地下供热、供水泵房降噪与减振的比例控制初探

熊鸿斌,　吴　玮

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥　230009)



地下供热、供水泵房降噪与减振的比例控制初探

熊鸿斌,吴玮

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥230009)

摘要:地下泵房对楼上住户的噪声影响可以远至10层楼,其振动和噪声治理难度大,效果不理想。文章以合肥市香樟雅苑小区为例,进行了减振和降噪实验研究,通过预测水泵机组系统空气声和固体声对楼上住户的影响,试图找出水泵振动与噪声对楼上住户室内噪声影响的比例关系；试验证明采取隔振措施后,居民家中噪声治理程度最好的结果只能达到应降噪量的80%～90%,必须通过声源降噪等措施解决10%～20%的降噪量;根据这种比例关系采取了振动、噪声的协同控制技术,对减振、消声、吸声和隔声系统进行了研究和设计,为地下泵房噪声的治理提供了一个新的理论和实践途径。

关键词:噪声;振动;地下泵房;比例关系;协同控制

地下供热、供水泵房正常运行时,机组设备产生的噪声和振动对楼上住户室内噪声影响大,会严重影响居民正常生活。关于水泵噪声对建筑物室内影响的预测很少,噪声与振动对楼上住户的噪声影响的贡献值比例研究也较少。文献[1]提出了有限元声学法,借助Anasys软件,建立了有限元实体模型,对水泵房相邻房间进行噪声预测,但是预测值与实测值相比明显偏小,并且只考虑了低频振动源的影响。国外对建筑物内的噪声问题很重视,文献[2]针对住宅楼内的水泵、变压器等设备的低频噪声对居民健康的影响进行了评价和研究；文献[3]针对暖通空调制冷设备的振动造成建筑物内业主和住户环境受到影响的问题提出了一些实用的隔振理论和安装指南。对水泵的噪声与振动问题,多从源头分析,以主动控制为主或在水泵制作过程中加入整体隔振器[4]。

水泵噪声呈中低频特性[5],长期的低频噪声会对人体健康产生很大的危害[6]。但是国内在地下室噪声控制方面，对治理后低频声是否达标的研究较少。文献[7]以西安市某高层建筑地下室内的换热设备和水泵房为例,对地下1层的水泵房采用了隔振治理,治理后室内声压级低于45 dB；文献[8]对山东某高校住宅小区的地下2层的泵房进行了减振、吸声和隔声处理,治理后住户室内的噪声低于40 dB；文献[9]对某高层住宅的地下1层的水泵房进行了隔振和降噪处理。以上研究均未提及低频声的治理效果。

对水泵机组隔振，多选择混凝土基座分别结合橡胶减振器、弹簧减振器或者橡胶减振垫[10-11]的方式,将其结合使用的研究较少,本研究选取了混凝土基座隔振、弹簧减振器结合双层橡胶减振垫的复合隔振系统,取得了很好的隔振效果。

合肥市香樟雅苑小区地下供热、供水泵房是一个典型的地下供热、供水泵房,本文以此为例,提供一种地下泵房噪声比例控制的思路。首先分析噪声源，然后分别对噪声和振动对楼上住户室内噪声的影响进行预测,定量分析不同传播途径噪声的贡献,得到噪声和振动对楼上住户室内影响的比例关系,据此比例关系提出了一种新型的复合隔振技术,结合降噪治理,使得治理效果能够同时满足《社会生活环境噪声排放标准》[12]中表2和表3的要求,低频噪声控制效果良好。

1地下供热、供水泵房噪声源分析

香樟雅苑小区位于声功能区2类区域,整个小区的供热供水系统安装在其高层文墨斋5号楼(共18层)1单元的负一层内,是楼上居民室内的主要噪声来源。系统的主要设备有24 台水泵机组,每号泵组都为2台套,一备一用。每套泵组包括2台采暖循环泵(流量为173 m3/h,质量700 kg,功率30 kW)、2台采暖定压泵(流量分别为8 m3/h和23.5 m3/h,质量120 kg和304 kg,功率5.5 kW和7.5 kW)、2台采暖换热泵(流量为93.5 m3/h,质量216 kg,功率15 kW)、6台热水循环泵(流量为11.7~25 m3/h,质量60~70 kg,功率1.5~3.0 kW)。另外,泵房里还有分汽缸、水箱、供回水管道，管路上的排气阀、减压阀、伸缩器阀件及室内地沟等。

