城市轨道交通通风空调消声降噪设计要点分析

陈耀武

(中铁第四勘察设计院集团有限公司.430063,武汉∥高级工程师)



城市轨道交通通风空调消声降噪设计要点分析

陈耀武

(中铁第四勘察设计院集团有限公司.430063,武汉∥高级工程师)

城市轨道交通的通风空调工程对环境影响评价的主要内容是风亭、冷却塔等对声环境和空气质量的影响。工程设计中应注意准确理解相关名词概念。《地铁设计规范》中明确的噪声防护距离是以常规设备为前提的,但必要时可采用低噪声设备或降噪措施来满足要求。在城市轨道交通环境评价中的噪声限值均是等效连续A声级。合成A声级采用的计算公式在首次使用前应进行验证。在背景噪声超标的情况下,应加大对风亭、冷却塔的消声降噪程度。在设计中还应充分重视冷却塔的选址以及准确识别声环境类别的重要性。

城市轨道交通； 通风空调； 消声降噪

城市轨道交通工程运营后常遭遇噪声和空气问题的投诉。其中多为声环境方面问题,如列车及风机通过风亭传出的噪声、冷却塔等运行产生的噪声等。在这些投诉事件中，有的是建设过程中对环评报告内容的疏忽,没有较好地理解内容和把握概念所引起；也有的是在设计过程或是整改过程中出现执行标准有偏差现象,使得车站方案执行难度和投资加大或拆迁量加大,从而也影响工程实施及投资。规范及手册等对消声降噪的设计标准均有规定,且内容非常丰富。若有针对性选择和准确应用这些资料需花费大量精力和时间,故在实际工程设计中均有淡化该部分内容的现象。因而有必要就城市轨道交通对环境的影响进行梳理,以便能给设计人员一些借鉴和提醒作用,减少设计的疏忽,合理把握和引用规范、标准等资料的内容,能和环评专业有效沟通以确定合理的设置标准,并有利于控制工程投资和达到环保要求。

1 工程特点决定的环境影响内容

城市轨道交通工程有以下特点:① 由车站(点)和区间(线)构成带形,辐射范围广; ② 城市轨道交通以地下工程为主,相对封闭; ③ 运转设备多为内置，且只有较少的口部连通室外; ④ 土建工程厚重结实; ⑤ 地面工程通风空调设备较分散,数量少，体型小。

以上特点决定了城市轨道交通通风空调工程对环境的主要影响为：在运营期中的风亭(或面对室外的风口)噪声和废气排放,以及地面冷却塔(或多联空调室外机、风冷热泵机组)的噪声。

2 通风空调消声降噪设计要点

2.1 正确把握易疏忽的具体名词概念

(1) 昼间和夜间:根据《中华人民共和国环境噪声污染防治法》,“昼间”是指6:00 至22:00 之间的时段; “夜间”是指22:00 至次日6:00 之间的时段。城市轨道交通隧道通风设备在运营开始前和运营结束后均有30 min的通风换气运行时间。如列车运营时间为6:00～22:00(具体线路各有不同),则虽然列车是在昼间运营,但城市轨道交通隧道通风噪声影响却跨越了昼间和夜间。而昼间与夜间的噪声限值标准相差10～15 dB(A)。这一点往往易被疏忽,而使环境保护达不到要求。

(2) 噪声敏感建筑物:指医院、学校、机关、科研单位、住宅等需要保持安静的建筑物。不少设计人员有时会对住宅楼下的商业建筑也使用住宅的环保标准,从而增加了工程难度。

(3) 厂界:指由法律文书(如土地使用证、房产证、租赁合同等)确定的业主所拥有使用权(或所有权)的场所或建筑物边界。各种产生噪声的固定设备厂界为其实际占地的边界。轨道交通车站风亭、冷却塔等在环境评价报告中一般不是执行厂界标准,而是按敏感点处的噪声限值标准执行。预测噪声时需考虑传至敏感点处的噪声值,故设计时需具有目的性和针对性的计算。由于车站风亭及冷却塔等占地面积少,且较分散、无明确的界线,故验收各方如按厂界标准则在取值上易产生分歧,难以执行。当规范中的厂界环境噪声排放限值与敏感点处环境噪声限值基本一致时,由于敏感建筑距噪声源的距离一般远大于噪声源至厂界的距离,故在工程满足环境保护目的条件下，采用敏感点环境噪声限值标准的实际操作性更强。

