Hluk tepelných čerpadel v zástavbě rodinných domů

Úvod

Hlavním zdrojem hluku venkovní jednotky tepelného čerpadla je axiální ventilátor a kompresor. Zdrojem hluku ventilátoru tepelného čerpadla je turbulentní proudění vzduchu ventilátorovým kolem. Axiální ventilátory jsou u takových zařízení používány pro zajištění dostatečného množství vzduchu pro výměník kondenzátoru a výparníku za cenu malého dopravního tlaku, oproti radiálním ventilátorům [1]. Z pohledu frekvenčního spektra je axiální ventilátor zastoupen zejména ve středních a vyšších frekvencích. Problém u axiálních ventilátorů je ten, že nesnesou dodatečnou tlakovou ztrátu ve formě tlumičů hluku. Veškeré úpravy pro snížení vyzařovaného hluku se provádí proto tvarováním lopatek, např. ve formě zoubků na hraně lopatek, které deformují vírové struktury, vznikající za obtékaným předmětem. Dalšími úpravami jsou často také užívané mřížkové konstrukce na výdechové straně axiálního ventilátoru, které rozbijí vírové struktury na menší, čímž dokáží účinně tlumit hluk zařízení, zejména snížením tónové složky ve spektru hluku, často zapříčiněné právě lopatkovou frekvencí zařízení. Dalším významným zdrojem hluku je provoz kompresorové části. Ta bývá často provozována v režimu on/off, a to na otáčky v rozsahu kolem hodnoty 60 Hz [2]. Tudíž zdrojem tónové složky provozu tepelného čerpadla jsou právě často otáčky kompresoru, popř. přirozené násobky, tj. 125 a 250 Hz. Naopak otáčky ventilátoru jsou sníženy na hodnoty kolem 10 Hz, což zvyšuje hluk v nízkých frekvencích. Tato nízká frekvence nepřesáhne spektrum tzv. slyšitelného zvuku [3], viz červená čára na obr. 1, a není to proto hodnocené jako tónová složka. Tepelné čerpadlo vzduch / voda je komplexní zdroj zvuku. Pokud je vyžadováno eliminování tónových složek ve spektru, musela by se technologie kompresoru pohybovat se základními otáčkami pod 15 nebo 20 Hz [4]. Nositelem emitovaného hluku točivých strojů jsou zejména otáčky zařízení. Hluk zařízení závisí přibližně na 5. mocnině otáček, tedy z pohledu generovaného hluku to znamená, že hladina akustického výkonu (nebo tlaku) při zdvojnásobení otáček vzroste o 15 dB.

Předmětem článku je instalace tepelného čerpadla, jehož hluk byl měřen při provozním režimu odpovídající běžnému provoznímu stavu. Měření bylo provedeno ve vzdálenosti 1 m od pláště tepelného čerpadla v pěti měřicích bodech tak, aby mohla být stanovena hladina akustického výkonu tepelného čerpadla, která je dále použita pro výpočet šíření zvuku od zdroje zvuku do chráněných venkovních prostorů okolních staveb.

Přečtěte si také Tiché tepelné čerpadlo i pod okna souseda Podívejte se na video na estav.tv

Hladina akustického výkonu je základní parametr popisující hluk generován daným zařízením do jeho okolí. Je možné jej stanovit ve frekvenční závislosti, případně jednočíselně jako celková hladina akustického výkonu. Tento parametr je dopočítáván na základě měření hladin akustického tlaku v kontrolních bodech v určité vzdálenosti od zdroje. Hladina akustického tlaku určuje stav hluku v daném bodě při konkrétní poloze zdroje zvuku a v daném prostředí [5].

Naměřené hladiny akustického tlaku ve vzdálenosti 1 m od měřeného tepelného čerpadla jsou v třetinooktávovém pásmu, zobrazeny v grafu na obr. 1. Souhrnné výsledky jsou obsahem tabulky 1, kde jsou měřené hodnoty porovnány s výsledky výpočtu simulačního akustického modelu. V další části je vytvořen výpočtový model tepelného čerpadla, který je použit pro výpočet hladin akustického tlaku A v chráněných venkovních prostorách staveb. Tyto hodnoty je pak možné porovnávat s hygienickými limity danými [3]. Tento výpočtový model vychází z měření, která jsou obsahem grafu na obr. 1. V dalších odstavcích jsou provedeny výpočty šíření zvuku od posuzovaného tepelného čerpadla do kontrolních míst s cílem zjistit, jaký vliv má natočení tepelného čerpadla, změna umístění tepelného čerpadla a vliv bariéry tvořené betonovou zdí.

