区域供冷项目中冷却塔降噪技术分析与模拟

香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 文雪新 陈 倩 骆婉婧深圳前海巽阵声学科技有限公司 孙 昊

0 引言

区域供冷系统是指对一定区域内的建筑物群，由一个或多个能源站集中制取冷媒，通过区域管网提供给最终用户，实现用户制冷要求的系统。区域供冷在节能、环保及运行管理等方面都具有优势，已经在欧美、日本等国家和地区得到了广泛的应用[1]。

冷却塔作为制冷系统中的重要设备，在其设计布置时，不仅要考虑建筑功能、平面布局、场地限制等因素，还要考虑其噪声对周围环境的影响。冷却塔噪声主要包括风机的空气动力噪声、电动机噪声、落水噪声及管道振动辐射噪声等。其中冷却塔的进、排风噪声(排风噪声最显著)、淋水噪声是主要的噪声源，也是噪声控制的重点。电动机噪声对周围环境影响较小。冷却塔的噪声控制主要从控制声源、传播途径、收受点采取防护3个方面采取技术措施。常见的降噪方法有：选择静音型风机，采用隔振基础削弱电动机和管道的噪声传播，安装消声器、隔声罩等。

以深圳某区域供冷项目为例，通过对冷却塔进、排风侧采用消声器，冷却塔整体采用消声器+吸声隔声板这2种方案进行对比，选出最优方案，再利用Cadna/A软件进行仿真模拟，验证噪声治理方案的可行性。

1 项目简介

该项目为独立制冷站，总建筑面积约9 600 m2，装机容量约84.8 MW(2.41万rt)，尖峰供冷能力约123 MW(3.5万rt)，服务区域约107万m2。如图1所示，该项目高约19 m，北侧为商业场所，南侧为变电站，东西侧为超高层办公建筑，A为该项目西侧厂界外1 m处噪声最不利点，B为西侧办公楼厂界外1 m处噪声最不利点。冷却塔布置在建筑物屋顶，平台面积约2 000 m2，如图2所示。该项目冷却塔分为10个单元，每个单元由3个冷却塔组成，其中CT(S)-1和CT(J)-1单元中的冷却塔因空间受限，采用图2中虚线所示布置方式。根据某品牌冷却塔选型手册，冷却塔噪声参数如表1所示，性能参数如表2所示。

表1 冷却塔噪声参数 dB

表2 冷却塔性能参数

注：H为高度。图1 项目周边建筑物分布

2 降噪目标声源分析

2.1 周边建筑物分析

从图1可知，该项目南侧为变电站，距离制冷站最近，其自身作为一个噪声源，噪声治理方案主要从变电站内部分析、解决，本文不再赘述。项目东、西侧为办公楼，属噪声敏感建筑物，且西侧办公楼与冷却塔的水平距离较近，为15 m，相较于冷却塔周边其他建筑物，受冷却塔噪声影响最大，故本文对项目西侧建筑物从不同维度、不同高度全面分析其噪声分布。

该项目处于交通要道，噪声测量中的本底噪声主要来自交通噪声。根据《深圳市环境状况公报》(2011—2015年)，2011—2015年全市区域环境噪声等效声级平均值为56.7～56.9 dB，道路交通干线噪声等效声级加权平均值为68.8～69.3 dB[2]。由此可推断，本底噪声已接近冷却塔噪声，而本项目着重于从仿真模拟和理论计算对比、研究冷却塔的最优降噪方案，因此在仿真模拟计算中不再考虑本底噪声。

根据GB 3096—2008《声环境质量标准》[3]，该项目执行2类声环境质量标准，降噪目标为“厂界排放噪声和噪声敏感建筑物受到的噪声同时达标”，即冷却塔降噪后：设备所在建筑物边界外1 m的A声级噪声满足昼间≤60 dB，夜间≤50 dB；东、西侧办公楼和北侧商业楼的建筑外1 m处的设备噪声满足昼间≤60 dB，夜间≤50 dB。

2.2 降噪技术重点与难点分析

1) 由于冷却塔在屋面布置较为紧凑，外围设备距离幕墙仅2.5 m，不利于噪声的衰减，因此要在厂界外1 m处达到降噪目标，对降噪设备的消声量和流阻特性有很高的要求。

