下方,其噪聲和振動對101客廳的影響較大,聲源的方位布置簡圖如圖2所示。

圖2　機組平面布置圖

2.1噪聲對樓上住戶室內(nèi)噪聲影響預(yù)測

將噪聲源看做點聲源,聲源衰減示意圖如圖3所示。其中A點為地下室天花板上對應(yīng)于2#水泵的一點,與水泵的垂直距離為2.5 m,P點為101客廳內(nèi)地板對應(yīng)于A點的一點,Q為測點,與P的垂直距離為1 m。

點聲源的發(fā)散衰減量為:

Ad=20lg(r2r1)

(1)

其中，r2為測點與聲源的距離;r1為1 m。聲源到達A點的衰減值見表3所列。

圖3　聲源衰減示意圖

dB

A點聲壓級為:

LA=10lg(∑100.1Lpi)=84.4dB

(2)

據(jù)環(huán)境評價導(dǎo)則中聲環(huán)境預(yù)測模式中的室內(nèi)聲源等效室外聲源聲功率級的計算方法,室外的倍頻帶聲壓級為:

(3)

其中，LT為隔墻倍頻帶的隔聲量。假設(shè)天花板為150 mm厚加氣混凝土墻(砌塊兩面抹灰),其平均隔聲量為43.0 dB[14]。

P點的聲功率級為:

LW=LP+20lgr+8=43.4dB

(4)

Q點的聲壓級為:

(5)

其中，Q=2為指向性因子;R=8.4為房間常數(shù)(房間大小為4.9m×5.2m×3.0m,地面的吸聲系數(shù)為0.02,墻面的吸聲系數(shù)為0.015,平頂?shù)奈曄禂?shù)為0.25);r=1為聲源與測點之間的距離。

故噪聲值超標值為2.8 dB。

繼續(xù)選取201客廳作為研究對象,由(5)式可得位于101客廳與P點相距3 m的M點的聲壓級為40.3 dB,則經(jīng)衰減,201客廳的噪聲聲壓級必然小于40 dB,即2層室內(nèi)超標噪聲全部由振動所引起。

2.2振動對樓上住戶室內(nèi)噪聲的影響預(yù)測

振動在建筑物結(jié)構(gòu)中的傳播較為復(fù)雜,主要包括在混凝土地板的擴散衰減、墻角處的傳遞衰減、墻體中的擴散衰減、樓板與墻體T型相接的傳遞損失、傳聲介質(zhì)對聲波的阻尼損失、固體聲波在墻體內(nèi)的反射和透射。其中,傳聲介質(zhì)對聲波的阻尼損失量小,可以忽略[15]。

選取1#水泵為研究對象,由能量守恒定律:

E0V0=E1V1

(6)

其中，E1為泵房墻腳處的單位長度的混凝土地板中的平均聲能密度;E0為水泵基礎(chǔ)外周單位長度混凝土地板中的平均聲能密度;V1=2H1(a1+b1);V0=2H1(a0+b0)；H1=0.16m為混凝土地板的厚度；a1=30m,b1=15m,a0=1.5m,b0=1m，a1、b1分別為泵房的長和寬,a0、b0分別為水泵基座的長和寬。

水泵振動產(chǎn)生的固體聲從設(shè)備基礎(chǔ)傳播至墻腳處聲能聲級衰減量為:

(7)

聲波到達墻角處時,傳遞損失為:

(8)

其中，m為墻體和地面的厚度比，即H2/H1=0.24 m/0.16 m=1.5。聲波到達墻角后沿墻體向上傳播,由能量守恒定律得:

E2V2=E3V3

(9)

其中，E3=LE2/(L+πh)為聲波沿墻體向上傳播的聲能密度,L=15m為泵房墻寬,h=2.5m為泵房凈高。

振動沿墻體向上傳播的聲級衰減量為:

(10)

當墻體與樓板成T型相連時,由(8)式,傳至1層墻體固體聲衰減量R4=3 dB。

則振動從地下室基礎(chǔ)傳到1層墻體的總聲衰減量R=R1+R2+R3+R4=21.4 dB。

固體聲波在建筑物內(nèi)傳播時,遇到邊界面會發(fā)生反射,使墻壁和樓板的聲能密度增加,設(shè)固體聲在墻體內(nèi)從地下室傳遞到1層的距離為3 m,墻體的厚度為0.24 m,則接近1層樓板墻體內(nèi)的固體聲除了直達聲場外還有12次的反射聲波,結(jié)構(gòu)內(nèi)的聲級增加量為:

(11)

僅考慮固體聲波垂直入射的情況,橫波的反射系數(shù)為0，縱波的反射系數(shù)為:

(12)

其中:r1=ρ1C1=5 520 000 kg/(s·m2)為混凝土的聲阻;r2=ρ2C2=438 kg/(s·m2)為空氣的聲阻。

結(jié)構(gòu)物內(nèi)的聲級增加量為:

ΔL反=10lg(1+∑ri)≈11 dB

(13)

