Schallausbreitung von Verflüssigern

Lärm macht krank! Über 80 % der Bevölkerung fühlen sich durch Lärm belästigt. Das Bundesumweltministerium will deshalb den Schutz vor Lärm spürbar und nachhaltig verbessern und die Lärmbelastung der Bevölkerung auf maximal 65 dB(A) am Tag und 55 dB(A) bei Nacht begrenzen. Güntner hat diese Entwicklung mit zum Anlass genommen, die schalltechnischen Kenndaten seiner im Freien aufgestellten ventilatorbelüfteten Wärmeaustauscher noch detaillierter zu ermitteln. Mit Hilfe des Immissionsrechenprogramms CadnaA lassen sich die Schallemission einzelner Geräte wie auch die Schallausbreitung im Zusammenhang mit anderen Schallemittenten von ganzen Liegenschaften oder Industriearealen dreidimensional modellieren.

Lärm gilt für die meisten Menschen als das Umweltproblem schlechthin. Eine Online-Umfrage des Umweltbundesamtes im Jahr 2002 zum Thema Lärmbelästigung [1] kam zu besorgniserregenden Ergebnissen. Bereits zuvor veröffentlichte das Umweltbundesamt die Resultate der sogenannten NaRoMi-Studie, (Noise and Risk of Myocardial Infarction) [2], wonach chronische Lärmbelastungen das Risiko für den Herzinfarkt erhöhen. Besonders gefährdet seien Bevölkerungsgruppen an stark mit Verkehrslärm belasteten Straßen, deren Tagesimmissionspegel bei über 65 dB(A) bzw. nachts bei ca. 55 dB(A) liegt. Der Sachverständigenrat für Umweltfragen forderte deshalb, dass die Lärmbelastung der Bevölkerung von 65 dB(A) am Tag und 55 dB(A) in der Nacht nicht mehr überschritten werde. Dies sei jedoch nur möglich, wenn Lärmminderungen an der Lärmquelle (bei Straßen-, Schienen- und Luftverkehr) in Kombination mit Maßnahmen an „Infrastruktureinrichtungen“ sowie bei „Geräten, die für die Verwendung im Freien vorgesehen sind“, durchgesetzt werden. Ausdrücklich weist der Gesetzgeber daraufhin, dass „kleinräumige Schallschutzmaßnahmen“ allein das von der EU geforderte Lärmschutzniveau auf Dauer nicht absichern können.

Die EU-Richtlinie über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm (2002/49/EG) schreibt deshalb u. a. vor, „dass spätestens bis zum 30. Juni 2007 für das vorangegangene Kalenderjahr strategische Lärmkarten für sämtliche Ballungsräume mit mehr als 250 000 Einwohnern von den zuständigen Behörden ausgearbeitet und gegebenenfalls genehmigt sind.“ Aufgrund der EU-Richtlinie kommt der präventiven Lärmbekämpfung bei im Freien aufgestellten Geräten und Aggregaten für Lüftungs-, Klima- und Kälteanlagen sowie Industriekühlanlagen (Kühlung ohne Kälteanlage, z. B. BHKW und Biogaskühlung) künftig ein bedeutend höherer Stellenwert zu als bisher.

Offensive zur Minderung der Schallemission | Unabhängig von dieser EU-Richtlinie bietet die Güntner AG & Co. KG (www.guentner.de) bereits seit vielen Jahren Axialgeräte (Verflüssiger und Rückkühler) zur Aufstellung im Freien an, die den jeweiligen Anforderungen der Betreiber hinsichtlich der Schalldaten Rechnung tragen. Grundlage dafür sind die in der TA Lärm bzw. der VDI-Richtlinie 2058, Blatt 1 dargelegten Richtwerte, die mit ihren Schallanforderungen über die genannte EU-Richtlinie noch erheblich hinausgehen (Tabelle 1).

Luftgekühlte Güntner-Axialgeräte sind technische Schallquellen, die meist rund um die Uhr – also auch während der Nachtzeiten – betrieben werden. Insbesondere beim Einsatz innerhalb von Wohn-, Siedlungs- und Sondergebieten sind die Anforderungen seitens des Geräuschimmissionsschutzes besonders strikt zu erfüllen. Güntner als Gerätehersteller bietet daher dem Betreiber bzw. Anwender Schalldaten als Schalldruck- und Schall-Leistungspegelwerte an, um ihn in die Lage zu versetzen, die gesetzlichen Vorschriften bei der Auswahl der Geräte zu berücksichtigen.