2.2 明确采用噪声防护距离的前提条件

设计人员若一味按规范表格数字执行,而不注意规范标准对应的使用条件,是不能做出最优方案的。如GB 50157—2013《地铁设计规范》的表29.3.4中，其噪声防护距离是以地铁车站风机常规消声设计为前提,且以冷却塔为低噪声冷却塔条件下确定的标准,对于机械/活塞风道内仅对风机进行消声降噪,而旁流的活塞风道是没有采取消声措施的。这从我国地铁的各工程验收情况可以得到验证。地铁常用冷却塔的名义冷却水流量为150～300 m3/h,根据GB/T 7190.1—2008《玻璃纤维增强塑料冷却塔第1部分:中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔》中的要求,低噪声冷却塔的噪声指标应为63～66 dB(A)(见表1)。实际的最小防护距离要通过计算确定,而规范提出的防护距离是为地铁工程沿线的控制、规划和拆迁提供了依据。

表1 各型冷却塔的噪声指标

当实际工程中的条件不是按常规方式设置时,其防护距离应不同于规范。即当防护距离达不到规范要求时,设计就不能按常规来设置。例如，当噪声源距敏感建筑距离受限时,可通过强化噪声防护措施来解决。风道内增设消声器,采用超低噪声冷却塔或进一步采取降噪措施都是可行的工程解决方案。城市轨道交通车站方案应综合考虑各项因素,若认识不到规范的前提条件,则可能加大拆迁量和增加工程投资,因为拆除敏感建筑能最彻底地满足环评要求。

2.3 掌握轨道交通环境评价标准的评价量

暖通专业的消声设计多针对民用建筑物内的噪声。常用的允许噪声标准为A计权总声级(A声级)和噪声评价曲线(频带声压级)。在声环境质量标准和环境噪声排放标准规范中,其限值为等效连续A声级。环评验收测出的A声级也应满足要求。因此，计算对室外的影响应与室内计算区别对待,避免习惯性错误。

等效连续A声级既反映噪声能量的影响,也反映与时间长短作用的关系。文献[4]附录B.2关于城市轨道交通工程中风亭及冷却塔的噪声等效计权A声级计算公式为:

式中:

LA,P——评价时段内测点的等效计权A声级;

t0——评价时段的规定运行时间,昼间(6：00至22：00)运行时，t0=16 h=57 600 s；夜间(22：00至次日6：00)运行时t0=8 h=28 800 s;

t——风亭、冷却塔运行时间；

LP，A——测点的等效声级。

城市轨道交通的风亭、冷却塔运行状态属稳态固定点声源。在运行工况没发生变化的时间段内,其声压级数值不变。由于设计者仅考虑各时段的单值A声级均低于限值,而未考虑作用时间的影响,故实际工程消声设计中会出现标准偏高的现象。这样的设计虽能满足环评要求,但会增加消声工程的设置规模和投资，且处理较困难。

以某线车站夏季设备运行为例，该站运营时间为6:00～23:00,隧道风机在运营前和收班后各运行30 min。车站冷却塔全天运行,且夜间为部分负荷。采用常规运行方式时，昼间运行2台冷却塔，夜间运行1台冷却塔。采用优化运行方式时，昼间运行2台冷却塔，22：00～23：00运行1台冷却塔，23：00至次日6：00低频运行或停风机。新/排风亭为全天运行,且夜间为部分设备运行。各时间段的设备噪声贡献值如表2所示，声压级见表3。

表2 车辆设备在一昼夜不同时段的噪声贡献值

表3 车辆设备在一昼夜不同时段的噪声声压级

尽管昼间冷却塔实际有1～2台运行,但实际工程较易满足昼间限值标准要求。为简化计算,表2中冷却塔在昼间按2台运行分析。经计算可得，冷却塔采用常规运行方式时，昼间的LA，P为68.95 dB(A)，夜间的LA，P为65.30 dB(A),二者相差3.65 dB(A)；当冷却塔采用优化运行方式时，昼间的LA，P为68.95 dB(A)，夜间的LA，P为62.28 dB(A),二者相差6.67 dB(A)。

由表2可见:① 昼间与夜间的风亭、冷却塔对环境噪声的贡献值相差约3～7 dB(A),而昼间与夜间的标准限值相差10～15 dB(A)。因此，噪声治理重点在夜间范围。② 在能满足地铁环境需求前提下,冷却塔可采用分时段调台和变频方式进行优化运行，能使噪声的贡献值减少约3 dB(A),而且还可节能。 ③ 由于夜间的等效连续A声级仅为65.3 dB(A)，故采用夜间局部某个时段的声压级最大值69.24 dB(A)作为贡献值进行消声设计，会提高设计标准,增加设计难度。

