空气输配系统噪声综合控制研究——某核电厂主控室暖通空调系统

刘海成（北京绿创声学工程股份有限公司，北京，102200）



空气输配系统噪声综合控制研究
——某核电厂主控室暖通空调系统

刘海成
（北京绿创声学工程股份有限公司，北京，102200）

我国已建成的核电厂主控室内噪声值约定为56dB（A）左右，经噪声控制后噪声值为53dB（A）左右。但是根据有关国家标准的要求，新建项目主控室的环境噪声限值要达到45dB （A）。据此，监测在运行核电厂主控室内噪声，识别室内声场模拟及声源，发现：暖通空调系统之空气输配系统产生的风口噪声、风管本身辐射的二次激发噪声及固体声是主控室内声环境的最主要声源。研究表明：风口噪声超标主要因素有系统消声设计不合理，系统气流再生噪声计算不精确，消声设备性能与系统未合理匹配及缺乏相关工程经验等。本文针对问题，系统阐述了噪声不同产生机理应该采用不同降噪措施，分析了风管本身辐射的二次激发噪声及固体声超标解决对策，并从暖通空调空气输配系统控制噪声出发，提出了暖通空调系统综合降噪参考方案。

风口噪声；二次激发噪声；消声设计；工程经验

引言

根据国家标准《核电厂控制室的设计》（GB/ T13630-92）［1］，以及xxxx核电厂《主控室环境噪声治理技术规格书》的规定，项目管理部对此新建项目主控室的环境噪声限值提出达到45dB （A）的明确要求，以满足业主对主控室环境保护、劳动保护的日益重视并与国际同类水平项目接轨。本文研究并阐述了主控室降噪的设计方案，对同行工作有参考作用。

xxxx核电厂主控室区域位于主控楼内5层，整个主控室区域根据功能要求分割成如下房间：2个主控制室、2个计算机房、1个公共控制室、2个管廊间、1个走廊，2个配电柜间，主控室内主要布置有其平面布置图如图1、图2、图3所示。根据项目管理部所提供已建成的核电站监测资料显示，核电站主控室内噪声值约为56dB（A）左右，经噪声控制后噪声值约为53dB（A）左右。

主控室区域与外部区域之间的维护结构为钢筋混凝土结构，其中墙体厚度500～1000mm，此结构隔声量足够高，影响主控室声环境的声源有3大类：外部声源、内部声源和主控制室内混响。外部声源包括主控室区域暖通空调系统和主控室区域外的声源，内部声源包括主控制室内设备、计算机房内设备和公共控制室内设备。主控室内布置有操纵员站（OWP）、后备盘大屏幕（BUP）、SVDU等设备，经室内声场模拟及声源识别，暖通空调系统空气输配系统产生的风口噪声和风管本身辐射的二次激发噪声及固体声是影响主控室内声环境的最主要声源。本文主要以为1#主控室服务的1DVC暖通空调系统为例展开论述。

1　暖通空调空气输配系统噪声产生机理及分析

1.1风口噪声

图1　xxxx核电厂主控室区域平面布置图

图2　xxxx核电厂主控室区域效果图

图3　某在运行核电站主控室内局部图片

主控室送风口位于轻质隔墙顶端，穿墙而过，送风方式为侧向送风，风口数量10个，总送风量7030m3/h，风口风速约1.5m/s。回风口位于天花板内部，后备盘大屏幕（BUP）上方，为下向回风，数量：10个，风口尺寸与送风口相同，主控室体积（长×宽×高，m）：14.95×12.15×4.5，图4所示为影响主控室室内声环境的主要噪声源-送、回风口位置示意图。 风口噪声主要由2部分组成：风机段辐射出的强烈空气动力性噪声经由管路系统衰减及叠加管路系统气流再生噪声后传至主控室送、回风口处的混合噪声和风口自身的气流再生噪声，风口噪声是影响主控室内声环境的主要声源，也是消声设计效果的最终体现。

某在运行核电站主控室风口噪声频谱特性图如图5所示。由图可以看出，噪声主要集中在中低频，而且曲线比较平滑，呈宽频特性；排（送）风口与回风口噪声特性相近，反映了风口噪声的特性，在A声级上，排风口噪声高达73 dB（A），回风口噪声为58 dB（A）。在满足主控室内噪声值?45 dB（A）［2］的前提下，送（排）风口、回风口的噪声值需满足?40 dB（A），设计标准为噪声评价数NR曲线（NR35）。

