Введение
По мере развития строительной отрасли, промышленности в целом, в том числе энергетики, человек на производстве, в быту и на отдыхе подвергается интенсивному шумовому воздействию, которое настолько велико, что в литературе появился термин «акустическая экспансия»[73,93], а его снижение рассматривается как важнейшая составляющая комплекса экологических проблем [210].
Шумовое воздействие во многих случаях становится лимитирующим экологическим фактором, и его надо рассматривать как одну из составляющих общего кризиса техногенной цивилизации [210]. Шумовое состояние окружающей среды оказывает существенное воздействие на человека и сравнивается с таким воздействием, как разрушение озонного слоя или с кислотными дождями. Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума увеличивается заболеваемость в городах, уменьшается продолжительность жизни, снижается производительность труда. Снижение шума является составной частью проблемы преодоления кризиса современного развития и взаимодействия человечества и природы, при котором общество удовлетворяло бы свои потребности без ущерба для последующих поколений за счет принципов самоограничения, обновления (обновляемости) и замкнутости.
Поэтому не случайно шумовое воздействие нормируется практически во всех странах мира. В России закон «Об охране атмосферного воздуха» рассматривает шумовое воздействие на окружающую среду среди таких негативных факторов, как радиоактивное и электромагнитное воздействие, а также воздействие газообразных выбросов (окислов серы и азота) или твердых частиц (золы).
К числу основных источников шума аэродинамического происхождения городов и крупных населенных пунктов относится вентиляционное оборудование: системы вентиляции (В), кондиционирования воздуха (KB) и некоторые другие системы, в частности, системы тяги и дутья, паровых выбросов транспортировки газа. Все эти источники повышенного шума объединены автором в общее понятие газовоздушные системы (ГВС) - это трубопроводные системы с перемещаемой в них газовоздушной средой.
7
Без систем В и KB невозможно представить современное административное, общественное и жилое здание. Другие газовоздушные системы, такие как крупногабаритные системы тяги и дутья паровых и водогрейных котлов, газопроводные и паропроводные системы, участвуют в технологических процессах по производству тепловой и электрической энергии на городских энергетических объектах: ТЭЦ (теплоэлектроцентралях), РТС (районных тепловых станциях), КТС (квартальных тепловых станциях), котельных.
Все упомянутые системы имеют общие черты и ряд особенностей, требующих детального рассмотрения. Отличает эти источники шума и степень научной проработки. Наиболее полно, с точки зрения акустики, изучены системы В и КВ. Существует множество работ, посвященных борьбе с шумом вентуста-новок в источнике его возникновения в ряде областей промышленности (в судостроении, авиации, автомобилестроении, на транспорте и др.). Однако остались и появились новые вопросы, связанные с измерением, распространением, снижением аэродинамического шума и защитой от него в современном городском строительстве. Энергетические газовоздушные системы имеют существенные отличительные черты, а распространение звука в их каналах имеет важные особенности, поэтому результаты исследования акустических характеристик ГВС -основа для решения проблемы шумозащиты от них зданий и городской застройки, т.е. человека.
Проблемам защиты зданий и территорий застройки уделяли внимание крупные отечественные ученые: Л.А. Борисов, Д.Н. Блохинцев, В.И. Заборов, Н.И. Иванов, И.И, Клюкин, А.Г. Мунин, А.С. Никифоров, Г.Л. Осипов, Е.А. Перцовский, М.С. Седов, А.С. Терехин, Ю.П. Щевьев, Е.Я. Юдин, а также зарубежные Л.Л. Беранек, Л. Кремер, М. Крокер, Ф. П. Мехель, М. Хекль, Г. Хюб-нер. Несмотря на это, осталось большое количество вопросов, без решения которых нельзя решить в целом задачу снижения шума рассматриваемых газовоздушных систем.
Это объясняется взаимной связью этих вопросов, т.е. комплексностью проблемы, при решении которой затрагиваются вопросы: выявления источников аэродинамического шума и исследования причин шумообразования в основных источниках, аналитических и экспериментальных исследований физических процессов распространения звука в трубах и акустических измерений, снижения
8
звуковой мощности в сложных элементах крупногабаритных газовоздушных ка- налов, распространения шума в городской воздушной среде до объекта воздействия и методики его расчета, разработки методических рекомендаций по проектированию малошумных систем, исследования и разработки средств снижения шума и внедрения их в практику строительства.
