Zmniejszenie uciążliwości akustycznej instalacji HVAC w budynkach

Instalacje rurowe (grzewcze, sanitarne, wentylacyjno-klimatyzacyjne) w budynkach mieszkalnych (zarówno jedno-, jak i wielorodzinnych), zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej przenoszą dźwięk. Powoduje to jego transmisję do pomieszczeń chronionych – przeznaczonych na pobyt ludzi (z wyjątkiem kuchni i pomieszczeń sanitarnych), dla których określone zostały dopuszczalne poziomy dźwięku A [1].

Hałas to niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe, uciążliwe lub szkodliwe drgania ośrodka sprężystego, oddziaływujące za pośrednictwem powietrza na narząd słuchu i inne zmysły oraz elementy organizmu człowieka [2], i prawo wymaga ochrony przed nim zgodnie z zapisem § 327.2 Warunków Technicznych: Instalacje i urządzenia, stanowiące techniczne wyposażenie budynku mieszkalnego, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, nie mogą powodować powstawania nadmiernych hałasów i drgań, utrudniających eksploatację lub uniemożliwiających ochronę użytkowników pomieszczeń przed ich oddziaływaniem [3].

Dźwięki i wibracje pochodzące od instalacji i urządzeń nie mogą powodować przekroczenia w pomieszczeniach domowych wartości dopuszczalnych, określonych w Polskich Normach dotyczących ochrony przed hałasem pomieszczeń w budynkach oraz oceny wpływu drgań na ludzi w budynkach, wyznaczonych zgodnie z Polskimi Normami dotyczącymi metody pomiaru poziomu dźwięku A w pomieszczeniach oraz oceny wpływu drgań na ludzi w budynkach (§ 326.1) [3]. Normą przywołaną w Warunkach Technicznych jest PN-B-02151-2:2018-01 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 2: Wymagania dotyczące dopuszczalnego poziomu dźwięku w pomieszczeniach [1]. W normie wymagania wobec pomieszczeń w różnych rodzajach budynków ujęte są jednoznacznie i w sposób uporządkowany, a jednocześnie nowa norma dobrze oddaje realia panujące w budynkach – uwzględnia się np. hałas nieustalony, pochodzący m.in. od pracy wind, samozamykaczy i elektrozaczepów w drzwiach wejściowych do budynku oraz przepływu w rurach kanalizacyjnych w szachtach, oraz hałas impulsowy, tonalny i niskoczęstotliwościowy (związany m.in. z szumem powietrza w instalacji wentylacyjnej) – jeśli występują te rodzaje hałasu, do wyniku pomiaru dodaje się korektę o wartości k równej 5 dB. Wymogi dla wybranych pomieszczeń chronionych podano w tabeli 1.

Wprost wskazany został także obowiązek ochrony tych pomieszczeń przed hałasem pochodzącym od instalacji i urządzeń stanowiących techniczne wyposażenie budynku (§ 323.2.2) [3] oraz wymóg, że prowadzone w budynku przewody i kanały instalacyjne (w tym kanały wentylacyjne) nie mogą powodować pogorszenia izolacyjności akustycznej między pomieszczeniami poniżej wartości wynikających z wymagań zawartych w Polskiej Normie dotyczącej izolacyjności akustycznej przegród w budynkach oraz izolacyjności akustycznej elementów budowlanych [2].

Izolacyjność akustyczną przegrody budowlanej należy rozumieć jako jej odporność na przenikanie energii fal akustycznych [dB], a izolacyjność od dźwięków powietrznych dotyczy odporności na przenikanie przez przegrodę energii fali akustycznej rozprzestrzeniającej się w powietrzu (np. mowa lub muzyka). Standardowych przegród dotyczy wskaźnik R’_A,1, który uwzględnia zarówno przenikanie dźwięków przez ścianę, jak i wpływ pośredni, w tym boczne przenoszenie dźwięku (np. nie tylko przez ścianę, ale także przez strop). Izolacyjność akustyczna przegród nie powinna być mniejsza od podanej w normie PN-B-02151-3:2015-10 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 3: Wymagania dotyczące izolacyjności akustycznej przegród w budynkach i elementów budowlanych [4], przywołanej w Warunkach Technicznych [3] (por. tabela 2).