图4　影响主控室室内声环境的主要噪声源-送、回风口位置示意图

图5　暖通空调系统风口辐射噪声频谱特性

通过图5可以看出，要降低风口噪声的A计权声压级，需中、高、低全频段整体降噪。

1.2风管本身辐射的二次激发噪声及固体声

风管采用的是厚度0.8～1.2mm的镀锌钢板，是典型的薄板结构，管道内气流通过时，气流脉动会产生对风管的激振力，从而使风管产生机械振动而产生二次激发噪声，二次激发噪声为典型的结构噪声。噪声除了以空气传声方式传递到主控室外，还以固体传声方式传递到主控室。二次激发噪声会通过刚性固定支、吊架经由墙壁、顶棚等结构传播到主控室内，这种由主控室结构辐射出的噪声称为固体声，以中低频为主，这部分噪声对主控室的影响明显，需加以治理。图6、图7为某在运行核电厂风管、末端静压箱的固定图，采用的均是刚性支、吊架。

图6　风管及其刚性支、吊架

图7　风口末端静压箱及其刚性吊架

1.3空调机组（AHU）噪声

主控室区域暖通空调系统组合式空气处理机组（AHU）位于空调机房，由初、中效过滤段，表冷段，加热段，风机段等组合而成。机组风机段采用的是离心风机，风机出风口辐射出强烈的空气动力性噪声，噪声以低频成分为主，随着频率的提高，噪声逐渐下降，声功率频谱特性参见图8。

图8　主控室区域AHU声功率频谱图

风机噪声主要包含进、出风口空气动力性噪声和机械噪声、电机噪声，以空气动力性噪声为主。空气动力性噪声主要分为旋转噪声和涡流噪声2种。

旋转噪声产生的机理［3］：风机叶片绕轴旋转时，风机叶片相对于气流运动，迎风侧与背风侧所受压力不同。在旋转轮的叶片通道出口处，沿周向的气动压力与气流速度都有很大变化，旋转的叶片通道掠过较窄的蜗舌处，就会出现周期性的压力和速度脉动，从而产生噪声。叶片在自由空间旋转时。对于叶片邻近的某固定空间位置来说，每当一个叶片通过时，空气受到叶片及其压力场的激励，压力就会起伏变化一次，旋转的叶片不断地逐个通过，相应逐个地产生脉冲，向周围辐射噪声。

旋转噪声的频率为:

f=in/60

式中：

n——每分钟的转速

z——叶片数

i——频率谐波序号，i=1时的频率为基频

涡流噪声的产生机理［3］：风机叶片相对于气流运动时，涡旋在叶片上侧不断地形成、发展和滑脱，产生一系列顺流而下的旋涡。由于涡旋的中心与边缘的压力是不相同的，因此在涡旋脱体的过程中，涡流分裂，使气体发生扰动，叶片受到交变气体扰动作用力。上述过程中，叶片要不断地向气体施加周期性的反作用力，形成气流的压缩与稀疏过程，从而向周围辐射声波，产生涡流噪声。涡流噪声的频率为：

fm=iβv/L

式中：

β——斯特劳哈尔（Strouhal）系数，β=0.14～0.2，一般随雷诺数的增加而缓慢地增加，计算中一般可取β=0.185

v——气流与叶片的相对速度

L——叶片正表面的宽度在垂直于速度平面上的投影

i——频率谐波序号

离心风机的旋转噪声与涡旋噪声同时存在，若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数小于0.4，涡旋噪声则占主导地位，若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数大于0.4，旋转噪声则占主导地位。这2部分共同构成了系统消声设计的主要声源。

组合式空气处理机组（AHU）除产生强烈的空气动力性噪声外，还会通过与机组连接的刚性基础等部位向临近房间传播固体声。空调机房位于主控室同层，整个机组设备通过螺栓与混凝土基础呈刚性连接，同时，所有通风管道与支撑或吊架都是刚性连接，而支撑和吊架为刚性件，直接与基础和结构刚性连接，实现了又一个明显的固体传声通道。空调机组安装方式如图9所示。

固体声传递通道主要有两种：

一是机组振动通过基础或基座直接传递到主控室结构，结构辐射出较高的噪声。

二是机组振动通过管道、托架、吊架等间接传递到主控室结构，从而形成新的噪声源，以上两种传递方式在本项目中都存在。

图9　空调机组（AHU）安装图

2　暖通空调空气输配系统消声设计过程

2.1消声设计计算的主要内容及步骤

（1）系统消声设计主要内容

A、采用空调机组厂家给出的机组风机的声功率级；若无法提供，选用风机的比声功率级或风机特性曲线资料计算风机的声功率级；未提供风机噪声特性曲线参数的根据风机风量、全压参数按照上述计算公式计算风机声功率级。