2.4 倍频带声压级合成A声级的计算

城市轨道交通设备一般采用统一招标方式。消声设施设计者将根据设备制造商提供的8个倍频带(程)声功率级及风道特征来验证计算和选配消声器。因此,设计时应采用各声源消声后合成的A声级计算出车站在该区域的等效A声级，进而预测评价。

2.4.1 验证初次采用的计算公式

相关正版资料中均有合成A声级LA的计算公式。其中偶尔也会有印刷排版的错误。若引用因印刷排版错误的公式，则会导致结果出错。文献[5]、文献[9]的LA计算公式分别如式(1)、式(2)所示。

(1)

式中:

Lp，i——各个倍频带声压级；

ΔLi——第i个倍频带的A计权网络修正值,dB;

n——总倍频带数。

(2)

式中:

Li——各个倍频带声压级；

Ai——第i个倍频带的A计权网络修正值,dB;

N——总倍频带数。

2.4.2 合成A声级计算的必要性

由于各设备噪声源原始数据是8个倍频带(程)声功率级,评价结果是需要等效连续A声级的贡献值。因此,需先采用常规消声方案,并按预设目标逐个计算出合成的A声级,再分时段将各噪声源叠加成总A声压级;然后,计算并判断等效连续A声级的贡献值是否满足环评要求;若不满足，则需进一步调整消声方案措施。

2.4.3 用评价数NR标准评价的不足

不少工程的方案计算书中采用噪声限值对应的评价数来比较各倍频带声压级数值,并根据经验考虑约3 dB(A)的安全裕量。例如，当环境噪声限值为55 dB(A)时,将各声源消声后至地面噪声的各频带声压级+3 dB(A)，并与评价数NR 50进行比较，以判断是否符合要求。评价数对应的A声级与合成A声级计算值见表4。由表4可见，在NR 35～NR 55范围内的各倍频带声压级计算合成值均大于对应的A声级约3 dB(A)。可见，经验安全裕量已经没有富裕。如再考虑到各噪声源的相互综合效应,则对环境影响的贡献值就已超出限值要求。因此将合成A声级计算值与环境噪声限值比较更为恰当。

2.5 背景噪声对降噪要求的影响

当背景噪声在敏感点处形成的噪声污染值小于评价限值标准时,如按经验控制风亭及冷却塔的合成噪声与敏感点处的噪声限值标准有3 dB(A)的富裕量,则较易达到环评要求。

表4 评价数NR对应的A声级与合成A声级计算值 dB(A)

当背景噪声在敏感点处形成的噪声污染值大于评价限极标准时,环评专项审查会要求该类区域维持现状(背景噪声已处超标状态),但不得进一步恶化；而实际操作要求新建项目产生的噪声贡献值叠加背景噪声后不得超过现状的噪声值+0.5 dB(A)。

根据文献[7],为使建成后环境综合噪声新增不大于0.5 dB(A),则要求新的噪声贡献值低于背景噪声10 dB(A)。这对风亭及冷却塔的消声降噪提出了更严格的要求。风亭、冷却塔的噪声已经低于环境背景噪声，但限值标准仍不符合环评要求。此状况常容易被忽视或不易直观接受。只有了解环境评价的目的和计算方法,才能采取相应的措施来解决此类问题。

2.6 冷却塔位置的选址要求

为尽量减少车站风亭及冷却塔等设施对周边环境的影响,一般每座车站设置2组风亭,且冷却塔邻近风亭组合放置。

众所周知,地下设备的运转噪声均通过地下风道传到地面风亭,因此只要在风道内设置足够的消声设施即可满足地面环境要求。而冷却塔一般放置在地面,距离敏感建筑物不小于 10 m。根据冷却塔符合点声源条件,利用文献[4]中的几何发散衰减计算公式(B.15)可推出冷却塔从噪声源边缘至敏感建筑物处的噪声衰减量约为6.5 dB(A)。可见，控制距离为10 m时，常规运行的冷却塔(噪声贡献值为63～66 dB(A)),难以满足4a类标准的夜间限值(55 dB(A))要求。故应加大冷却塔与敏感建筑的距离，或采用超低噪声冷却塔，必要时还应对冷却塔采取进一步的消声措施。地面冷却塔采取消声措施普遍较困难,投资较大，且效果不佳，还影响景观,因此冷却塔的选址和控制距离比风亭更重要。其位置设置应综合考虑车站空调主要负荷端、距既有敏感建筑较远的自然条件及不影响地面景观等条件。

