IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 23/2001, Seite 38 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Alternative Lösungen für den Schallschutz an Heizkesseln
Dr.-Ing. Philip Leistner*, Helmut Fuchs*, Günter Fischer**
Das Lärmproblem durch Brennergeräusche von Heizkesseln gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Der Hauptanlass dafür ist ein wachsendes Bedürfnis nach Schutz vor Lärm. Die öffentliche Reglementierung gibt zwar mit sehr engen Immissionsrichtwerten und Handlungsvorgaben einen Rahmen vor, aber die heute erhältlichen Schalldämpfer erfüllen nicht immer die Erwartungen. Angesichts dieser Situation sind neue, innovative Schallschutzbauteile und -technologien zu suchen. Dies ist Motivation und Ziel einer Gruppe von Akustikern am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) zusammen mit mittelständischen Partnerfirmen.
Einleitung
Die Eingriffsmöglichkeiten zur Lärmminderung an Heizungskesseln sind sehr vielfältig. Akustisch wirksame Kapselungen von Brennern und Heizkesseln zeigen, dass die fortschreitende Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades auch mit einer Pegelminderung im Aufstellraum und im Gebäude verbunden werden kann.
Die Lärmabstrahlung der Wärmeerzeuger in die Abgasleitung hat sich dagegen nicht verringert. Immer häufiger ist sogar eine Tendenz zu erhöhten Abgasgeräuschen festzustellen, die dann nicht nur den Betreiber, sondern vor allem auch die Nachbarschaft betreffen. Für die notwendige Schalldämpfung der bei Heizungsanlagen dominierenden tieffrequenten Geräuschanteile reichen konventionelle Absorptionsschalldämpfer nicht aus. Sie weisen vielmehr eine Reihe von Nachteilen auf, die vom großen Bauvolumen, leichter Verschmutzung bis hin zu hohen Druckverlusten reichen. Die vom IBP und seinen Lizenzpartnern entwickelten Alternativen Faserfreien Absorber (AL-FA) vermeiden diese Nachteile und wirken gerade im Bereich tiefer Frequenzen besonders effektiv.
| Bild 1: Gemessener Schalldruckpegel in Abhängigkeit von der Frequenz im Verbindungsstück zwischen Wärmeerzeuger und Abgasleitung einer Heizungsanlage (Beispiel typisch für Nennwärmeleistungen von 100 bis 500 kW). |
Entstehung und Ausbreitung der Abgasgeräusche
Die hauptsächlichen Geräuschanteile bei Heizungsanlagen gehen auf die vom Gebläse erzeugte Strömung sowie auf den Verbrennungsvorgang selbst zurück, bei dem sowohl aerodynamische (turbulente) Luftvermischung als auch Flammengeräusche (explosionsartige Volumenänderung) verursacht werden. Diese Entstehungsmechanismen erzeugen insgesamt ein breitbandiges Schallspektrum, das im tieffrequenten Bereich, etwa unter 250 Hz, die höchsten Pegel aufweist (Bild 1). Gerade in diesem Frequenzbereich sind einige wesentliche Besonderheiten der Schallausbreitung bzw. -übertragung zwischen Wärmeerzeuger und Mündung der Abgasleitung zu beachten (Bild 2). Bei tiefen Frequenzen besitzt das gesamte Abgassystem zwischen Gebläsebrenner und Mündung ins Freie ausgeprägte Eigenresonanzen. Sie können dazu führen, dass aus einem breitbandigen Anregungsspektrum einzelne schmalbandige Geräusche oder Töne deutlich hervortreten und auch in größerer Entfernung im Gebäude, aber auch in dessen Umgebung noch als besonders störend empfunden werden.
| Bild 2: Schematische Darstellung zur Ausbreitung von Abgasgeräuschen einer Heizungsanlage. |
Wände, Türen und Fenster bieten keinen ausreichenden Schutz. So können die Geräusche leicht in Wohnräume und zum Nachbarn gelangen. Die immer weiter um sich greifende schalltechnische Charakterisierung von Bauteilen durch einfache Zahlenangaben, z.B. für das Schalldämm-Maß oder den Absorptionsgrad, die sich wesentlich aus ihrer Wirksamkeit um und oberhalb 500 Hz ergeben, führt zu krassen Fehleinschätzungen ihrer Eignung zur Bekämpfung tieffrequenten Lärms.
