Hluková hlediska při provozu spalovacích zařízení: Kouřovody a komíny – 3. díl

Třetí, závěrečný díl článku je věnován šíření hluku kouřovody a komíny. V závěru článku je pak vyhodnocena obecná měřicí situace hlukových hledisek z pohledu nejistot měření a její vazby na předpisy platné v ČR.

Recenzent: Roman Vavřička

Úvod

Třetí pokračování tématu, zaměřeného na šíření hluku při provozu spalovacích zařízení, uzavírá díl věnovaný signálu, který se šíří z kotle do kouřovodu, komína a dále do venkovního chráněného prostoru.

Hluk generovaný do kouřovodu

V prvním díle jsme hovořili o cestě šíření signálu do prostoru kotelny. Další významnou cestou šíření signálu je kouřovod a následné vyzařování zvuku z komína. Na obr. 1 je praktická ukázka kouřovodu. Řešení to není moc šťastné, neboť z hlediska proudění tekutiny či plynu potrubím je vhodné se vyvarovat nadměrných změn směru, a tím generace aerodynamického hluku.

V praxi je velmi obtížné informaci o hluku vyzařovaného do kouřovodu zjistit. Výrobci tuto informaci uvádí jen velmi zřídka. Měření na konkrétním zařízení je velmi obtížné a nebezpečné. Nebezpečí spočívá v tom, že mikrofon je třeba umístit do proudu spalin, které vzhledem ke své povaze (vysoká teplota a vlhkost), mohou způsobit poškození, případně zničení přístroje. Jistou ochranou může být opatření mikrofonu ochranným krytem, který však nesmí zkreslovat měřený signál.

Jak bylo výše diskutováno, při spojení stejného hořáku s různými spalovacími prostory, bude výsledný signál vždy odlišný. Je to dáno tím, že akustický signál se šíří kanály vnitřními průduchy kotle, které se liší podle typu kotle. Výsledné spektrum tedy určuje nejen typ hořáku, ale i kotle. Pro kvalifikovaný odhad spektra akustického výkonu generovaného do kouřovodu je možné použít následující postup [4]. Na obr. 2 je zobrazena závislost hladin akustického výkonu A na tepelném výkonu kotle generovaná do kouřovodu.

Při porovnání spektra akustického výkonu v kouřovodu těsně za kotlem a spektra měřeného 1 m od čela hořáku zjistíme významnou shodu, jak uvádí [4]. Spektrum hladin akustického výkonu generované do kouřovodu pak možno stanovit podle následujícího vztahu s uvažováním tvaru spektra (obr. 3)

kde je

• L_WA [dB] je hladina akustického výkonu daná závislostí na obr. 2,
• L_rel [dB] relativní spektrum hladin akustického výkonu (obr. 3).

Šíření zvuku z komína

Na komín je nutno pohlížet jako na li­neární zářič, kde akustický výkon je vyzařován ve dvou částech. První část v hrdle komína (bodový zdroj) a nezanedbatelná část povrchem komína (lineární zdroj). Akustický výkon je ovšem povrchem komína vyzařován nelineárně a klesá směrem od paty komína k hrdlu. V praxi je pak ve fázi návrhu velmi obtížné předpovědět jak bude komín vyzařovat akustickou energii, aby nedocházelo k překračování hygienicky přípustných limitů.

Pro šíření zvuku z konce komína je možno ve volném prostoru uvažovat pokles hladiny akustického tlaku při zdvojnásobení vzdálenosti o 6 dB.

Vyzařování povrchem komína je třeba uvažovat zejména u lehkých komínů, které mohou vykazovat nízkou hodnotu vzduchové neprůzvučnosti R jehopláště. Pokles hladin akustického tlaku se vzdáleností je pak dán vlastnostmi lineárního zdroje, tj. v blízké vzdálenosti klesá hladina akustického tlaku při zdvojnásobení vzdálenosti pouze o 3 dB. Teprve od vzdálenosti odpovídající výšce komína je možno uvažovat pokles o 6 dB shodně, jako je tomu u bodového zdroje.

