Akustyka instalacji wentylacyjnej, czyli: co szumi, co tłumi?

Odpowiedź na pytanie postawione w tytule jest krótka: wszystko. Każdy element instalacji wentylacyjnej może być źródłem hałasu i jednocześnie każdy wykazuje tłumienie w stosunku do dźwięków do niego docierających. Oczywiście obydwa zjawiska występują w różnym stopniu. Prawidłowo przeprowadzone obliczenia, szczególnie dla obiektów o wysokich wymaganiach akustycznych, powinny uwzględniać tłumienie i szumy własne wszystkich elementów instalacji. Ale można wyróżnić pewną grupę urządzeń, które mogą najbardziej wpływać na parametry akustyczne całej sieci wentylacyjnej. Trzeba też pamiętać, że czasami nawet precyzyjne przeprowadzenie obliczeń nie musi gwarantować cichej pracy układu. Parametry akustyczne mogą zostać pogorszone na skutek nieprawidłowego umiejscowienia, czy montażu poszczególnych elementów.

Wentylator
W tym przypadku nie ma wątpliwości, wentylator jest najczęściej głównym źródłem hałasu w instalacji wentylacyjnej. Przyczyną powstawania dźwięków w wentylatorze są drgania
mechaniczne wynikające z ruchu elementów oraz hałas aerodynamiczny, wywołany przepływem powietrza. Przy wysokich prędkościach liniowych wirnika, szerokopasmowy hałas aerodynamiczny ma znaczenie decydujące. Ponadto, hałas wytwarzany przez wentylator wykazuje charakter tonalny. Oznacza to, że znaczna część energii akustycznej emitowana jest w pewnej charakterystycznej częstotliwości, tzw. częstotliwości łopatkowej, będącej iloczynem liczby łopatek i prędkości obrotowej wirnika. Istnieją zależności teoretyczne opisujące parametry akustyczne wentylatorów. Uzależniają one poziom mocy akustycznej wytwarzanej przez wentylator od strumienia objętości powietrza, różnicy ciśnienia, czy mocy niezbędnej do napędu wentylatora. Niestety charakter tych zależności jest na tyle ogólny, że ich stosowanie może dawać wynik jedynie przybliżony. W praktyce, aby prawidłowo uwzględnić oddziaływanie wentylatora na instalację wentylacyjną, należy skorzystać z danych producenta. Najlepiej gdy zawierają one informacje na temat poziomu mocy akustycznej generowanej w obszarze króćca tłocznego, ssawnego oraz przez obudowę do otoczenia. Oczywiście z podziałem na poszczególne pasma częstotliwości oktawowych. Warto też pamiętać, że parametry akustyczne wentylatorów nie są identyczne w każdym punkcie jego charakterystyki. Najmniejsze wartości poziomu mocy akustycznej występują w przypadku pracy wentylatora z jego maksymalną sprawnością.
W miarę oddalania się od optymalnego punktu współpracy wentylatora z siecią przewodów, poziom mocy akustycznej będzie wzrastał. Jeżeli wentylator nie pracuje w punkcie optymalnym, poziom mocy akustycznej może się podnieść o 5-8 dB.
Jednak nie tylko dane katalogowe opisujące parametry akustyczne wentylatora będą decydowały o ostatecznym poziomie mocy akustycznej tego urządzenia. Wszelkie zakłócenia przepływu spowodowane nieprawidłowym podłączeniem wentylatora do sieci przewodów będą dodatkowo zwiększały hałas, a także mogą być przyczyną przenoszenia drgań na dalsze części sieci  przewodów.