B、根据已确定的暖通空调系统管路设计、计算各部件的气流噪声声功率级。

C、计算管路各部件的噪声自然衰减值。

D、从风机声源声功率级开始，逐段减去系统各部件的自然衰减并叠加各部件的气流再生噪声，最后计算得到房间内接受点（敏感点）的剩余噪声声压级值。

E、根据工程设计确定的室内噪声允许标准及计算得到的室内接受点的剩余噪声声压级值计算系统内应设置消声器所需的总消声量。

（2）系统消声设计主要步骤

如图10暖通空调系统消声设计程序框图10［5］所示。

图10　暖通空调系统消声设计程序框图［1］

按照以上设计内容和步骤，确定系统所需综合消声量，根据系统流量等数据计算拟采用的消声器的插入损失，再根据计算结果及相关工程经验确定所采用消声器的数量、类型及末端消声静压箱的设计（主要承担稳定风口气流及承担消声设计余量的作用）（详见《某核电厂1DVC系统声学计算书（送风系统）》）。

2.2系统消声设计过程

（1）消声设计计算公式

系统消声设计计算主要所采用的公式有：风机声功率估算公式、管路自然衰减公式和管路气流再生噪声声功率公式等，如：

A、三通自然衰减公式：

△L=10lg（S1/S）

式中：

S1——支管断面积（m2）

S——分叉处全部支管断面积（m2）

B、直管道气流再生噪声声功率级公式：

Lw=Lwc+50lgV+10lgS

式中：

Lwc——比声功率级，可取10dB

V——管内气流速度（m/s）

S——管道断面积（m2）

（2）消声设计计算过程

现以某核电厂1DVC暖通空调系统送风系统（主要为1#主控室、L709计算机房、隔离办等房间服务）为例进行阐述。该系统管道布置如图11、图12所示。

根据支管段风量大小并相关工程经验，用于声学计算的管路系统可简化为如图13所示。

系统消声设计过程参见表1《某核电厂1DVC系统声学计算书（送风系统）》。

2.3消声器性能验算

以如图11、图12所示采用的阻性片式消声器（1350×840×1220，单位：mm）为例进行消声器性能验算，计算结果如表2所示。

图11　1DVC暖通空调系统送风系统管路布置图

图12　1DVC暖通空调系统送风系统管路布置图（2）

图13　1DVC暖通空调系统送风系统管路简化图

表1　某核电厂1DVC系统声学计算书（送风系统）

接表1

表2　某核电厂1DVC系统阻性片式消声性能验算表

在消声设备性能验算的基础上，结合首都机场3#航站楼、中国工商银行总行业务营运中心等相关工程经验进行修正，采用在主风管安装阻性片式消声器（3台）、微穿孔板消声器（2台）及风口末端消声静压箱（1台）相组合的方式。阻性片式消声器消声频带较宽，微穿孔板消声器在中低频段有较好的消声性能，两者组合可进一步提高系统的消声带宽，风口末端采用与消声静压箱连接、消声静压箱与消声软管相连接的方式，主要用来承担消声设计余量和稳定风口气流，减少气流再生噪声的作用。其具体布置方案参见图11、图12，采用此方案可最大限度节约消声器的使用数量，并能兼顾到支管段所服务区域的系统消声设计。拟采用的主要消声设备示意图如图14所示。

微穿孔板消声器

阻性片式消声器

图14　主控室区域拟采用主要消声设备示意图

2.4 消声设计计算结果及分析

设计结果如图15所示。

图15　主控室区域消声设计结果对比分析

本系统为消除声源较高的低频噪声，获得更好的声舒适度，在进行声学计算及消声设备性能验算的基础上，结合相关工程经验，采用不同类型消声设备相组合的方式。消声设备安装完毕后，系统运行时风口噪声整体满足NR35曲线的最低要求，噪声值在低频段衰减较大，比NR35曲线感觉有更好的声舒适度。

3　风管二次激发噪声及固体声解决方案

3.1风管二次激发噪声解决方案

根据风管二次激发噪声产生机理，结合风管布设位置及噪声超标情况，采用在风管表面粘贴约束阻尼板的方案。阻尼在抑制振动过程中的主要作用有：衰减沿结构传递的振动能量；减弱共振频率附近的振动。阻尼以阻尼容量ψ度量。其定义是：振动系统每振动一个周期所损失的能量W′与总的振动能量W的比值，即Ψ=W′/W。表征随尼性能最常用的量是损耗因子η［4］，最佳阻尼材料的选择与振动物体的大小、质量、振动频率、运行功能等因素有关， 约束阻尼层相当于将粘弹性阻尼材料粘合在风管与阻尼板（约束阻尼板产品自带）之间，当风管壁因激振力而弯曲变形时，本体金属板与约束层产生相对滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗的结构。本工程选用的约束阻尼层［4］（在粘弹性材料表面粘贴有一层金属板），在达到约束阻尼作用的同时，也可提高风管本身的隔声量，同时起到隔声包扎的作用，其安装示意图如图16所示，工程完工后图片如图17所示。