Oznacza to konieczność zarówno odpowiedniego wykonania przejścia instalacyjnego przez przegrody, jak i zabezpieczenia kanałów powietrznych, aby zminimalizować przenoszenie do kolejnych pomieszczeń powstających dźwięków.

Parametry akustyczne obowiązkowe w projekcie budowlanym

Z kolei rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego [5] w części opisowej wymaga nie tylko wskazania rozwiązania konstrukcyjno-materiałowego wewnętrznych i zewnętrznych przegród budowlanych, ale też zamieszczenia analizy rozwiązań technicznych i materiałowych, których celem jest spełnienie wymagań akustycznych. Analiza ta musi obejmować w szczególności informacje o:

1. zakładanym poziomie hałasu zewnętrznego oddziałującego na budynek,
2. poziomie wymaganej izolacyjności akustycznej przegród w budynku, w tym dla przegród pomiędzy lokalami, okien, drzwi wejściowych do lokali,
3. wyrobach budowlanych zapewniających wymaganą izolacyjność akustyczną przegród, o których mowa w lit. b,
4. dopuszczalnym poziomie hałasu oraz dźwięku przenikających do pomieszczeń budynku oraz o sposobie spełnienia tych wymagań – w przypadku budynku mieszkalnego jednorodzinnego z dwoma lokalami, budynku mieszkalnego jednorodzinnego w zabudowie szeregowej lub bliźniaczej lub budynku mieszkalnego wielorodzinnego [5].

W odniesieniu do budynków mieszkalnych projektowanych lub gruntownie modernizowanych istnieje więc niezwykle ważny wymóg określenia nie tylko dopuszczalnego dźwięku w pomieszczeniach chronionych, ale też sposobu, w jaki te wymagania powinny zostać spełnione. Konieczne jest zatem uwzględnienie odpowiednich rozwiązań technicznych – także dotyczących instalacji budynkowych, dzięki którym zmniejszone zostanie przenoszenie dźwięków.

Eliminacja hałasu u źródła

Problem przenoszenia dźwięku rośnie wraz z wielkością i złożonością systemu rurowego i liczbą urządzeń lub elementów generujących dźwięki. Ich źródłem są m.in.:

• urządzenia w maszynowniach i na dachach,
• zmiany kierunków i przekrojów na kanałach powietrznych i wodnych,
• armatura regulacyjna (np. zawory termostatyczne),
• elementy instalacji, takie jak klapy pożarowe, kratki, nawiewniki etc.,
• przepływ mediów (szczególnie w stanie ciekłym) z dużą prędkością,
• niewłaściwe zamocowanie lub podwieszenie kanałów.

Problemy te można rozwiązać dzięki właściwemu projektowi i wykonaniu (w przypadku instalacji nowych), dostępne są także rozwiązania pomagające wyeliminować problemy akustyczne w istniejących instalacjach.

Możliwe jest usunięcie lub znaczne ograniczenie hałasu u źródła, jakim są urządzenia techniczne stanowiące wyposażenie budynków. Istotne jest odpowiednie posadowienie, wibroizolacja oraz izolacja akustyczna maszyn i urządzeń, takich jak centrala wentylacyjna, wentylator (także dachowy), pompa, hydrofor, pompa ciepła itp.

W pomieszczeniu maszynowni należy zapewnić:

• wytłumienie drgań powstających podczas pracy urządzenia poprzez oddzielenie obudowy od konstrukcji budynku warstwą elastyczną (podłoga pływająca, sufit podwieszany z warstwą izolacji akustycznej, np. wełny mineralnej);
• posadowienie maszyn i urządzeń na odpowiedniej podstawie, z zastosowaniem podkładek wibroizolacyjnych.
• Połączenia maszyn i urządzeń z przewodami instalacji rurowych powinny być wykonywane przy użyciu następujących środków technicznych:
• zastosowanie tłumika akustycznego, zamontowanego na przewodzie jak najbliżej przegrody akustycznej (ściany lub stropu) oddzielającej pomieszczenie z maszyną od pomieszczenia sąsiedniego;
• zastosowanie podstawy tłumiącej jako cokołu do mocowania (dotyczy np. wentylatorów dachowych);
• zastosowanie elastycznych połączeń urządzeń, co zapobiegnie przenoszeniu drgań urządzeń na sieć przewodów.

