基于低噪声风机的冷却塔噪声控制方法

朱自淙，韩雨桐

（中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045）

0 引言

伴随着近年来的经济发展，众多高层建筑不断崛起。作为空调系统的主要设备，冷却塔一般会安装在高层楼宇的附近、房顶或者楼层低的附属裙楼的露天平台上。由于建筑密度不断增大，建筑单体之间的距离趋近，冷却塔的噪声往往会对周围的环境造成影响，因此冷却塔的噪声控制势在必行。

1 冷却塔噪声控制的常用措施

建筑工程中，冷却塔的噪声控制通常采用如下方式：

（1）在冷却塔周围一定距离设置“隔声屏障”；

（2）半封闭方式，在冷却塔的进、出风口加装阻性消声器；

（3）将冷却塔整体做“全封隔声罩”，即将整个冷却塔用隔声材料包围，再在进、出口处加装消声器。

在工程实践中，上述方法都有一定的效果。但是，由于冷却塔处于半/全封闭状态，进风和出风处的气流阻力损失增大，易导致冷却塔的效率降低，最终影响整个空调系统的制冷效果。

本文探讨冷却塔的噪声控制，首先从降低冷却塔自身的噪声做起，如采用超低噪声风机代替现有普通风机，在此基础上，再辅以其他措施，综合解决冷却塔的噪声问题。

2 环境噪声标准与冷却塔的噪声

2.1 环境噪声标准

现行的国家标准《声学环境质量标准》（GB 3096—2008）对于环境噪声的限值如表1 所示。按照区域的使用功能特点和环境质量要求，声环境功能区分为5 种类型，即0～4 类。在工程中，经常处理的对象是1 类或2 类区域。其中，1 类区域是指以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能，需要保持安静的区域，2 类区域是指以商业金融、集市贸易为主要功能，或者居住、商业、工业混杂，需要维护住宅安静的区域[1]。

表1 环境噪声限值

2.2 冷却塔的噪声

冷却塔风机的噪声与电机功率或风量和风机全压有关。以某普通型开放式冷却塔为例，在噪声测量的标准点，其噪声测量值如表2 所示。该冷却塔的制冷能力为400 冷吨×5，风扇直径为 3 200 mm，位于二层平台。

表2 某冷却塔噪声实测值

可以看出，冷却塔的噪声是以低频为主的宽频带噪声，没有明显的峰值。

2.3 冷却塔噪声的环境影响

在实际工程中，某冷却塔噪声对环境的影响如表3 所示。该冷却塔制冷能力为350 冷吨×2，冷却塔距离居民楼窗前约25 m。

表3 某冷却塔噪声对居民楼的影响

本例冷却塔安装在某写字楼二层平台，影响到对面的居民楼。从测量数据可知，冷却塔的噪声随距离衰减小，对环境的影响范围较大，以4—10 层影响最大，而且有居民投诉的情况。

根据以上的分析不难发现，一般情况下，冷却塔的噪声对周围环境的影响是比较大的。

2.4 冷却塔的噪声来源

冷却塔的工作原理是将热水喷撒至散热材表面，与通过的移动空气逆向或横向接触，此时热水与冷空气之间产生热交换作用，同时部分热水被蒸发。蒸发的潜热被风机抽出塔外排放至空气中，最后经冷却的水又落入水槽内，利用水泵将其传送至热交器中，再吸收热量。冷却塔的制冷量大、风量大，发出的噪音也大。但即使是同样的制冷容量，电机的额定功率相同，其噪声有10 dB 以上的离散性。冷却塔的噪声源主要包括如下方面。

（1）轴流风机噪声。包括风机的运行机械噪声和空气动力噪声。空气动力噪声主要由于湍流引起。这种空气动力噪声的大小与风扇转速和叶片构造密切相关，通常是以低频噪声为主，没有明确的峰值。另外，风机噪声频谱也同时含有页扇的转动噪声及其谐波的干扰。

