IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/1999, Seite 60 ff.
Schallemissionen in der Heizungstechnik und deren Verminderung
Dipl.-Ing. Frank Sprenger*
Bei dem Betrieb von Heizungsanlagen entstehen stets Geräusche. Je nach Intensität können diese als Lärm wahrgenommen werden. Da Lärm beim Menschen nachweislich zu Streß führt und dadurch die Gesundheit und das Wohlbefinden schädigen kann, dürfen dessen Wirkungen nicht verharmlost werden. Auch in der Heizungstechnik ist der Lärmverminderung daher ein hoher Stellenwert einzuräumen.
Schalleigenschaften
Allgemein kann Lärm als unerwünschter Schall definiert werden. Unter Schall sind rein physikalisch Schwingungen bzw. Wellen zu verstehen. Schwingungen sind dabei nichts anderes als periodische Bewegungen eines Körpers um seine Ruhelage. Ist der schwingende Körper mit anderen gekoppelt, so breitet sich die Bewegung auf das ganze zusammenhängende System aus, und es wird von einer Welle gesprochen. Die Ausbreitung von Schwingungen und Wellen ist immer an Medien gebunden. Je nach Art der Medien wird zwischen Luftschall und Körperschall unterschieden. Während Luftschall vom Menschen unmittelbar hörbar ist, kann Körperschall nicht direkt wahrgenommen werden. Da der in Flüssigkeiten und festen Körpern übertragene Körperschall an der Oberfläche des Mediums jedoch auch als Luftschall abgestrahlt wird, ist dieser ebenfalls für das Geräuschempfinden von Bedeutung.
In der Regel kann von einer aus Luft- und Körperschall kombinierten Form der Schallfortpflanzung ausgegangen werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles hängt dabei wesentlich von der Molekulardichte des Überträgermediums und daher auch von der Temperatur ab. In gasförmigen Medien pflanzt sich der Schall mit einer sehr viel geringeren Geschwindigkeit fort als in festen oder flüssigen Stoffen. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt bei 20°C etwa 344 m/s, das sind umgerechnet 1238,4 km/h.
Schallwahrnehmung
Der Luftschall ist hörbar, weil von ihm kleine Schwankungen des Luftdruckes ausgehen. Die Wahrnehmbarkeit ist dabei zum einen von der Häufigkeit und zum anderen von der Höhe der Druckschwankung gekennzeichnet. Von der Häufigkeit der Druckschwankung ist es abhängig, ob wir einen Luftschall als hoch oder tief empfinden.
| Bild 1: Berechnung und Bewertung des Schalldruckpegels in dB(A). |
Die Anzahl der Änderungen des Luftdruckes pro Sekunde wird technisch als Frequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) angegeben. Der menschliche Hörbereich liegt für gewöhnlich zwischen 16 Hz und 20 kHz. Schallwellen mit Frequenzen unter diesem Bereich werden als Infraschall und darüber als Ultraschall bezeichnet.
| Bild 2: Schalldruckpegel mit Lautstärkenbeispielen. |
Im Gegensatz zur Häufigkeit der Druckschwankungen bestimmt deren Höhe, in welcher Lautstärke wir den Luftschall vernehmen. Diese üblicherweise als Schalldruckpegel bezeichnete Größe kann in der physikalischen Einheit Pascal (Pa) angegeben werden. In der Praxis hat sich jedoch ein logarithmischer Maßstab in der Einheit Dezibel (dB) durchgesetzt. Die Einheiten stehen in einem einfachen mathematischen Zusammenhang und können entsprechend umgerechnet werden. Bei Angaben des Schalldruckpegels wird in der Regel zusätzlich berücksichtigt, daß der Mensch diesen bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich laut wahrnimmt. Zu diesem Zweck wurden sogenannte Bewertungskurven eingeführt. Allen Bewertungskurven ist gemein, daß sie realen und physiologisch wahrgenommenen Schallpegel bei einer Frequenz von 1000 Hz gleichsetzen. Für alle anderen Frequenzen geben sie Korrekturfaktoren vor, mit denen der Schalldruckpegel der menschlichen Wahrnehmung angeglichen wird. Zur Kennzeichnung entsprechend bewerteter Schalldruckpegel wird der jeweilig zugrundegelegte Kurventyp der Einheit Dezibel in Klammern angehängt. Für die zumeist herangezogene Bewertungskurve des Typs "A" ergibt sich damit die Bezeichnung dB (A). Eine Erhöhung des Schallpegels um 10 dB (A) bedeutet dabei eine Verdopplung des empfundenen Lärms (Bilder 1 und 2).