Durch die große Auswahl von Ventilatoren mit jeweils zehn Drehzahlbereichen (N, M, L, S, E in Δ- und Y-Schaltung) für die Ventilatordurchmesser 800 und 900 mm können nahezu sämtliche Schallanforderungen erfüllt werden. Auch der Einsatz von EC-Motoren (elektrisch kommutierte Gleichstrommotoren) trägt zur Schallreduzierung bei. Die EC-Motoren bieten neben dem besseren Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Motoren (AC-Motoren) den Vorteil, im geregelten Zustand weniger Motorgeräusche zu verursachen (insbesondere bei Drehzahlregelung < 50%).

Hinzu kommen energieeffiziente Drehzahlregelungen für die Ventilatoren der Verflüssiger und Rückkühler. Der Sinusregler und das Güntner Motor Management (GMM) für EC-Motoren z.B. sichern einen optimalen Anlagenbetrieb und reduzieren darüber hinaus mit sinkender Drehzahl die Schallemission der Ventilatoren ganz erheblich.

Da die Planung der Geräte aus Gründen des Lärmschutzes, aber auch architektonischer und städtebaulicher Vorgaben immer stärkeren Zwängen unterworfen ist, werden die Axialgeräte für folgende Aufstellmöglichkeiten angeboten:

n auf dem Gebäude,

n im Gebäude,

n am Gebäude und

n außerhalb des Gebäudes (Freiflächen, Gruben usw.).

Grundvoraussetzung zur Realisierung der jeweiligen Aufstellmöglichkeit ist die Erfüllung folgender Forderungen:

n ungehinderte Zu- und Abführung des Ventilatorluftstromes des Axialgerätes entsprechend der Herstellerforderung,

n Erfüllung der beauflagten Schallanforderungen.

Eine wesentliche Voraussetzung für den in diesem Falle unabdingbaren Einklang von Architektur und Gebäudetechnik ist die Fähigkeit aller Beteiligten, diese integrativen Lösungen bereits im frühesten Stadium der Planungsphase zu realisieren.

Daten für schalltechnisches Gesamtkonzept | Bereits im Vorfeld der Umsetzung der EU-Richtlinie über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm in nationales Recht bzw. in EU-Normen hat Güntner ein internes Strategiepapier verabschiedet mit dem Ziel, dem Planer ein schlüssiges, auf den Prinzipien der Nachhaltigkeit beruhendes Gesamtkonzept zur Schallausbreitung von Axialgeräten von Kälte-, Klima- und Industriekühlanlagen anzubieten. Der Planer soll damit in die Lage versetzt werden, nicht nur die Schallausbreitung einzelner Geräte (Einzelschallquellen) exakt vorauszuberechnen, sondern die gewonnenen Daten in ein realitätsnahes schalltechnisches Gesamtkonzept zu integrieren, um so die zu erwartenden Schallpegel bereits im Planungsstadium einer Kälte- bzw. Klimaanlage unter Berücksichtigung weiterer Schallquellen punktgenau prognostizieren zu können (Bild 1). Ermöglicht wird dieser Schritt durch die Entscheidung von Güntner, die Emissionsdaten der Axialgeräte-Produktreihen (Verflüssiger (GVH), Rückkühler (GFH)), d. h. die Freifeld-Schalldruckpegelverteilung für die Umgebung der Geräte unter Anwendung der Norm DIN ISO 9613-2 „Akustik – Dämpfung des Schalls bei Ausbreitung im Freien – Teil 2: Allgemeine Berechnungsverfahren“ zu ermitteln. Die resultierenden Grafiken werden ohne Einschränkung über die Güntner-Webseite zur Verfügung gestellt. Werden diese Grafiken von Fachplanern mit den Berechnungsergebnissen für weitere Schallquellen überlagert, ist dies die Basis für den Immissionsschutznachweis für z. B. ganze Industrieanlagen.

Planung mit vielen Unbekannten | Die Planung einer Kälte- und/oder Klimaanlage mit im Freien aufgestellten Verflüssigern bzw. Rückkühlern zur Abführung der Verflüssigungswärme der Kälteanlage gilt als komplexe Planungsaufgabe mit vielen Variablen.

Die in Bild 3 dargestellten Rückkühler gewährleisten z. B. die Wärmeabfuhr der sehr komplexen Energieversorgung des Berliner Parlaments- und Regierungsviertels für die Betriebsarten:

n Sommerbetrieb (Verdichter- und Absorptionskälteanlagen),

n Winterbetrieb (Kühlung der Erdspeicher),

n Freie Kühlung.