| Bild 3: Experimentell ermittelte Richtwirkung eines Schornsteins (DN 340) in Abhängigkeit vom Winkel zur Schornsteinachse (0°) und von der Frequenz. |
Schließlich beeinflusst die Mündung der Abgasleitung die Schallübertragung in zweifacher Weise. Erstens verursacht der plötzliche Übergang von der Kanal- zur Freifeldausbreitung eine bei tiefen Frequenzen starke Mündungsreflexion zurück in den Kanal. Zweitens findet an der Mündung eine Schallabstrahlung mit starker Richtcharakteristik nach oben insbesondere bei hohen Frequenzen statt (Bild 3). Doch auch hier kann in bestimmten Fällen die Minderung des Immissionspegels witterungsbedingt, durch Mündungshauben oder bei Hanglage stark eingeschränkt werden. Abgasschalldämpfer bleiben also unverzichtbar. In den folgenden Beispielen werden alternative Lösungen erläutert, die an unterschiedlichen Stellen im Abgassystem eine breitbandige und hohe Dämpfung insbesondere bei tiefen Frequenzen gewährleisten.
| Bild 4: Fotografische Aufnahme eines Schornsteinelementes mit eckigem Innenzug als tieffrequent wirksamer Schalldämpfer. (Bild: Nießing) |
Beispiel 1 - Schornsteine mit eckigem Innenzug als Schalldämpfer
Zylindrische Schornsteine sind fast ideale Schallübertrager mit meist beachtlicher Länge. Diese Länge blieb lange ungenutzt, obwohl sie an sich für schalldämpfende Einbauten zur Verfügung steht. Die Einbauten müssen allerdings schlank sein, um den Schornsteindurchmesser nicht unnötig zu vergrößern. Um trotzdem speziell die tiefen Frequenzen zu dämpfen, werden Stahlplatten, bevorzugt aus Edelstahl, zu einem eckigen Schornstein-Innenzug verbunden (Bild 4). Sie wirken als Plattenschwinger, die je nach Dicke und seitlichen Abmessungen den tieffrequenten Schall absorbieren. Die Dämpfung des Innenzuges entlang des gesamten Schornsteins summiert sich. Der Schornstein oder auch die Abgasleitung, dessen Durchmesser von 40 cm bis zu 400 cm betragen kann, wird samt integriertem Innenzug bzw. Schalldämpfer montiert.
| Bild 5: Fotografische Aufnahme der Lochblechringe im Kanal und der Schottbleche zwischen mehreren Kammern eines reinigungsfähigen Rohrschalldämpfers vor der Endmontage des äußeren Schalldämpfergehäuses. |
Beispiel 2 - Reinigungsfähige Rohrschalldämpfer
Auch mit den erwähnten ALFA-Modulen wird der Schornstein selbst zum Schalldämpfer, da sie aus langgestreckten, außenliegenden Hohlkammern bestehen, die über eingebaute Lochblechringe akustisch an den schallführenden Kanal angeschlossen sind. Bild 5 zeigt die Lochblechringe in der Kanalwand und die Schottbleche zwischen mehreren Kammern vor der Endmontage des äußeren Schalldämpfergehäuses. Die Möglichkeit, diese Rohrschalldämpfer zu reinigen, gewährleisten Spül- und Entwässerungsleitungen, die auf die Dämpfungswirkung keinen Einfluss haben.
Die beiden Beispiele zeigen die akustischen und wirtschaftlichen Vorteile der Integration von Schornstein oder Abgasleitung und Schalldämpfer. Es wird kein Platz in der Anlage für separate Schalldämpfer benötigt, und die Betriebskosten werden durch die Vermeidung unnötiger Druckverluste geringer. Die mitunter erforderliche Dämpfung der mittel- und hochfrequenten Anteile des Anlagengeräusches sind auch mit porösen oder faserigen Absorbern erreichbar. In diesem Frequenzbereich kann sich auch die ausgeprägte Richtcharakteristik der Schallabstrahlung an der Mündung nach oben (Bild 2) im Sinne einer Pegelminderung auswirken.
