蓄能式中央空调冷却水系统横流湿式冷却塔环保降噪的治理方法

摘要：本文针对蓄冷中央空调系统机力横流湿式冷却塔夜间低谷电满负荷蓄冷运行，白天电力峰值时部分释冷运行的特点及冷却塔自身的噪声污染进行了分析，提出了噪声治理方案，就单个方案及多方案联合进行了综合分析，最终选定了最优实施方案，即“半封闭式声屏导风板降噪+风机消音装置+落水消能降噪器”。半封闭式隔声屏导风板采用轻质结构，屋面增加的荷载通过钢立柱传递至原有建筑物砼立柱上，省去了对原有结构的加固处理措施。并且所采取的降噪措施对冷却塔进排风的阻力损失影响控制在允许范围之内，保证了冷却塔的热工性能及正常运行。本文对工程实际中的冷却塔的降噪提供了新思路。

关键词：机力横流湿式冷却塔；噪声治理；数值计算；主动振动控制；声屏导风板

The Administrative Methods for the Noise treatment FSR of the many sets of Mechanical Draft crossfolw Cooling Towers in Water Storage Central Air Conditioning System

Liuxiaodong (Hefei university of technology institute of architectural design)

Fengrongzhen(Henan Institute of Engineering)

Abstract: This article takes noise treatment for the many sets of mechanical draft crossflow cooling towers noise for example ,which was layed on the housetop of water storage central air conditioning system. The plans of the noise treatment were given, and the analysis was also brought forward-which including single and united plan．The best plan was selected, the plan was to build the half obturated set of sound insulation and noise elimination, on which there were sound barriers, and to set noise suppressors in cistern of cooling tower. This set was used of light quality structure. Its load was transited by the steel column transmission to the original building column, so that the reinforcement processing measure to the housetop was omitted. Noise treatment measure was few effect of resistance losing for cooling towers, and kept cooling towers thermal performance and normal operation. This paper affords theorical basis for engineering, and a new way was foundin decreasing noise of cooling tower.

Keywords: acoustics; thermodynamic numeric calculation;; noise treatment; noise reduction barrier and leading broads.

中图分类号：TB657文献标识码： A

1. 引言

冷却塔噪声是冷却塔与生俱来的运行特征，数十年来人们对此已习以为常。近年来，随着人民生活水平的逐步提高以及环保意识的逐步增强，人们对生存环境的质量要求越来越高，冷却塔噪声对周围环境的影响已越来越引起人们的重视，开始出现了治理冷却塔噪声污染的呼声，由此引出的环保诉讼已令某些住宅小区物业部门烦恼不己，有的甚至背上了高额罚款的包袱。于是探讨大型冷却塔噪声的防治技术便成为当今冷却塔技术的新研究方向。

2.工程概述

本项目位于合肥市长江西路478号松芝万象城，为33万平米的住宅、商

业楼群。其中，裙楼商业区水蓄冷中央空调冷却水循环系统所用的冷却塔机组安装于标高为27.35m的裙楼六楼架空层屋顶，对相距不足30米的C、D、E座住宅楼及A座写字楼（各33层）6-15层噪音影响严重。

随着国家对环境保护工作的重视程度不断提高，以及物业开发公司本着为社会公众和社区负责的精神，对冷却塔噪声的治理工作势在必行。

3. 设备布置概况

3.1 设备概况及水蓄冷系统运行模式阐释

裙楼架空层屋面上布置有三组机力横流湿式冷却塔，根据该项目水蓄冷中央空调系统运行特点，在夜间电力低谷时段内，启用蓄冷模式。此时利用两台蓄冷主机（1650RT×2）满负荷对蓄冷水池蓄冷，直至蓄满为止。期间若有空调负荷，则启用一台基载主机（650RT）直接为空调区域供冷。开启设备有：蓄冷主机、蓄冷泵、冷却塔，冷却泵、（基载主机及相应的冷却塔、冷却泵、冷冻泵）；在白天电力高峰时段内，启用水池释冷模式。此时利用蓄冷水池内的冷水为空调区域供冷。期间若不能满足空调负荷，则再启用一台基载主机（650RT）直接为空调区域供冷。开启设备有：放冷泵、板换二次泵、（基载主机及相应的冷却塔、冷却泵、冷冻泵）。