Актуальность работы по защите от шума ГВС зданий и территорий застройки связана с повышенным шумовым воздействием прежде всего из-за близкого их расположения к местам обитания человека, так как они предназначены для обеспечения его жизнедеятельности. Системы В и KB создают в зданиях различного назначения необходимый температурно-влажностный режим (комфортные климатические условия) и сообщаются с окружающей средой через воздухозаборы и выбросы, а мощные системы тяги (дутья) и парогазовые системы используются на энергетических объектах с непрерывным циклом работы (круглосуточно, круглогодично), располагаемых, как правило, вблизи больших жилых районов или непосредственно на их территории. Ситуация усложняется тем, что характер шума основных источников систем тяги и дутья (дымососов и дутьевых вентиляторов) - тональный. Это свидетельствует о не- возможности эксплуатации исследованных ГВС без осуществления мероприятий по шумоглушению, разработка которых должна основываться на материалах достаточно глубоких акустических исследований и проводиться с учетом особенностей оборудования и условий его эксплуатации.
Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов и средств снижения шума при ограничении шумового воздействия систем В, KB и широко применяемых в условиях городов крупногабаритных энергетических газовоздушных систем. Для достижения цели в работе решается комплекс задач, включающий: систематизацию и обобщение опубликованных данных и собственных исследований, касающихся физических процессов возникновения шума в вентиляторных установках, его измерения и направлений снижения, инженерных методов расчета уровней шума; разработку стандартных методов акустических испытаний вентиляторов и тягодутьевых машин на основе аналитических и экспериментальных исследований; разработку методических рекомендаций по проектированию малошумных систем В, KB и классификации средств снижения шума; выявление причин повышенного шумообразования
9
(шумоизлучения) в элементах энергетических газовоздушных систем; разработку комплекса средств снижения шума энергетических газовоздушных систем с учетом особых условий их эксплуатации с использованием шумоглушителей, методов звукопоглощения, звукоизоляции, экранирования на основе аналитических данных и результатов экспериментов; методику расчета снижения звуковой мощности в элементах крупногабаритных систем тяги и дутья; методику расчета уровней шума энергетических ГВС на прилегающей к объектам территории городской застройки; разработку технических решений средств защиты зданий и территорий застройки от шума систем В, KB и других ГВС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- исследованы процессы распространения аэродинамического шума лопаточных машин (вентиляторов, тягодутьевых машин) в присоединяемых трубах, связанные с определением достаточно точной связи (с корреляцией) между измеряемым звуковым давлением и звуковой мощностью;
- выявлены закономерности шумообразования в крупногабаритных тягодутьевых машинах, определены зависимости их звуковой мощности от конструктивных и аэродинамических параметров, критерии подобия и удельные уровни звуковой мощности, разработан расчетный метод для определения шумовых характеристик этих машин;
- определены удельные уровни звуковой мощности современных вентиляторов и поправки на тональные составляющие их шума, позволяющие рассчитывать основные шумовые характеристики на сторонах всасывания, нагнетания и вокруг корпуса, а также сравнивать по шумности и выбирать наименее шумные агрегаты;
- предложена инженерная методика расчета уровней шума крупногабаритных энергетических газовоздушных систем, учитывающая условия излучения шума в окружающее пространство и включающая экспериментальные и расчетные значения снижения уровня звуковой мощности в разнообразных элементах крупногабаритных энергетических газовоздушных каналов, а также необходимые данные о характере излучения аэродинамического шума из устьев дымовых труб в зависимости от их высоты и конструкции;
10
- получены экспериментально-аналитические зависимости снижения шума абсорбционными глушителями от геометрических и физических параметров их конструкции;
- получены новые данные о звукоизолирующих свойствах различных теплоизолирующих покрытий металлических конструкций газовоздушных каналов и корпусов тягодутьевых машин, позволяющие прогнозировать уровни шума в зоне их обслуживания и в техническом помещении;