2.7 风亭、冷却塔等位置的声环境功能类别

《地铁设计规范》明确了风亭及冷却塔等边界与不同声环境功能类别中敏感建筑物的水平最小距离,设计者应准确识别建筑物的声环境功能类别,而不是简单地根据既有建筑物名字来判断。例如,某地铁车站周边有住宅及机关等,而设计者却按1类标准将风亭控制距敏感建筑保持不小于30 m,从而使得车站风亭方案难以实现，增加了拆迁难度。

在项目决策阶段,城市轨道交通车站多布置在城市快道或主次干道;在项目实施阶段，按上阶段批复的方案执行,包括环境评价。因此,轨道交通车站所处位置或与原城市声环境功能区标准一致,或已在一定范围内(按GB/T 15190—2014的8.3.1条执行)合法改变了原城市声环境功能区标准(新的噪声源引入应该是降低了该区域的声环境标准),并体现在批复的环评报告中。在城市快速路、主次干道范围内的车站风亭及冷却塔等应明确按4a类声环境功能区标准执行,而并非按道路边房屋的名称来确定声环境功能类别。正确识别声环境功能类别可提高地铁车站设计的合规性,避免了仅按建筑物名字来判断采用标准的不足。当声环境功能区类别为4a类时,只有距周边敏感建筑不小于10 m(新区按15 m)的防护距离才不违反政策及规范的要求。若噪声有超标现象,应采取进一步的消声措施,以兼顾环保和工程方案实施的可行性。

3 结语

由上述分析可知,城市轨道交通通风空调工程设计应注意以下事项:

(1) 城市轨道交通通风空调工程对环境的影响主要是风亭及冷却塔产生的噪声和废气排放。

(2) 工程中涉及的专业名词应按规范和概念准确应用,否则会达不到预期的环评要求或出现标准过高等现象。

(3) 《地铁设计规范》中风亭及冷却塔距周边建筑物的距离标准是以采用常规的风机和冷却塔等设备为前提条件的。在距离不满足规范要求时,可考虑采用噪声更低的设备或增加降噪措施来满足环保要求,不应为满足距离要求而改变合理的车站方案或增大拆迁量。

(4) 城市轨道交通车站降噪工程中用到的噪声限值是评价周期内的等效连续A声级,不能仅以局部时段内的噪声值做为贡献值。

(5) 预测噪声贡献值不仅需将倍频带声压级合成A声级,还需将各噪声源传至敏感点的噪声值进行合成来判断,而且在初次采用参考资料上的公式时还应进行验证。

(6) 在环境背景噪声已超标的情况下,新建地铁工程的噪音贡献值会要求更低。

(7) 由于空间条件受限和通风要求，地面的地铁冷却塔降噪较风亭降噪更难处理,因而更应重视冷却塔的选址。

(8) 准确识别风亭及冷却塔等设备所在的声环境功能区类别有利于采用合适的噪声限值标准,能避免增加施工难度,又能满足相关的环境政策要求。

[1] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.声环境质量标准:GB 3096—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2008.

[2] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.工业企业厂界环境噪声排放标准:GB 12348—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2008.

[3] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.环境空气质量标准:GB 3095—2012[S].北京:中国环境科学出版社,2012.

[4] 环境保护部.环境影响评价技术导则 城市轨道交通:HJ 453—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2009.

[5] 环境保护部.环境影响评价技术导则 声环境:HJ 2.4—2009[S].北京:中国环境科学出版社,2010.

[6] 住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[7] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[8] 项端祈.空调制冷设备消声与隔振实用设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[9] 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.

Analysis of the Main Points in Noise Reduction Design for HVAC in Urban Rail Transit

CHEN Yaowu

The environmental impact assessment of urban rail transit HVAC engineering over acoustical environment and air quality focuses on the wind pavilion,cooling tower and so on, attention should be given to the concept accurace of the relative terms in engineering design.The noise protection distance mentioned in the “Code of Metro Design” is based on conventional equipment,but in case of need,low noise equipment and other noise reduction measures may be adopted. Since the noise limits in rail transit environment assessment are equivalent continuous A weighted sound pressure level,the calculation formula of synthetic A weighted sound pressure level should be verified before using.When the background noise exceeds the limits,the wind pavilion and cooling tower noise reduction measures should be strengthened.In the design,more attention should be paid to the location of cooling tower and the accurate identification of the sound environment category as well.

urban rail transit; HVAC (heating, ventilation and air conditioning); noise reduction Author′s address China Railway Fourth Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

U231.5

10.16037/j.1007-869x.2017.06.028

2016-02-14)