3.2 设备布局和建筑概况

该裙楼架空层屋面标高3.5m，冷却塔南北走向一字排列，距A座写字楼最近距离约21m，距C座住宅楼最近距离约22m, 距D座住宅楼最近距离约为34m, 距E座住宅楼最近距离约为26m。

冷却塔平面布置及与建筑物环境关系 见图1、2所示。

图1：冷却塔平面布置图

图2：冷却塔布局与建筑物环境关系图

4. 冷却塔噪声治理对策

4.1 冷却塔噪声源分析及噪声传播机理

冷却塔主要噪声源为排风风扇噪声以及驱动机构产生的机械噪声和淋水噪声。

风扇噪声是一种空气动力性噪声，包括湍流噪声和旋转噪声。当气流流经叶片表面时，会在其背部脱体，在尾部由于气流的粘滞形成一系列涡流，从而产生湍流噪声，它具有连续的频谱特性。旋转噪声是叶片旋转时形成压力脉动产生的，它的频谱呈窄带的低中频特性，并有明显的峰值。风机噪声主要通过冷却塔顶部排风口向外传播。

冷却水从淋水装置下落时与下塔体底盘中积水撞击产生淋水噪声，仅次于风机噪声。其频谱本身呈高频特性，主要通过冷却塔的进风口向外传播。一般进风口的噪声值低于排风口的噪声值10 dB(A) 。冷却塔减速机和电机的噪声对周围环境的影响较小，一般可予忽略。

由于冷却塔所用轴流风机压头极低，其风量和整体散热效果对消声系统的阻力损失极为敏感，故此类冷却塔降噪治理的难点就在于宽频带、高量值的消声要求与冷却塔自身通风散热性能之间的尖锐矛盾；其噪声治理必须兼顾热工性能、结构工艺、日常维修等一系列相关因素；还要妥善解决结构承重、抗风荷载、抗雪荷载及抗震等安全问题。因此必须面对现实，以实际条件为基础，因地制宜地进行妥善的降噪设计和必要的改造完善。

4.2 相关标准及控制指标

4.2.1.相关标准

参照中华人民共和国环境保护部、国家质量监督检验检疫总局2008年10月1日的：中华人民共和国国家标准GB22337-2008《社会生活环境噪声排放标准》；GB3096-2008《声环境质量标准》和技术规范《采暖通风与空气调节设计规范GBJ19―87》等。

GB3096-2008《声环境质量标准》环境噪声限值 单位：dB (A)

表2 声环境质量标准

声环境功能区类别 时段

昼间 夜间

0类 50 40

1类 55 45

2类 60 50

3类 65 55

4类 4a类 70 55

4b类 70 60

鉴于该区域的特殊性，此区域划分为一类区，一类区昼间为55dB(A)，夜间为45dB (A)，为了有效地控制噪声，防止冷却塔产生的噪声对其周边环境构成干扰。

4.2.2、消声降噪技术控制指标：

该消声降噪系统除具备良好的声学性能外，还同时具有良好的通风效果；外部整体结构牢固可靠（适当位置安装预埋件）；内部消声插片选材具有抗腐蚀性等特点。在确保冷却塔的热工性能的前提下，在设计降噪工程时，尽量满足降噪保险系数：