Практическая значимость работы: разработан стандартный метод акустических испытаний общепромышленных вентиляторов в присоединяемых трубах; разработаны средства для защиты микрофона, используемые при стандартных акустических измерениях в трубах с потоком воздуха; определены основные требования и оптимальные конструктивные и рабочие параметры для проектирования малошумных систем вентиляции и кондиционирования воздуха; впервые в отечественной практике разработан отраслевой, а затем государственный стандарт на акустические испытания крупногабаритных ТДМ, с внедрением которого были определены шумовые характеристики машин и подготовлены материалы для опубликованного каталога; определены акустические требования для проектирования и изготовления глушителей шума крупногабаритных энергетических систем тяги и дутья с учетом особенностей условий их эксплуатации; определены конструктивные параметры звукоизолирующих покрытий газовоздушных каналов и корпусов ТДМ, кожухов и других средства снижения шума газопроводных систем ТЭЦ; по требуемой акустической эффективности определены конструктивные параметры выгородок для экранирования шума наружных блоков кондиционеров, сплит-систем, включая чиллеры, конденсаторы, сухие градирни, охладители; разработано программное обеспечение для акустического расчета систем вентиляции, определения уровней шума систем тяги и дутья, проникающего на селитебную территорию.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда государственных, городских и ведомственных программ. Внедрены и широко используются: комплексы средств снижения шума систем вентиляции и кондиционирования воздуха при строительстве и реконструкции различных административных и общественных зданий, в том числе уникальных культурных и исторических памятников; технические решения по защите жилой застройки от
11
шума крышных вентиляторов, наружных блоков кондиционеров и сплит-систем при строительстве административных зданий и крупных жилых комплексов; глушители шума тягодутьевых машин, звукоизолирующие покрытия на металлические газовоздушные каналы и корпуса осевых и центробежных дымососов, кожухи на газопроводы при строительстве и расширении множества тепловых электрических станций; методы расчета шумовых характеристик лопаточных машин и уровней шума газовоздушных систем при определении размеров сани-тарно-защитных зон вокруг промышленных объектов, которые включены в соответствующие своды правил к новому СНиП «Защита от шума и акустика»; подготовка их ведется в настоящее время.
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно и докладывались на IX Всесоюзной акустической конференции, г. Москва, 1977г., на VII Научно-технической конференции по авиационной акустике, г. Москва, 1978г., на III Всесоюзной конференции по борьбе с шумом и вибрацией, г. Челябинск, 1980г., в МДНТП на семинаре «Современные направления развития промышленной вентиляции», 1986г., на Всесоюзной научной конференции «Акустическая экология», г. Ленинград, 1990г., на Научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы в области защиты от шума и светотехники», г. Севастополь, 2000г., на XI Сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2001г., на Научно-техническом семинаре «Обеспечение экологической безопасности, акустического и светотехнического благоустройства в зданиях и на территории застройки», г. Севастополь, 2002г., на XIII Сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2003 г., на Научно-техническом семинаре «Защита от шума и акустическое благоустройство городов и крупных населенных пунктов», г. Севастополь, 2003 г.
Основные результаты и положения диссертационной работы отражены в учебном пособии, в справочнике по проектированию шумоглушения и 45 публикациях, в том числе 6 авторских свидетельствах.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 343 страницы текста (с учетом списка литературы, приложений-376 стр.), 119 рисунков и список литературы из 225 наименований. Объем приложений - 17 страниц.
t
12
Глава 1. Шум газовоздушных систем и основные направления исследований с целью его снижения
Представлены рассматриваемые газовоздушные системы как источники повышенного шума в местах обитания человека, эксплуатация которых невозможна без средств шумоглушения и шумозащиты. Это системы вентиляции и кондиционирования воздуха, системы тяги и дутья паровых и водогрейных котлов, некоторые газопроводные и паропроводные системы городских энергетических объектов. Показана степень научной проработки каждого источника и обозначены направления дальнейших исследований.
1.1 Объекты исследования и их место в обеспечении жизнедеятельности человека в городских условиях
Газовоздушными системами (ГВС) названы трубопроводные системы, в которых перемещается с определенной скоростью газовоздушная среда (прямые участки разной длины, расширения с разными углами раскрытия и сужения, разветвления, повороты под разными углами, регулирующие (дросселирующие), распределительные устройства и др.). Это системы вентиляции и кондиционирования воздуха, воздушного отопления в зданиях и на объектах различного назначения, а также системы тяги и дутья в котлах, газопроводные системы и паровые выбросы и системы газоснабжения на энергетических объектах городов и крупных населенных пунктов (на ТЭЦ, ГРЭС, РТС, КТС, в котельных). Их объединяет принцип перемещения среды, сопровождающийся подобными аэродинамическими процессами, а отличают их (помимо перемещаемой среды) габариты и протяженность трубопроводов, материалы, из которых они изготовлены, набор элементов, расположение забора и выброса среды и т.п. Они имеют основные свойства всех существующих, а габариты их трубопроводов перекрывают известный на практике диапазон размеров газовоздушных трактов.
