Wentylacja bez hałasu

Instalacje wentylacyjne są nieodłącznym elementem wyposażenia technicznego zdecydowanej większości budynków i stale rośnie ich znaczenie nie tylko w aspekcie dostarczania świeżego powietrza, ale także ogrzewania i chłodzenia. Transportując powietrze do środowiska wewnętrznego, zapewniają odpowiednie warunki osobom przebywającym wewnątrz budynków. W większości sytuacji to człowiek i jego potrzeby higieniczne lub oczekiwania dotyczące komfortu są głównymi czynnikami determinującymi zadania instalacji wentylacyjnych. Wymagania minimalne umożliwiają ludziom przebywanie w optymalnych warunkach środowiska wewnętrznego przez dłuższy czas. Podnoszenie warunków komfortu osiągane jest poprzez zawężanie pożądanych zakresów temperatury i wilgotności względnej oraz zwiększanie wymagań dotyczących czystości powietrza i wielkości wymaganego strumienia wentylacyjnego.

Obecnie, w dobie mechanicznych systemów wentylacji, poruszając kwestię komfortu w jakimkolwiek aspekcie (komfortowe warunki w pracy, komfortowe warunki w mieszkaniu, komfortowa komunikacja), nie sposób pominąć zagadnienia hałasu. W literaturze najczęściej jest on definiowany jako wszelkie niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe lub szkodliwe drgania mechaniczne ośrodka sprężystego, działające za pośrednictwem powietrza na organ słuchu i inne zmysły oraz elementy organizmu człowieka [1]. Hałas jest czynnikiem zanieczyszczającym środowisko, uciążliwym, a w pewnych przypadkach nawet szkodliwym dla człowieka. Hałas i wibracje są uciążliwościami o znacznym zasięgu, towarzyszącymi człowiekowi praktycznie w sposób ciągły.

Instalacje wentylacyjne prowadzone ze względu na użytkowników mają zapewnić komfortowe warunki wewnątrz pomieszczenia. Czynnikiem mającym na to istotny wpływ jest, obok parametrów powietrza (temperatura, wilgotność względna), akustyka. Jednostką napędową każdej instalacji wentylacyjnej (z wyjątkiem grawitacyjnych) jest wentylator. Intuicyjnie łatwo wskazać, że jest on jednocześnie głównym źródłem hałasu w całym układzie. Przetłaczanie powietrza wywołuje skutki uboczne, z których najdokuczliwszym, a jednocześnie najtrudniejszym do eliminacji jest hałas. Wzrost parametrów przepływowych wentylatora wiąże się najczęściej ze zwiększeniem poziomu jego hałasu. Z tego względu w instalacjach wentylacji mechanicznej pomieszczeń, w których przebywają ludzie, parametr akustyczny często decyduje o doborze wentylatora czy centrali wentylacyjnej.

Hałas – podstawowe definicje

W akustyce występuje kilka kluczowych pojęć niezbędnych do zrozumienia zjawiska hałasu. Hałas to dźwięk o dowolnym charakterze niepożądany w danych warunkach [2]. Ogólnie można stwierdzić, że jest to dźwięk, który nam przeszkadza. Dźwięk to wrażenie słuchowe wywołane drganiami akustycznymi lub drgania akustyczne zdolne wytworzyć wrażenie słuchowe [3]. Definicja ta jest niewątpliwie związana ze zmysłem słuchu. Narządy rejestrują drgania ośrodka w określonym zakresie częstotliwości; dla ucha ludzkiego jest to od ok. 16 do 20 000 Hz. Źródłem dźwięku jest więc każde zjawisko, które powoduje powstawanie drgań ośrodka w określonym zakresie częstotliwości.

Może Cię zainteresuje: Źródła hałasu z instalacji i ich wpływ na komfort użytkowania budynków

Wielkością opisującą urządzenie od strony akustyki jest poziom mocy akustycznej. Poziom mocy akustycznej – dziesięć logarytmów, przy podstawie 10, z ilorazu mocy akustycznej promieniowanej przez dane źródło i mocy akustycznej odniesienia [5].