（1）消声系统阻力损失：≤15Pa。

（2）外部结构风荷载：≥0.45 kN / m2;雪荷载：≥0.45 kN / m2。

(4) 进风消声器消声量≥15 dB(A) 。

(5) 隔声吸声层隔声量≥20dB(A) 。

（6）消声装置插入损失：≥30 dB（A）

（7）设置消声装置后对冷却塔出水温度提高量：不大于0.1℃

（8）消声片吸声材料平均吸声系数：NRC≥0.95

（9）消声憎水护面材料：可以严格隔绝雨吸声材料中

（10）消声装置的寿命不小于15年

4.3冷却塔降噪施工方案设计原则

（1）以受声点的降噪要求作为冷却塔噪声治理的立项依据，将受声点所在区域的噪声级标准作为冷却塔噪声的治理目标；

（2）以受声点的位置分布为依据，在全方位治理与在选择的局部定向治理方案之间作出选择；

（3）以受声点的治理目标与该点当前的噪声级之间的声级差作为具体的降噪任务；

（4）根据降噪任务的轻重，在采用单一的治理方法与多种方法并用的综合治理方案之间作出选择；

（5）根据受声点离声源的远近及其提供的治理空间的大小，因地制宜选择合适的降噪方案；

（6）投资规模、维修保养费用、降噪效果、安全可靠性、冷却塔热工性能确保性、使用年限等因素都是重要的评估、分析依据。

4.4 噪声治理难度分析

本项目冷却塔多为蓄冷模式下的夜间运行，对噪声控制的要求就更加严格，且冷却塔数量多、体积大，噪声级高，低频特性丰富，噪声传播距离衰减率低，与住宅距离较近，又加上布置在屋面，冷却塔辐射噪声的点位高，噪声对住宅的传递影响较大。所采取的噪声治理措施对冷却塔的冷却效果的影响需控制在允许的范围之内，并且排风机的余压较低，排风消声器设计难度较高。

敏感建筑及受声点与冷却塔相对位置关系示意见图4

图3：敏感建筑及受声点与冷却塔相对位置示意图

4.5 采取的主要技术措施

根据噪声的发生机理、传播方式，可以把冷却塔噪声的治理归结为塔内、塔外两条基本途径，塔内以声源的降噪治理为主；塔外则包含有传声途径上的声波阻隔(隔声)、声波吸收(包括沿程吸收衰减)以及距离衰减(声能扩散)等三个环节。其中以声波阻隔辅以声波吸收作为塔外部治理主要手段。

4.5.1 塔内声源的降噪

㈠、冷却塔淋水噪声的治理

(1)降噪原理：

该装置利用斜面消能减噪的原理，即在冷却塔直接撞击水面前，使落水先在斜面上以无声擦贴的接触形式实现缓冲消能减速。这种落水降噪装置隔断了冷却塔落水对水面的直接冲击，实现无声擦贴、粘滞减速、挑流分离、疏散洒落等消能形式的过渡，取得消减落水冲击噪声的治理效果。

(2)形式结构：

冷却塔落水消能降噪装置主要由“支承构架"及“落水消能降噪器"两部分组成。“支承构架”又可分为漂浮式及固定式两种形式。“落水消能降噪器”以六角蜂窝斜管为主要形式，层高16cm，由竖向导入段、无声擦贴斜段、粘滞减速斜段、疏散洒落挑流段等四个功能段组成。

(3)材质选用：

漂浮式落水消能降噪装置主要由采用挤拉、注塑或热压工艺成型的塑料件或玻璃钢件(受力件)构成。其特点是便于搬运、易于安装、防腐耐用。固定式落水消能降噪装置上部的支承框架及降噪器的材质与漂浮式相同，不同的是其固定的主、次支承梁系由型钢构成，经防腐处理的型钢(Q235)具有强度高、刚度好的特点。