图16　约束阻尼（隔声包扎）、隔振吊架安装示意图

图17　约束阻尼（隔声包扎）、隔振吊架安装图

图18　主管道消声器、隔振吊架安装图

3.2风管固体声解决方案

为降低管道振动通过刚性支、吊架向顶棚、墙壁等主控室结构件传播固体声，需对整个暖通空调系统管道采用隔振支、吊架（含管路系统安装的消声设备）。

隔振吊架由底板、阻尼弹簧隔振器、管箍、横梁等部件组成，其安装大样如图19所示，现场应用如图17、图18所示，隔振吊架使用前必须通过楼层反应谱抗震校核。

图19　隔振吊架节点安装大样图

3.3空调机组固体声解决方案

（1）空调机组与基础间隔振

机组与基础间设计隔声垫层，考虑到机组包括循环水泵的抗震要求，可设计钢弹簧隔振系统，适度刚度设计来降低机组振动通过基础传递到主控室的低频固体声，同时要确保机组的抗震能力和防振要求。

（2）空调机组系统进出口管道隔振

进出口管道适当部位由刚性连接设计成柔性连接，降低或阻断振动通过管道的传递。

4　结论及建议

结论：暖通空调空气输配系统的噪声综合控制是一项系统工程，根据某在运行核电厂主控室噪声测试结果分析，风口噪声超标主要因素有：系统消声设计不合理；系统气流再生噪声未进行准确计算；所选消声设备性能与系统未进行合理匹配；缺乏相关工程经验，在理论设计的基础上未进行合理修正等原因造成的。解决暖通空调系统风口噪声污染，需对系统进行消声设计计算，综合考虑管道系统（含风口末端）的噪声自然衰减和气流再生噪声、房间内的声传递衰减量等因素，确定系统所需综合消声量，再根据计算结果及相关工程经验确定所采用消声器的数量、类型及末端消声静压箱的设计（主要承担稳定风口气流及承担消声设计余量的作用）。解决风管本身辐射的二次激发噪声及固体声传递，需从产生机理出发，结合相关工程经验进行隔振吊架、减震阻尼等减振降噪设计。

建议：通过顺利完成某核电厂主控室暖通空调系统空气输配系统噪声综合控制工程，得到的体验是：在同类工程的设计实践中，需严格按照设计程序进行系统消声设计计算，根据项目实际现场及设备的约束条件，对消声设备进行必要的优化配套组合，并参照类似实际工程经验进行修正，该设计结果是可靠的。

［1］GB/T13630-92.核电厂控制室的设计.中国标准出版社，1993.7:1-38.

［2］苑晓东，蒋卫真，李广慧等. 0706G8285秦山核电厂扩建项目（方家山核电工程）主控室环境噪声治理技术规格书.2010.5:7，18.

［3］刘桥梁，冯成戈，王晓东，李明洁. 空调风机噪声的产生机理及控制途径. 风机技术 2004，4:57，58.

［4］周新祥.噪声控制及应用实例.北京:海洋出版社，1999.2:318，319. ［5］马大猷. 噪声与振动控制工程手册［M］. 北京:机械工业出版社，2002:524-536.

刘海成（1973-），男，本科，工学学士，目前从事室内外声环境治理、暖通空调系统噪声与振动治理方案及降噪设备的设计等专业技术工作。

E-mail: 751744719@qq.com

Integrated Control of air distribution system noise—— A nuclear power plant control room HVAC system

Haicheng Liu
（Beijing Greentec Acoustic Engineering Holdings Co.，LTG， Beijing， 102200， China）

China has built nuclear power plant main control room noise value agreed to 56dB （A） or so， after the noise control noise is 53dB （A） or so. However， according to relevant national standards，environmental noise limits for new projects main control room to achieve 45dB （A）. Accordingly， the monitoring of operating nuclear power plants in the main control room noise， room sound field simulation and identify sound sources， found that: air HVAC system noise of the air distribution system to produce secondary duct itself radiated noise excitation is sound and solid the main source of indoor master acoustic environment. Studies have shown that: the main factors vent excessive noise muffler system design is unreasonable， the system calculation inaccurate flow noise， noise reduction equipment and system performance is not reasonable match and the lack of relevant engineering experience. In this paper，the problems identified， the system describes the different mechanisms produce noise with different noise reduction measures should be analyzed wind pipe itself radiated noise excitation and solid sound excessivecountermeasures， and from the HVAC system controls air distribution system starting noise， it made a similar noise reduction reference integrated HVAC systems solutions.

Air Noise； Secondary Excitation noise； Muffler Design； Engineering Experience

TB53

A

2095-8412 （2016） 03-454-10