賀 婷

(福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350012)

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)中需要室外安裝的機(jī)組或設(shè)備通常有：多聯(lián)機(jī)室外機(jī)、中央空調(diào)風(fēng)冷熱泵機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔、水泵、風(fēng)機(jī)等。對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等單一振動(dòng)設(shè)備的降噪減振的做法，工程上已相當(dāng)成熟，且多為被人所重視。而作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)備的風(fēng)冷冷凝器(或多聯(lián)機(jī)室外機(jī))、空調(diào)冷卻塔產(chǎn)生的噪聲則容易被人忽視。這類集成機(jī)組一般包含風(fēng)機(jī)、電機(jī)和壓縮機(jī)。剖析其噪聲源，可分為以下3處：①風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和帶動(dòng)空氣擾動(dòng)產(chǎn)生的氣流聲；②電機(jī)的電磁噪聲；③壓縮機(jī)的機(jī)械噪聲。除做好風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等振動(dòng)設(shè)備的減振隔振之外，對(duì)機(jī)組整體進(jìn)行降噪設(shè)施的加裝或改造，在噪聲污染治理相關(guān)工程中比較常見(jiàn)，但所能達(dá)到的降噪效果卻好壞參半，且許多工程技術(shù)文獻(xiàn)在論述空調(diào)室外機(jī)降噪措施方案時(shí)，均未對(duì)如何保證其制冷性能有過(guò)多描述[1-2]。

1 噪聲傳播原理和隔聲理論簡(jiǎn)述

聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物(如固體媒質(zhì))，聲波會(huì)在空氣與障礙物物質(zhì)界面上發(fā)生的反射，并有部分聲波折射進(jìn)入該固體媒質(zhì)后，穿越其中并透射出去。當(dāng)采用透射系數(shù)很小的隔聲材料和反射系數(shù)很小的吸聲材料、消聲器等共同搭建的隔聲房和隔聲屏障等屏蔽物時(shí)，能將隔聲房?jī)?nèi)部或隔聲屏障內(nèi)側(cè)聲源發(fā)出的空氣聲與有噪聲控制要求的區(qū)域有效隔離開來(lái)。對(duì)于安裝在室外且周圍有噪聲控制要求場(chǎng)所的空調(diào)室外機(jī)組，工程中常采用全封閉式的隔聲房或半開敞的隔聲屏障對(duì)其進(jìn)行降噪處理。通常全封閉式的隔聲房因其結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性和隔聲材料的“厚實(shí)性”，理論上對(duì)常規(guī)噪聲污染源能達(dá)到很好的降噪控制效果。因空調(diào)機(jī)組具有的散熱特性，使得隔聲房?jī)?nèi)溫度不斷升高，而不得不在隔聲房外墻上安裝一定面積的通風(fēng)百葉，通透的百葉孔隙將會(huì)對(duì)隔聲效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。

2 隔聲房的溫升的產(chǎn)因和室內(nèi)溫度的控制

工程中隔聲房外表面通常采用金屬材質(zhì)。因此，將隔聲房想象成一個(gè)有金屬外墻的房間，外墻有部分開啟的外窗，并假設(shè)其內(nèi)部的空調(diào)機(jī)組屬于不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定熱源，此時(shí)，隔聲房與外界的熱交換存在以下3種：①外界環(huán)境對(duì)房間內(nèi)部的傳熱主要是輻射熱，熱量記為Q1；②房間內(nèi)部穩(wěn)定熱源散熱量，記為Q2；③通過(guò)外窗或百葉等敞口對(duì)外散出的熱量記為Q3。

現(xiàn)分析各熱量產(chǎn)生的原因及大?。孩佥椛錈酫1：白天日照輻射于隔聲房外墻，使得外墻升溫后再將熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)形式，傳遞給房間內(nèi)部空氣(因房間相對(duì)封閉，空氣流動(dòng)導(dǎo)致的對(duì)流換熱的熱傳遞因素可忽略)；由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，所以這部分熱傳遞的熱量有限。②機(jī)組散熱量Q2：本文探討的內(nèi)部穩(wěn)定熱源指空調(diào)室外機(jī)組、風(fēng)冷熱泵(冷凝器)或冷卻塔。假定機(jī)組額定工況下的總制冷量為QL，消耗電功率為W，則根據(jù)能量守恒定律可知Q2=Qr=QL+W，其中Qr為空調(diào)機(jī)組排熱量；一般對(duì)周邊居民區(qū)產(chǎn)生較大噪聲影響的空調(diào)機(jī)組設(shè)備，其裝機(jī)負(fù)荷和數(shù)量相對(duì)較大，所以Q2值也相對(duì)較大，并且Q2是影響降噪設(shè)施效果的最主要因素。③敞口處對(duì)外散熱量Q3：由于敞口處兩側(cè)的空氣存在溫度差，屬于直接接觸換熱。在不考慮風(fēng)壓作用下，百葉處的熱量從室內(nèi)向室外傳遞又可分為以下3個(gè)方面：①對(duì)流換熱；②溫差導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)；③窗口處熱壓作用導(dǎo)致的內(nèi)外空氣傳質(zhì)運(yùn)動(dòng)而形成的熱擴(kuò)散。由于單側(cè)開啟的外窗面積、窗高有限，根據(jù)熱壓的原理[4]，一般的隔聲房結(jié)構(gòu)通過(guò)這種方式形成的通風(fēng)換氣量十分有限，且單側(cè)開窗對(duì)房間內(nèi)部的溫度場(chǎng)影響較小。所以Q3大小主要取決于窗口面積范圍內(nèi)的對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)，當(dāng)開窗面積越大，Q3越大。