(4)降噪效果[13]：

此种方法降噪量一般在9―15dB，降噪器主要削去了落水声源的高频成分，因此降噪效果比较明显。

(5)塔内声源治理设施的技术要求是：

(a)材质要求耐用、使用年限长、耐疲劳、抗冲击、耐水浸泡、抗冰冻、耐腐蚀、抗老化；

(b)结构合理、消声性能可长期不变、不淤积、不堵塞、不易破碎、不留后患；

(c)安装简便、运行可靠、维修容易；

(d)降噪效果好。

4.5.2 塔外传播途径上的降噪

噪音在冷却塔外传播，在其传播的路径上可以通过声音的阻隔和吸收来实现降噪。本方案拟分别采用设置半封闭式隔声屏和追加风机消声器的途径实现降噪。

（一）半封闭式隔声消音装置声学设计

1、隔声基本原理

（1）、边界条件

透射声波与入射声波声压比假设一层均匀各向同性的固体介质在空间中无限延伸，将大气分成左右两部分，平面声波从左向右传播，传播方向垂直于介质层，如图1

声波穿透介质层必须通过两个界面，一个从空气到固体的界面，另一个从固体到空气的界面。各种参数及符号见一表：

序 号 参 数 名 称 符 号

1 介质厚度 D

2 介质特性阻抗 R2=P2C2

3 空气特性阻抗 R1=P1C1

4 入射声波声压 Pi

5 透射声波声压 Pt

6 入射声波质点振动速度 Vi

7 透射声波质点振动速度 Vt

8 固体介质中的入射波声压 P2t

9 固体介质中的反射波声压 P2r

10 固体介质中的入射波质点振动速度 V2t

11 固体介质中的透射波质点振动速度 V2r

12 透射声波与入射声波声压比 tp

透射声波与入射声波声压比tp：

tp＝PtA/PIa

式中：R12=R2/R1 R21=R1/R2

(2)、透射系数

透射系数是衡量介质层隔声特性的一个重要指标，是指透射波声强入射波声强之比，即固体介质层的声强透射系数。透射系数越低隔声性能越好。

て=(ptA2/R1)/(PiA2/R1)=4/{4COS2K2D+(R12+R21)2sin2k2D}

当声波以一射角θi穿透介质层，可导出其透射系数为

てθi＝4/(4+ωM2COSθi/POC)

式中：M2=P2D为介质层的面密度（Kg/m2）

从上式可以看出介质层的面密度度越大，透声系数越低，隔声性能越好。

（3）隔声量

隔声量是衡量介质层隔声特性的别一个重要指标，用传递损失R表示。

Rθi=10lg(1/てθi)=10lg{1+(ωM2COSθi/2POC)2}

对于常用的固体隔声材料，如钢板、木板、砖墙等，常能满足（ωM2COSθi/2POC）>1,因而隔声量可以简化为:

Rθi=10lg{(ωM2COSθi)2/(2POC)2}

从上式可以看出:介质面密度加倍,隔声

量提高6dB;频率加倍,隔声量提高6dB.这就是隔声质量定律.

工程近似计算公式:

R实=R+10lg a

(4)隔声频率特性

实际上对于单层密实均匀介质的隔声性能主要由它的面密度、劲度和阻尼所决定。单层均质材料的隔声特性曲线，按频率可以分为三个区域：劲度阻尼控制区、质量控制区、吻合效应和质量延续区，见右图2。

在劲度控制区的下端，存在一个共振区，共振区的隔声量下降到了最小。在质量控制区，板材的面密度愈大，受声波激发的振动速度愈小，隔声量愈大；频率愈高，隔声量也愈大。通常采用隔声结构降低噪声，一般应根据噪声的频率特性和降噪需要来选择隔声材料或结构，以发挥质量控制作用，使其在相当的频率范围内取得有效的隔声效果。

在吻合效应和质量延续区出现第二个低谷，这是由于在这个频率上隔声板材与声波产生吻合效应而形成的隔声量大幅度下陷区。这个频率为临界频率fc,其计算公式如下：

fc=6×103（M/B1/2=2×104/h(p/E)1/2(HZ)

2.隔声结构设计

（1）隔声基本结构

隔声结构主要由隔声层、阻尼层、吸声层和护面层构成。它的隔声性能基本遵循“质量定律”，要取得较高的隔声效果，隔声材料应该选择厚、重、实的材料，厚度增加1倍，隔声量可增加4－6dB(A)。但在实际工程中，为了便于搬运、操作、检修和拆装方便，并考虑经济方面的因素，隔声间通常使用薄金属板等轻质材料做成，轻质材料共振频率高，隔声性能显著下降，必须涂覆相当于罩板2－3倍厚度的阻尼层，以改善薄金属板的共振区和吻和效应。

（2）隔声结构的实际隔声量

在设计隔声结构时，对于某种材质本身有个隔声量，这就是隔声结构的理论隔声量，但它不等于实际隔声量。这是因为声源未加隔声结构时，它辐射的噪声是向四面八方辐射扩散的，也正是在这种条件下，得到了理论隔声量；当声源加装封闭隔声结构后，声源发出的噪声在隔声结构内多次反射，这样就大大增加了结构内的声能密度，因此，即使隔声结构材料的隔声量再大，也会使隔声结构的实际隔声量下降。隔声结构的实际隔声量可由下式计算：