2) 为确保冷却塔的良好性能，各塔体间距必须满足通风散热最小距离要求，因此降噪设备所占空间要尽可能少，且阻力损失小，通风效果良好。

3) 冷却塔排风口的空气湿度大，对采用吸声材料的防水性能有较高的要求。

4) 受限于屋面空间，冷却塔安装降噪设备后，应预留检修口，结构形式便于拆卸，供日常维护和设备检修。

3 降噪方案探讨

3.1 方案1

分别在冷却塔进风侧、排风侧安装消声器，消声器与冷却塔之间通过消声箱连接，具体措施如下。

1) 进风侧：采用“0.5 m长消声箱+1.2 m长消声器”。

2) 排风侧：顶侧排风口采用“1 m长消声箱+0.9 m长消声器”。

3) 消声器通风率≥50%，进、排风侧安装的消声器压力损失之和≤30 Pa。消声器采用铝合金板制作，表面喷塑处理，外壳板厚度不小于1.5 mm，芯片的护面板厚度不小于1.2 mm，穿孔率20%～25%，孔径3 mm。消声芯片内填充惰性、防虫、憎水玻璃纤维，密度不小于48 kg/m3，防火等级为A级不燃材料，压缩梯级不应小于5%，玻璃棉和护面板间设置平纹、无碱、憎水玻璃纤维布。

4) 根据上文冷却塔噪声性能参数及式(1)计算出冷却塔所需的消声量[4]，同时结合市场上常用消声器型号，得出消声量应不低于表3中数值。

表3 消声器性能参数

式中 Ø(α0)为与α0有关的消声系数；α0为正入射吸声系数；P为消声器通道截面周长,m；S为消声器通道截面积，m2；l为消声器的有效长度，m。

5) 消声箱用于平缓进、排风气流的同时，增加消声量，采用100mm厚吸声隔声板拼接，采用铝合金板材质，表面喷塑处理。

方案1冷却塔降噪措施平面示意图见图3，冷却塔降噪措施大样图见图4。

图3 冷却塔降噪措施平面示意图(方案1)

3.2 方案2

消声器分别安装在冷却塔进风侧和排风侧，吸声隔声板布置在冷却塔之间的空隙中，与方案1不同的是，进风侧消声器没有直接安装在冷却塔上，而是与吸声隔声板一起固定于屋面外围，具体降噪措施如下。

1) 冷却塔侧面：屋面外围的进风侧安装1.2 m长消声器，冷却塔之间的非进风面安装0.1 m厚吸声隔声板。

2) 冷却塔顶面：排风侧安装0.9 m长消声器，冷却塔之间的非排风面安装0.1 m厚吸声隔声板。

3) 消声器通风率≥50%，进、排风侧安装的消声器压力损失之和≤30 Pa，消声器消声量不低于表3中的数值。

4) 消声器采用铝合金板材质，表面喷塑处理。

方案2冷却塔降噪措施平面示意图如图5所示，冷却塔降噪措施剖面示意图如图6、7所示。

图5 冷却塔降噪措施平面示意图(方案2)

图6 冷却塔降噪措施剖面示意图1-1(方案2)

图7 冷却塔降噪措施剖面示意图2-2(方案2)

3.3 方案对比

1) 方案1和方案2中冷却塔排风侧安装消声装置，势必会增大风机的阻力，导致风量降低、水温上升，从而影响系统的热工性能，因此需在冷却塔选型时考虑此损失，具体分析可参考相关工程案例[5]。

2) 研究表明，冷却塔场地布置不受限时，采用方案1可以取得良好的降噪效果[6]。但该项目冷却塔布置面积受限，采用方案1中的降噪措施会使内侧冷却塔进风面之间的距离仅有2.6 m，不能满足多个单元排列且进气口相对时的最小距离6 m，致使冷却塔进风量减小，水气换热性能相应降低，冷却塔效率也随之降低。

3) 根据表4，可得方案2采用消声器和吸声隔声板相结合的形式，不仅可以降低冷却塔的噪声，还可以满足冷却塔的有效进风面积。考虑到该项目冷却塔平台面积受限，因此采用方案2进行噪声治理。

表4 方案1和方案2对比

4) 方案2中采用吸声隔声板后会对部分冷却塔进风侧周围的气流产生影响，因项目组后续会研究降噪后冷却塔周围流场的变化，因此本文仅分析冷却塔噪声治理方案的可行性。

4 噪声理论计算

在环境影响评价中，应根据声源、声功率级或靠近声源某一参考位置处的已知声级(如实测得到的)、户外声传播衰减，计算距离声源较远处的预测点的声级[7]。

已知距离无指向性点声源参考点r0处的倍频带(用63～8 000 Hz的8个标称倍频带中心频率)声压级Lp(r0)，计算出参考点(r0)和预测点(距声源r处)之间的户外声传播衰减后，预测点8个倍频带声压级可分别用式(2)计算[7]。

