Reduktion von Schallemissionen an Heizkesseln

Dipl.-Ing. Frank Sprenger*

Die Heiztechnik ist heute geprägt durch Umweltanforderungen. Neben einer sparsamen und schadstoffarmen Betriebsweise gehört dazu ebenso die Reduktion von Schallemissionen. Geräusche werden insbesondere durch den Brenner und die Flamme sowie der Strömung der Verbrennungsgase verursacht. Je nach Intensität können diese unangenehm empfunden und so als Lärm wahrgenommen werden. Dem Schallschutz ist daher ein hoher Stellenwert einzuräumen.

Bild 1: Schall wird durch die Merkmale Phase (j), Ausbreitungsgeschwindigkeit (c), Frequenz (f) und Amplitude (y) charakterisiert, von denen jedoch nur die letzten beiden Größen einen Einfluss auf das menschliche Schallempfinden haben.

Tonhöhe

Als charakteristische Merkmale einer jeden Schwingung sind die Frequenz (f), die Amplitude (y) sowie die Phase (j) zu nennen. Bei einer Welle kommt noch die Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) hinzu (Bild 1). Auf das Schallempfinden des Menschen haben hiervon jedoch lediglich die Frequenz und die Amplitude einen Einfluss. Die Frequenz ist dabei maßgeblich für die Tonhöhe verantwortlich. Sie wird durch die Schwingungshäufigkeit beschrieben, was durch die Einheit Hertz (Hz) zum Ausdruck kommt. Je höher die Frequenz, desto höher das Geräusch.

Das menschliche Hörspektrum umfasst den Frequenzbereich zwischen 16 Hz und 20 kHz (20000 Hz) und betrifft insgesamt 11 Oktaven. Zwar treten Schallemissionen in der Bauphysik und technischen Akustik im Gebäudebereich hauptsächlich im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 3150 Hz auf, dennoch sollten bei entsprechenden Betrachtungen sicherheitshalber auch außerhalb liegende Frequenzbereiche einbezogen werden.

Bild 2: Die Tonhöhe des Schalleindruckes ist von der in Oktaven eingeteilten Frequenz (f) abhängig. Schallpegel (L), Schalldruck (Dp) bzw. Schallstärke (I) beeinflussen hingegen die Lautstärke. Das nur sehr subjektive Lautstärkeempfinden des Menschen wird vom Lautstärkepegel (L) berücksichtigt.

Lautstärke

Neben der Tonhöhe umfasst die menschliche Schallwahrnehmung auch die Lautstärke, die durch die Amplitude bestimmt wird. Sie ergibt sich aus dem Ausschlag der Schwingung. In der Praxis hat sich die Bezeichnung als Schallpegel (L) mit einem logarithmischen Maßstab und der Einheit Dezibel (dB) durchgesetzt (Bild 2). Die Einheit Dezibel ist ähnlich wie Prozentgrößen ein an sich dimensionsloses Verhältnismaß. Mit dem Begriff Dezi wird zum Ausdruck gebracht, dass die Angabe Dezibel das zehnfache des Grundwertes Bell darstellt. Mit der Verzehnfachung sollen Kommastellen vermieden und eine bessere Darstellbarkeit erreicht werden. Auf diese Weise wird der Hörbereich von der Hörschwelle bis zur Schmerzgrenze durch einen dB-Maßstab von 0 bis 120 abgedeckt.

Bild 3: Der Schalldruckpegel in Pa kann in einen Schallpegel mit der Einheit dB umgerechnet werden. Zur Berücksichtigung der physiologischen Eigenschaften geben so genannte Bewertungskurven in den Oktavbändern Korrekturwerte vor.

Physiologische Anpassung

Da der Mensch allerdings eine eher subjektive Schallwahrnehmung besitzt und Schall bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich laut bewertet, spiegelt der objektive Schallpegel das Lautstärkeempfinden des Menschen nur grob wider. Dieser Sachverhalt kommt in der Angabe des Lautstärkepegels (L) in Phon zum Ausdruck. Lautstärkepegel entsprechen zahlenmäßig etwa den in dB angegebenen Schallpegeln bei einer Frequenz von 1000 Hz. Von dieser Basis aus werden die Lautstärkepegel als Kurven gleich laut wahrgenommenen Schalls über der Frequenz fortgeführt (Bild 2).

Bild 4: A-bewertete Schallpegel mit Lautstärkebeispielen.