Auslegung, Dimensionierung und Platzierung der Geräte sind sowohl von der Architektur des Gebäudes (Optik) wie auch vom Kältebedarf und damit auch von der Bereitschaft des Bauherrn zur Investition in Wärmerückgewinnungsanlagen, von der Art der Kälteanlage und des Klimasystems sowie der bauphysikalischen Qualität des Gebäudes abhängig.

Da sich viele entscheidende Parameter oft noch während der Ausführungsplanung ändern, z. B. Fassaden, U-Werte von Verglasungen, K-Werte von Umfassungswänden oder die Bauart von Sonnenschutzanlagen, ändert sich auch die Leistung der Kälteanlage und damit die Auslegung der Verflüssiger bzw. Rückkühler. Dies führt wiederum zu Einflussnahmen auf Aufstellort und Einbindung der Geräte in die Architektur. Nicht selten kommen kurz vor Realisierung neue Aufstellforderungen ins Spiel, wenn zum Beispiel durch Vorgaben des Architekten keine Dachaufstellung möglich oder erwünscht ist (Bild 5).

Geht der Auftrag am Ende an einen Generalübernehmer, werden oftmals sorgfältig geplante, an Life-Cycle-Kriterien orientierte Auslegungen zugunsten von Billiglösungen aufgegeben. Mit Veränderungen am Klima-Kältekonzept ändern sich auch die Leistungen und damit die Werte der Schallemission von Verflüssigern bzw. Rückkühlern, was meist zu einem nicht enden wollenden Planungsaufwand führt.

Für viele Planer gleicht die Auslegung, insbesondere der Peripherie und dort insbesondere der Schalldaten von Kälte-, Klima- bzw. Industriekühlanlagen, einem Vabanquespiel mit oft umständlich oder gar nicht zu beschaffenden Daten über Schall-Leistung und Richtungscharakteristika, so dass – zur eigenen Absicherung – häufig mit Angstzuschlägen und Reserven gearbeitet wird.

Schalltechnische Geräteauslegung mit der Auslegungssoftware „GPC“ | Die EU-Lärmschutzanforderungen, die verschärften nationalen Bestimmungen sowie das Bedürfnis, den Fachplanern einen speziellen Service anzubieten, waren für Güntner ein vordringlicher Grund, ein computergestütztes Werkzeug zur Beschleunigung, Absicherung und Präzisierung diffiziler schalltechnischer Auslegungen von im Freien aufgestellten, ventilatorbelüfteten Verflüssigern und Rückkühlern zu schaffen. Bei der Anwendung der „GPC“-Software generiert sich z. B. nach Vorgabe von Gerätetyp, Gerätebauart und thermischen Eingangsbedingungen eine Auswahlliste mit Gerätemodellen, die den vorgegebenen Kriterien am besten entsprechen, auch unter Kostengesichtspunkten.

Neu gegenüber der konventionellen Berechnung des Schalldruckpegels mittels Abstandskoordinaten zu einem diskreten Immissionspunkt ist die grafische Darstellung der zweidimensionalen Schallausbreitung. Damit wird der Planer nicht nur von der zeitaufwendigen und damit teuren Dokumentation seiner Auslegungsberechnung entlastet, die „GPC“-Software erhöht implizit auch die Planungssicherheit hinsichtlich der zu berücksichtigenden Normen und Richtlinien (z. B. BimSchG, TA Lärm, DIN ISO 9613, Teil 2 und DIN EN 13 487) und damit auch die Wirtschaftlichkeit des Planungsprozesses .

Oft wird aus Unkenntnis die tatsächliche Schalldruckpegelverteilung um ein Gerät missachtet. Geschickt vermarktet kann dies jedoch auch zu niedrigeren Schalldruckpegeln in den Unterlagen führen. Der daraus resultierende Schall-Leistungspegel liegt dann mehrere dB unter dem realen Wert. Beschäftigte und Anwohner haben dann das Nachsehen, da sie mit einem real höheren Lärmpegel leben müssen (Tabelle 2).