W jednostkach bezwzględnych moc akustyczną wyrażamy w [W] – jest to jednak uciążliwe ze względu na bardzo dużą rozpiętość tych wartości. Ze względów praktycznych wprowadzono nową jednostkę [B] – bel ([dB] – decybel). Jest to jednostka bezwymiarowa, która określa stosunek wartości zmierzonej (wyliczonej) do wartości odniesienia. Poziom mocy akustycznej jest ilorazem mocy akustycznej do mocy akustycznej odniesienia (wartość stała).

Poziom mocy akustycznej jednoznacznie opisuje urządzenia – jest to ich cecha. Powinien być wyznaczany dla określonego trybu pracy. Dla wentylatorów będzie to prędkość obrotowa oraz punkt pracy. Zmiana obrotów wirnika lub zmiana punktu pracy powoduje, że poziom mocy akustycznej dla tego samego urządzenia może być zupełnie inny.

Dodatkowo należy pamiętać, że w celu pełnego opisu wpływu pracy urządzenia na warunki akustyczne otoczenia należy zdefiniować hałas emitowany na ssaniu, na tłoczeniu oraz przez obudowę wentylatora. W sytuacji gdy urządzenie znajduje się w opisywanym pomieszczeniu, a wlot i wylot są z niego wyprowadzone, wystarczające będzie uwzględnienie hałasu przez obudowę. Dla instalacji mechanicznej wywiewnej, gdzie wentylator znajduje się na dachu i jest połączony z pomieszczeniem instalacją wentylacyjną, do opisu akustycznego pomieszczenia niezbędny będzie poziom mocy akustycznej na ssaniu.

Wielkością opisującą hałas w określonym miejscu w pomieszczeniu (lub na zewnątrz) jest poziom ciśnienia akustycznego. Jest on zależny od źródła dźwięku (od wentylatora, który jest zdefiniowany poziomem mocy akustycznej), odległością od niego, ilością powierzchni odbijających dźwięk i charakterystyką akustyczną samego pomieszczenia (zdolnością do absorbowania/odbijania dźwięku).

Zrozumienie różnicy i zależności między poziomem mocy akustycznej i poziomem ciśnienia akustycznego jest kluczowe przy opisywaniu zjawisk akustycznych, nie tylko w wentylacji. Zależność między poziomem ciśnienia akustycznego a poziomem mocy akustycznej określa wzór:

L_p – poziom ciśnienia akustycznego – określa hałas w konkretnym miejscu;

L_w – poziom mocy akustycznej urządzenia (wentylatora) – „cecha akustyczna”, wielkość odczytu np. z kart katalogowych producenta;

Q – współczynnik kierunkowy dla różnych lokalizacji źródła dźwięku w pomieszczeniu (patrz rys. 3);

r – odległość od źródła dźwięku;

A – chłonność akustyczna pomieszczenia/środowiska, w którym znajduje się źródło dźwięku.

Uciążliwość akustyczna wentylatora, czyli poziom ciśnienia akustycznego w danym miejscu, jest zależna nie tylko od emitowanego hałasu, czyli od poziomu mocy akustycznej urządzenia, ale również od warunków, w jakich obserwator się znajduje. Wpływ na to ma odległość od źródła dźwięku, chłonność akustyczna środowiska, w którym obserwator się znajduje, oraz ilość powierzchni otaczających źródło. Dwa takie same wentylatory pracujące w tym samym punkcie pracy mogą wywoływać zupełnie inne wrażenia akustyczne – mieć różne wartości poziomu ciśnienia akustycznego. Tabela 1 obrazuje właśnie taką sytuację.

Dwa takie same wentylatory pracują w tym samym punkcie pracy (700 m³/h i 200 Pa), punkty, w których wyliczamy poziom ciśnienia akustycznego, znajdują się w takiej samej odległości od źródła, np. 3 m. Obie sytuacje różnią się jednak środowiskiem, w którym urządzenie pracuje. W pierwszym przypadku mamy przestrzeń mocno absorbującą dźwięk i zjawisko jego odbicia praktycznie nie występuje, w drugim sytuacja jest skrajnie odmienna – środowisko silnie pogłosowe i dźwięk mocno się odbija. Różnica tkwi jeszcze w liczbie przegród odbijających dźwięk – w pierwszym przypadku jest to jedna powierzchnia, a w drugim dwie.

