Ekvivalentní hladina akustického tlaku venkovních prostorů v praxi

Úvod

Obr. 1 – Šíření zvuku ve vnějším prostředí

Důležitým faktorem při hlídání úrovně hluku ve venkovním prostředí je sledování, jakým způsobem ovlivňuje tento stav provoz vzduchotechnických zařízení v bezprostředním okolí objektu. Velký důraz na tuto problematiku musí být kladen zvláště v prostředí zdravotnických zařízení, lázní, husté zástavby občanských staveb a dalších staveb obdobného využití. V případě řešení problémů s nadměrným působením zvuku ve venkovním prostředí přichází projektant o významnou složku, jež by zlepšovala akustické mikroklima uvnitř objektu – akustickou pohltivost materiálů. Ve venkovním prostředí je hlavním činitelem útlumu hluku vzdálenost (obr. 1). Dále je vhodné uvažovat s působením přírodních i umělých překážek, stromů, keřů atd. V případě potřeby lze sáhnout k návrhu akustických bariér, jejichž umístění je zpravidla blízko zdroje nežádoucího zvuku a slouží k pohlcení zvuku v určitých oktávových pásmech, případně odražení emitovaných zvukových vln do volného prostoru. Návrh těchto bariér je však finančně a časově náročný. Je nutné provést nejen akustický výpočet útlumu zvuku, ale také statický návrh konstrukce, výpočet celkové plochy akusticky pohltivého materiálu a jejich geometrie. Dále je nutné pamatovat na spolupůsobení zdrojů zvuku, při jejich umístění vedle sebe. Při umístění dvou zdrojů o stejném akustickém výkonu L_w = 60 dB vedle sebe je výsledný akustický výkon jejich logaritmickým součtem L_w = 63 dB a při umístění 4 stejných zdrojů dochází k nárůstu hladiny akustického výkonu až na hodnotu L_w = 66 dB. Řešení problematiky akustiky vnějšího prostoru má v dnešní době mnoho možností. Klíčové je vhodné rozmístění zdrojů zvuku ve venkovním prostředí a využití pasivních způsobů útlumu nežádoucího šíření zvuku.

Předmětem textu není popis zcela známé teorie šíření akustické energie v izotropním prostředí, tak jak je naznačeno na obr. 1, ale v souvislosti s předešlým článkem s názvem „Ekvivalentní hladina akustického tlaku vnitřních prostorů v praxi“ upozorňuje čtenáře na praktické problémy vznikající při realizaci stavby a jejich řešení s dopadem na venkovní chráněný prostor staveb.

Případová studie

Obr. 2 – Situační schéma řešeného objektu a okolních objektů

Praktickou ukázku problémů v praxi spojených s měřením akustického tlaku ve venkovním prostoru ukazuje následující případová studie. Tato představuje současný typický problém vyskytující se u mnoha staveb, a to, že těsně před předáním stavby uživateli jsou prováděna závěrečná měření, mezi nimi i měření akustického tlaku ve venkovním prostředí. Zjištěním je nevyhovující stav s překročenými dovolenými limity.

Co teď?

Odpověď je opět prostá, je nutné příčiny vzniklého problému odstranit a to bez ohledu na to, kdo je původcem nevyhovujícího stavu akustických poměrů ve venkovním prostředí.

Případová studie řeší jednu z možných variant problému.

Poloha zde řešeného objektu a okolní zástavby je uvedená na obr. 2. Řešený objekt je vyznačen černou barvou. Okolní zástavba, na jejíž hranici hladina akustického tlaku přesahuje dovolenou hodnotu stanovenou nařízením vlády č. 272/2011 Sb. ve venkovním chráněném prostoru staveb je vyznačena červenou barvou.