Für physikalische Schallangaben sind die Lautstärkepegel allerdings weniger geeignet. Aus diesem Grund wurden Bewertungskurven eingeführt (Bild 3). Allen Bewertungskurven gemein ist, dass sie die realen mit den wahrgenommenen Schallpegeln bei einer Frequenz von 1000 Hz gleichsetzen. Für andere Frequenzen geben sie Korrekturwerte vor, mit denen der Schallpegel der menschlichen Empfindung angeglichen wird. Zur Kennzeichnung wird dem korrigierten Schallpegel 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) (Bild 4).

Umgang mit Schallpegeln

Geräusche sind grundsätzlich aus vielen Frequenzen zusammengesetzt. Für die Beurteilung bestimmter Schallquellen werden deshalb Frequenzanalysen durchgeführt. D.h. es werden die Schallpegel in den einzelnen Frequenzen - meist im Abstand von Oktaven - gemessen. Daraus ergeben sich Oktavpegel, die bei geräuschintensiven Geräten üblicherweise auch in den technischen Daten angegeben werden. Meist treten in der Praxis mehrere Schallquellen gemeinsam auf, die wiederum andere Oktavpegel verursachen. Die Einzelgeräusche summieren sich dann zu einem Gesamtgeräusch in jeder Oktave auf.

Lästigkeitsbewertung

Geräusche können als unangenehm oder lästig empfunden werden. Um Geräusche beurteilen zu können, sind so genannte Grenzkurven für Geräusche gleicher Lästigkeit eingeführt worden - auch NR-Kurven genannt -, denen bestimmte dB(A)-Werte zugeordnet sind. Die Grenzkurven geben in jeder Oktave einen Maximalwert vor, der von den Oktavpegeln zur Einhaltung eines frequenzübergreifenden Schallpegels nicht überschritten werden darf. D.h. es müssen sämtliche Oktavpegel des Geräusches unter der Grenzkurve liegen, damit ein frequenzübergreifender Schallpegel den berechneten dB(A)-Wert hält. Liegt ein Oktavpegel über der Grenzkurve, so muss der dB(A)-Wert der nächst höheren Grenzkurve angegeben werden. In Deutschland sind die Grenzkurven für Geräusche gleicher Lästigkeit in den VDI-Richtlinien 2081 definiert.

Schallausbreitung

Schall breitet sich von der Quelle, nach allen Richtungen hin aus. Ist der Raum, in dem sich die Schallwellen ausbreiten, nicht oder nur teilweise begrenzt, handelt es sich um ein freies Schallfeld, das eine ungehinderte Ausbreitung erlaubt. Im anderen Fall kommt es an den Begrenzungsflächen zur Reflexion und Absorption der Schallwellen. Dies hat zur Folge, dass Geräusche stark von ihrer Umgebung beeinflusst werden. So weisen Begrenzungsflächen verschiedene Reflektions- und Absorptionsgrade auf, die von deren Größe, Oberflächenstruktur und Ausrichtung zur Schallquelle abhängen. Glatte Flächen wirken eher reflektierend. Hohe Absorptionsgrade besitzen hingegen raue Flächen. Schalldämmende Materialien sind deshalb porös aufgebaut.

Grenzwerte

Grundsätzlich wird der Schallschutz im haustechnischen Bereich in der DIN 4109 geregelt. Danach darf der Schallpegel z.B. in benachbarten schutzbedürftigen Räumen nicht mehr als 35 dB(A) in Arbeitsräumen und nicht mehr als 30 dB(A) in Wohn- und Schlafräumen betragen. Ausgenommen von diesen Anforderungen sind jedoch Geräusche im eigenen Wohnbereich. Bezüglich Schallemissionen nach außen gibt das Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm; TA-Lärm) Immissionsrichtwerte vor. So gilt z.B. für Wohngebiete ein zulässiger Schallpegel, der tagsüber bei 50 dB(A) und nachts bei 35 dB(A) liegt.

Bild 5: Größenordnung der Schallpegel im Aufstellraum von drei unterschiedlichen Heizkesseln. Deutlich ist mit zunehmender Leistung ein Anstieg der Geräuschemissionen zu erkennen.