Charakterystyka widmowa źródeł dźwięku

Dźwięki, w tym hałas, towarzyszące nam w życiu codziennym nie są jednotonowe. Również wentylatory nie emitują dźwięku o jednej częstotliwości, lecz w jej szerokim zakresie. Charakterystyka widmowa wentylatora jest niezbędna przy projektowaniu elementów absorbujących i odbijających dźwięk. W technice wentylacyjnej przyjęło się podawać charakterystykę widmową w pasmach oktawowych w zakresie od 63 do 8000 Hz.

Decydujący wpływ na wartość poziomu mocy akustycznej Lw(A) mają oktawy o najwyższej wartości. Jest to informacja kluczowa przy wyborze tłumika, dla wentylatora z powyższego przykładu należy wytłumić przede wszystkim dźwięki w zakresie od 250 do 4000 Hz.

Korekcja A

W technice wentylacyjnej przyjęło się operowanie wielkościami skorygowanymi korekcją A. Jest to spowodowane budową ucha ludzkiego oraz jego czułością na dźwięki o różnej częstotliwości. Najbardziej uciążliwe są dźwięki przy częstotliwości 1000 Hz, a te poniżej 125 Hz oraz powyżej 8000 Hz mają zdecydowanie mniejszą uciążliwość. Z tego względu wprowadzono krzywą korekcyjną, która uwzględnia odbiór dźwięków przez ludzkie ucho.

Na rys. 6 przedstawiono charakterystykę akustyczną wentylatora RF/4-200 (na ssaniu, przy punkcie pracy 800 m³/h i 125 Pa). Kolumny niebieskie przedstawiają charakterystykę widmową wyrażoną w decybelach [dB]. Analizując jej przebieg, można odnieść wrażenie, że kluczowe będzie wyciszenie oktaw 125, 250 i 500 Hz. Jednak przy uwzględnieniu charakterystyki ucha ludzkiego i jego czułości na dźwięki o różnej częstotliwości, czyli po wprowadzeniu korekcji A (kolumny czerwone), widać, że kluczowe będą oktawy 500, 1000 i 2000 Hz.

Hałas wentylatorów, ściśle związany z prędkością obwodową wirnika, wywoływany jest przez [6]:

• przepływ czynnika roboczego przez wentylator i sieć przewodów wentylacyjnych – jest to tzw. hałas aerodynamiczny,
• pracę części mechanicznych wentylatora – jest to tzw. hałas mechaniczny.

Hałas mechaniczny o poziomie mocy akustycznej LW ≈ u2,3 (u – prędkość obwodowa wirnika) powstaje na skutek ruchu obrotowego koła wirnikowego wywołującego drgania elementów konstrukcyjnych wentylatora. Drgania te przenoszone poprzez konstrukcję wentylatora (obudowę, kanały itp.) tworzą w jego otoczeniu pole fal powietrznych.

Zły stan techniczny wentylatora (wadliwa praca łożysk, złe wyważenie wirnika, niecentryczności sprzęgła, nieprawidłowe połączenie elementów wentylatora itp.) przy prędkościach rezonansowych może powodować, że składowa mechaniczna decyduje o jego hałasie. W przypadku ograniczenia źródeł hałasu mechanicznego wentylatora zaczyna dominować hałas pochodzenia aerodynamicznego, związany z przepływem przetłaczanego czynnika wewnątrz obudowy wentylatora oraz wzdłuż instalacji wentylacyjnej.

Hałas aerodynamiczny można podzielić na dwie główne grupy:

• hałas turbulencyjny – charakteryzujący się widmem szumowym,
• hałas od niejednorodności strugi – o akustycznym widmie tonalnym.