綜合分析，當(dāng)Q1+Q2=0時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)外無(wú)溫差，此時(shí)Q3=0，所以可以理解為機(jī)組從停機(jī)到開啟階段，Q1+Q2是產(chǎn)生Q3的“驅(qū)動(dòng)力”，且Q3最終將等于Q1+Q2，從而實(shí)現(xiàn)熱交換的動(dòng)態(tài)平衡。

隔聲房的室內(nèi)溫度tn相對(duì)于設(shè)計(jì)工況(即所在地空調(diào)室外空氣設(shè)計(jì)干球溫度tdb)的差值，是對(duì)機(jī)組造成性能影響的直接原因和判斷依據(jù)。tn是當(dāng)Q1+Q2與Q3達(dá)到熱平衡時(shí)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)室外氣候參數(shù)不變時(shí)，開窗面積越大，空調(diào)機(jī)組的對(duì)外排熱量越大，tn越接近室外溫度。工程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最不利因素，即不考慮風(fēng)壓對(duì)隔聲房通風(fēng)散熱的作用，所以在不外加設(shè)備的前提下，對(duì)環(huán)境的散熱僅能依靠控制開窗面積。

通?？照{(diào)機(jī)組均自帶散熱風(fēng)機(jī)。散熱風(fēng)機(jī)一般位于空調(diào)室外機(jī)的上部，其作用是在無(wú)風(fēng)壓的戶外環(huán)境實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流，以保證其最低的工作性能，即名義制冷量。這樣不僅能達(dá)到強(qiáng)化散熱的目的，也改善了因機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸受限而導(dǎo)致的進(jìn)排風(fēng)口“短路”的問(wèn)題。而在無(wú)其他措施的情況下，僅對(duì)機(jī)組外圍加蓋封閉式的隔聲房，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)排風(fēng)口“短路”，即便在靠近設(shè)備進(jìn)排風(fēng)口處就近設(shè)置散熱用的消聲百葉，由于百葉存在局部風(fēng)阻，所以依靠設(shè)備自身風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓，仍不足以使得有足夠的冷空氣流通于隔聲房?jī)?nèi)部，因此，最終將造成隔聲房?jī)?nèi)大部分空氣處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，使得排熱機(jī)組變成穩(wěn)定的內(nèi)部熱源Q2，導(dǎo)致室內(nèi)升溫。

溫升的大小可通過(guò)加裝隔聲房排風(fēng)機(jī)、強(qiáng)制對(duì)流通風(fēng)散熱的方式來(lái)控制。所需要的風(fēng)量可按如下計(jì)算：

以一臺(tái)名義制冷量為60kW的模塊式風(fēng)冷熱泵機(jī)為例：在名義工況(室外干球溫度為35℃，濕球溫度24℃)的條件下，其制冷量QL=60 kW，壓縮機(jī)功率W=20 kW，根據(jù)制冷循環(huán)原理可知，對(duì)環(huán)境的排熱量Qr=QL+W=80 kW；假定機(jī)組在地區(qū)室外空氣參數(shù)與額定工況相同，即機(jī)組性能參數(shù)不需要做修正，此時(shí)作為隔聲房?jī)?nèi)的穩(wěn)定熱源，其排熱量為80 kW。根據(jù)消除室內(nèi)余熱的全面通風(fēng)計(jì)算公式，通風(fēng)量可計(jì)算如下：

(1)

其中tp等于隔聲房室內(nèi)溫度tn，屬于控制參數(shù)；t0為室外溫度，原則上應(yīng)取當(dāng)?shù)叵募就L(fēng)室外計(jì)算溫度tv，通常在我國(guó)大部分地區(qū)tv比夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度tdb(35℃)低2～5℃，因此暫定機(jī)組所在地的夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為32℃，即t0=32℃。將空氣比熱和密度等值代入上式計(jì)算，可得隔聲房需要的通風(fēng)量L與室內(nèi)溫度tn的關(guān)系如表1所示。