Schallentstehung
Schallenergie wird an Oberflächen von Objekten aufgrund von Absorbtionseigenschaften zu einem Teil in Wärmeenergie umgewandelt. Das Maß für eine Schallabsorption ist dabei von der jeweiligen Oberflächengröße des Materials abhängig. Auch in Räumen werden deshalb emittierte Schalldruckpegel schon aufgrund der Begrenzungsflächen und der Raumausstattung vermindert. Je nach Höhe des von Heizungsanlagen ausgehenden Schalldruckpegels werden jedoch ergänzend Maßnahmen zur Schalldämpfung notwendig.
Die Schallentstehung und -ausbreitung kann von allen Bereichen der Heizungsanlage ausgehen, beschränkt sich jedoch meist im wesentlichen auf die Heizzentrale selbst. Dabei wird der Schall sowohl als Luft- als auch in Form von Körperschall abgegeben. Vor allem bei Heizungsanlagen mit größeren Leistungen entstehen gegenüber kleineren Heizungsanlagen aufgrund der spezifischen Belastung zwangsläufig höhere Schalldruckpegel.
| Bild 3: Immissionsrichtwerte der TA-Lärm. |
Grenzen direkt Aufenthaltsbereiche an den Heizraum, wie es beispielsweise oft bei Dachheizzentralen vorkommt, ist im besonderen auf mögliche Schallbelästigungen zu achten. Über das akustische Verhalten von Heizungsanlagen sind im vorhinein jedoch nur sehr schwer, wenn überhaupt, konkrete Angaben möglich. Hier sind eine Vielzahl von Fabrikationskombinationen realisierbar, die sich gegenseitig sehr stark beeinflussen können. So kann z.B. ein Heizkessel mit unterschiedlichen Brennern bestückt sehr verschiedene Geräuschintensitäten abstrahlen. Das gleiche gilt ebenso für die Abgasseite sowie für die heizwasserseitige Einbindung.
Der Einsatz von Schalldämpfmaßnahmen richtet sich daher im Endeffekt nach dem jeweils erreichten tatsächlichen Schalldruckpegel und der dadurch verursachten Lärmbelästigung. Da mögliche Schallschutzeinrichtungen zusätzliche Aufwendungen verursachen und Platz in Anspruch nehmen, müssen diese aber bereits bei der Planung berücksichtigt werden. Ausgeführte Anlagen mit Schallschutz bieten grundsätzlich Erfahrungen und Anhaltswerte. Die dabei erzielten Ergebnisse sind jedoch nicht in vollem Umfang auf andere Anlagen übertragbar.
Der sich einstellende Schalldruckpegel richtet sich vielmehr nach den individuellen Gegebenheiten der Kesselanlage und des Aufstellraumes. Grundsätzlich wird der Schallschutz im haustechnischen Bereich in der DIN 4109 geregelt. Auch das Bundes-Immissionsschutzgesetz gibt in der sechsten Verwaltungsvorschrift (Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm vom 26.8.98, kurz: TA-Lärm) entsprechende Immissionsrichtwerte vor. Diese Werte sollen Menschen vor unzumutbaren Belästigungen durch Schallübertragung schützen. Ausgenommen von den Regelungen bleiben allerdings Geräusche aus haustechnischen Anlagen im eigenen Wohnbereich (Bild 3).
Schallvermeidung
Schon vor Erstellung des Gebäudes sind schallfördernde Ausführungsformen weitestgehend zu vermeiden. So ist bereits die Festlegung der Lage des Heizraumes für den Schallschutz relevant. Heizraum und Schornstein sollten möglichst nicht direkt an Aufenthaltsräume grenzen. Eine Anordnung neben untergeordnete Gebäudebereichen wie Abstellräume, Flure, Treppenhäuser oder Toiletten ist ratsam. Für den Fall, daß die Anordnung des Heizraumes neben einem schallschutzbedürftigem Raum unumgänglich ist, sind ggf. bauliche Maßnahmen vorzusehen. Der Heizraum kann diesbezüglich beispielsweise mit besonders dicken Wänden, einer Schalldämmung oder einem Zwischenraum bzw. einer Trennfuge zum Nachbarraum ausgeführt werden.
Um Schwingungen zu vermeiden, ist weiterhin darauf zu achten, daß das Kesselfundament auf ausreichend gestütztem Boden errichtet wird. Ist ein Fundament auf gewachsenem Boden nicht möglich, sollte es zumindest über Stützmauern, Pfeiler oder Unterzüge positioniert werden. Schallbrücken bzw. Verbindungen, über die sich der Schall auf andere Bereiche ausbreiten kann, sind zu vermeiden.