Obr. 3 – Sání čerstvého vzduchu a vzduchotechnická jednotka

Obr. 4 – Nástřešní odvodní ventilátor

Obr. 5 – Poloha výfukové žaluzie VZT zařízení zázemí

Měření a výpočty byly zpracovány pro tři kontrolní body zobrazené na obr. 2. Jsou to body A, B a C. Tyto body reprezentují okna vybraných bytů objektů sousední zástavby, která jsou situovaná nejblíže k jednotlivým zdrojům nežádoucího zvuku. V dané případové studii je více nevyhovujících zdrojů zvuku pro jednotlivé kontrolní body. V rámci tohoto článku vybereme ze zařízení vzduchotechniky pouze ta, jejichž provoz způsobuje největší navýšení akustického tlaku v kontrolních bodech, tedy ta „nejproblémovější“ zařízení. Je to centrální vzduchotechnická jednotka, svým účelem sloužící jako zařízení pro teplovzdušné vytápění vnitřních prostorů, tj. chod zařízení je reálně provozován i v nočních hodinách (obr. 3), venkovní kondenzační jednotky umístěné v blízkosti zmíněné vzduchotechnické jednotky, střešní ventilátory (obr. 4), odvodní ventilátor s výtlakem vzduchu na fasádu k objektu (obr. 5 – v prostorové dispozici A). Vzhledem k charakteru objektu byly stanoveny limitní hodnoty dle nařízení vlády č. 272/2011 Sb. hodnotou hladiny akustického tlaku pro denní režim 50 dB(A), pro noční režim 40 dB(A).

Vzduchotechnická jednotka a venkovní kondenzační jednotky

Centrální zařízení VZT spolu s třemi kondenzačními jednotkami se nachází na terase situované na jižní fasádě objektu v úrovni 2. nadzemního podlaží. Terasa je nad vzduchotechnickou jednotkou částečně krytá ocelovou konstrukcí. Obvodové stěny jsou tvořeny z akusticky pohltivého materiálu výšky 2,5 m.

Obr. 6 – Poloha vzduchotechnické jednotky a kondenzačních jednotek na terase jižní fasády

Situaci rozmístění vzduchotechnické jednotky a kondenzačních jednotek vidíme na obrázku 6. Akustické parametry vzduchotechnické jednotky jsou zobrazeny v tabulce 1. Vzhledem k tomu, že akustický výkon ventilátoru do sacího potrubí i do potrubí výtlačného je dostatečně utlumen vloženými tlumiči hluku, je pro účely navrhovaných opatření zásadní akustický výkon vzduchotechnické jednotky do okolí. Parametry jedné kondenzační jednoty můžeme vidět v tabulce č. 2.

Obr. 7 – Hladina akustického tlaku u VZT zařízení. Zvuk s výraznými tónovými složkami v oktávových pásmech 50 Hz a 315 Hz, 400 Hz

Vzhledem k poloze řešených zařízení k obvodovým konstrukcím objektu je nutné uvažovat s činitelem šíření zvukových vln Q = 4 – šíření vln omezené „čtvrtprostorem“. V rámci místního šetření bylo provedeno kontrolní měření, jehož výstup je na obrázku 7. Během tohoto měření byla v provozu pouze vzduchotechnická jednotka. Kondenzační jednotky nebyly v provozu, protože zařízení nevyžaduje zimní chlazení obsluhovaných prostor. Z kontrolního měření vidíme, že při provozu přívodního i odvodního ventilátoru dosahuje hladina akustického tlaku v bezprostřední blízkosti vzduchotechnické jednotky hodnotu získanou logaritmickým součtem hodnot udaných výrobcem. Jednotka pracuje v režimu „rovnotlaku“. Nejbližší kontrolní bod C je vzdálen od terasy s osazeným zařízením VZT cca 13 m. Hladina akustického tlaku v tomto bodě pouze od vzduchotechnické jednotky činí L_p = 44 dB(A). Je ovšem nutné započítat i spolupůsobení kondenzačních jednotek v letním období. Akustický výkon 3 ks těchto jednotek činí L_w = 83 dB(A). Akustický tlak pouze od kondenzačních jednotek je L_p = 56 dB(A). Výsledný akustický tlak při spolupůsobení vzduchotechnické jednotky a kondenzačních jednotek je pak v kontrolním bodě C dán hodnotou L_p = 56 dB(A). Tato hodnota překračuje o 6 dB hodnotu požadovanou nařízením vlády pro denní provoz a o celých 16 dB hodnotu požadovanou pro noční provoz.