Tłumiki akustyczne

Jednym ze sposobów zapobiegania rozprzestrzenianiu dźwięków od takich urządzeń jak centrala wentylacyjno-klimatyzacyjna, niezależnie od jej wielkości i wytłumienia obudowy, jest zastosowanie na przewodzie za centralą tłumika akustycznego. Dobiera się go na podstawie zdolności tłumienia (określanej także jako tłumienność) hałasu w poszczególnych częstotliwościach dla określonej średnicy kanału. Przy doborze należy wziąć pod uwagę dopuszczalną prędkość powietrza, zalecany spadek ciśnienia (optymalnie 20–30 Pa, nie zaleca się przekraczania wartości 50 Pa) oraz szumy własne urządzenia. Jeśli tłumik będzie przewymiarowany, może się pojawić konieczność zastosowania większego wentylatora, który z kolei będzie powodować zwiększenie poziomu dźwięku wytwarzanego przez wentylator.

Tłumik wykonywany jest jako okrągły lub prostokątny odcinek kanału wentylacyjnego z rdzeniem dźwiękochłonnym o odpowiedniej (ustandaryzowanej) długości. Zazwyczaj rdzeń wykonuje się z niepalnych płyt z wełny mineralnej, które pokrywane są specjalną, odporną na ścieranie tkaniną (np. poliestrową). Dzięki jej zastosowaniu włókna wełny mineralnej nie przedostają się do środka przewodu. Zgodnie z rekomendacją Euroventu dotyczącą jakości central wentylacyjnych materiał rdzenia musi być nie tylko trwale odporny na ścieranie i czyszczenie, ale też nie może absorbować wilgoci, a kulisy rdzenia powinny być demontowalne, by zapewnić ich skuteczne oczyszczenie – zabrudzenie tłumika powoduje zarówno zwiększenie jego oporów przepływu, jak i zmniejszenie zdolności tłumienia. Częstotliwość czyszczenia tłumika musi zatem uwzględniać zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego i stopień jego oczyszczenia na filtrach w centrali wentylacyjnej [6].

Częstym problemem w przypadku projektowania instalacji wentylacyjnej jest ograniczone miejsce na zastosowanie tłumika – rozwiązaniem mogą być dostępne oprócz prostych tłumików prostokątnych lub okrągłych tzw. kolana tłumiące, czyli tłumiki do izolacji łuków wykonane z dwóch połączonych kolan, zabezpieczonych perforowaną blachą stalową i izolacją z tkaniny. Niezależnie od rodzaju tłumika należy zwrócić uwagę na odległość od niego kształtek wentylacyjnych – oddziałują one na spadek ciśnienia na tłumiku. W mniejszych instalacjach można także zastosować tłumiki elastyczne – zajmują niewiele miejsca, jednak w porównaniu do analogicznych tłumików sztywnych zwykle mają też mniejszą zdolność tłumienia dźwięków.

Cicha dystrybucja powietrza

W przypadku instalacji rurowych powietrznych (wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych) należy zwrócić uwagę na:

• dobór nawiewników, kratek, przepustnic czy klap także pod kątem parametrów akustycznych – przykładowo moc akustyczna L_WA nawiewnika sufitowego, zależna od wielkości objętościowego strumienia powietrza na nawiewniku i oporów przepływu, powinna być dobrana tak, by zapewnić odpowiednie ciśnienie akustyczne wymagane w pomieszczeniu (np. zgodnie z oczekiwaniami inwestora). Wartość mocy akustycznej można wyznaczyć za pomocą tabel doboru aerodynamicznego, charakterystyki aerodynamicznej lub programów doborowych oferowanych przez producentów (por. rys. 1);
• stosowanie skrzynek rozprężnych tłumiących hałas (wypełnionych izolacją akustyczną i powodujących równomierne rozchodzenie się i wytłumianie dźwięku);
• stosowanie czerpni i wyrzutni tłumiących hałas;
• stosowanie tłumików wtórnych (bezpośrednio przed izolowanym elementem, takim jak nawiewnik, lub za regulatorem przepływu, przepustnicą, kolankiem czy trójnikiem).

