Zachowanie prawidłowej akustyki w pomieszczeniach w krajach zachodnich jest niezwykle ważne już od wielu lat, zwłaszcza przy doborze urządzeń klimatyzacyjnych.

Rys. 2. Wartość współczynnika kierunkowego Q w zależności od umiejscowienia źródła w przestrzeni

Obecnie w Polsce zagadnienie to zaczyna być coraz bardziej dostrzegane przez projektantów oraz użytkowników pomieszczeń. W związku z tym, iż na krajowym rynku problematyka akustyki jest dziedziną wciąż nie do końca dobrze poznaną, powstają rozbieżności interpretacyjne w zakresie parametrów akustycznych.

W poniższym artykule chciałbym ustosunkować się do niektórych aspektów akustyki w systemach klimatyzacyjnych oraz zwrócić uwagę na jakość danych akustycznych prezentowaną przez producentów urządzeń.

Odpowiedni poziom hałasu jest ważnym czynnikiem komfortu środowiska, w którym żyjemy i pracujemy, nie mniej ważnym niż prawidłowe oświetlenie, komfort cieplny czy sprawna wentylacja.

Do urządzeń emitujących hałas w pomieszczeniach klimatyzowanych – oprócz urządzeń, takich jak komputery czy drukarki – należy zaliczyć elementy systemów klimatyzacyjnych, między innymi wentylatory, sprężarki oraz pompy, czyli typowe elementy znajdujące się w agregatach chłodniczych.

Według definicji sformułowanej przez Z. Engela i J. Małeckiego w referacie wygłoszonym na konferencji poświęconej poprawie klimatu akustycznego w Polsce, hałasem nazywamy wszelkie niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe lub szkodliwe drgania mechaniczne ośrodka sprężystego, działające za pośrednictwem powietrza na organ słuchu i inne zmysły oraz elementy organizmu człowieka. Na organizm ludzki największy ujemny wpływ ma hałas komunikacyjny oraz hałas pracujących maszyn i urządzeń, a jednym ze źródeł hałasu są systemy klimatyzacji.

Poniżej pokrótce opisane zostaną główne wielkości fizyczne charakteryzujące zagadnienia związane z akustyką.

Ciśnienie akustyczne oraz poziom ciśnienia akustycznego
Wskaźnikiem hałasu jest ciśnienie akustyczne p wyrażane w paskalach (Pa), które jest różnicą między chwilową wartością ciśnienia powietrza w momencie przejścia fali akustycznej, a wartością ciśnienia atmosferycznego. Różnica ta wywołana jest drganiami cząsteczek powietrza. Ze względu na bardzo szeroki zakres zmian ciśnienia akustycznego od 0,00002 do 20 Pa oraz z uwagi na to, że słuch ludzki reaguje na bodźce w sposób logarytmiczny, powszechnie stosowana jest skala logarytmiczna, czego skutkiem jest używanie w praktyce pojęcia poziomu ciśnienia akustycznego Lp. Jest on wyrażany w decybelach (dB), jako wartość względna odniesiona do 0,00002 Pa. Skalę odniesienia przedstawia rysunek 1.

W ten sposób zamiast ciśnienia akustycznego w paskalach używa się pojęcia poziomu ciśnienia akustycznego – często oznaczanego SPL (od ang. Sound Pressure Level) mierzonego w decybelach.

Rys. 1. Ciśnienie akustyczne i odpowiadające mu poziomy ciśnienia akustycznego różnych dźwięków

Moc akustyczna, natężenie dźwięku, poziom natężenia dźwięku i poziom mocy akustycznej
Moc akustyczna źródła dźwięku jest to całkowita moc fali akustycznej emitowanej przez źródło, której jednostką jest wat (W). Fala akustyczna, rozprzestrzeniając się w ośrodku, niesie ze sobą energię. Miarą energii fali akustycznej jest natężenie dźwięku I, wyrażone w W/m².

Podobnie jak w przypadku ciśnienia akustycznego, ze względu na szeroki przedział zmienności wartości mocy akustycznej i natężenia dźwięku, stosuje się skalę logarytmiczną oraz pojęcia: poziom mocy akustycznej i poziom natężenia dźwięku, wyrażane w dB.

Poziom mocy akustycznej określa ile energii jest w stanie wyemitować do otoczenia dane źródło. Jest zatem wskaźnikiem określającym jej poziom jednoznacznie, ponieważ nie zależy od położenia urządzenia, warunków otoczenia oraz odległości od punktu pomiaru.

Poziom mocy akustycznej (ang. Sound Power Level) jest podstawową wielkością charakteryzującą emisję hałasu z jego źródła, dlatego jest stosowany do oceny hałasu maszyn.

EUROVENT określa parametry akustyczne urządzeń za pomocą wartości poziomu ciśnienia akustycznego oraz poziomu mocy akustycznej. Te właśnie wielkości są podawane w katalogach przez większość producentów.