Střešní ventilátory

Obr. 8 – Poloha střešních ventilátorů vyznačená červenými body „1“ a „2“

Odvodní ventilátory (2 ks) se nachází na střeše objektu nad třetím nadzemním podlažím. Přesná poloha je zobrazena na obrázku č. 8. Tyto ventilátory slouží k podtlakovému odvětrání prostorů dispozičně situovaných pod střechou. Oba ventilátory jsou vybaveny tlumícím soklem. Vzdálenost ventilátorů od kontrolních bodů A a B, což jsou nejbližší body, je stanovena v tabulce 3.

Obr. 9 – Hladina akustického tlaku měřená u střešního ventilátoru

Hladina akustického výkonu jednoho ks ventilátoru je udána výrobcem L_w = 78 dB(A). Výsledné hladiny akustického tlaku v nejbližších kontrolních bodech jsou uvedeny též v tabulce 3. Hodnoty udané v tabulce 3 ukazují, že provoz ventilátorů je těsně vyhovující v denní době (6–22 hodin), ale pro noční režim jsou tyto hodnoty již nevyhovující. V průběhu místního šetření bylo provedeno měření v bezprostřední blízkosti jednoho ventilátoru pro ověření hodnoty akustického výkonu udané výrobcem. Výsledky měření jsou zobrazeny na obrázku 9. Změřená hodnota 74 dB(A) odpovídá akustickému tlaku daného typu ventilátoru ve vzdálenosti 0,6 m od zdroje zvuku, což je zhruba místo, ve kterém bylo měření provedeno.

Větrání hygienického zázemí

Hygienické zázemí je situováno v západní části objektu v 1. NP. Problematickou částí je umístění výfukové žaluzie na fasádě v místě, které je vzdáleno od okna nejbližší bytové jednoty cca 5 m – v dispozici měřící bod A, jak je patrné na obrázku 5. K větrání hygienického zázemí slouží potrubní ventilátor, jehož akustické parametry udané výrobcem se nachází v tabulce 4.

Přepočtem hladiny akustického výkonu na hladinu akustického tlaku ve vzdálenosti 5 m vychází L_p = 53 dB(A). Tato hodnota není vyhovující pro denní ani noční provoz tohoto zařízení a je nutné provést opatření na straně vzduchotechnického zařízení, které povede ke zlepšení situace.

Návrh účinných opatření

A) Vzduchotechnická jednotka a venkovní kondenzační jednotky

Během místního šetření byly zjištěny následující zásadní skutečnosti. Přívodní i odvodní ventilátor centrální jednotky je osazen frekvenčním měničem pro plynulé nastavení otáček. Druhou skutečností je absence protokolu o regulaci systému, tzn., že jednotka je v současné době provozována na 100 % vzduchového výkonu nezávisle na aktuální potřebě obsluhovaného prostoru. Navrhovaným řešením je stanovení provozních stavů vzduchotechnické jednotky na základě obsazenosti prostoru vyšetřované místnosti. Na základě výpočetního vztahu 1, který udává spojitost mezi změnou objemové průtoku a otáček ventilátoru a výpočetního vztahu 2, jež udává snížení hluku v závislosti na otáčkách, stanovíme, že změnou otáček ventilátoru můžeme docílit výrazného útlumu nežádoucího zvuku. Např. při snížení otáček o polovinu dosáhneme útlumu 15 dB.

(1)

(2)

Obr. 10 – Průběh teplot vyšetřované místnosti při obsazení osob v letním období: červená křivka – průběh teploty venkovního vzduchu, modrá křivka – průběh vnitřní teploty, fialová křivka – teplota přiváděného vzduchu

Dalším výrazným přínosem tohoto návrhu je také úspora nákladů na provoz vzduchotechnického zařízení. V případě nenaplnění kapacity vyšetřované místnosti a spuštěním režimu podle obsazenosti dojde ke zmenšení průtoku vzduchu a také spotřeby chladu a tepla. Pro ověření průběhu vnitřní teploty během dne byla provedena dynamická simulace průběhu teploty ve vyšetřované místnosti. Ukázka je uvedena na obr. 10.

Tato opatření lze aplikovat na provoz vzduchotechnické jednotky, ale v letním období jsou v provozu i kondenzační jednotky a jejich působení zvyšuje neúměrně hladinu akustického tlaku v místě posluchače.