Hałas turbulencyjny o widmie szerokopasmowym wywołany jest przepływami nieustalonymi przez wentylator i zależy od prędkości strumienia opływającego element zakłócający strugę (np. łopatka wentylatora). Turbulencja występuje za elementami wentylatora charakteryzującymi się nieciągłościami pola przepływu. Przepływ powoduje lokalne zmiany ciśnień nie tylko w samej strudze, ale również w pobliżu opływanych powierzchni.

Hałas wywołany niejednorodnością strumienia występuje przede wszystkim przy przechodzeniu krawędzi spływu łopatek w rejonie języczka w wentylatorach promieniowych. W wyniku ustalonego ruchu obrotowego wirnika kąt położenia łopatki, a więc i siła oddziaływania między łopatką a czynnikiem roboczym ulega zmianom. Częstotliwość podstawowa tych zmian jest równa częstotliwości wchodzenia łopatek w obszar zmian pola przepływu. Częstotliwość ta zwana jest częstotliwością łopatkową f₂:

gdzie:

z – liczba łopatek,

n – prędkość obrotowa.

Poziom mocy akustycznej wylotu wentylatora jest wyższy niż poziom mocy akustycznej od strony wlotu, a jednocześnie w obu widmach występują częstotliwości związane z częstotliwością łopatkową wentylatora.

Początkowo, przy wzroście prędkości obrotowej wentylatora w widmie poziomu mocy akustycznej obserwowany jest dalszy wzrost poziomu mocy dla f₂ = 200 Hz, a dalszy wzrost prędkości obrotowej powoduje przesunięcie częstotliwości łopatkowej do pasma f₂ = 250 Hz.

Dodawanie źródeł dźwięku

W instalacjach wentylacyjnych bardzo rzadko mamy do czynienia z pojedynczym źródłem dźwięku. W celu prawidłowej oceny hałasu (od wentylacji) występującego w danym środowisku należy uwzględnić wszystkie jego źródła. Oprócz hałasu od urządzeń mechanicznych, takich jak wentylatory, należy pamiętać o hałasie generowanym przez instalację wentylacyjną – czyli związanym bezpośrednio z przepływem powietrza przez poszczególne elementy.

Dwa identyczne źródła dźwięku pracujące obok siebie powodują dwukrotnie większy hałas niż jedno urządzenie. Sumowanie źródeł dźwięku odbywa się logarytmicznie.

Tłumienie wentylacji

Działania zmierzające do tłumienia hałasu w instalacji powinny być podejmowane już na etapie projektowania i doboru urządzeń. Warunkiem skutecznego ograniczenia emisji hałasu jest przede wszystkim ograniczenie źródła jego powstawania, tj. stosowanie cichobieżnych wentylatorów oraz ich prawidłowy montaż. Dzięki powiązaniu prac z dziedziny przepływów oraz akustyki i zastosowaniu odpowiednich rozwiązań technicznych opracowane zostały liczne konstrukcje wentylatorów nowej generacji charakteryzujących się obniżonym poziomem hałasu. Jednak pomimo znacznego postępu nadal występuje konieczność stosowania w instalacjach wentylacyjnych biernych elementów ochrony akustycznej, które pozwalają na pracę instalacji przy wykorzystywaniu pomieszczeń budynku zgodnie z ich funkcją użytkową.

W większości sytuacji mamy możliwość wyboru pomiędzy kilkoma urządzeniami, które spełniają podstawowe wymagania, czyli tzw. punkt pracy urządzenia – wydajność i spręż. Na rys. 9 –11 porównano budowę i parametry techniczne dwóch wentylatorów kanałowych: TD i TD Silent (wersja ze specjalnie wykonaną obudową absorbującą dźwięk).

Na rys. 9 pokazano charakterystyki pracy i charakterystyki akustyczne porównywanych wentylatorów. Wybrano punkt pracy dla 600 m³/h i 200 Pa. Na rys. 10 podano charakterystykę akustyczną wentylatora na ssaniu, a na rys. 11 na tłoczeniu wraz z charakterystyką widmową dla poszczególnych oktaw.