結(jié)合地下室到1層的聲能衰減,理論上固體聲波的綜合聲級減小了ΔL=10.4 dB。

考慮固體聲波在傳遞到1層房間內(nèi)的墻體、樓板中時的聲能透射,透射系數(shù)為:

τ=4R1R2/(R1+R2)≈0.000 3

(14)

透射到空氣中的聲能量與固體中的聲能量差為:

ΔL透=10lgτ=35 dB

(15)

聲級在結(jié)構(gòu)物內(nèi)的總衰減量為:

(16)

設(shè)四面墻體的透射聲能相同,則1#泵對1層室內(nèi)實際的結(jié)構(gòu)噪聲貢獻值為:

L=L結(jié)構(gòu)+10lg 4=43 dB。

考慮到水泵機組的結(jié)構(gòu)噪聲的疊加,L總=10lg(∑Li)=52.0 dB，則地下泵房的設(shè)備振動對1層住戶室內(nèi)的噪聲貢獻值為52.0 dB,超標量為12.0 dB。

故噪聲與振動所引起的噪聲超標量的比值大約為1∶4,振動引起的噪聲占總超標量的比例為81%左右。

3噪聲控制的比例試驗研究

3.1隔振工藝的試驗研究

3.1.1機組隔振試驗

本試驗選取一種新型的復(fù)合隔振技術(shù),將混凝土基座、彈簧減振器與橡膠減振墊結(jié)合使用。在機組基座的底部加上一塊16 mm厚的鋼板,四周加上厚6 mm、高120 mm的鋼板作為圍板,然后再填入混凝土。阻尼彈簧器選擇上下均可固定的ZT(Ⅱ)型阻尼彈簧減振器,其不僅具有鋼彈簧減振器的低頻率和阻尼大的雙重優(yōu)點,還消除了鋼彈簧減振器固有的共振振幅現(xiàn)象;該系列減振器荷載范圍廣,單只荷載在15～4 800 kg之間,固有頻率低,在1.6～4.9 Hz之間,阻尼比0.065。

橡膠隔振墊選取SD型橡膠減振墊2層串聯(lián),其負載為144～1 940 kg,固有頻率為7.5～9.3 Hz,相應(yīng)的靜態(tài)壓縮量為5.0～8.0 mm,采用優(yōu)質(zhì)橡膠為材料,有圓形凹陷鏤空、剪切瓦楞行,具有固有頻率低、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點。不同性能的隔振器結(jié)合使用,可以增加隔振效果,并且可以避免引起共振。水泵機組采用6支點平均支撐,分氣缸采用2×4個支點平均支撐。機組隔振試驗示意圖如圖4所示。

圖4　機組隔振試驗示意圖

3.1.2管道支架隔振試驗

試驗步驟：在水泵進出水管處加裝KST-F型可曲繞雙球體橡膠軟連接;將與墻面、地面及房頂直接剛性接觸的支架均改為地面支架,且支架兩端采取隔振措施,即在支架與管道之間加裝1個2層的SD型橡膠減振墊;支架與地面接觸采取復(fù)合隔振結(jié)構(gòu),即SD型橡膠減振墊+10 mm鋼板+JSD型低頻復(fù)合橡膠減振器。管道和支架隔振試驗如圖5、圖6所示。

圖5　管道隔振試驗示意圖

圖6　支架隔振試驗示意圖

3.1.3隔振效果分析

在僅進行隔振試驗后,測得樓上居民住戶室內(nèi)夜間的噪聲聲壓級及其治理程度占應(yīng)降噪量的比例見表4所列。

表4　隔振效果分析

從表4可知,在進行機組和管道的隔振試驗后,2~6層的住戶室內(nèi)噪聲已達到治理標準。1層住戶室內(nèi)由水泵和管道振動所引起的噪聲也已基本得到治理,但是由于空氣聲的傳播, 1層噪聲依然未達標,需要進行進一步降噪試驗。

3.2降噪工藝的試驗研究

3.2.1消聲試驗

為了保證機組的通風散熱不受影響,試驗使用一種結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便,帶消聲器的隔聲罩。隔聲板的結(jié)構(gòu)為彩鋼+阻尼漆+超細玻璃棉(厚度為80 mm,體積密度為25 kg/m3)+玻璃纖維布+鍍鋅穿孔鋁板。消聲器為片式阻性消聲器,位于隔聲罩出風口,氣流通道寬度設(shè)計為100 mm,片厚為100 mm,消聲器長度選為0.6 m,片中填充80 mm超細玻璃棉和玻璃纖維布,片式消聲器的尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m。這種帶通風散熱消聲器的隔聲罩的隔聲量約為15~20 dB。水泵隔聲罩如圖7所示。

圖7　機組隔聲罩示意圖

3.2.2吸聲試驗

在對水泵機組進行了消聲試驗后,在101客廳夜間所測得的噪聲聲壓級為41.6 dB(A),101臥室為37.5 dB(A)，依然未達到治理標準,仍需進行吸聲控制。地下泵房除出入口外,其余部分均為水泥抹面結(jié)構(gòu),混響聲嚴重。為處理地下供熱供水泵房的混響聲,在地下室的屋頂和墻壁安裝吸聲構(gòu)件,泵房內(nèi)吸聲體如圖8所示。