Jako vhodné opatření bylo zvoleno osazení kruhových tlumičů hluku na vertikální výfuk vzduchu z kondenzačních jednotek a následné rozšíření stávající akustické bariéry tak, aby utlumilo nežádoucí hluk šířený z těchto jednotek. Výpočtem bylo určeno, že pro utlumení akustického výkonu od kondenzačních jednotek je potřeba osadit celkem 3 metry kruhových tlumičů s jádrem.

Obr. 11 – Akustický výkon venkovní kondenzační jednotky

Výsledná hladina akustického tlaku před a po aplikaci tlumičů hluku je zobrazena na obrázku 11. Stávající bariéra byla provedena v rozsahu (na obrázku 6 v půdoryse vyznačena tlustou černou čárou) do výšky cca 2,5 m. Tato bariéra neposkytovala dostatečný útlum pro zařízení umístěná na terase, proto byl proveden návrh rozšíření a to v rozsahu 3 m, z toho závěrečný 1 m (obrázek 12) je proveden ve sklonu 60° od vodorovné roviny. Tento sklon je proveden za účelem odražení akustických vln zpět do prostoru „strojovny VZT“. Pro zmenšení vlivu stojatého vlnění v místě osazení centrální vzduchotechnické jednotky a kondenzačních jednotek jsou na stěně objektu osazeny protihlukové desky s třídou pohltivosti A4 pro zmenšení vlivu stojatého vlnění v tomto prostoru. Návrh rozměrů akustické bariéry byl proveden na základě Fresnelovy metody. Užití této metody je nejefektivnější v případě, kdy je charakteristický rozměr zvukové bariéry větší, než vlnová délka zvuku, tehdy se za bariérou objevuje akustický stín s nižší hladinou akustického výkonu. Fresnelův výpočet vychází z geometrie tří základních bodů a jejich polohy vůči sobě v prostoru:

Obr. 12 – Rozměry akustické bariéry

1. Poloha zdroje – Z
2. Poloha posluchače – C
3. Poloha vrcholu akustické bariéry – O

Tato metoda zohledňuje jak šíření zvuku z místa zdroje k místu posluchače přímo vzduchem, tak i vliv odrazu zvuku od země.

Výsledný útlum hluku se stanoví vyjádřením z Fresnelova grafu, případně analytickým vyjádřením tohoto grafu ve formě matematického vztahu. Schéma uvažovaných rozměrových veličin je na obrázku 13.

Pro výpočet byla zvolena přesnější metoda, která uvažuje i vliv šíření zvukových vln odrazem od terénu. Na základě polohy bodů z obrázku 13 se určí koeficienty δ₁ a δ₂. Z těchto hodnot se určí Fresnelova čísla F₁ a F₂, jejichž funkční vyjádření vede k výpočtu útlumu zvuku akustické bariéry A [dB]. Vzorový výpočet útlumu hluku je proveden v tabulce 5.

Obr. 13 – Geometrie akustické bariéry a významných bodů pro výpočet útlumu

Tab. 5 – Výpočet útlumu hluku tenké akustické bariéry

δ1 = ZO + OC − ZC				δ2 = ZO + OC´ − ZC´
ZO [m]	4,4			ZO   [m]	4,4
OC [m]	14,56			OC´ [m]	24,075
ZC [m]	15,835			ZC´ [m]	20,82
δ1	3,152			δ2	7,655
Vlnová délka λ = c/f c = 330 m/s
Stanovení Fresnelových čísel:
f [Hz]	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
λ [m]	5,238	2,640	1,320	0,660	0,330	0,165	0,083	0,041
λ/2 [m]	2,619	1,320	0,660	0,330	0,165	0,083	0,041	0,021
F1	1,19	2,37	4,73	9,47	18,94	37,88	75,76	151,52
F2	2,92	5,80	11,60	23,20	46,39	92,79	185,58	371,15
Pro Fresnelova čísla Fi > 1 platí závislost ΔLp = 10 log (Fi) + 13
ΔLp1 [dB]	14	17	20	23	26	29	32	35
ΔLp2 [dB]	18	21	24	27	30	33	36	39
Stanovení útlumu hluku akustické bariéry [dB]
f [Hz]	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
A [dB]	12	15	18	21	24	27	30	33

Z výpočtu provedeného v tab. 5 a akustického výkonu kondenzační jednotky po aplikaci tlumičů hluku lze určit hladinu akustického výkonu na hraně akustické bariéry (bod O). Hladina akustického výkonu je L_w = 44 dB(A). Výsledná hladina akustického tlaku v kontrolním bodě C vzdáleném cca 13 m při uvažování provozu 3 ks kondenzačních jednotek je následně L_p = 19 dB(A). Tato hodnota již zcela splňuje hygienické požadavky určené nařízením vlády pro denní i noční provoz zařízení.