（2）动力系统的噪声。电机、减速器及传动机构的不平衡引起的机械噪声和电磁噪声。

（3）淋水装置的噪声，主要是散水和溅水声以及冷却塔落水产生的噪音。冷却塔的循环水从上部喷淋管流下，经过自由落体会产生冲击噪声，与落水速度的平方成正比，与撞击水面的碰撞时间的四次方成反比。频率特征为中高频特性，波长短、源强衰减较快。

（4）塔体的噪声。由于塔体板面振动或共振引起的噪声以及内部部件的相互碰撞声。

以上噪声中，风机的噪声为主要噪声，其次是淋水装置的噪声。因此，冷却塔噪声控制的思路是：首先控制轴流风机的空气动力噪声，其次控制淋水装置的噪声，在此基础上，进一步考虑其他噪声控制措施，如消声风筒、隔声屏障以及加强塔体的隔声等，从而进一步控制冷却塔的噪声。

3 噪声控制

3.1 超低噪声轴流风机

在频谱分析中，轴流风机的噪声由两部分构成：一是有离散分量的旋转噪声（由叶片枚数×转速决定）及其谐波，二是冷却塔风扇受到的压力随机变动，由湍流引起的连续宽带噪声。前者由于旋转噪声的频率比较低，对于A 声级的贡献不大；而风扇翼面因压力随机变动引起的连续宽带噪声为主要噪声，是降低噪声需要重点研究的对象。

风扇翼面上压力的随机变动主要有以下原因：由于流入叶片的流动混乱成分引起升力变动；风扇翼面上湍流边界层产生的压力变动；风扇翼面后缘引起涡流或湍流引起升力变动。

根据研究，轴流风机的噪声[2]为：

式中：SL为风机的声级，dBS为比声级，Q为风量，PS为全压。

进一步，根据风机的相似原理，可以得到风机噪声基本由风机的转速决定：

式中：dBf为基准转速时的噪声级，N1，N2为风机转动速度。

关于这方面的基础研究应参考专业实验研究[4]，以下仅罗列结果，供了解。

（1）增大叶轮直径，减低出口动压、降低风机转速，减小圆周速度；

（2）采用大圆弧过渡的阔叶片，其形状近似于带圆角的长方形，适于配合低速驱动，达到高效及降噪要求。

（3）机翼形叶片的优化，有利于减少周期扰动和尾迹涡流，可实现较大的降噪量，并具有良好的气动性能。

（4）最大限度地实现均匀的气流速度场，使风机进口处的涡流减为最小，确保轴流风机的正常工作条件。

（5）风叶外缘与机壳的间隙应该是常数，否则将产生不均匀扰动，出现周期性的脉动噪声，因此要控制外缘径向跳动量。

（6）风叶端面应在同一平面内，否则将形成湍流噪声等。

3.2 淋水噪声降低措施

冷却塔的淋水噪声仅次于风机的噪声，治理此类噪声的途径主要是降低冷却塔内循环水的下落高度和延长循环水撞击水面的持续时间Δt。为了降低淋水噪声，可以采取如下措施。

（1）增加填料厚度，改进填料布置形式。

（2）在填料与受水盘水面间悬吊“雪花片”（因其形状如雪花而得名，用高压聚乙烯径横压成型），可减小落水差，使水滴细化，降低淋水噪声。

（3）在受水面上铺设聚胺脂多孔泡沫塑料。这是一种专门用于冷却塔降噪的新型材料。它既有一般泡沫塑料的柔软性，又有多孔漏水的通水性，可减小落水撞击噪声。

（4）在进风口增设抛物线形状的放射式挡声板，进风不受影响，而淋水噪声则不会直接向外辐射。

3.3 机械噪声控制

对于马达等机械运行噪声，应提高整机部件的加工和安装精度，也可降低风机噪声。特别是应加强马达等转子平衡精度。根据ISO 的有关规定，对冷却塔风机来说，平衡精度等级应达到G6.3 等级[5]。