| Bild 6: Schematische Darstellung und fotografische Aufnahme eines Aktiven Resonanz-Schalldämpfers an einem Abgaskanal. (Bild: Kutzner + Weber). |
Beispiel 3 - Aktive Resonanz-Schalldämpfer
Das Funktionsprinzip aktiver Resonanz-Schalldämpfer beruht auf Resonatoren, deren Dämpfung durch eine elektroakustische Aktivierung breitbandig erhöht wird. Das Kernstück ist eine kompakte Metallkassette, in der die elektroakustischen Komponenten Lautsprecher, Mikrofon und Verstärker einschließlich Stromversorgung untergebracht sind (Bild 6). Zum Schutz der empfindlichen Komponenten befindet sich eine Hohlkammer zwischen der Lautsprechermembran und der Schnittstelle zum Abgaskanal, die wiederum durch eine leichte und hitzebeständige Folie geschlossen wird. Mit dem Mikrofon in unmittelbarer Nähe der Lautsprechermembran ergibt sich eine Regelschleife, indem die schalldruckproportionale Mikrofonspannung umgekehrt und verstärkt an den Lautsprecher rückgekoppelt wird, sodass sich die Membranbewegungen verstärken. Im Ergebnis wirkt sich die Aktivierung wie eine deutliche Verlängerung der Hohlkammer aus: mit sehr kurzer Kammerlänge und dementsprechend geringer Baugröße werden tieffrequente Abgasgeräusche gedämpft (Bild 7). Die aktiven Resonanz-Schalldämpfer können ohne Dämpfungsverlust bei Abgastemperaturen im Kernstrom bis mindestens 200 °C eingesetzt werden. Bei deutlich höheren Temperaturen sind Kühlkomponenten in der Hohlkammer einzuplanen. Weiterhin lassen sich mehrere aktive Schalldämpfer miteinander oder mit passiven Schalldämpfern kombinieren, um eine noch höhere und breitbandigere Einfügungsdämpfung zu erreichen.
| Bild 7: Gemessene und berechnete Einfügungsdämpfung eines aktiven Resonanz-Schalldämpfers (ASD) nach Bild 6 (Hohlkammer DN 130, ca. 250 mm lang) an einem Kanal (DN 130) in Abhängigkeit von der Frequenz. |
Ausblick
Ergänzt durch umfangreiches Know-how zur Auslegung der vorgestellten Schalldämpfer innerhalb einer detaillierten akustischen Anlagenplanung bestehen somit neuartige Alternativen zum Schallschutz an Heizungsanlagen. Auf der diesjährigen ISH präsentierte die Kutzner + Weber GmbH & Co. KG gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik die Aktiven Resonanz-Schalldämpfer erstmalig dem Fachpublikum. Diese Vorstellung wird von beiden Partnern auch als ein erster Schritt zu einer offenen Diskussion über innovative Schallschutzlösungen verstanden, da deren breite Nutzung entscheidend vom Zusammenwirken der Geräte-, Anlagen- und Komponentenhersteller mit den akustischen Beratern, den Planern und Installateuren sowie mit der Forschung abhängt.
*) Dr.-Ing. Philip Leistner und Helmut Fuchs, Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), Stuttgart
**) Günter Fischer, Kutzner + Weber GmbH & Co. KG, Maisach
L i t e r a t u r :
[1] DIN 4109: Schallschutz im Hochbau; Anforderungen und Nachweise. Nov. 1989.
[2] VDI 4100: Schallschutz von Wohnungen; Kriterien für Planung und Beurteilung. Sept. 1994.
[3] Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm). GMBl. 1998.
[4] Fuchs, H.V.: Ökonomische Aspekte des technischen Schallschutzes. Umwelt Wirtschaftsforum 3 (1995), H. 2.
[5] Fuchs, H.V.; Eckoldt, D.; Hemsing, J.: Alternative Schallabsorber für den industriellen Einsatz; Akustiker suchen nach faserfreien Schalldämpfern. VGB Kraftwerkstechnik 79 (1999), H. 3.
[6] Fuchs, H.V.; Zha, X.: Bessere Kommunikation durch "transparente" Raumakustik. Gesundheitsingenieur 120 (1999), H. 4.
[7] Teige, K.; Brandstätt, P.; Frommhold, W.: Zur akustischen Anregung kleiner Räume durch Luftauslässe. Zeitschrift für Lärmbekämpfung 43 (1996), H. 3.
[8] Bies, D.A.; Hanson, C.H.: Engineering Noise Control - Theory and Practice. Verlag E&F Spon, London, 1996.
[9] Eckoldt, D.; Hemsing, J.: Kamin mit eckigem Innenzug als Schalldämpfer. Zeitschrift für Lärmbekämpfung 44 (1997), H.4.
[10] Eckoldt, D.; Rambausek, N.; Brandstätt, P.; Hemsing, J.: Nutzung von Schornsteinen als Breitband-Schalldämpfer. Bauphysik 20 (1998), H.6.
[11] Leistner, P.; Krüger, J.; Maute, R.: Aktives Bauteil zur Schalldämpfung in Kanälen. Bauphysik 20 (1998), H. 6.
[12] Leistner, P.: Berechnung und Anwendung aktiver Resonanz-Schalldämpfer. (in Vorbereitung)
[13] Brandstätt, P.; Leistner, P.: Akustische Modellierung bei tiefen Frequenzen. HLH 51 (2000), H. 3.
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