Jeżeli źródło emituje dźwięk o pewnym natężeniu, to poziom ciśnienia akustycznego będzie zależny od poziomu mocy akustycznej źródła dźwięku, odległości od źródła dźwięku, lokalizacji w stosunku do powierzchni odbijających dźwięk (współczynnik kierunkowy Q) oraz szeregu innych czynników.

Podsumowując, natężenie dźwięku I i ciśnienie akustyczne p oraz poziom ciśnienia akustycznego Lp są zmienne, zależne od mocy źródła dźwięku i od odległości, w jakiej są zmierzone oraz od tego, z jakim współczynnikiem kierunkowym Q.

Moc akustyczna oraz poziom mocy akustycznej jest wielkością stałą, niezależną od warunków otoczenia i odległości.

Dla zobrazowania relacji między mocą akustyczną a ciśnieniem akustycznym rozważmy następującą analogię. Grzejnik elektryczny oddaje ciepło do pomieszczenia, a wzrost temperatury jest tego efektem. Temperatura w pokoju jest oczywiście zależna od wielkości pomieszczenia, jego izolacji cieplnej oraz obecności innych źródeł ciepła. Ale dla tej samej mocy elektrycznej grzejnik elektryczny może oddać taką samą moc cieplną bez względu na to w jakim otoczeniu się znajduje. Podobna relacja zachodzi między mocą akustyczną, a ciśnieniem akustycznym. To, co słyszymy to ciśnienie, którego przyczyną jest moc emitowana przez urządzenie.

Każde urządzenie czy maszynę możemy rozpatrywać jako źródło hałasu. Gdy źródło hałasu znajduje się w przestrzeni otwartej, fale akustyczne nie odbijają się od przeszkód i rozchodzą się we wszystkich kierunkach równomiernie, co ma miejsce w przypadku agregatów chłodniczych, instalowanych w większości na dachu budynku.

Wszyscy producenci posiadający certyfikację EUROVENT na agregaty wody lodowej podają moc akustyczną według ISO 9614 oraz ciśnienie akustyczne według ISO 3744, ale w przypadku ciśnienia podają różne warunki, w jakich dokonano pomiaru.

Najczęściej podawanym w katalogach ciśnieniem akustycznym jest ciśnienie zmierzone w odległości 10 m i współczynniku kierunkowym Q = 2. Niektórzy producenci podają jednak wartość ciśnienia w odległości 5, 2 lub 1 metra przy współczynniku kierunkowym Q = 2. Jednak w praktyce spotykane są karty doborowe z poziomem ciśnienia akustycznego przy różnych współczynnikach kierunkowych.

Na rysunku 2. pokazano jak zmienia się wartość współczynnika kierunkowego Q w zależności od umiejscowienia źródła w przestrzeni.

Rysunek 3. pokazuje jak na poziom ciśnienia akustycznego wpływa odległość od źródła dźwięku i wartość współczynnika Q.

Zwiększając lub zmniejszając tylko współczynnik Q, możemy podnieść głośność agregatu lub ją zmniejszyć. I tak np. zmiana z Q=2 na Q=1 może przy tej samej odległości zmniejszyć wartość ciśnienia akustycznego o około 3 dB(A). Zwiększenie współczynnika z Q=2 na Q=4 powoduje wzrost ciśnienia akustycznego o 3 dB(A), a przy Q=8 wzrost o 6 dB(A). Widać więc, że zmieniając tylko współczynnik Q, możemy zmieniać wartość ciśnienia akustycznego aż o 9 dB(A), przy zachowaniu tej samej odległości od źródła dźwięku.

Ważną informacją, jaka została zilustrowana na rysunku 3., jest to, że moc akustyczna nie zmienia się wraz ze zmianą współczynnika Q lub odległością.

Powyższy przykład dowodzi, dlaczego wartości ciśnienia akustycznego nie są wartościami miarodajnymi do porównania i jak łatwo można dokonać niewłaściwej oceny dwóch podobnych urządzeń.

Wynika z tego jednoznacznie, iż należy porównywać urządzenia tej samej klasy przez zestawienie poziomów mocy akustycznej generowanej przez dane urządzenia.

Dlatego też, zgodnie z Decyzjami Rady 90/683/EWG oraz 93/465/ EWG, producent lub jego upoważniony przedstawiciel dokonuje oceny zgodności, znakuje wyroby znakiem CE oraz umieszcza oznaczenie LWA (gwarantowany poziom mocy akustycznej) i sporządza pisemną deklarację zgodności.

Gwarantowany poziom mocy akustycznej to poziom mocy akustycznej uwzględniający niepewność pomiaru, wynikającą ze zmienności procesu wytwarzania i procedur pomiarowych. Producent lub jego upoważniony przedstawiciel stwierdza, że zmierzona zgodnie z wymaganymi metodami i aparaturą pomiarową wielkość mocy akustycznej wykazana w dokumentacji technicznej nie będzie przekroczona.