Nawiewnik
To ostatni, zakończający element instalacji wentylacyjnej. Pod względem akustycznym jego rola jest podwójna. Z jednej strony nawiewnik redukuje hałas docierający do pomieszczenia z sieci przewodów wentylacyjnych. Z drugiej strony sam nawiewnik może być źródłem niepożądanego dźwięku. Teoretyczne zależności opisujące poziom mocy akustycznej nawiewnika [3] wiążą poziom mocy akustycznej z prędkością powietrza przed nawiewnikiem, współczynnikiem oporu miejscowego, polem powierzchni przekroju przewodu przed nawiewnikiem, a także ze spadkiem ciśnienia na elemencie nawiewnym.
Analiza wagi poszczególnych składowych we wzorach teoretycznych pokazuje na przykład, że podwojenie prędkości powietrza spowoduje wzrost poziomu mocy akustycznej o 18 dB. Natomiast podwojenie spadku ciśnienia będzie skutkowało wzrostem o 10 dB. Jednak podobnie jak inne zależności teoretyczne, tak i te opisujące elementy nawiewne dają wyniki tylko przybliżone. Podczas doboru elementu nawiewnego powinno się korzystać z danych producenta, które zostały sporządzone dla konkretnej konstrukcji. Warto tylko czasami zauważyć, że producenci często podają
na wykresach nie poziom mocy akustycznej, a już gotową wartość ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu, przy uwzględnieniu „typowego” tłumienia, najczęściej na poziomie 4 dB, przy chłonności akustycznej 10 m2 Sabin.
Dlatego też, stosując element nawiewny w pomieszczeniu o innych parametrach akustycznych, należy dane katalogowe odpowiednio skorygować. W zasadzie parametry akustyczne nawiewnika należy rozpatrywać w powiązaniu ze skrzynką rozprężną. Stosowane wykładziny we wnętrzu skrzynki mają na celu zwiększenie tłumienia dźwięku docierającego od strony instalacji, ale przyczyniają się też do zmniejszenia poziomu mocy akustycznej samego nawiewnika.
Podobnie jak w przypadku wentylatorów, tak i w przypadku elementów nawiewnych, ich nieprawidłowe podłączenie może być przyczyną pogorszenia ich własności akustycznych.
Dane katalogowe nawiewników określane są dla warunków prawidłowego zamontowania i przy wyrównanym profilu prędkości przed elementem. Okazuje się, że nieprawidłowe podłączenie elementu może te parametry skutecznie pogorszyć. Chodzi tutaj głównie o wpływ zaburzeń i nierównomierności przepływu w przewodzie doprowadzającym powietrze do nawiewnika.

Przepustnica
Poszukując elementów instalacji mających istotny wpływ na parametry akustyczne, nie sposób pominąć przepustnic regulacyjnych. Można wskazać wiele przypadków, w których to właśnie szum przepływu przez przepustnice był przeważający. Podstawowym parametrem decydującym o poziomie mocy akustycznej generowanej przez przepustnicę jest występujący na niej spadek ciśnienia.
W tym miejscu rozważań wystąpił bardzo dobry moment do uświadomienia sobie związku pomiędzy obliczeniami hydraulicznymi sieci przewodów, a jej przyszłymi własnościami akustycznymi. Przewidywanie, na etapie projektu, zbyt dużych różnic ciśnienia, które miałyby być wyrównane przez przepustnice, będzie skutkowało pracą tych elementów przy znacznym stopniu zdławienia, z wysokim poziomem szumów.


Wszystkie rozważania dotyczące przepustnic, ze względu na podobny sposób działania, można przenieść na regulatory przepływu. Należy sobie zdawać sprawę, że regulatory znajdują się zwykle w pobliżu elementów zakończających, takich jak nawiewniki, czy wywiewniki. Jednocześnie może to być lokalizacja już w samym pomieszczeniu, ponad stropem podwieszonym. Oznacza to, że hałas pochodzący od regulatora, może łatwo dotrzeć do pomieszczenia wentylowanego. W związku z tym, parametry akustyczne urządzenia muszą być uwzględnione na etapie projektu. Poziom mocy akustycznej, emitowanej przez regulator zależy od prędkości przepływu powietrza i od spadku ciśnienia na regulatorze, czyli stopnia zdławienia przepustnicy. Wartość poziomu mocy akustycznej, w trakcie działania urządzenia jest zmienna, ale w skrajnych przypadkach może dochodzić do ok. 70-80 dB(A). Hałas przenikający do otoczenia można ograniczyć poprzez izolację zewnętrznej obudowy regulatora przepływu. Natomiast emisję do kanału wentylacyjnego mogą obniżać dodatkowe tłumiki, stosowane w niektórych konstrukcjach.