Lp(r)=Lp(r0)-

(Adiv+Aatm+Abar+Agr+Amisc)

(2)

式中 Lp(r)为距声源r处的倍频带声压级，dB；Lp(r0)为参考位置r0处的倍频带声压级，dB；Adiv为声波几何发散引起的倍频带衰减，dB；Aatm为空气吸收引起的倍频带衰减，dB；Abar为声屏障引起的倍频带衰减，dB；Agr为地面效应引起的倍频带衰减，dB；Amisc为其他多方面效应引起的倍频带衰减，dB。

预测点的A声级LA(r)可按式(3)计算，即将8个倍频带声压级合成，计算出预测点的A声级LA(r)[7]：

式中 Lpi(r)为预测点处，第i倍频带声压级，dB；ΔLi为第i倍频带的A计权网络修正值，dB。

根据式(2)、(3)，计算该项目西侧厂界外1m处噪声最不利点A与西侧办公楼厂界外1m处噪声最不利点B处的噪声值，计算结果见表5、6。通过分析表5中的数据，可知该项目西侧厂界外1m处降噪前噪声值为67.46dB，降噪后噪声值为49.77dB；通过分析表6中的数据，可知西侧办公楼厂界外1m处降噪前的冷却塔噪声值为66.25dB，降噪后噪声值为48.47dB。由此可得，采用方案2对冷却塔进行降噪后，可满足规范要求。

表5 项目西侧厂界外1 m处噪声最不利点A处的噪声汇总

表6 西侧办公楼厂界外1 m处噪声最不利点B处的噪声汇总 dB

5 噪声仿真模拟

Cadna/A是基于德国RLS90通用计算模型的噪声模拟软件，其计算原理源于ISO 9613-2：1996《声学 户外声传播的衰减 第2部分：一般计算方法》，适用于环境评价、建筑设计、交通管理、城市规划等众多领域。经国家环保总局环境工程评估中心认证，该软件理论基础与HJ 2.4—2009《环境影响评价技术导则 声环境》要求一致，预测结果直观可靠，可以作为我国声环境影响评价的工具软件[8]。

近年来，Cadna/A软件广泛应用于冷却塔降噪分析和声屏障优化设计中[9-10]。本文利用Cadna/A软件，对该项目及周边建筑物接收到的噪声进行了模拟与对比。

5.1 建模条件

利用Cadna/A软件进行三维建模计算，声源及所处环境建模实景效果如图8所示，冷却塔声源用体源模拟，进风口、排风口以面声源模拟，消声器的插入损失噪声见表3。

图8 声源及所处环境建模实景效果图(西南视角)

5.2 降噪前噪声分布

如图9、10所示，该项目及周边建筑物厂界外1 m处接收到的A声级噪声为61～69 dB，超出夜间小于等于50 dB的要求。图9、10中噪声分布数据接收面高度为屋面上方1.5 m，测点分布间距为1 m。

图9 降噪前该项目及周边建筑物噪声分布

图10 降噪前厂界外1 m处噪声分布

如图11所示，西侧办公楼建筑外1 m处的A声级噪声最高值为66 dB(朝冷却塔方向)，超出夜间小于等于50 dB的要求，超出部分主要分布在该楼层竖直高度6～87 m之间。

图11 降噪前西侧办公楼噪声分布(东北视角)

综上分析，该项目冷却塔所需降噪的最大值为19 dB，且该项目西侧厂界外1 m处噪声超标值最高。

5.3 降噪后噪声分布情况

降噪后，该项目及周边建筑物厂界外1 m处接收到的A声级噪声为38～50 dB，西侧办公楼建筑外1 m处接收到的A声级噪声最高值为44 dB(朝冷却塔方向)，均满足夜间小于等于50 dB的要求。

6 结语

通过对降噪目标的声源分析，提出了2种方案：冷却塔进、排风侧分别安装消声器；冷却塔整体采用消声器与吸声隔声板相结合的方式。由于该项目冷却塔场地布置受限，因此在保证冷却塔有效进风面积的前提下，选取了方案2，即采用消声器与吸声隔声板相结合的方式。

为验证方案2的可行性，通过理论计算和仿真模拟对冷却塔降噪前后，该项目周边建筑物敏感点接收到的噪声进行了对比分析。通过理论计算和模拟结果可知，此方案可使厂界外1 m处及周围噪声敏感建筑物的噪声达到相关标准，满足噪声治理要求。