Mehr Transparenz durch Farben und 1 dB-Isolinien | Um die Schallausbreitung auch optisch zu verdeutlichen, wurden in der graphischen Darstellung im Bereich zwischen 30 dB(A) und 80 dB(A) in Schritten von jeweils 5 dB für alle Geräte feste Farbzuordnungen definiert. Dadurch ist erstmals eine direkte Vergleichbarkeit unterschiedlicher Geräte hinsichtlich ihrer Schalldruckpegelverteilung möglich. Weitere Merkmale der „GPC“-Auslegungssoftware sind:

n Farbbereiche (5 dB) zusätzlich durch 1 dB-Isolinien unterteilt,

n Angabe des Schalldruckpegels als Zahlenwert im Abstand von 15 m von der Gerätemitte aus,

n Anzeige des Schalldruckpegels an beliebigen, vom Planer wählbaren Immissionsorten – ein Novum, das in dieser Form und Genauigkeit bei der Auslegung von Rückkühlern und Verflüssigern bisher nicht existierte.

Bei Verwendung des Rechenprogrammes CadnaA und des auf Anfrage von Güntner zur Verfügung gestellten Rechenfiles stehen u. a. folgende Optionen zur Verfügung:

n Detaillierte Darstellung und Gegenüberstellung von dreidimensionalen Schalldruckpegelverteilungen von Einzelgeräten (freistehend), von Einzelgeräten vor Gebäudewänden, in Hausecken oder auf Dächern,

n Import eines speziellen Axialgerätes in ein projektbezogenes schalltechnisches Gesamtkonzept einer Liegenschaft oder eines Industriestandorts,

n Vergleichsberechnungen der Schalldruckpegelverteilung einer Liegenschaft mit/ohne Axialgeräten zur Berechnung der numerischen Subtraktion. Mit dieser Differenzkarte lässt sich beispielsweise beurteilen, in welchem Umkreis mit einer zusätzlichen Schallbelastung durch einen Verflüssiger/Rückkühler zu rechnen ist und ob bzw. wenn ja, welche zusätzliche Schallbelastungen an einem bestimmten Punkt, beispielsweise vor angrenzenden Wohnungen, durch ein Axialgerät zu erwarten sind.

Fazit | Durch die systematische Erfassung von Geräte- und Schallemissionskenndaten der Güntner-Axialgerätebaureihen (Verflüssiger und Rückkühler für Kälte-, Klima- und Industriekühlanlagen) sind mittels der „GPC“-Software farbig codierte Schalldruckpegelverteilungen weltweit online abrufbar. Auf Anfrage stellt Güntner auch das entsprechende Rechenmodell mit den schalltechnischen Emissionskenndaten zur Verfügung. Neben Einzelgerätebetrachtungen lassen sich somit auch schalltechnische Gesamtkonzepte unter Berücksichtigung weiterer Schallemittenten realisieren. Schon während der Planungsphase können so die zu erwartenden Schalldruckpegel an beliebigen Punkten exakt prognostiziert werden. Die weit verbreitete Unsicherheit bei der Auslegung von Axialgeräten ist damit passé. Zugleich wird die immissionsschutzrechtlich erforderliche nachvollziehbare Dokumentation der Ausbreitungsberechnung erheblich vereinfacht. Das Rechenmodell ist zugleich Basis für eindeutige schalltechnische Vertragsspezifikationen, die Verantwortlichkeiten, Gewährleistungsfragen sowie die Leistungsgrenzen zwischen dem TGA-Fachingenieur und dem schalltechnischen Berater definieren (Bild 10).

Literatur

[1] www.umweltbundesamt.de/laermumfrage
[2] WaBoLu-Hefte 02/2004, Berlin, Umweltbundesamt (online zu bestellen)

Dipl.-Ing. Arno Pusch,

Dipl.-Phys. Peter Roth,

Güntner AG & Co. KG

Tabelle 1: Immissionsrichtwerte nach TA Lärm für Immissionsorte ausserhalb von Gebäuden
    tags    nachts
a) in Industriegebieten    70 dB (A)
b) in Gewerbegebieten    65 dB (A)    50 dB (A)
c) in Kerngebieten, Dorfgebieten und Mischgebieten    60 dB (A)    45 dB (A)
d) in allgemeinen Wohngebieten und Kleinsiedlungs
     gebieten    55 dB (A)    40 dB (A)
e) in reinen Wohngebieten    50 dB (A)    35 dB (A)
f) in Kurgebieten, für Krankenhäuser und Pflegeanstalten     45 dB (A)    35 dB (A)

Schallemission und Schallausbreitung von Rückkühlern und Verflüssigern

Das Wort „Schall“ ist ein in der Kälte- und Klimatechnik häufig verwendeter Begriff, um recht unspezifisch auf ein „Schallproblem“ hinzuweisen.