R实＝R+10lg a

式中：R实―隔声结构的实际隔声量dB(A)；

R－隔声材料（结构）理论隔声量dB(A)；

a－隔声结构内表面的平均吸声系数。

（3）、隔声消声装置的结构形式及特点

针对该项目冷却塔的布局情况及现场环境，隔声消声装置的设计要点为：①隔声消声装置设、计为半封闭式，西南侧面敞开，其余封闭，封闭的墙面上设置大面积的通风消声窗，并利用各冷却塔噪声对各住宅楼传播影响的差异，将西侧区域的冷却塔敞开；②由于声源位于建筑物的最顶部，所以建造的声屏障不宜采用厚重的结构，而应使用轻质吸声、隔声复合构造。另外为了使声影区更大，插入损失更大所以使用倾斜式声屏障；③各降噪措施设备采用轻质结构，钢立柱按照架空层混凝土柱进行布置，隔声消声装置的重量通过钢立柱传递至原有建筑物砼立柱上，使架空层的混凝土梁不受任何上部荷载，省去了对原架空层房屋结构的加固处理措施。

3、隔声屏降噪方案实施细则：（详见图9、10）

本项工程中冷却塔降噪设计需根据现场情况及降噪要求来采取综合性的治理措施：

（1）、蓄能空调夜间（22:00-08:00）蓄冷模式下冷却塔夜间运行的特殊性，本降噪工程作特别的处理。首先从排列上如L形的10台冷却塔都距E座及C座住宅较近，所以影响较大。故在靠近圆形中庭一侧的部位在架空层梁围做一L形倾角为45°的隔声消声声屏，冷却塔另一侧有影院隔声墙包围，且塔立面进出风处及塔筒风机均已做消声处理，且冷却塔本身的噪声只有55分贝，通过降噪处理后在离噪声源点15米处既可以达到40分贝。所以即使在夜间运行蓄冷空调冷却塔的噪声也不会影响到周围居民的生活。

而597T/h的两台冷却塔其影响相对较小，在白天运行时，通过降噪处理后对周围的环境基本上

不会产生影响。夜间（22:00-08:00）和1477T/h *2的制冷主机冷却塔同时运行影响相对较大，但通过有效的降噪处理，其夜间在离隔声音墙15米处既可以达到40分贝以内。

（2）为了防止上半部风扇噪声向高层周边传播。冷却塔需安装具有隔声、消声、吸声、通风散热、设备检修方便为一体的排风消声系统。其上半部排风消声系统主要包括：消声静压箱、排气消声器、可拆卸检修活动板等。

（3）罩体下部进风消声系统主要包括：进气消声器、可拆卸检修活动版、复合隔声层、防雨百叶、检修消声通道及隔声门等。为了防止下半部落水噪声向低层商业区传播。冷却塔下半部分安装具有隔声、消声、吸声、通风散热、设备检修方便的进风消声系统。罩体下部两侧均加装进风消声器，消声器消声片长度西侧900mm，南侧部分消声片长500mm，消声片统一厚度 100mm以降低进风噪声; 消声量因消声片长度而定。

（4）塔体周围加装隔声罩体，其整体结构为方钢框架全焊接结构（详见图8）。其厚度为80mm，外层为高密度隔声层（彩钢夹芯板墙板），其总隔声量≥25dB(A)。

（5）冷却塔罩体基础生根应避免破坏屋面防水层。因此，要确保罩体整体结构牢固及抗风荷载性能等因素都是设计人员需要考虑面对的问题。经慎重考虑，采用在罩体下部用10#槽钢做一连系梁与100×100×2mm方钢立柱焊接，然后利用塔体下部混凝土梁优势在其侧面用胀栓固定两块预埋铁件用50×100×2mm方钢做斜拉支撑与100×100×2mm方钢立柱焊接（详见图8）。以保证罩体结构的稳固性。

隔声罩体隔声特性：

/HZ 63 125 250 500 1000 2000 4000

隔声量Ln/db 25.2 28 28.2 31 32 41 43.6

其计算式为： R=101gE入―101gE透

式中 R ―― 隔声量

E入 ―― 入射声能

E透 ―― 透射声能

t ―― 透射系数

为便于检修和日常维护，在罩体适当位置留一检修门，便于日后维修保养。

图4：冷却塔隔声屏局部主视图

图5：冷却塔隔声屏局部剖视图

（二）机排风口追加消声器降噪设计

1、采用NR-50噪声评价曲线计算消声器噪音衰减量①

NR噪声评价曲线对应的倍频带声压级 表4

评价曲线 倍频带中心频率（HZ）声压级（dB）

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

NR-50 79 70 63 58 55 52 50 49

以下应用公式分别求得以进风百页及排风筒传出的噪声，然后根据不同性能的消声器选择噪声衰减量[2]