Для исследования выбраны, прежде всего, такие ГВС, в которых одним из основных элементов или основным является движитель, создающий поток, -«вентиляторная установка». В зависимости от типа газовоздушной системы, ее
13
предназначения и от конструктивных особенностей движителя, такая «вентиля- торная установка» называется: вентилятором, воздуходувкой, газодувкой, дутьевым вентилятором, дымососом, насосом, компрессором. Общим для этих машин являются происходящие в них аэродинамические процессы. Отличают их конструктивные особенности проточной части, основные аэродинамические (рабочие) параметры: производительность, развиваемое давление, КПД, а также характеристики перемещаемой среды: плотность, температура, вязкость и некоторые другие.
Названные ГВС с полным основанием относятся к системам жизнеобеспечения человека в городских условиях. Использование вентиляции (В), кондиционирования воздуха (KB) с каждым годом возрастает. В настоящее время без них трудно представить не только современное общественное, административное, но и жилое здание. Тенденция к росту строительства жилья, офисных помещений сохраняется, поэтому неизбежно будет возрастать и потребность в В и КВ. Возрастает также потребление электроэнергии и тепла. Для удовлетворения потребностей человека неизбежно увеличение мощностей энергетических объ- ектов, которое происходит в основном за счет строительства, расширения электрических и тепловых станций, располагаемых, как правило, вблизи жилых районов и городской застройки. В итоге тенденция увеличения количества систем тяги и дутья и их мощности сохранится, а значит могут сохраниться и проблемы, связанные с их эксплуатацией. Это также актуально в отношении других ГВС, таких как газопроводные и паропроводные систем энергетических объектов.
Главный и общий фактор ГВС, представляющий интерес, - это большой аэродинамический шум, излучаемый ими в помещения зданий и в атмосферу (на городскую застройку) при работе в дневное, ночное время или постоянно (круглосуточно). Характерно, что элементы таких систем максимально приближены к местам обитания человека в процессе жизнедеятельности, поэтому проблема защиты его (человека) от крайне отрицательного воздействия шума стоит наиболее остро. Как утверждают специалисты, за счет повышенного шума увеличивается заболеваемость в городах, уменьшается продолжительность жизни, снижается производительность труда.
Оценивая огромный объем использования принудительной вентиляции (с механическим побуждением), а также численность энергетических объектов в
14
городах, на которых производство электрической и тепловой энергии невозможно без систем тяги и дутья, газопроводов и паропроводов можно сделать важный вывод о том, что выбранные для исследования объекты по количеству людей, подвергающихся шумовому воздействию (в отсутствие мер по шумоглушению и шумозащите), занимают самые высокие места. Это однозначно свидетельствует в пользу правильности сделанного выбора, следовательно, об актуальности темы исследований.
1.2 Шум современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха
1.2.1 Источники шума систем В и KB
Источники шума, их количество и степень шумового воздействия, зависят от структуры системы В и КВ. Обобщенные схемы систем вентиляции средних размеров приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схемы ветвей воздуховодов приточной и вытяжной вентсистем 1 - вентилятор приточной системы; 2 - плавный поворот; 3 — тройник; 4 - распределительный короб; 5 - крестовина; 6 - вентилятор вытяжной (рециркуляционной) системы; 7 - регулирующее устройство; 8 - воздухораспределительное устройство; 9 - воздухо-заборная решетка; 10-ответвления.
15
Реальные системы в зависимости от назначения и размеров зданий имеют различную длину воздуховодов, количество ответвлений, регулирующих, воздухораспределительных устройств и фасонных элементов, размер, тип вентиляторов, а также допустимые скорости потока воздуха на разных участках. У вытяжных систем на нагнетании и приточных систем на всасывании сети воздуховодов короткие и затухание в них шума незначительно. Размеры сетей на всасывании вытяжных систем и нагнетании приточных систем зависят от размеров зданий, в которых они эксплуатируются. В небольших зданиях сети короткие и в них отсутствуют некоторые из указанных элементы и источники шума. В больших зданиях сети длинные и шум вентилятора может оказаться второстепенным в обслуживающем системой помещении.
При центральном кондиционировании воздуха во всех обслуживающих системой (ее ответвлениями) помещениях поддерживаются заданные темпера-турно - влажностные параметры. За последние годы ситуация существенно изменилась. Наряду с традиционным проектированием систем кондиционирования воздуха успешно реализуются различные технические решения комфортного кондиционирования ведущих фирм мира ("Daikin", "Trane", "York", "Арктика", "Евроклимат" и др.). Практически в каждом проекте строительства и реконструкции в Москве используется такое оборудование.