U klasických zděných komínů je možné počítat se šířením zvuku pouze z konce komína. V rámci projektu je vhodné uvážit, zda při rekonstrukci kotelny není vhodné využít stávající zděný komín a do něho vložit lehkou ocelovou konstrukci. Zděný komín tvoří nosnou část a současně zvyšuje výslednou neprůzvučnost pláště komína (obr. 4).

Uvažujeme-li při výpočtu s reálnou hodnotou vzduchové neprůzvučností komína, je jasné, že akustický výkon bude s výškou komína klesat. Hladina akustického výkonu v koruně komína pak bude dána vztahem

kde je

• L_W1 [dB] je hladina akustického výkonu na patě komína,
• D [m] průměr komína,
• x [m] vzdálenost mezi patou komína a vytčeným úsekem (obr. 7),
• R [dB] vzduchová neprůzvučnost pláště komína.

Na obr. 5 je zobrazen průběh hladin akustického výkonu v závislosti na ­výšce komína a vzduchové neprůzvučnosti R. Je patrné, že čím je neprůzvučnost pláště větší, tím větší je i hladina akustického výkonu vyzařovaná z konce komína.

Obr. 5 • Hladina akustického výkonu _LW3 vyzařovaná z konce komína při určité jeho délce x (vztaženo k hladině akustického výkonu na začátku potrubí L_W1 = 115 dB, D = 500 mm)

Není-li znám průběh vzduchové neprůzvučnosti pláště komína, je možné po­užít postup stanovení vzduchové neprůzvučnosti stěn kruhového potrubí dle [1]. Tento postup je založen na aproximaci zvukoizolační schopnosti pro jednotlivá oktávová pásma formou lomené čáry (obr. 6).

V nízkých kmitočtových pásmech nepřekročí neprůzvučnost potrubí o kruhovém průřezu hodnotu 50 dB. Ve středních kmitočtech je neprůzvučnost kruhového potrubí určena vztahy (3) a (4). Výslednou neprůzvučnost stanovíme jako vyšší ze dvou jmenovaných hodnot.

kde je

• m“ [kg/m²] plošná hmotnost stěny potrubí,
• D [m] průměr potrubí,
• f_m [Hz] střední kmitočet v oktávě.

Vztahy jsou použitelné pro potrubí do průměru o 630 mm. Pro větší průměr potrubí se od oktávy 4000 Hz určí neprůzvučnost podle vztahu

Hladinu akustického výkonu vyzařovanou pláštěm komína můžeme určit podle vztahu

kde g(x) je dáno vztahem

Druhou možnost stanovení hladin akustického výkonu po výšce komína podává jednoduchá úvaha vycházející z obecně platného vztahu pro součet hladin. Komín rozdělíme na n úseků o stejné délce, např. 1 m. Podle vztahu (2) stanovíme pokles hladin akustického výkonu po výšce komína. V každém vytčeném úseku musí platit zákon o zachování energie. Hladina akustického výkonu L_w1n se rozdělí na dvě složky L_W2n a  L_W3n. Jednotlivé členy jsou zobrazeny na obr. 8.

Obr. 8 • Schéma vyzařování hluku z komína (S – průřez potrubí, S₂ – plocha pláště potrubí)

Známe-li rozložení hladin akustického výkonu po výšce komína stanovené podle vztahu (2), pro každý takto zvolený úsek bude výkon vyzářený do okolí pláštěm dán vztahem

Tento výpočet by se provedl pro všechny zvolené úseky. V kontrolním místě by pak byla zvuková zátěž sumou jednotlivých hladin L_W2n.

V praxi je též použitelný vztah pro přímé určení hladin akustického tlaku v kontrolním místě daný hladinou akustického výkonu vyzářenou pláštěm komína

Nesmí se však zapomenout, že v kontrolním místě spolupůsobí ještě signál vyzářený z konce komína (bodového zdroje). Ten je možno určit podle vztahu pro šíření zvuku ve volném prostoru

Výsledná zvuková situace v kontrolním místě je pak dána logaritmickým součtem těchto dvou složek.