Obr. 1 Naměřené hladiny akustického tlaku ve vzdálenosti 1 m od posuzovaného tepelného čerpadla v závislosti na kmitočtu po korekci hluku pozadí

Ověření výpočetního modelu, použitých zdrojů hluku dle reálného měření in-situ

Výsledky výpočetního modelu i měření byly stanoveny pro pásmo spolehlivosti 95 %, tj. kombinovaná rozšířená nejistota měření odpovídá koeficientu rozšíření 2. Nejistota výpočtu je dle manuálu výpočtového softwaru Cadna A, rovna hodnotě 2 dB. Nejistota měření tepelného čerpadla odpovídá hodnotě kombinované rozšířené nejistoty 1,8 dB, což je hodnota, která je v souladu s Metodickým návodem pro měření a hodnocení hluku v mimopracovním prostředí (Věstník Ministerstva zdravotnictví, částka 11/2017).

Na následujících obrázcích obr. 2 a 3 je výpočetní model TČ včetně sledovaných bodů měření a výpočtu pro jeho ověření, kde jednotlivé černo-bílé kulové body představují kontrolní body výpočtu. Hodnoty L_Aeq,T vypočítané a získané měřením hluku dosahují rozdílu do 1 dB, tj. pod rozsahem nejistoty výpočtu a měření zvuku, viz tab. 1. Modelový zdroj hluku, tj. sestava objemového zdroje a bodového směrového zdroje, dosahuje celkové hladiny akustického výkonu A L_WA = 72,8 dB. Jedná se o hlučnější tepelné čerpadlo vzduch/voda. Na obr. 3 jsou pak uvedena hluková pásma pro měřený stav.

Obr. 2 Situace ověření výpočetního modelu hluku od provozu tepelného čerpadla

Obr. 3 3D pohled od jižní strany objektu, hluková pásma ve vertikální rovině jdoucí od západu na východ přes zdroj hluku TČ

Metodika výpočetního modelu

Výpočet hluku ve sledovaných bodech v chráněném venkovním prostoru staveb stávající obytné zástavby v oblasti záměru byl proveden pomocí programu CADNA A. Byl vytvořen 3D vrstevnicový model výpočtu se základní rovinou v úrovni povrchu pozemku záměru. Výpočet hluku byl proveden podle metodik implementovaných v softwaru CADNA A. Pro hluk od stacionárních zdrojů v oblasti je metodika výpočtu zvolená dle normy ISO 9613. Reálné zdroje hluku jsou nahrazeny teoretickými zdroji – bodový, plošný, liniový nebo objemový zdroj hluku. Výpočetní model zohledňuje pohltivosti ploch (betonové a cihlové zdi domů, plechové, dřevěné, prosklené konstrukce atd.). Výpočet je proveden v třetinooktávových pásmech 25 až 10 000 Hz z toho důvodu, že útlum překážkou, odraz/pohltivost a definovaná spektra zdrojů hluku jsou frekvenčně závislá.

Sledované body výpočtu hluku od provozu TČ

Pro zhodnocení hlukové situace od provozu TČ byly zvoleny následující body výpočtu v nejbližším chráněném venkovním prostoru okolních staveb, tab. 2. Jednotlivé sledované body jsou zobrazeny na obr. 4 a 5.

Obr. 4 Souhrnný 3D pohled na výpočetní model

Obr. 5 Situace sledovaných bodů výpočtu

Výsledky a varianty výpočtu

Výpočet při provozu TČ byl proveden pro varianty:

• Var-1: stávající stav a umístění TČ, betonový plný plot délky 4,2 m a výšky 2,1 m nad terén.
• Var-1 KOLMO: TČ je pootočené o 90° tak, že saje ze severu a vydechuje směrem na jih, betonový plný plot délky 4,2 m a výšky 2,1 m nad terén.
• Var-1 BEZ: stávající umístění TČ, bez betonového plného.
• Var-1 PRO: stávající umístění TČ, betonový plný plot délky 4,2 m a výšky 2,1 m je rozšířen na každou stranu o 2 m, celková délka betonového plotu je tak 8,2 m.
• Var-2: TČ je umístěné u jižní hranice pozemku v JV rohu, axiální ventilátory jsou orientovány směrem na severovýchod.
• Var-3: TČ je umístěné u severní fasády objektu, vedle přístavku u SV rohu, axiální ventilátory jsou orientovány směrem na severovýchod.
• Var-3 PRISTAVEK: TČ je umístěné u severní fasády přístavku u SV rohu objektu, axiální ventilátory jsou orientovány směrem na severovýchod.