圖8　吸聲試驗示意圖

吸聲體用松木做骨架,為提高吸聲材料的低頻吸聲性能,吸聲構(gòu)件與房頂間留400 mm空腔,以不影響采光為前提均勻分布,用鋼絲繩固定,總吸聲構(gòu)件面積約占房內(nèi)表面積的75.47%。

3.2.3隔聲試驗

為了減少水泵噪聲向外的輻射,試驗在地下泵房的原出入口處加裝隔聲門,隔聲門結(jié)構(gòu)采用彩鋼板+超細玻璃棉(80 mm,25 kg/m3)+彩鋼板,門與門框接觸處采用直角搭合結(jié)構(gòu),在門縫處用橡膠條密封，總隔聲量在20 dB(A)左右。

3.3隔振、降噪的效果分析

在對地下泵房進行降噪和隔振控制后,樓上居民室內(nèi)的噪聲情況見表5所列。其中,倍頻帶中心頻率63 Hz和125 Hz處,夜間噪聲水平高于晝間水平,其可能原因有:

(1) 測量時間是夜間12點,在夜間測量時樓上住戶的用水量可能出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象,導(dǎo)致夜間值高于晝間值。

(2) 由測量誤差引起的。

從表5可看出,經(jīng)過隔振和噪聲控制,小區(qū)的地下泵房對樓上居民室內(nèi)噪聲的影響達到了《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》[12]中表2的要求,101客廳夜間的等效聲級降噪量達到了26.2 dB(A),601客廳達到了15.5 dB(A),而且倍頻帶聲壓級也達到了標準中表3的要求,101臥室在31.5 Hz時降噪量達到20.9 dB,客廳在500 Hz時噪聲降低量達21.7 dB;601臥室和客廳在250 Hz時降噪量分別達到16.6 dB和19.3 dB,低頻聲的治理效果較好,居民室內(nèi)影響日常生活的噪聲得到了大大減少。

表5　噪聲控制后居民室內(nèi)噪聲情況

4結(jié)束語

(1) 本文將聲源噪聲和振動對樓上住戶室內(nèi)的噪聲貢獻值進行了定量分析,得出地下供熱供水系統(tǒng)噪聲與振動所引起的噪聲超標量的比值大約為1∶4,為后續(xù)的噪聲與振動的控制提供了一種新的思考方法和理論依據(jù)。

(2) 根據(jù)隔振工藝試驗研究結(jié)果,在僅進行了隔振控制后,2~6層居民室內(nèi)噪聲超標都已得到了控制,說明2～6層居民室內(nèi)的噪聲超標都是由振動源引起的。

(3) 進行隔振控制后,101客廳和臥室的夜間等效聲級降噪量分別達到了20.0 dB(A)和18.2 dB(A),治理程度達到了應(yīng)降噪量的88%和87%,與預(yù)測值中振動源引起的噪聲影響所占比例為總超標量的81%基本符合,說明在進行了水泵機組和管道系統(tǒng)的隔振控制后,振動源引起的噪聲超標部分已得到治理。

(4) 在這種典型的地下供熱供水泵房的噪聲控制中,本文利用預(yù)測中振動與噪聲的比例關(guān)系進行水泵機組的隔振設(shè)計,采取了一種新的復(fù)合隔振技術(shù),將混凝土基座、阻尼彈簧減振器和橡膠減振墊結(jié)合使用,并將隔振與消聲、吸聲和隔聲結(jié)合在一起,治理效果同時達到了《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》[12]中表2和表3的要求,低頻噪聲治理效果較好。

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(責任編輯馬國鋒)

Study of proportional control of noise reduction and vibration isolation from underground heating and water pump room

XIONG Hong-bin,WU Wei

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:The vibration and noise from underground pump room can spread as far as ten floors in a residential building, and the control result is not satisfactory. Taking Xiangzhangyayuan community as an example, which is a residential area in Hefei City, this paper tries to find the proportional relationship between pump noise and vibration which impact the upstairs residents. The effect of air and solid sound from underground pump system on the upstairs residents is predicted respectively, and the test on the vibration and noise reduction is also done. The results show that if the measures of vibration isolation are just taken, the best result about the noise control in resident’s house can only be 80%-90%. Measures must be taken to reduce the noise of sound source, then the rest of the noise can be reduced. According to this proportional relationship, the collaborative control technology of vibration and noise is introduced and the system of vibration isolation, noise elimination, sound absorption and insulation is researched and designed, which offers a new way to control the noise from underground pump room.

Key words:noise; vibration; underground pump room; proportional relationship; collaborative control

中圖分類號:TB535

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)02-0170-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.006

作者簡介：熊鴻斌(1963-)，男，安徽合肥人，博士，合肥工業(yè)大學教授，碩士生導(dǎo)師.

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2015-01-23