3.4 综合控制效果

综合运用以上措施，冷却塔的噪声可以大大降低，从而达到冷却塔低噪声化的目的。

以500 冷吨的开放式冷却塔为例，在进风面标准点处，测量噪声为57 dBA；斜上方45°标准点处，测量噪声为60 dBA。

可见，安装超低噪声的风机，采取降低淋水设备噪声的措施，再根据环境噪声标准的要求，采取其他辅助措施如安装声屏障、消声风筒等，在大多数情况下，不做“封闭式隔声罩”也可能达到降噪的目的。

4 实例分析

笔者经历多个EPC 建设项目的声学顾问实践，冷却塔的噪声控制在整个工程建设过程中都是一个难题。例如，在设计冷却塔设备时，设备专业工程师通常以冷却塔的制冷量和效率为基准进行设备选型（包括电机功率、风机参数等），普通型的轴流风机并不能满足环境声学的要求；再如，在设备供应商提供的产品指标中，并没有“噪声”的选项。因此，如果设计初期没有声学的介入，则在工程后期，冷却塔的“噪声治理”反而是“合理的存在”。

而冷却塔的噪声治理，如果按传统的一般做法，也面临一定的困难：冷却塔的噪声治理发生在工程施工的后期，此时冷却塔设备早已安装完成。重新安装“全封闭隔声罩”的效果固然好，但现场安装条件难以容许；一般“全封闭隔声罩”有数十吨以上的集中荷载，对于建筑结构要重新核算；“全封闭隔声罩”的消声器是敞开式的，消声器有被雨水侵渍的风险，可能影响消声器的效果，长期运行又会增加冷却塔的维护成本。

目前，“全封闭隔声罩”的进、排风消声器采用片式消声器，压力损失在30 Pa 以上。根据一般工程经验，为了不影响冷却塔的制冷效果，冷却塔的进风消声器的压力损失应低于3 Pa，排放口消声器的压力损失应低于15 Pa，否则会或多或少影响到冷却塔的运行效率。工程中有这样的例子，为了解决冷却塔的噪声而追加电机功率，甚至为了维持制冷量，特意增设一台冷却塔。

另外还要考虑到建筑景观问题，“全封闭隔声罩”不一定能得以实施。

因此，在工程后期冷却塔的噪声治理中，采取上述降低噪声的措施，非常不经济。

在项目实施过程中，在参建单位积极配合、设备供应商共同协助下，笔者积累了一些冷却塔降噪经验，可供读者参考。

4.1 某会议中心工程冷却塔降噪实例

该会议中心有26 台冷却塔（600 冷吨），置于17 m 高处平台，紧邻多会议厅（有通风窗），平台下地面为主入口。根据同类型工程调查研究后，评估冷却塔周围标准测量点噪声为75 dBA（要求 65 dBA），地面预测为60 dBA（要求50 dBA）。

图1 某会议中心工程示意图

为了防止冷却塔噪声对多功能厅和地面入口主通道的影响，采用低噪声风机，辅以消声百叶等技术措施，测量结果均达到设计要求。经测算，采用上述降噪做法的费用比采用全封闭隔声罩的费用降低25%。该会议中心冷却塔工程现场如图1所示。

4.2 某综合体大楼冷却塔降噪实例

某综合体大楼有6 台冷却塔置于配楼4 层平台，离主楼直线距离约18 m。冷却塔周围标准点现场测量值为80～89 dBA，居民楼外现场测量值为66～78 dBA。

按2 类区域环境要求，采用低噪声风机后，居民楼窗外1 m 处平均测量值为56 dBA，达到规范要求。经测算，与全封闭隔声罩做法相比，该方法的费用可以降低20%。该综合体大楼冷却塔工程现场如图2 所示。

图2 某综合体大楼冷却塔工程示意图

5 结语

本文分析了冷却塔的噪声源性质以及采用低噪声风机进行冷却塔噪声控制的方式，并在工程中予以实践。在建设工程的噪声控制中，采用超低噪声的轴流风机，辅以其他声学措施，综合解决冷却塔的噪声问题，从技术上是合理、可行的，并有一定的社会经济效益。