Auch die Schallentstehung in der Heizungsanlage kann in gewissen Grenzen im vorhinein beeinflußt werden. In den Rohrleitungen können z.B. Strömungsgeschwindigkeiten ab 1 m/s zu Geräuschemissionen führen. Durch eine entsprechend großzügige Dimensionierung von Rohrnetz und Ventilen können diese vermieden werden. Allgemein gilt es, Strömungsquerschnitte möglichst günstig auszulegen. So gilt diese Forderung in der Heizungsanlage u.a. auch für die Abgasanlage.
| Bild 4: Atmosphärisch arbeitender Wärmeerzeuger, wie dieser Brennwertkessel im Leistungsbereich von 169 bis 418 kW, benötigen kein Brennergebläse und zeichnen sich deshalb durch eine leise Betriebsweise aus. |
Erheblichen Einfluß auf den entstehenden Schalldruckpegel hat außerdem die Auswahl der einzelnen Anlagenkomponenten. Pumpen, Gebläse, Stellantriebe und Armaturen verschiedener Fabrikation weisen häufig unterschiedliche Geräuschpegel auf. Dies gilt im besonderen für den zum Einsatz kommenden Wärmeerzeuger. Heizkessel und Brenner tragen nämlich entscheidend zur Intensität des entstehenden Schalldruckpegels bei.
Die Geräusche gehen dabei jedoch nicht vom Heizkessel selbst aus. Zum einen sind sie auf die intensiven Verbrennungsreaktionen zurückzuführen, die im Feuerraum des Kessels durch den Brenner hervorgerufen werden. Zum anderen werden sie vom Brennergebläse erzeugt. Letztere Schalquelle entfällt allerdings bei den atmosphärischen Gas-Heizkesseln. Diese kommen ohne Gebläse aus und arbeiten deshalb grundsätzlich etwas leiser. Das macht sie besonders für schallsensible Einsatzbereiche attraktiv. Unter anderem aus diesem Grund kommen die Kessel nicht nur mehr im kleinen Leistungsbereich, der dieser Bauform bisher als vorbehalten schien, sondern vermehrt auch im größeren Leistungsbereich zur Anwendung.
Aber auch bei Heizkesseln mit Gebläsebrennern konnten die Geräuschpegel in den letzten Jahren durch moderne Brennertechniken und schallminimierende Kesselkonstruktionen auffallend gesenkt werden. So weisen oftmals die heutigen Öl-Gebläsebrenner deutlich niedrigere Schallwerte auf als die vorherige Brennergeneration. Auch die Brennwertkessel mit internem Brennwert-Wärmetauscher arbeiten erheblich leiser als ihre Vorgängermodelle. Die niedrigen Schallemissionen werden bei den nach dem Dreizugprinzip arbeitenden Kesseln durch eine zusätzliche Schalldämpfmatten und Reflexionsflächen im Bereich der Heizgasumlenkung erreicht (Bild 4).
Luftschalldämpfung
Bei dem Betrieb von Heizkesseln breitet sich Luftschall vor allem über den Abgasweg wie auch über den Brenner aus. Schallmessungen werden daher bei Heizkesseln im Abgasweg sowie vor der Brennerhaube durchgeführt. Angaben über Schallwerte beschränken sich oftmals jedoch allein auf den im Abgasweg gemessenen Schalldruckpegel, da dieser in der Regel am größten ist. Hier sei nochmals darauf hingewiesen, daß Schallwerte aufgrund individueller Einflüsse nicht übertragbar sind, sondern nur Anhaltswerte darstellen können.
Gehen von einem Heizkessel Geräuschbelästigungen aus, sollte vor weiteren Schallschutzmaßnahmen zunächst der Brenner überprüft werden. So können sich schon aus einer besseren Brennereinstellung oder einer günstigeren Brennerkopfausrüstung niedrigere Geräuschpegel ergeben. Ist eine zusätzliche Schallreduzierung notwendig, kann der sich über den Abgasweg ausbreitende Schall wirkungsvoll mit Abgasschalldämpfern vermindert werden. Diese sind auf den jeweiligen Kesseltyp abgestimmt und werden zwischen Abgasanschluß des Heizkessels und Abgasanlage montiert.
| Bild 5: Bei Heizkesseln breitet sich Luftschall vor allem über den Abgasweg wie auch über den Brenner aus. |
Abgasschalldämpfer arbeiten auf Basis der Schallabsorption. Sie sind meist aus Stahl geschweißt und innen mit einem Dämpfstoff ausgekleidet. Bei Brennwertkesseln ist darauf zu achten, daß korrosionsbeständige Ausführungsformen mit Kondenswasserablauf verwendet werden. Zur Reduzierung des vom Brenner ausgehenden Geräuschpegels werden für die verschiedenen Brenner passende Schalldämpfhauben angeboten. Dabei ist für eine effektive Lärmminderung wichtig, daß die Haube die gesamte Brennereinrichtung umgibt und spaltlos am Heizkessel abschließt. Ausschlaggebend dafür ist die richtige Größe der Schalldämpfhaube. Undichtigkeiten sollten unbedingt vermieden werden.