表1 名義工況下60 kW制冷量機(jī)組的室內(nèi)溫升與通風(fēng)量的關(guān)系

因?yàn)楫?dāng)機(jī)組排熱量越大，要維持相同溫升所需的通風(fēng)量就越大。為了更直觀地了解不同排熱量下的溫升情況，本文引入?yún)?shù)通風(fēng)強(qiáng)度LQ：

LQ=L/Qr

(2)

將表1計(jì)算數(shù)據(jù)換算為L(zhǎng)Q和Δt的關(guān)系，并繪制出曲線(圖1)，使得該曲線在上述室外工況條件下適用于任何機(jī)組。在曲線圖中可以明顯看出，當(dāng)通風(fēng)強(qiáng)度較低時(shí)(LQ≤600)，風(fēng)量的增加對(duì)降低溫升起有明顯的作用；而當(dāng)通風(fēng)強(qiáng)度較大時(shí)(LQ>600)，風(fēng)量的增加對(duì)降低溫升的作用較小。由圖計(jì)算可得，對(duì)于60 kW制冷量的機(jī)組，若要實(shí)現(xiàn)溫升控制在2℃以內(nèi)，最小的通風(fēng)量為L(zhǎng)=600×(60+20)=48 000 m3/h。

圖1 通風(fēng)強(qiáng)度與溫升的關(guān)系曲線

3 隔聲房通風(fēng)量的計(jì)算

由于機(jī)組的制冷性能隨室外溫度(冷凝溫度)的變化存在如下趨勢(shì)：當(dāng)蒸發(fā)溫度一定而冷凝溫度上升，壓縮機(jī)的制冷量或排熱量均下降而功率消耗增加。因此當(dāng)隔聲房?jī)?nèi)tn越大時(shí)，表明該機(jī)組冷凝溫度就越高，其制冷能力下降的就越多。因此，為避免機(jī)組散熱溫升對(duì)機(jī)組性能的影響，應(yīng)采取合理的通風(fēng)降溫措施。從國(guó)內(nèi)外各文獻(xiàn)[5]～[7]中可知，該類變工況下機(jī)組的實(shí)測(cè)制冷量或排熱量，隨冷凝溫度的升高呈接近線性的下降趨勢(shì)，本文將排熱能力與環(huán)境溫升的關(guān)系曲線用函數(shù)Qr=f1(Δt)表示。根據(jù)式1可得，當(dāng)通風(fēng)量L一定時(shí)，隔聲房溫升Δt隨機(jī)組排熱量Qr的增加呈線性遞增關(guān)系，即直線Qr=f2(Δt)。而每個(gè)不同的通風(fēng)量Li對(duì)應(yīng)不同的直線Qr=f2(Δt,Li)。若將直線Qr=f1(Δt)和Qr=f2(Δt,Li)繪在同一坐標(biāo)系當(dāng)中，可以得出制冷機(jī)組的排熱-溫升圖(圖2)。因此，各臺(tái)不同參數(shù)型號(hào)的機(jī)組均可繪制出對(duì)應(yīng)的排熱-溫升圖。

圖2 空調(diào)機(jī)組的排熱-溫升圖

對(duì)于室內(nèi)最小強(qiáng)制通風(fēng)量的計(jì)算，可以通過(guò)聯(lián)立方程組求解,如式(3):

(3)

若采用圖解法求最小強(qiáng)制通風(fēng)量則更為直觀、便捷：將QL/1.1代入函數(shù)f3，可求得此時(shí)的Δt=a，該值即為設(shè)計(jì)富裕溫升，或隔聲房可接受溫升。根據(jù)廠家提供的參數(shù)和室外氣象條件，可繪制出對(duì)象機(jī)組的排熱—溫升圖。如圖2中，不同直線f2與曲線f1的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的溫升Δt=ti，且交點(diǎn)是隨L的變化而連續(xù)變化的，因此，在圖中定能找出相應(yīng)Δt=a時(shí)所對(duì)應(yīng)的直線f2。例如，圖2中當(dāng)Δt=a時(shí)對(duì)應(yīng)的L=La處于區(qū)間[L2,L3]內(nèi)，若繪制該圖所取的ΔL足夠小時(shí)，La值可直接利用L2、L3及插值法求得。此時(shí)得到的通風(fēng)量La可視為最小通風(fēng)量，即該隔聲房?jī)?nèi)所需要的最小強(qiáng)制通風(fēng)量。其中隔聲房溫升導(dǎo)致的制冷量下降范圍，還需征得原設(shè)計(jì)單位的技術(shù)認(rèn)可，應(yīng)盡可能滿足使用需求。