Je-li třeba rozhodnout v daném místě jaký podíl na hlukové situaci má komín, dostáváme se do složité situace. V kontrolním místě se projevují všechny signály, které se od zdroje mohou šířit jinými cestami než komínem. Je třeba stanovit akustický výkon, který komín generuje. Měření podél pláště komína je vzhledem k výšce komína obtížné. Jistou možností, umožní-li to místní situace, je změřit hluk šířící se z koruny komína. Vzhledem k charakteru spalin a rychlosti proudění je nemožné vložit mikrofon do proudu. Nejen, že bychom získali zkreslené výsledky, ale hrozilo by poškození přístroje. Ze znalosti šíření zvuku z konce potrubí je možno doporučit, volit měřicí místo přibližně pod 45° od osy proudu ve vzdálenosti přibližně 1 m. Měřicí plochu pak uvažovat kulovou. Cílem je odhalit případné tónové složky zdroje a cesty jejich šíření.

Závěr

Neodmyslitelnou součástí každého měření jsou nejistoty. V praxi to bývá obvykle tak, že nejistoty jsou odhadovány na základě zkušeností nebo dle doporučení příslušné normy, podle níž bylo měření realizováno. Ve výše citovaných normách, určených pro stanovení hladin akustického výkonu, je možné nalézt nejistoty výsledných hodnot v závislosti na kmitočtu. Je nutné mít na paměti, že jde o nejistoty stanovené obecně, a proto jsou pro nás pouze vodítkem při stanovení konkrétních hodnot. Nejistoty hladin akustického tlaku A je možné očekávat v rozsahu 1,5 až 2,5 dB. Při hodnocení hlukové situace podle nařízení vlády č. 272/2011 Sb. je třeba nejistotu měření zahrnout do hodnocení a to tak, že k hluku hodnoceného zařízení přičteme nejistotu měření. Jinak řečeno hygienický limit daný pro určitý prostor, a časový úsek snížený o nejistotu měření, představuje maximální hodnotu hluku hodnoceného zařízení. Např. je-li v chráněném venkovním prostoru stavby dán pro noční dobu hygienický limit L_Aeq 40 dB a nejistotu měření jsme stanovili 2 dB, smí zařízení v daném místě vykazovat maximální hladinu akustického tlaku A 38 dB.

Jak již bylo v předchozích odstavcích uvedeno, je zvuk vyzařovaný z jednotlivých zdrojů v kotelně velmi často nositelem tónových složek. Tato skutečnost pak vede při hodnocení hlukové situace podle nařízení vlády ke zpřísnění limitu o 5 dB. V našem příkladu by pak maximální přípustná hladina akustického tlaku A nebyla 38 dB, ale pouze 33 dB, což by pro projektanta mohlo znamenat neřešitelný problém.

Při návrhu akustických opatření je tedy vždy vhodné počítat s rezervou alespoň 5 dB. Ať při návrhu tlumičů, tak při volbě neprůzvučnosti obvodového pláště.

Literatura

[1] REYNOLDS, D. D., BLEDSOE, J. M.: Algoritmus for HVAC Acoustics, ASHRAE, 1991.
[2] NOVÝ, R.: Hluk a chvění. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. 389 s. ISBN 80-02246-3.
[3] KUČERA, M., NOVÝ, R., BAŠTA, J.: Linear Sources with Non-linear Distribution of Sound Energy. In: Proceedings of the Fourteenth International Congress on Sound and Vibration. Cairns: The International Institute of Acoustics and Vibration, 2007, ISBN 978-0-7334-2516-5.
[4] NOVÝ, R.: Hluk spalovacích zařízení. Vytápění, větrání, instalace, 2011, roč. 20, č. 4a, s. 175–184. ISSN 1210-1389.

---

Acoustic properties during combustion device operation
Part 3 – Flues and chimneys

This paper describes the noise behaviour during the combustion device operation. Part 3 describes spread of noise in chimneys and flues. Described are different direction of noise and noise calculations.

Keywords: spread of noise, noise calculations