B) Střešní ventilátory

Osazené střešní ventilátory jsou jednootáčkové a jsou provozovány pouze v režimu zapnuto/vypnuto. Nabízí se jednoduché řešení, tedy osadit na tyto ventilátory regulátory otáček a nastavit následující algoritmus ovládání:

• 0 – není potřeba odvádět znehodnocený vzduch
• 2 – mírné obsazení prostoru lidmi
• 4 – maximální obsazení prostoru lidmi

Vzhledem k tomu, že charakter obsluhovaného prostoru umožňuje využít regulaci výkonu vzhledem k obsazení osobami, bylo přistoupeno k redukci akustických parametrů ventilátorů právě změnou jejich otáček, tj. výkonu zařízení.

Z měření a vlastností ventilátorů lze usuzovat, že při výkonu na 2. stupeň otáček budou dodrženy požadované parametry ekvivalentní hladiny akustického tlaku v kontrolních bodech A i B podle nařízení vlády č. 272/2011 Sb. v nočních hodinách.

C) Větrání hygienického zázemí

Protože stávající osazený ventilátor nesplňuje požadavky určené nařízením vlády, je nutné provést úpravu ve formě výměny stávajícího ventilátoru za obdobný typ s lepšími akustickými parametry spolu s doplněním kruhového tlumiče hluku o délce 1 m do potrubního rozvodu. Výpočet akustického výkonu nově osazeného ventilátoru je zobrazen v tabulce 6.

Hladina akustického výkonu za tlumičem hluku je výpočtem určena na výfukové žaluzii L_w = 47 dB(A). Výtoková rychlost na žaluzii je taková, že neovlivňuje uvedený výpočet zvýšením aerodynamického výkonu prouděním vzduchu. Přepočtem akustického výkonu na hladinu akustického tlaku v měřeném místě (bod A – okno obytného prostoru vzdáleném cca 5 m) zjistíme hladinu akustického tlaku L_p = 25 dB(A). Tato úroveň hladiny akustického tlaku splňuje požadavky nařízení vlády pro denní i noční provoz.

Závěr

Z předložené případové studie opírající se o reálně řešené problémy na stavbě je zřejmé, že pro splnění základních parametrů (v našem případě akustických) systémů VZT při realizaci je nutné kvalitní a důkladné zpracování projektové dokumentace.

Článek prokazuje na to, že pouze kvalitním komplexním návrhem systému VZT lze eliminovat technické a i finanční problémy s dodávkou a realizací systémů vzduchotechniky. Stejně jako v předcházejícím článku [5], který se zabýval akustikou vnitřního prostoru vzhledem k systémům VZT, platí, že náklady na úpravu a uvedení díla do funkčního a provozuschopného stavu mnohonásobně převyšují hodnotu ušetřenou na projektu samotném.

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu FAST 2012.

Literatura

• [1] SZÉKYOVÁ, M., FERSTL, K. a NOVÝ, R. Větrání a klimatizace. 1. české vyd. Bratislava: JAGA, 2006. 359 s. ISBN 80-8076-037-3.
• [2] JELÍNEK, O. Akustické mikroklima nevýrobních objektů. Brno, 2013. 135 s., 3 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D.
• [3] Nařízení vlády 272/2011 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací.
• [4] FICKER, Tomáš. Handbook of building thermal technology, acoustics and daylighting = Příručka stavební tepelné techniky, akustiky a denního osvětlení. 1. vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM 2004. 266 s. ISBN 80-2142-670-5.
• [5] JELÍNEK, O.; RUBINA, A.; BLASINSKI, P., Ekvivalentní hladina akustického tlaku vnitřních prostorů v praxi, článek v TZB-info, ISSN 1801-4399, Topinfo s.r.o., Praha, 2013.