4 全封閉式隔聲房在空調(diào)室外機(jī)降噪應(yīng)用中的弊端

考慮到機(jī)組的設(shè)計(jì)容量富裕度有限，實(shí)際計(jì)算出的最小通風(fēng)量通常很大。如前文所述，對(duì)60 kW制冷量的機(jī)組設(shè)置48 000 m3/h的機(jī)械通風(fēng)設(shè)施：60 kW的模塊機(jī)尺寸通常在2200×1000×2000(L×W×H，mm)左右，考慮機(jī)組檢修空間，隔聲房側(cè)墻與機(jī)組間距800 mm，上方間距1000 mm，則此隔聲房尺寸約3800×2600×3000(L×W×H，mm)。而一臺(tái)風(fēng)量、余壓100 Pa的管道式軸流風(fēng)機(jī)，尺寸約Φ900 mm×L900 mm，風(fēng)機(jī)內(nèi)側(cè)所接風(fēng)管截面積約1 m2～1.5 m2，風(fēng)機(jī)外側(cè)所接外百葉出口風(fēng)速按5 m/s設(shè)計(jì)，則需要的百葉面積不小于3 m2。隔聲房的另一側(cè)還需開啟同等甚至更大面積的進(jìn)風(fēng)百葉。此外百葉尚需要進(jìn)行吸聲處理或設(shè)置消聲器。因此，無(wú)論是風(fēng)機(jī)安裝空間、百葉安裝面積，相對(duì)于常規(guī)隔聲房尺寸而言，都過(guò)于巨大。如果要實(shí)現(xiàn)通風(fēng)及降噪效果都能滿足實(shí)際要求的隔聲房，其外輪廓尺寸也會(huì)變大很多。無(wú)論是隔聲房的尺寸，還是百葉處外接的消聲器，其用料與制作都會(huì)使得降噪治理的工程總投資大幅增加。與此同時(shí)，許多空調(diào)室外機(jī)組的安裝地點(diǎn)并不具備安裝過(guò)大隔聲房的條件。

在自然通風(fēng)換熱效果有限，強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施安裝受限的情況下，隔聲房對(duì)機(jī)組的性能影響不可忽視。因此，應(yīng)考慮多方面的降噪隔音措施和多種通風(fēng)方式的結(jié)合，比如：對(duì)機(jī)組壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等振動(dòng)設(shè)備做好減振隔振；隔聲房的通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)將室外風(fēng)壓產(chǎn)生的自然對(duì)流作用、高大隔聲房的熱壓通風(fēng)作用和通風(fēng)設(shè)備的強(qiáng)制對(duì)流作用綜合考慮；百葉處消聲器應(yīng)結(jié)合中低頻噪音的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，適當(dāng)采用阻抗式復(fù)合型消聲器等。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)空調(diào)室外機(jī)組加裝封閉式隔聲房后，隔聲房的室內(nèi)溫度，是當(dāng)機(jī)組散熱量、室外輻射熱與對(duì)外通風(fēng)換熱量達(dá)到熱平衡時(shí)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。

(2)隔聲房的通風(fēng)百葉的散熱效果僅依靠百葉窗口面積范圍內(nèi)的對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)。因此，為加大通風(fēng)效果可設(shè)置強(qiáng)制對(duì)流的通風(fēng)設(shè)施，以減少因百葉面積過(guò)大造成隔聲效果下降的不利影響。

(3)通過(guò)研究隔聲房強(qiáng)制通風(fēng)量、室內(nèi)溫升與機(jī)組排熱量三者的關(guān)系，可以在不同控制溫升的條件下，計(jì)算求得不同裝機(jī)容量機(jī)組的最小通風(fēng)量。

(4)根據(jù)隔聲房室溫對(duì)機(jī)組排熱性能的影響，可得到不同強(qiáng)制通風(fēng)量所對(duì)應(yīng)的排熱·溫升平衡點(diǎn)下的溫升值，并根據(jù)設(shè)計(jì)單位對(duì)裝機(jī)負(fù)荷的選型富余量計(jì)算隔聲房的可接受溫升，將該溫升值與平衡點(diǎn)溫升值做對(duì)比，由此可最終求得最小強(qiáng)制通風(fēng)量。

(5)無(wú)論是自然通風(fēng)換熱，還是強(qiáng)制通風(fēng)換熱，都會(huì)受到各種因素的限制，而使得換熱效果不佳導(dǎo)致機(jī)組性能下降。因此，應(yīng)考慮多方面的降噪隔音措施和多種通風(fēng)方式的結(jié)合。

(6)隔聲房的室內(nèi)溫升應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行計(jì)算，并提交技術(shù)廠家和設(shè)計(jì)院進(jìn)行校核，或所設(shè)計(jì)的通風(fēng)量應(yīng)使得計(jì)算溫升處于允許范圍以內(nèi)。若應(yīng)通風(fēng)設(shè)施受限而無(wú)法滿足制冷功能的使用需求時(shí)，不得采用全封閉式的隔聲房。