Schalldämpfhauben werden üblicherweise aus Stahlblech ausgeführt, auf dessen Innenseite schalldämpfendes Material angebracht ist. Für die Ansaugung der Verbrennungsluft ist ein schallgedämpfter Kanal vorgesehen. Da Schalldämpfhauben die Sicht auf den Brenner versperren, ist bei deren Einsatz jedoch eine häufigere Inspektion angebracht. Schalldämpfhauben wie auch Abgasschalldämpfer sind geräuschmindernde Maßnahmen, die nachträglich in eine Heizungsanlage integriert werden können. Beide wirken allerdings nur dem direkten Luftschall entgegen, nicht aber Geräuschemissionen, die durch Körperschall in Nachbarräumen hervorgerufen werden (Bild 5).
Körperschalldämpfung
Vom Heizkessel ausgehender Körperschall und Vibrationen können ohne Gegenmaßnahmen über die Aufstellfläche sowie über starr angebundene Bauteile weitergeleitet werden und sich so im gesamten Gebäude ausbreiten. Dies kann durch schwingungsisolierende Kompensatoren zwischen den entsprechend schalleitenden Verbindungen unterdrückt werden. Zum Einsatz kommen hier u.a. schallabsorbierende Kesselunterbauten, die die Übertragung von Körperschall auf das Fundament verhindern. Je nach Heizkessel werden diese unterschiedlich aufgebaut.
Die Auslegung richtet sich dabei nach dem Betriebsgewicht sowie nach der Stellfläche des Heizkessels. Schallabsorbierende Kesselunterbauten bestehen üblicherweise aus speziellen Isolierplatten oder aber aus U-Profilschienen, in die omega-förmig gebogene Längsdämmbügel aus Federstahl eingelegt sind. Bei Belastung geben diese Elemente nach und nehmen dadurch entsprechende Schwingungen auf. Damit dies gleichmäßig über die gesamte Fläche geschieht, ist eine absolut waagerechte Ausführung der Auflage notwendig.
| Bild 6: Schalldämpfende Maßnahmen in der Heizzentrale. |
Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß sich durch den Unterbau die Aufstellhöhe des Kessels und damit die Lage der Anschlüsse verändert. Zum Ausgleich der Federwege des Kesselunterbaus sowie zur Verhinderung weiterer Schallbrücken empfiehlt es sich, bei den Anschlüssen ebenfalls entsprechende Kompensatoren vorzusehen. Diese werden in den verschiedensten Ausführungen angeboten und sollten grundsätzlich in allen Verbindungsleitungen zum Schallerreger, wie z.B. in Heiz- und Sicherheitsleitungen sowie Leitungen für Brennstoffzufuhr und Brenneraggregat, eingesetzt werden.
Grundsätzlich sind Schallbrücken durch starre Verbindungen zu vermeiden. Deshalb sind für die Rohrbefestigung bzw. Rohraufhängung schallabsorbierende Maßnahmen sinnvoll. Auch bei Rohrführungen durch Decken und Wände sind direkte Kontaktstellen mit dem Gebäudekörper zu vermeiden. Eine Zwischenlage aus elastischem Material kann hier Abhilfe schaffen (Bild 6).
Zusammenfassung
Schallschutz ist in der Heiztechnik eine ernstzunehmende Thematik, die jedoch mit einem vertretbaren technischen und finanziellen Aufwand gelöst werden kann. Zwar läßt sich die Höhe der tatsächlich entstehenden Schallemissionen nur sehr ungenau im voraus bestimmen, jedoch ist es sinnvoll, diese frühzeitig zu berücksichtigen. Werden bereits bei der Planung wirtschaftliche Aspekte und zusätzlicher Platzbedarf von eventuell nachträglich notwendigen Schallschutzmaßnahmen einkalkuliert, können später unvorhergesehene Kostensteigerungen und aufwendige Umbauten vermieden werden. Außerdem lassen sich von vornherein durch schallmindernde Bau- und Anlagenausführungen unerwünschte Geräuschentwicklungen verhindern.
*) Dipl.-Ing. Frank Sprenger, Technische Public Relations der Buderus Heiztechnik GmbH
B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar
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