V tabulce 3 jsou uvedeny výsledky výpočtu – ekvivalentní hladiny akustického tlaku A (L_Aeq,T) v chráněném venkovním prostoru staveb od provozu posuzovaného TČ. Výsledky hladin hluku jsou uvedeny jako DOPADAJÍCÍ ZVUK. Jedná se o hluk ve výpočetním bodě, způsobený dopadajícím zvukovým polem bez uvažovaného navýšení vlivem odrazů od fasády. Skutečný hluk změřený nebo spočítaný před fasádou, tj. dopadající zvuk + odraz od fasády, je vyšší vůči dopadajícímu zvuku v úrovni max. o 3 dB. Tento rozptyl je způsoben konkrétním geometrickým uspořádáním dané situace – zdroj vs. naklonění, resp. natočení fasády. Při rozdílu 3 dB by měla být rovina fasády kolmá ke směru šíření zvukových vln od zdroje hluku. Dopadající zvukové pole je dle [3] hodnotícím kritériem hluku v chráněném venkovním prostoru staveb. Hodnotí se tedy nižší hluk, než který před fasádou fyzikálně skutečně je.

Ve výpočtu nebyla prokázána tónová složka ve spektru. Identifikace tónové složky ve spektru zdroje zvuku je definována podle [3] v §2 odstavec b). Naopak během měření hluku se tónová složka objevuje v bodech M2 a M3 ve vzdálenosti 1 m od boků TČ, konkrétně na frekvenci 50 Hz v bodě M2 (pravděpodobně od kompresoru) a 40, 50 a 100, 125 Hz v bodě M3. V bodě M1 a M5 čelně k TČ ze strany axiálních ventilátorů a v bodě M4 1 m nad TČ nebyla měřením tónová složka prokázána, pouze v bodě M1 (1 m od axiálních ventilátorů) je na frekvenci 50 a 63 Hz zvýšený hluk s rozdílem těsně pod 5 dB oproti sousedním třetinooktávám.

Ve výše uvedených variantách je vyhovující hygienickým limitům hluku L_Aeq,1h = 40 dB pro nejhlučnější hodinu v noci pouze varianta Var-3, tj. tepelné čerpadlo umístěné u severní fasády vedle přístavku u SZ rohu s axiálními ventilátory orientovanými směr SV.

Pokud by se brala v úvahu i tónová složka ve spektru hluku TČ, žádná z uvažovaných variant nesplňuje hygienický limit L_Aeq,1h = 35 dB pro nejhlučnější hodinu v noci.

Var-1 (stávající stav)

Var-1 KOLMO

Var-1 BEZ

Var-1 PRO (prodloužené oplocení)

Var-2 (TČ u jižní hranice)

Var-3 (TČ u severní fasády)

Var-3 PRISTAVEK

Obr. 6 Hluková pásma ve výšce 2 m nad terénem

Var-1 (stávající stav)

Var-1 KOLMO

Var-1 BEZ

Var-1 PRO (prodloužené oplocení)

Var-2 (TČ u jižní hranice)

Var-3 (TČ u severní fasády)

Var-3 PRISTAVEK

Obr. 7 3D pohled od J strany pro varianty výpočtu, hluková pásma ve výšce 2 m zobrazena na terénu, hlukové zatížení fasád

Závěr

Z předložených výsledků plynoucích z vytvořeného matematického modelu vyplývá jednoznačný závěr shrnutý v tab. 1. a 3. Matematický model je komparativní s měřením TČ provedeným na místě stavby. Simulační akustické modely je více než vhodné používat pro návrh umístění nebo použití konkrétního typu TČ. Předejde se komplikacím po zrealizování TČ a následným zjištěním nadměrné hlučnosti.