水泵产生的噪声向外传播有空气传声和固体传声[13]2种方式。供热供水系统正常运行时,现场的主观感觉是听到巨大的轰鸣声,交谈困难,接触泵组及管道能感觉其剧烈的振动,其影响范围为1~6层住户。系统正常运行时,在居民室内测得夜间连续等效声压级,测点位于室内中心,距地板垂直距离1 m处。噪声控制前的噪声影响(夜间)见表1所列。按《社会生活环境噪声排放标准》[12]中表2的要求,2类功能区A类房间夜间噪声排放限值为35 dB(A),B类房间夜间为40 dB(A),从表1可知,1~6层住户家中噪声均已超标,需要进行噪声控制。本研究将水泵标记为1#～12#,水泵机组、分气缸和减压阀单独开启时距噪声源1 m处的实测噪声的连续等效声压级和噪声频谱见表2所列，如图1所示。从表2和图1可以看出,水泵机组噪声在70～86 dB之间,噪声在31.5～125 Hz和2～8 kHz之间有最大值。分气缸和减压阀的噪声值高于水泵机组,可达到90.6 dB和91.6 dB,噪声以中、高频为主,能量主要集中在2～8 kHz之间。

表1　噪声控制前的夜间噪声影响

表2　距声源1 m处的实测噪声

图1　声源的频谱图

2噪声、振动对住户室内噪声影响预测

选取101客厅作为研究对象,地下泵房内1#泵、2#泵、1台减压阀和2台分气缸位于101客厅的正下方,其噪声和振动对101客厅的影响较大,声源的方位布置简图如图2所示。

图2　机组平面布置图

2.1噪声对楼上住户室内噪声影响预测

将噪声源看做点声源,声源衰减示意图如图3所示。其中A点为地下室天花板上对应于2#水泵的一点,与水泵的垂直距离为2.5 m,P点为101客厅内地板对应于A点的一点,Q为测点,与P的垂直距离为1 m。

点声源的发散衰减量为:

Ad=20lg(r2r1)

(1)

其中，r2为测点与声源的距离;r1为1 m。声源到达A点的衰减值见表3所列。

图3　声源衰减示意图

dB

A点声压级为:

LA=10lg(∑100.1Lpi)=84.4dB

(2)

据环境评价导则中声环境预测模式中的室内声源等效室外声源声功率级的计算方法,室外的倍频带声压级为:

(3)

其中，LT为隔墙倍频带的隔声量。假设天花板为150 mm厚加气混凝土墙(砌块两面抹灰),其平均隔声量为43.0 dB[14]。

P点的声功率级为:

LW=LP+20lgr+8=43.4dB

(4)

Q点的声压级为:

(5)

其中，Q=2为指向性因子;R=8.4为房间常数(房间大小为4.9m×5.2m×3.0m,地面的吸声系数为0.02,墙面的吸声系数为0.015,平顶的吸声系数为0.25);r=1为声源与测点之间的距离。

故噪声值超标值为2.8 dB。

继续选取201客厅作为研究对象,由(5)式可得位于101客厅与P点相距3 m的M点的声压级为40.3 dB,则经衰减,201客厅的噪声声压级必然小于40 dB,即2层室内超标噪声全部由振动所引起。

2.2振动对楼上住户室内噪声的影响预测

振动在建筑物结构中的传播较为复杂,主要包括在混凝土地板的扩散衰减、墙角处的传递衰减、墙体中的扩散衰减、楼板与墙体T型相接的传递损失、传声介质对声波的阻尼损失、固体声波在墙体内的反射和透射。其中,传声介质对声波的阻尼损失量小,可以忽略[15]。

选取1#水泵为研究对象,由能量守恒定律:

E0V0=E1V1

(6)

其中，E1为泵房墙脚处的单位长度的混凝土地板中的平均声能密度;E0为水泵基础外周单位长度混凝土地板中的平均声能密度;V1=2H1(a1+b1);V0=2H1(a0+b0)；H1=0.16m为混凝土地板的厚度；a1=30m,b1=15m,a0=1.5m,b0=1m，a1、b1分别为泵房的长和宽,a0、b0分别为水泵基座的长和宽。

水泵振动产生的固体声从设备基础传播至墙脚处声能声级衰减量为:

(7)

声波到达墙角处时,传递损失为:

(8)

其中，m为墙体和地面的厚度比，即H2/H1=0.24 m/0.16 m=1.5。声波到达墙角后沿墙体向上传播,由能量守恒定律得:

E2V2=E3V3

(9)