Szczególnie cichą pracę umożliwiają nawiewniki zapewniające przepływ zbliżony do laminarnego – takie rozwiązanie stosowane jest najczęściej w tzw. nawiewnikach wyporowych z dużą skrzynką rozprężną i dużą powierzchnią czynną nawiewu. Jednak na rynku dostępne są także rozwiązania ścienne i sufitowe, w których niemal cała powierzchnia nawiewnika stanowi powierzchnię czynną wyposażoną w perforację, zapewniając równomierny wypływ, małą prędkość powietrza (0,2–0,6 m/s zależnie od konstrukcji i przeznaczenia nawiewnika) oraz charakter przepływu powietrza zbliżony do laminarnego. Przykładem mogą być nawiewniki (anemostaty) tekstylne przeznaczone do stosowania jako moduł w suficie podwieszanym odpowiadający wielkością rastrowi sufitu lub tekstylne nawiewniki bramowe. Funkcję elementu nawiewnego pełni warstwa tkaniny technicznej, zapewniająca zarówno dyfuzyjny wypływ powietrza, jak i nawiew przez otwory wycinane laserowo (przykładowa średnica takiej perforacji to 4–12 mm).

Izolacja przewodów wentylacyjnych

Nawet najlepiej wyciszone urządzenia, np. nowoczesne centrale wentylacyjne, będą powodowały przenoszenie dźwięków do instalacji rurowych. Oprócz tłumików zamontowanych bezpośrednio za urządzeniem, istotnego znaczenia nabierają izolacje techniczne zabezpieczające przewody powietrzne od zewnątrz lub wewnątrz przed transmisją dźwięków do pomieszczeń.

Skuteczność tłumienia energii akustycznej można mierzyć za pomocą dwóch wskaźników:

• wskaźnik izolacyjności akustycznej R_w [dB] – miara skuteczności warstwy izolacji w ograniczaniu przepływu dźwięku (generowania straty w transmisji dźwięku). Straty w transmisji dźwięku zależą od częstotliwości (zwykle im wyższa częstotliwość, tym większa strata dźwięku). Im wyższy wskaźnik R_w, tym bardziej skuteczną barierę dla dźwięku stanowi izolacja;
• współczynnik pochłaniania dźwięku αw – określa dźwiękochłonność danej izolacji. Zależy od oporności przepływu powietrza przez materiał (wpływa na to m.in. elastyczność i struktura materiału oraz jego grubość).

Najczęściej jako izolację akustyczną przewodów powietrznych stosuje się wełnę mineralną – kamienną (skalną) lub szklaną. Wełna mineralna jest niepalna i ognioodporna (jej klasa reakcji na ogień wynosi od A1 do A2-s1, d0). Cechuje się dobrymi własnościami termicznymi, odpornością na korozję, zdolnościami antykondensacyjnymi oraz stosunkowo dużą wytrzymałością mechaniczną. Jej sprężystość i elastyczność przekładają się na dobrą izolacyjność akustyczną, jest ona także wytrzymała mechanicznie, również ze względu na dużą gęstość i odpowiednią sztywność.

Izolacje z wełny mineralnej znajdują zastosowanie w instalacjach wentylacji i klimatyzacji, instalacjach grzewczych (ogrzewanie, c.w.u.) i chłodniczych. Do zastosowań akustycznych producenci proponują:

• izolacje przeznaczone do ochrony kanałów na zewnątrz, pełniące zwykle również funkcję izolacji termicznej – w formie odpowiednich mat z wełny szklanej (najczęściej);
• izolacje przeznaczone do wykładania kanałów od wewnątrz – w formie mat z wełny skalnej.