Při volbě umístění TČ je třeba brát v úvahu, že v okolí se nenachází pouze RD záměru, ale i další okolní stavby, pro které platí stejné hygienické limity [3]. Spolehlivé snížení hlučnosti instalovaného tepelného čerpadla, vykazující L_WA = 72,8 dB instalovaného u RD pod hodnoty dané [3], není možné pouhou změnou umístění zdroje (pro řešené varianty) ani jeho natočením. V případě obecného shrnutí umístění tepelných čerpadel do zástavby rodinných domů, kde vzdálenost mezi chráněnými fasádami je v řádech 10 až 15 m, lze zcela vyloučit volné instalace hlučnějších tepelných čerpadel s celkovou hladinou akustického výkonu nad L_WA = 68 dB. Takové zařízení není prakticky možné utlumit pod příslušnou mez. Pouze lze použít akustický kryt, který ovšem vnáší další nároky na dopravní tlak ventilátorů, čímž bude zhoršovat tepelně technické provozní podmínky. Za vhodné tepelné čerpadlo vzduch/voda z pohledu akustiky pro instalaci v obytné zástavbě rodinných domů lze pokládat takové, které bude vykazovat celkovou hladinu akustického výkonu do úrovně maximálně L_WA = 63 dB s odstupnou vzdáleností min. 10 m od nejbližšího chráněného okna obytné zástavby. Tím ovšem v žádném případě nedojde ke vzájemné spokojenosti vztahů mezi sousedy, jelikož takové tepelné čerpadlo bude vždy vykazovat ustálený a pro jednotlivce rušivý zvuk v dané zástavbě. Navíc je třeba zohlednit součinnosti s okolními zdroji. Pro bezpečnost návrhu je vhodné se s hlučností TČ dostat pod úroveň L_WA = 60 dB s odstupnou vzdáleností 10 m.

V současném trendu masivních instalací tepelných čerpadel je vhodné se věnovat této problematice do hloubky. Splněním hyg. limitů [3] se obecného akustického komfortu v žádném případě nedostává. Vždy záleží na daném prostředí. Při instalacích v klidných částech, např. u lesa zcela mimo dopravní zdroje, může akustické pozadí dosahovat i hodnot pod L_Aeq,8h = 25 dB pro noc. V takovém prostředí bude provoz tichého tepelného čerpadla dosahující hluku v chráněném venkovním prostoru staveb pod L_Aeq,T = 35 dB zcela patrný a rušivý.

Výrazným nedostatkem z pohledu podkladů od jednotlivých výrobců TČ je absence definování stavu, při kterém je udávaná hlučnost tepelného čerpadla. Z pohledu legislativy, tak jak je tomu u provozu jiných zdrojů, je třeba hodnotit vždy ten výkon, který může u zdroje nastat. Dle definice hyg. limitů [3] není uvažováno s polehčujícím extrémním stavem, popř. občasným stavem provozu. Např. tvrzení: „Při nízké teplotě, která nastává jenom cca 10× do roka (nebo naopak při vysoké teplotě – případ chlazení), může stroj běžet naplno, ale to je jen párkrát …“. V legislativě v případě zdrojů TZB není definována četnost, nýbrž je definován provozní nejvyšší stav, který může nastat: tzv. ekvivalentní hladina pro 8 nejhlučnějších po sobě následujících hodin dne a nejhlučnější jedna hodina v noci. Z pohledu práva je nutné tepelná čerpadla posuzovat na plný výkon, pokud tento z hlediska tepelného provozu může nastat. Výrobci tepelných čerpadel musí udávat hlučnost tepelného čerpadla i při plném provozu, a pro tento stav je třeba provoz tepelného čerpadla z hlediska hluku posoudit.

Projekt byl takto prezentován v rámci konference Vytápění 2023 v Třeboni a po úpravách a připomínkách recenzenta publikován na TZB-info.

Literatura

1. LANGEROVÁ, E., KRÁLÍČEK, J., KUČERA, M. Hluk ventilátoru tepelného čerpadla vzduch-voda. In: VVI, 2021, ročník 31, číslo 1, s. 30–38. ISSN 1210-1389.
2. KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., LANGEROVÁ, E. Hluk kompresoru tepelného čerpadla vzduch-voda. In: VVI, 2021, ročník 30, číslo 5, s. 266–275. ISSN 1210-1389.
3. Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací-změna: 217/2016 Sb., účinnost od 30. 7. 2016.
4. KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., LANGEROVÁ, E. Hluk tepelného čerpadla vzduch-voda. In: VVI, 2022, ročník 31, číslo 3, s. 102–108. ISSN 1210-1389.
5. KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., NOSEK, K. Provoz tepelného čerpadla rodinného domu z pohledu potenciálního zdroje hluku ve venkovním prostoru. In: VVI, 2020, ročník 29, číslo 4, s. 228–231. ISSN 1210-1389.