Obroty wentylatorów

Łatwo zauważyć, że wentylatory o niższej prędkości obrotowej będą cichsze od tych z dużą prędkością. Na rys. 12 zestawiono parametry dwóch urządzeń z tej samej serii – RF. Oba pracują w tym samym punkcie pracy – 600 m³/h i 150 Pa (rys. 13).

Prowadzenie instalacji wentylacyjnej

Powietrze jest rozprowadzane kanałami wentylacyjnymi, a sposób ich prowadzenia oraz połączenia z wentylatorami ma wpływ na emitowany hałas. Na rys. 14, 15 i 16 zilustrowano prawidłowe i nieprawidłowe podłączenia wentylatorów do kanałów wentylacyjnych.

Hałas emitowany przez instalacje wentylacyjne jest skutkiem ubocznym ich działania. Powietrze transportowane z małą prędkością i bez nagłych zmian kierunku powoduje małe opory przepływu, a powstający hałas nie jest uciążliwy. W przypadku nagłej zmiany kierunku przepływu powietrza bezpośrednio za wentylatorem dochodzi do podniesienia wartości poziomu dźwięku o ok. 4 dB. W przypadku gdy zmiana kierunku przepływu powietrza będzie przeciwna do kierunku obrotów wentylatora, poziom dźwięku może się zwiększyć o ok. 6 dB.

W praktyce wentylacyjnej stosowane są zalecenia dotyczące prędkości przepływu powietrza w instalacjach wentylacyjnych. Większa prędkość przepływu powoduje większy hałas, czyli zmniejszając prędkość, emitowany hałas obniżamy.

Zmniejszenie średnic przewodów przekłada się bezpośrednio na mniejsze koszty materiałowe oraz mniejszą ilość miejsca zajętego przez instalacje. Niestety prowadzi to również do wzrostu oporów przepływu, co skutkuje koniecznością zastosowania mocniejszego wentylatora i powoduje większy hałas.

Elementy instalacji tłumiące hałas oraz przykład obliczania tłumienia

Kolejny etapem „walki z hałasem” jest zastosowanie elementów tłumiących dźwięk – podstaw tłumiących lub tłumików – patrz rys. 17. Do wykonywania obliczeń akustycznych niezbędna jest znajomość pełnej charakterystyki akustycznej wentylatora oraz stosowanego tłumika.

Przykład obliczeniowy przedstawiony został w tabeli 3. Dla każdej oktawy od wartości poziomu dźwięku emitowanego przez wentylator należy odjąć tłumienie tłumika oraz dodać szumy powstające na tłumiku. Uzyskany wynik to charakterystyka akustyczna wentylatora z tłumikiem.

Literatura

1. Kaiser Krzysztof, Wolski Andrzej, Hałas i zanieczyszczenia w wentylacji pomieszczeń, MASTA, 2011
2. Materiały pomocnicze Systemair, (red.) Pełech A., Szczęśniak S., Zając A.
3. Fortuna Stanisław, Wentylatory: podstawy teoretyczne, zagadnienia konstrukcyjno-eksploatacyjne i zastosowanie, Techwent, 1999
4. Kirpluk Mikołaj, Podstawy akustyki, https://www.ntlmk.com/biblioteka/M.Kirpluk%20-%20Podstawy%20akustyki%20-%202021-12.pdf
5. PN-EN ISO 3740 Akustyka. Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu. Wytyczne stosowania norm podstawowych
6. Dyszlewska Krystyna, Pomiar dźwięku emitowanego przez strugę, Wyd. Politechnika Łódzka, IMP Zakład Metrologii Przepływu, 2009
7. Hendiger Jacek, Ziętek Piotr, Chludzińska Marta, Wentylacja i klimatyzacja: materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries, 2019
8. Bommes Leonhard, Beurteilung des Ventilatorgeräusches, „HLH” Vol. 36, No. 8, 1985
9. Wiadomości teoretyczne – akustyka, materiały pomocnicze Swegon

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!