Tłumiki – kiedy tłumią, a kiedy hałasują?

Podstawowym i jedynym zadaniem tłumików kanałowych jest zmniejszenie hałasu emitowanego głównie przez wentylatory, ale także regulatory przepływu lub inne urządzenia  wentylacyjne. Jednak, podobnie jak wszystkie elementy przepływowe, także i tłumiki wytwarzają hałas przepływu określany jako szum własny tłumika. W przekroju wewnętrznym tłumika absorpcyjnego, instaluje się często kulisy, czyli przegrody wypełnione materiałem dźwiękochłonnym. Jednocześnie, kulisy o dużej grubości powodują wzrost prędkości powietrza, a tym samym zwiększenie szumów przepływu, które to mogą czasami osiągać relatywnie duże wartości. Powoduje to często obawy, czy tłumik o znacznym szumie wykazuje odpowiednie własności tłumiące. Można to wyjaśnić na pewnym przykładzie. Załóżmy, że dla pewnej częstotliwości oktawowej poziom mocy wentylatora wynosi 80 dB, tłumienie tłumika 35 dB, a szum własny przepływu 40 dB. Gdyby nie występowały szumy przepływu, poziom po wytłumieniu osiągnąłby 45 dB. Trzeba jednak pamiętać, że szumy tłumika ten poziom podwyższają. Aby to uwzględnić, należy je dodać, zgodnie z zasadą sumowania poziomów. W efekcie otrzymujemy za tłumikiem poziom 46,2 dB, czyli tłumik w efekcie tłumi, ale jego szumy własne obniżają efektywną skuteczność do wartości 33,8 dB. Prawidłowo, taki rachunek powinien być przeprowadzony dla każdego pasma częstotliwości oktawowej oddzielnie.
Jak widać, to czy tłumik ostatecznie tłumi, czy hałasuje, zależy od poziomów mocy akustycznej urządzeń przed tłumikiem. Gdyby rozpatrywany wentylator miał poziom niższy np. 65 dB, to po stłumieniu zostawałoby 30 dB, a szumy zwiększałyby tę wartość o około 10 dB. Zastosowanie takiego tłumika byłoby nieuzasadnione. Dlatego też zamontowanie tłumika o wysokim poziomie szumów własnych, nie spowoduje znacznego pogorszenia parametrów akustycznych tam, gdzie występują głośne źródła dźwięku, czyli bezpośrednio za wentylatorami, czy na głównych ciągach sieci przewodów. Jednak zastosowanie tłumika o wysokim poziomie szumów, przed elementami nawiewnymi, może niekiedy dać odwrotny skutek. W takich przypadkach lepsze mogą być tłumiki o dużym przekroju wewnętrznym i raczej niewyposażone w kulisy.


* dr inż. Jacek Hendiger, Politechnika Warszawska

Bibliografia
[1] ASHRAE Handbook – HVAC Aplications,ASHRAE 2011.
[2] Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek; Ogrzewanie i klimatyzacja – poradnik,EWFE, Gdańsk 2008.
[3]Marshall Long; Architectural Acoustics, Elsevier Academic Press.
[4] Katalog: Nawiewniki Swegon 2009, Wiadomości teoretyczne.
[5] www.engineeringtoolbox.com.
[6] Karta katalogowa: wentylatory kanałowe TD-Silent, Venture Industries.
[7] Karty katalogowe: skrzynki ATTC, regulatory OPTIVENT, FläktWoods.
[8] Karta katalogowa: regulatory TVZ, TROX.-

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 12/2017 4/2017 6/2016