Для кондиционирования воздуха в жилых и офисных помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит-систем. Они состоят из внешнего блока и внутреннего блока. Во внешнем блоке находятся компрессор, конденсатор и вентилятор. Он может быть установлен на стене здания, на кровле, на балконе, т. е. в таком месте, где горячий конденсатор может продуваться атмосферным воздухом более низкой температуры. Внутренний блок устанавливается непосредственно в кондиционируемом помещении и предназначен для охлаждения (нагревания) воздуха и создания необходимой его подвижности в помещении.
Для кондиционирования нескольких помещений одновременно предназначены, как правило, канальные кондиционеры. Канальный кондиционер рассчитан, прежде всего, на работу в режиме рециркуляции, и в таком качестве он более близок к кондиционерам сплит-систем. Основное его отличие заключает-
16
ся в том, что внутренние блоки канальных кондиционеров устанавливаются за подшивным потолком, а воздух забирается и раздается воздуховодами по кондиционируемым помещениям.
Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое регулирование температуры одновременно в большом количестве помещений (в гостиницах, офисах и т.д.). Потребители - кондиционеры-доводчики (фанкойлы) могут изменять свою холодо -, теплопроизводительность. Источником холода является охладитель жидкости (чиллер). Некоторые модели чиллеров могут работать в режиме теплового насоса. В этом случае возможен подогрев помещений. Фанкойл - это агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления. Воздух из помещения подается вентилятором на теплообменник фанкойла, в котором он охлаждается или подогревается. В фанкойл может подаваться некоторое количество свежего воздуха от центрального кондиционера или приточной установки (такая система позволяет решать задачи вентиляции).
Крышные кондиционеры представляют собой холодильную машину, конструктивно выполненную в виде моноблока и устанавливаются на плоских кровлях зданий. Крышные кондиционеры позволяют одновременно осуществлять вентиляцию и регулировать температуру воздуха в помещении. Обычно такие кондиционеры применяются на больших супермаркетах, спортивных сооружениях, конференц-залах.
С одной стороны, все эти современные системы кондиционирования воздуха имеют важные преимущества, например, экономичность, с другой, обладают существенным недостатком. Даже при условии, что оборудование упомянутых фирм менее шумное, проблема шумоглушения часто не только не снижается, но и усложняется, так как источники шума максимально приближаются к местам обитания человека. Наружные блоки устанавливаются вблизи окон здания, где осуществляется кондиционирование, или соседнего жилого дома, а внутренние блоки устанавливаются непосредственно в помещениях, предназначенных для жизнедеятельности человека (работы, отдыха, проживания).
Практика (данные инструментального контроля и опыт работы автора в области защиты от шума) показывает, что система В и KB, как правило, являются источниками повышенного шума и в зданиях любого назначения, и на терри-
17
тории жилой застройки. О степени их шумового воздействия можно судить по данным, приведенным в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Обобщенные значения требуемого снижения шума систем В и KB
в местах обитания человека
№№ п/п Типы помещений и городской застройки Требуемое снижение шума, дБ А
1 Палаты больниц и санаториев, операционные больниц 15-35
2 Кабинеты врачей медицинских учреждений 20-30
3 Помещения офисов, кабинеты в административных Зданиях 10-25
4 Жилые помещения элитных домов 15-30
5 Помещения музыкальных и драматических театров 15-35
6 Жилая застройка 10-25
7 Зона отдыха 10-20
Эксплуатация таких наиболее важных систем жизнеобеспечения в большинстве общественных, административных и жилых зданиях невозможна без осуществления архитектурно-планировочных или акустических мероприятий. Последние 5...7 лет в стране широко используется зарубежное оборудование, а качество отечественного повысилось и несколько снизился излучаемый системами В и KB шум. Однако для текущего времени характерна тенденция к росту плотности городской застройки, а также к сокращению свободных объемов в зданиях, в следствие чего сокращаются пути распространения шума и ухудшается акустическая ситуация.
Источниками аэродинамического шума в системах вентиляции и кондиционирования воздуха являются [ 1,3,121,122,124,126]:
- вентиляторные установки (вентиляторы);
- путевая арматура (различные регулирующие устройства);
- фасонные элементы (повороты, отводы, диффузоры и др.);
- воздухозаборные и воздухораспределительные устройства.
Основным источником шума этих систем является вентилятор (или вентиляторный блок в системе кондиционирования воздуха), шум которого, в свою очередь, зависит от рабочих параметров вентилятора (номинального расхода воздуха, полного давления и рабочей точки на аэродинамической характеристике) [105,107,110,121,122,124,126].

Получить работу