Oprócz zastosowania odpowiednio dobranych, systemowych rozwiązań akustycznych ważne jest także prawidłowe wykonanie samych izolacji, ale też chronionych przewodów. Izolacje nie mogą mieć luk ani przerw (w tych miejscach mogą bowiem powstawać mostki akustyczne). Przewody nie powinny mieć bezpośredniego kontaktu z konstrukcją budynku, aby nie powodować przenoszenia dźwięków przez ściany.

Wszelkie pozostałości materiałów budowlanych punktowo stykające się z przewodem także mogą wpłynąć na przenoszenie się dźwięków. Równie ważne jest prawidłowe podwieszenie kanałów poziomych lub wibrochronne mocowanie kanałów pionowych do ścian.

Zewnętrzna izolacja przewodów

Izolacja zewnętrzna kanałów powietrznych stosowana jest w celu ograniczenia dźwięków przenoszonych między pomieszczeniami. Wykonywana jest najczęściej z płyt z wełny szklanej lub kamiennej. Izolacja taka ma zwykle formę mat lub płyt charakteryzujących się prostopadłym ułożeniem włókien do okładziny. Dzięki temu maty i płyty są mocne i sprężyste, a ich grubość oraz własności nie zmieniają się na narożnikach i w zagięciach kanałów. Płyty i maty do izolacji zewnętrznej wykończone są jednostronnie okładziną ze zbrojoną folią aluminiową, która zwiększa wytrzymałość mechaniczną płyt oraz zapobiega kondensacji pary wodnej na zewnętrznych ściankach kanałów.

Systemy mat do izolacji technicznych przewidziane są zwykle do prostego montażu (np. za pomocą szpilek mocujących, talerzyków zaciskowych oraz taśm, obejm i opasek), występują też w wersji samoprzylepnej. Podczas wykonywania izolacji na kanałach powietrznych ważne jest zabezpieczenie miejsc łączeń mat lub płyt – tak by nie powstawały w nich mostki akustyczne. Do ochrony połączeń może być stosowana odporna na rozerwanie taśma włókninowa, którą okleja się miejsca styku.

Wewnętrzna izolacja przewodów

Z punktu widzenia izolacyjności akustycznej kanałów prostokątnych dobrym rozwiązaniem są płyty z wełny skalnej stosowane do wyłożenia kanałów od wewnątrz – to rozwiązanie często bardziej skuteczne niż izolacja przewodów na zewnątrz. Mają one dodatkowy welon z włókna szklanego – jego zastosowanie pozwala zwiększyć zdolności akustyczne płyt, przyczynia się do zmniejszenia oporów przepływu i zapobiega porywaniu włókien wełny skalnej przez przepływ powietrza.

Prędkość przepływu w kanałach wyłożonych płytami nie może przekraczać wartości maksymalnej wskazanej przez producenta – zwykle 20 m/s. Do zachowania prawidłowych warunków pracy konieczny jest odpowiedni montaż, poprawne wykonanie połączeń oraz właściwe zamocowanie płyt, dzięki czemu w warunkach przepływu turbulentnego nie występuje ich ruch. Do montażu płyt stosuje się profile cienkościenne, które są mocowane (na wkręty lub nity) do ścian właściwych kanałów. Do konkretnych miejsc w instalacji (takich jak narożniki, połączenia czołowe, zakończenia kanałów) przeznaczone są odpowiednie profile.

Samonośne przewody powietrzne z materiałów dźwiękochłonnych

Ciekawym i korzystnym z punktu widzenia parametrów akustycznych rozwiązaniem są przewody o przekroju prostokątnym – wykonane z paneli z włókien szklanych, a jednocześnie samonośne. Na rdzeń panelu składają się sprasowane włókna szklane połączone żywicą termoutwardzalną. Taka konstrukcja materiałowa zapewnia zarówno izolacyjność akustyczną, jak i termiczną (w przykładowym kanale wartość współczynnika α dla rdzenia jest niższa niż 0,035 W/(m · K)). Istotną cechą takich kanałów jest też niepalność (klasa reakcji na ogień min. A2).