Schallentstehung

Im Bereich der Heiztechnik kann die Schallentstehung und -ausbreitung generell von allen Bereichen ausgehen, beschränkt sich aber im Wesentlichen auf die Heizzentrale. Dabei wird der Schall als Luft- und Körperschall abgegeben. Als eine der Hauptschallquelle ist hier der Brenner zu nennen. Verbrennungs- und Gebläsegeräusche werden zum einen in den Aufstellraum selbst und zum anderen über das Abgassystem ins Freie getragen (Bilder 5 und 6). Aus diesem Grund werden von Herstellern üblicherweise zwei Schallangaben gemacht, die sich zum einen auf den Aufstellraum und zum anderen auf das Abgassystem beziehen.

Bild 6: Die Messung von Schallpegeln im Abgasweg verschiedener Heizkessel macht deutlich, dass diese nicht unbedingt mit denen im Aufstellraum zusammenhängen. Im Gegensatz zu dem eindeutigen Verlauf der Geräuschemissionen im Aufstellraum zeigen die Werte hier eher ein unregelmäßiges Erscheinungsbild mit Schallpegeln, die sich im Größenbereich zwischen 95 und 115 dB(A) bewegen.

Allerdings ist es nicht immer leicht, Aussagen über die späteren Schalleigenschaften der Gesamtanlage zu machen. Zwar können die Geräuschemissionen zur Orientierung berechnet und bewertet werden, Voraussagen über das spätere akustische Verhalten sind, wenn überhaupt, nur sehr schwer möglich. Neben den zahlreichen Einflussfaktoren spielen nämlich auch die Fabrikationskombinationen eine Rolle. So stellten sich z.B. bei einem mit unterschiedlichen Brennern bestücktem Heizkessel u.U. sehr verschiedene Geräuschpegel ein. Ausgeführte Anlagen bieten hier grundsätzlich Erfahrungen und Anhaltswerte, die jedoch nicht in vollem Umfang auf andere Anlagen übertragbar sind. Umso wichtiger ist es, mögliche Schallschutzeinrichtungen frühzeitig in der Planung zu berücksichtigen. Wenn nach Fertigstellung des Bauvorhabens schließlich durch Messungen ein zu hoher Schallpegel festgestellt wird und keine schallmindernden Optionen einkalkuliert wurden, sind Nachbesserungen meist sehr aufwendig und teuer.

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 Abgasanlage 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, wie es u.a. oft bei Dachheizzentralen vorkommt, 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.

Schwingungen kann ein Kesselfundament vermeiden. Kann der Heizraum nicht im Untergeschoss angeordnet werden, sollte das Kesselfundament zumindest über Stützmauern, Pfeiler oder Unterzüge positioniert werden. Für besonders schallsensible Einsatzbereiche sind beispielsweise atmosphärische Gas-Heizkessel attraktiv. Diese kommen ohne Gebläse aus und arbeiten deshalb grundsätzlich etwas leiser. Deshalb kommen diese Kessel nicht mehr nur im kleinen 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.

Luftschalldämpfung

Der Brenner wurde bereits als eine der Hauptschallquellen benannt. Werden zu hohe Schallpegel festgestellt, sollte zunächst der Brenner überprüft werden. So können sich schon aus einer günstigeren Brennereinstellung oder einer veränderten Brennerkopfausrüstung niedrigere Schallpegel ergeben. Stellen sich dadurch keine Verbesserungen ein, kann der Schall mit zusätzlichen Komponenten gedämpft werden.

Jede Schalldämpfkomponente hat seine eigene Dämpfeigenschaft. Daher ist unbedingt die angegebene Schalldämpfung in den einzelnen Oktaven mit den Oktavpegeln des Geräusches zu vergleichen. Brenner besitzen beispielsweise meist die höchsten Schallpegelspitzen im niedrigen Frequenzspektrum bis etwa 400 Hz und bedürfen daher einer speziell auf den Bereich abgestimmten Schalldämpfmaßnahme.

Weiterhin ist die Angabe der Schalldämpfung der Komponenten immer in Zusammenhang mit einem Bezugsgeräusch zu sehen. Außerdem benötigen schalldämpfende Komponenten einen gewissen Platzbedarf, der möglichst bei jeder Planung berücksichtigt werden sollte, um die Option einer nachträglichen Dämpfung offen zu halten.

Bild 7: Heizkessel mit vorgesetzter Schallhaube, die nicht nur in Bezug auf die Geräuschemissionen, sondern auch hinsichtlich des Designs auf Brenner und Heizkessel abgestimmt ist.