Zgodnie z zapisem zawartym w Dyrektywie Unii Europejskiej 89/106/EWG oraz w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury budynki powinny być tak zaprojektowane i wykonywane w taki sposób, aby poziom hałasu, na który będą narażeni użytkownicy lub ludzie znajdujący się w sąsiedztwie, nie stanowił zagrożenia dla zdrowia, a także umożliwiał im pracę, odpoczynek i sen w zadowalających warunkach. Wskazane pojęcia mają charakter nieostry i wymagają doprecyzowania, co spowodowało konieczność stworzenia norm regulujących dla budynków wytyczne akustyczne, które powinny być brane pod uwagę zarówno przez projektantów, wykonawców, jak i przez inwestorów.

Według przepisów obowiązujących w Polsce, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 r., Nr 75, poz. 690) Pomieszczenia w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej należy chronić przed hałasem:

1) zewnętrznym przenikającym do pomieszczenia spoza budynku,
2) pochodzącym od instalacji i urządzeń stanowiących techniczne wyposażenie budynku,
3) powietrznym i uderzeniowym, wytwarzanym przez użytkowników innych mieszkań, lokali użytkowych lub pomieszczeń o różnych wymaganiach użytkowych.

Częstą praktyką jest podawanie przez projektantów jedynie mocy agregatu i parametrów czynnika roboczego, zapominając lub ignorując podanie wymaganego poziomu akustycznego. Wynika to często z braku doświadczenia lub niewiedzy projektanta.

Rzeczywistość jednak często pokazuje, że wymagania akustyczne są niezwykle istotne, a niekiedy mogą się nawet okazać decydujące o dopuszczalności zastosowania danego urządzenia. Jest to szczególnie widoczne w szpitalach lub hotelach oraz w budynkach usytuowanych w gęstej zabudowie, gdzie poziom akustyczny musi być zachowany, zwłaszcza w nocy, gdy większość hałasu komunikacyjnego, a także bytowego znaczenie spada. Projektując instalację klimatyzacji wody lodowej oraz urządzenie produkujące chłód, trzeba wziąć pod uwagę okoliczność, czy agregat będzie pracować również w nocy. Jeśli tak, trzeba rozważyć, jak jego praca wpłynie na tło akustyczne i czy nie będzie zakłócać ciszy nocnej okolicznych mieszkańców.

Rys. 3. Charakterystyki akustyczne sporządzone na podstawie pomiarów agregatu Galletti LCE 214 CS

Podsumowanie
Najbardziej efektywnym sposobem redukcji hałasu jest ograniczanie emisji hałasu u źródła jego powstawania.

Zmniejszenie uciążliwości oddziaływania na środowisko polega między innymi na obniżeniu dopuszczalnego poziomu mocy akustycznej niektórych urządzeń przemysłowych, szczególnie używanych w otwartej przestrzeni oraz wprowadzeniu oznaczeń jej wielkości na innych tego typu urządzeniach, co umożliwia wybór urządzenia generującego hałas o niższej mocy akustycznej.

Podawanie przez producenta lub sprzedawcę, że zaproponowane urządzenie jest wyciszone lub „superciche” może zrobić wrażenie na osobach niezorientowanych w tej materii. Dlatego wersje standardowe czy dodatkowo wyciszone należy przed dokonaniem wyboru porównać pod względem akustycznym z urządzeniami konkurencji, aby zweryfikować jakość urządzenia. Niejednokrotnie można spotkać jednostki oznaczone jako superciche, które po porównaniu z innymi urządzeniami dostępnymi na rynku okazują się tak samo głośne lub głośniejsze niż standardowe jednostki innych producentów, a ich cena jest dużo wyższa ponieważ „są wyciszone”.

W katalogach technicznych producentów często są podawane poziomy hałasu emitowanego przez agregaty wody lodowej w oparciu o kilka różnych metod pomiarowych. Wskazany aspekt jest niezmiernie ważny przy ocenie i porównaniu akustyki urządzeń. Należy zatem odnosić się z pewnym dystansem do podawanych wartości głośności urządzeń lub potwierdzać wiarygodność parametrów technicznych, np. w niezależnej jednostce badawczej EUROVENT, która ujednoliciła sposoby pomiaru i prezentacji danych technicznych w materiałach producentów.

Kwestia zapewnienia właściwego standardu budynków, w których instalowane są systemy klimatyzacyjne, zależy w znacznej mierze od akustyki tych systemów, która jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na jakość tychże systemów.

W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z akustyką agregatów chłodniczych, wykorzystywanych w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej, które pozwolą na weryfikację danych podawanych w kartach doborowych oraz katalogach urządzeń.