Od strony zewnętrznej panel pokrywa warstwa, które odpowiada za szczelność powietrzną oraz wytrzymałość płyty – najczęściej wzmocniona folia aluminiowa. Wewnętrzną stronę płyty może pokrywać powłoka szklana (welon), folia aluminiowa lub gęsta tkanina syntetyczna (włókno szklane). Zadaniem tych warstw jest zapewnienie minimalnych oporów przepływu, trwałości i odporności na czyszczenie, a także odpowiednich warunków higienicznych.

Przewody montuje się na budowie, dokąd dostarczane są rozłożone na płasko i wyposażone w krawędzie pióro-wpust, co umożliwia ich szybkie i łatwe łączenie do postaci szczelnych przewodów wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i grzewczych. Z paneli można także wykonać kształtki – kolana, trójniki, redukcje, odsadzki itp.

Kanały tekstylne

W przypadku pomieszczeń biurowych czy laboratoryjnych, a także budynków kubaturowych (m.in. przemysłowych lub użyteczności publicznej – sale gimnastyczne szkół czy mniejsze hale widowiskowo-sportowe) dobrze sprawdzają się także kanały tekstylne, które jednocześnie pełnią funkcję systemu nawiewnego na całej długości przewodu – w świetle Warunków Technicznych [3] nie stanowią one przewodów wentylacyjnych i należy je traktować jako nawiewniki liniowe. Realizacja nawiewu – zarówno poprzez przepływ wyporowy przez pory tkaniny technicznej (dyfuzyjny), jak i odpowiednio przygotowane elementy nawiewne (szczeliny, perforacje i mikroperforacje oraz elementy nawiewne, takie jak dysze nawiewne dalekiego zasięgu) – zapewnia równomierny wydatek powietrza, stabilny rozkład temperatury powietrza oraz małą prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi, co łączy się z cichą, niemal niezauważalną pracą całej instalacji.

Kanały tekstylne wykonuje się z tkaniny technicznej – poliestru modyfikowanego – która zapewnia skuteczne tłumienie dźwięków i małe opory przepływu oraz zachowanie niskiej prędkości przepływu (maksymalna prędkość wlotowa powietrza powinna wynosić 4–8 m/s, optymalnie 6 m/s). Zachowanie tej prędkości przy malejącym przepływie (następującym wraz z odległością ze względu na równomierny wydatek powietrza na całej długości kanału) jest możliwe dzięki stopniowaniu kanału – wykonaniu z odcinków o stopniowo malejących średnicach. Jednocześnie bardzo ważny jest dobór kanałów pod kątem zachowania równowagi między ciśnieniem dynamicznym Pd a ciśnieniem statycznym Ps (Pd < 0,4 Ps) – w przypadku zbyt niskiego ciśnienia statycznego może dojść do za małego naprężenia kanału (co przełoży się na brak wypływu powietrza), a zbyt wysokie ciśnienie statyczne spowoduje tzw. pulsowanie kanału, generując straty energii oraz hałas. Dlatego zachowanie odpowiedniej prędkości wlotowej oraz prawidłowe wyznaczanie strat ciśnienia to elementy kluczowe dla utrzymania stałej prędkości powietrza na całej długości kanału.

Literatura

1. PN-B-02151-2:2018-01 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 2: Wymagania dotyczące dopuszczalnego poziomu dźwięku w pomieszczeniach
2. CIOP, Podstawowe pojęcia związane z hałasem w środowisku pracy, http://www.bhportal.pl/26032.html (dostęp: 4.11.2024)
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2022, poz. 1225)
4. PN-B-02151-3:2015-10 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 3: Wymagania dotyczące izolacyjności akustycznej przegród w budynkach i elementów budowlanych
5. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 11 września 2020 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (t.j. Dz.U. 2024, poz. 1679, z późn. zm.)
6. Eurovent 6/18 Quality criteria for Air Handling Units, https://www.eurovent.eu/publications/eurovent-6-18-2022-quality-criteria-for-air-handling-units-first-edition/ (dostęp: 4.11.2024)
7. Materiały firm: Airmix, Alnor, BH-Res, Climecon, CWK, FabricAir, Isover Saint-Gobain, Kampmann, Lindab, Paroc, Petralana, Rockwool, Schako, Systemair, Walraven