(1) LP2=35logTS+10logBP×N/r2 +30-C1-DI0-K1-K3 (2)

式中：

LP1为毗邻居民区某点接受的，由塔进风百叶传出的风机噪声声级，dB；

LP2为毗邻居民区某点接受的，从排气筒传出的风机噪声声压级，dB；

b为进风百页面高，m；

d为测点与冷却塔的最小距离，m；

a为冷却塔长度，m；M=1（单向流冷却塔）；

K1为由于空气吸收的噪音衰减量, dB；

K2为进风百页面的辐射特性, dB；

TS为风机叶片末梢速度,m/s；

BP为电动机制动马力,kW；N为叶片数；

C1为风机噪音倍频程修正值,dB；

C2为进风百页修正值,dB；

DI0为风机排气筒辐射方向性指数, dB；

K3为对于风机排气筒假定其为点声源辐射计算的修正值；

表5

参数 倍频带中心频率（HZ）声压级（DB）

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

风机噪声倍频修正值C1 7 5 7 10 13 18 27 33

进风百页倍频修正值C2 5 5 3 6 8 9 10 11

辐射方向性系数DI0 3 4 5 7 8 10 10 10

n个相同声压级的叠加可按下式计算[2]：

Lp=Lp1+10Logn dB （3）

式中 Lp为n台设备叠加后总声压级，dB；Lp1为每台设备的声压级，dB；N为同类设备的台数。

根据公式（1），可以计算出排风筒上侧450 倾角，水平距离1.8米处，倍频带

中心频率声压级如下：

表6

测点 位 置 倍频带中心频率（HZ）声压级（dB）

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

声压级 71.3 72.3 69.3 64.3 60.3 53.3 44.3 38.3

根据公式（2），可以计算出进风口Dm处，倍频带中心频率声压级如下：

Dm2=1.132ah

表7

测点位 置 倍频带中心频率（HZ）声压级（dB）

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

声压级 78.4 80.4 80.4 74.4 69.4 63.4 53.4 46.4

设冷却塔噪声的比率为NI=1/3；室外通风系统（进排风口）噪声的占有率为：ND=2/3；并假设只有一台冷却塔，要求隔声的冷却塔噪声之占有率为：NIi=1，则要求隔声的冷却塔之占有系数=10LgNIxNIi=-5分贝[3]。

表8

参数 倍频带中心频率（HZ）声压级（dB）

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

（-1）占有系数④ 5 5 5 5 5 5 5 5

附加合成⑤10Log4 6 6 6 6 6 6 6 6

②-①+④+⑤消声量 7.3 18.3 22.3 22.3 21.3 17.3 10.3 5.3

双层微穿孔消声器 * 18 26 25 21 22 25 *

③-①+④+⑤消声量 14.4 26.4 33.4 32.4 30.4 27.4 19.4 13.4

双层声流式消声器 * 25 29 33 23 32 41 *

从以上表格可以看出,在该工程中，只须在排风筒上安装四个2米长的双层微穿孔消声器就可以满足排风筒处噪声的衰减量要求；在进风百页口处安装四个2米长的双层声流式消声器，可看到250Hz和1000Hz处有个几分贝之差，为了再降低几分贝，选用吸声系数更高的吸音材料填注于双层孔板间[4]。

（三）为了更好的减少冷却塔的噪音，本次设计还采取了以下措施：

1 冷却水管处加设橡胶软接防止震动由水管传出；

2 冷却塔加设减震台座来减少固体机械振动向周围传声；

3 将百页窗改为吸声百页窗。

5.结语

本文根据噪音的产生机理，结合冷却塔的实际工作情况，对冷却塔降噪的研究进行理论分析，为工程实际中的冷却塔的降噪提供了新思路，以指导工程实践，对工程实际有一定的指导作用。

参考文献:

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