其中，E3=LE2/(L+πh)为声波沿墙体向上传播的声能密度,L=15m为泵房墙宽,h=2.5m为泵房净高。

振动沿墙体向上传播的声级衰减量为:

(10)

当墙体与楼板成T型相连时,由(8)式,传至1层墙体固体声衰减量R4=3 dB。

则振动从地下室基础传到1层墙体的总声衰减量R=R1+R2+R3+R4=21.4 dB。

固体声波在建筑物内传播时,遇到边界面会发生反射,使墙壁和楼板的声能密度增加,设固体声在墙体内从地下室传递到1层的距离为3 m,墙体的厚度为0.24 m,则接近1层楼板墙体内的固体声除了直达声场外还有12次的反射声波,结构内的声级增加量为:

(11)

仅考虑固体声波垂直入射的情况,横波的反射系数为0，纵波的反射系数为:

(12)

其中:r1=ρ1C1=5 520 000 kg/(s·m2)为混凝土的声阻;r2=ρ2C2=438 kg/(s·m2)为空气的声阻。

结构物内的声级增加量为:

ΔL反=10lg(1+∑ri)≈11 dB

(13)

结合地下室到1层的声能衰减,理论上固体声波的综合声级减小了ΔL=10.4 dB。

考虑固体声波在传递到1层房间内的墙体、楼板中时的声能透射,透射系数为:

τ=4R1R2/(R1+R2)≈0.000 3

(14)

透射到空气中的声能量与固体中的声能量差为:

ΔL透=10lgτ=35 dB

(15)

声级在结构物内的总衰减量为:

(16)

设四面墙体的透射声能相同,则1#泵对1层室内实际的结构噪声贡献值为:

L=L结构+10lg 4=43 dB。

考虑到水泵机组的结构噪声的叠加,L总=10lg(∑Li)=52.0 dB，则地下泵房的设备振动对1层住户室内的噪声贡献值为52.0 dB,超标量为12.0 dB。

故噪声与振动所引起的噪声超标量的比值大约为1∶4,振动引起的噪声占总超标量的比例为81%左右。

3噪声控制的比例试验研究

3.1隔振工艺的试验研究

3.1.1机组隔振试验

本试验选取一种新型的复合隔振技术,将混凝土基座、弹簧减振器与橡胶减振垫结合使用。在机组基座的底部加上一块16 mm厚的钢板,四周加上厚6 mm、高120 mm的钢板作为围板,然后再填入混凝土。阻尼弹簧器选择上下均可固定的ZT(Ⅱ)型阻尼弹簧减振器,其不仅具有钢弹簧减振器的低频率和阻尼大的双重优点,还消除了钢弹簧减振器固有的共振振幅现象;该系列减振器荷载范围广,单只荷载在15～4 800 kg之间,固有频率低,在1.6～4.9 Hz之间,阻尼比0.065。

橡胶隔振垫选取SD型橡胶减振垫2层串联,其负载为144～1 940 kg,固有频率为7.5～9.3 Hz,相应的静态压缩量为5.0～8.0 mm,采用优质橡胶为材料,有圆形凹陷镂空、剪切瓦楞行,具有固有频率低、结构简单、使用方便等优点。不同性能的隔振器结合使用,可以增加隔振效果,并且可以避免引起共振。水泵机组采用6支点平均支撑,分气缸采用2×4个支点平均支撑。机组隔振试验示意图如图4所示。

图4　机组隔振试验示意图

3.1.2管道支架隔振试验

试验步骤：在水泵进出水管处加装KST-F型可曲绕双球体橡胶软连接;将与墙面、地面及房顶直接刚性接触的支架均改为地面支架,且支架两端采取隔振措施,即在支架与管道之间加装1个2层的SD型橡胶减振垫;支架与地面接触采取复合隔振结构,即SD型橡胶减振垫+10 mm钢板+JSD型低频复合橡胶减振器。管道和支架隔振试验如图5、图6所示。

图5　管道隔振试验示意图

图6　支架隔振试验示意图

3.1.3隔振效果分析

在仅进行隔振试验后,测得楼上居民住户室内夜间的噪声声压级及其治理程度占应降噪量的比例见表4所列。

表4　隔振效果分析

从表4可知,在进行机组和管道的隔振试验后,2~6层的住户室内噪声已达到治理标准。1层住户室内由水泵和管道振动所引起的噪声也已基本得到治理,但是由于空气声的传播, 1层噪声依然未达标,需要进行进一步降噪试验。