Im Abgasweg ist die Schallreduzierung mit Abgasschalldämpfern besonders wirkungsvoll, die zwischen Heizkessel und Abgassystem montiert werden. Hier bietet sich an, das Abgassystem so auszuführen, dass ein Segment des Abgasrohres später bei Bedarf einfach gegen einen solchen Abgasschalldämpfer ausgetauscht werden kann. Für die Reduktion von Geräuschemissionen im Aufstellraum kommen Schalldämpfhauben zum Einsatz (Bild 7). Dabei ist für eine effektive Lärmminderung wichtig, dass die Haube die gesamte Brennereinrichtung abschirmt und spaltlos am Heizkessel abschließt. Undichtigkeiten sollten unbedingt vermieden werden.

Schalldämpfhauben bestehen üblicherweise aus einer innen mit Dämmstoff versehenen Stahlkonstruktion. Für die Ansaugung der Verbrennungsluft vom Brenner ist ein schallgedämpfter Kanal vorgesehen. Schalldämpfhauben wie auch Abgasschalldämpfer sind Komponenten, die allerdings nur dem Luftschall entgegenwirken, nicht aber dem Körperschall.

Bild 8: Übersicht von luft- und körperschalldämpfenden Maßnahmen in einer Heizzentrale.

Körperschalldämpfung

Vom Heizkessel ausgehender Körperschall kann in Form von Vibrationen ohne Gegenmaßnahmen über die Aufstellfläche sowie über starr angebundene Bauteile weitergeleitet werden und sich so im gesamten Gebäude ausbreiten. Dies gilt es durch schwingungsisolierende Kompensatoren zu unterdrücken (Bild 8). Hierfür eignen sich u.a. Schallabsorbierende Kesselunterbauten. Sie bestehen in der Regel aus speziellen Isolierplatten oder aus U-Profilschienen, in die omegaförmig gebogene Längsdämmbügel aus Federstahl eingelegt sind. Bei Belastung geben diese Elemente nach und nehmen dadurch Schwingungen auf. Damit dies gleichmäßig über die gesamte Fläche geschieht, ist eine absolut waagerechte Auflage notwendig.

Zum Ausgleich der Federwege des Kesselunterbaus sowie zur Verhinderung weiterer Schallbrücken empfiehlt es sich bei den Anschlüssen ebenfalls entsprechende Kompensatoren vorzusehen. Diese sollten ohnehin in allen Verbindungsleitungen zum Schallerreger, wie z.B. in Heiz- und Sicherheitsleitungen sowie Leitungen für Brennstoffzufuhr und Brenneraggregat, eingesetzt werden. Für Rohrbefestigungen bzw. Rohraufhängungen sind ebenfalls schallabsorbierende Maßnahmen sinnvoll. Auch bei Rohrführungen durch Decken und Wände sollten direkte Kontaktstellen mit dem Gebäudekörper vermieden werden.

Fazit

Anlagengeräusche sind durch Planung, Ausführung und Komponentenauswahl so gering wie möglich zu halten. Im Bereich der Heizungstechnik gehen Geräusche insbesondere vom Heizkessel bzw. dem darin integrierten Brenner aus. Diese werden als Luft- und Körperschall emittiert und können mit entsprechend abgestimmten Komponenten gemindert werden. Der Einsatz der Schalldämpfmaßnahmen richtet sich nach den letztendlich durch Messungen festgestellten Schallwerten und der dadurch verursachten Lärmbelästigung sowie den festgelegten Grenzwerten.

Schallwerte werden von vielfältigen Faktoren beeinflusst und sind abhängig von den individuellen Gegebenheiten der Geräuschquelle sowie des Raumes, in dem sich der Schall ausbreitet. Aus diesem Grund besitzen die Ergebnisse aus vorherigen Schallberechnungen bezüglich der tatsächlich entstehenden Schallemissionen oft nur eine bedingte Aussagekraft. Diese Tatsache macht es umso wichtiger, Schallemissionen in der Gebäudetechnik möglichst frühzeitig zu berücksichtigen. Werden diese nämlich bereits in der Anlagenkonzeption einkalkuliert, lässt sich die Problematik üblicherweise mit einem vertretbaren technischen und finanziellen Aufwand lösen.

B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

* Dipl.-Ing. Frank Sprenger, Technische Public Relations, Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

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