3.2降噪工艺的试验研究

3.2.1消声试验

为了保证机组的通风散热不受影响,试验使用一种结构简单、拆装方便,带消声器的隔声罩。隔声板的结构为彩钢+阻尼漆+超细玻璃棉(厚度为80 mm,体积密度为25 kg/m3)+玻璃纤维布+镀锌穿孔铝板。消声器为片式阻性消声器,位于隔声罩出风口,气流通道宽度设计为100 mm,片厚为100 mm,消声器长度选为0.6 m,片中填充80 mm超细玻璃棉和玻璃纤维布,片式消声器的尺寸为1.0 m×1.0 m×0.6 m。这种带通风散热消声器的隔声罩的隔声量约为15~20 dB。水泵隔声罩如图7所示。

图7　机组隔声罩示意图

3.2.2吸声试验

在对水泵机组进行了消声试验后,在101客厅夜间所测得的噪声声压级为41.6 dB(A),101卧室为37.5 dB(A)，依然未达到治理标准,仍需进行吸声控制。地下泵房除出入口外,其余部分均为水泥抹面结构,混响声严重。为处理地下供热供水泵房的混响声,在地下室的屋顶和墙壁安装吸声构件,泵房内吸声体如图8所示。

图8　吸声试验示意图

吸声体用松木做骨架,为提高吸声材料的低频吸声性能,吸声构件与房顶间留400 mm空腔,以不影响采光为前提均匀分布,用钢丝绳固定,总吸声构件面积约占房内表面积的75.47%。

3.2.3隔声试验

为了减少水泵噪声向外的辐射,试验在地下泵房的原出入口处加装隔声门,隔声门结构采用彩钢板+超细玻璃棉(80 mm,25 kg/m3)+彩钢板,门与门框接触处采用直角搭合结构,在门缝处用橡胶条密封，总隔声量在20 dB(A)左右。

3.3隔振、降噪的效果分析

在对地下泵房进行降噪和隔振控制后,楼上居民室内的噪声情况见表5所列。其中,倍频带中心频率63 Hz和125 Hz处,夜间噪声水平高于昼间水平,其可能原因有:

(1) 测量时间是夜间12点,在夜间测量时楼上住户的用水量可能出现突然增大的现象,导致夜间值高于昼间值。

(2) 由测量误差引起的。

从表5可看出,经过隔振和噪声控制,小区的地下泵房对楼上居民室内噪声的影响达到了《社会生活环境噪声排放标准》[12]中表2的要求,101客厅夜间的等效声级降噪量达到了26.2 dB(A),601客厅达到了15.5 dB(A),而且倍频带声压级也达到了标准中表3的要求,101卧室在31.5 Hz时降噪量达到20.9 dB,客厅在500 Hz时噪声降低量达21.7 dB;601卧室和客厅在250 Hz时降噪量分别达到16.6 dB和19.3 dB,低频声的治理效果较好,居民室内影响日常生活的噪声得到了大大减少。

表5　噪声控制后居民室内噪声情况

4结束语

(1) 本文将声源噪声和振动对楼上住户室内的噪声贡献值进行了定量分析,得出地下供热供水系统噪声与振动所引起的噪声超标量的比值大约为1∶4,为后续的噪声与振动的控制提供了一种新的思考方法和理论依据。

(2) 根据隔振工艺试验研究结果,在仅进行了隔振控制后,2~6层居民室内噪声超标都已得到了控制,说明2～6层居民室内的噪声超标都是由振动源引起的。

(3) 进行隔振控制后,101客厅和卧室的夜间等效声级降噪量分别达到了20.0 dB(A)和18.2 dB(A),治理程度达到了应降噪量的88%和87%,与预测值中振动源引起的噪声影响所占比例为总超标量的81%基本符合,说明在进行了水泵机组和管道系统的隔振控制后,振动源引起的噪声超标部分已得到治理。

(4) 在这种典型的地下供热供水泵房的噪声控制中,本文利用预测中振动与噪声的比例关系进行水泵机组的隔振设计,采取了一种新的复合隔振技术,将混凝土基座、阻尼弹簧减振器和橡胶减振垫结合使用,并将隔振与消声、吸声和隔声结合在一起,治理效果同时达到了《社会生活环境噪声排放标准》[12]中表2和表3的要求,低频噪声治理效果较好。

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(责任编辑马国锋)

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

中图分类号:TB535

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)02-0170-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.006

作者简介：熊鸿斌(1963-)，男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师.

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2015-01-23