Direkt messbar als physikalische Größe ist der Schalldruck in der Maßeinheit Pascal (Pa). Angegeben wird der Schalldruck aber meist als Pegelgröße (Schalldruckpegel) in der Maßeinheit Dezibel (dB). Die Schall-Leistung ist das Maß für die von einer Schallquelle abgegebenen Schallenergie pro Zeiteinheit; ihre Einheit ist Watt (W). Der Schall-Leistungspegel ist auf die Hörschwelle des Menschen normiert. Er entspricht der Schall-Leistung einer Schallquelle, die auf einer sie umgebenden kugeligen Oberfläche von 1 m² einen mittleren Schalldruck von p₀ = 20 μPa erzeugt. Ein Schalldruck von dieser Größe ist gerade noch wahrnehmbar. Der Schalldruck in Pa ist durch Mikrofone messbar. Die Schall-Leistung in W ist nicht direkt messbar. Sie kann immer nur aus dem messbaren Schalldruck entlang einer Oberfläche ermittelt bzw. über die Schallintensität bestimmt werden.

Die Schallintensität bezeichnet den Schall-Leistungsbelag einer Fläche; ihre Einheit ist W/m². Bei gleichem Schalldruck empfindet das menschliche Ohr unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich laut, also subjektiv. Mittlere Frequenzen werden deutlich lauter empfunden als sehr tiefe oder sehr hohe Töne. Deshalb werden Schalldruckpegel bzw. Schall-Leistungspegel zusätzlich bewertet, erkennbar an der Schallpegelangabe dB(A).

Zur Berechnung der Schallemission und Schallausbreitung von Rückkühlern und Verflüssigern hat sich das so genannte „quaderförmige Hüllflächenverfahren“ über einer reflektierenden Ebene bewährt. Die „quaderförmige Hüllfläche“ ist in diesem Fall ein fiktiver Quader im Abstand „d“ zu den Außenflächen eines schallemittierenden Gerätes; die reflektierende Ebene ist das Freifeld, also das Dach bzw. die Wand, auf dem das Gerät aufgestellt bzw. an der es befestigt ist. Diese Betrachtungsweise ist auch Basis verschiedener Normen zum Thema „Schall“, insbesondere der DIN EN 13 487 „Wärmeaustauscher – Ventilatorbelüftete Kältemittelverflüssiger und Trockenkühltürme – Schallmessung“.

Die Einhaltung dieser Norm ist in sofern relevant, da Schall-Leistung und Schalldruck eines Verflüssigers bzw. eines Rückkühlers großen Einfluss auf die Gerätegröße und damit auf den Gerätepreis haben. Muss beispielsweise die Schallemission eines Gerätes wegen eines vorgegebenen Schallgutachtens vermindert werden, bedeutet dies meist die Reduzierung der Lüfterdrehzahl, ergo ein verminderter Wärmeaustausch und damit bei gleicher Wärmeaustauschleistung ein Gerät mit größerer Wärmeaustauscherfläche. Aus der Erfahrung ist ein um 1 dB leiseres Gerät um rund 4 % teurer.

Bei „Kampfpreisen“, aber auch um solche Kostenunterschiede zu verschleiern, werden von manchen Anbietern „modifizierte Hüllflächenverfahren“ als Berechnungsmethode angewandt (siehe auch Tabelle 2). So gibt es Hersteller, die zur Berechnung der Hüllfläche die Deckfläche des Quaders zweimal berechnen, was im Abstand von 10 m zu einem etwa 1,5 dB niedrigeren Schalldruckpegel führt. Teilweise wird auch auf die Berücksichtigung der schallreflektierenden Aufstellflächen verzichtet, was im Abstand von 10 m zu einem um 3 dB niedrigeren Schalldruckpegel führt. Infolge dessen kann bei vermeintlich gleicher Ausgangssituation ein um 12 % kleineres, d.h. auch billigeres Gerät angeboten werden. Derartige „Varianten“ lässt die gültige DIN EN 13 487 jedoch nicht zu; Auslegungen dieser Art gelten bei etablierten Anbietern deshalb als unseriös.

Tabelle 2: Vergleich verschiedener Berechnungsmethoden, abweichend von EN 13487; dadurch können Preisdifferenzen bis zu 12 % „schön gerechnet“ werden
Beispiel    Gerätelänge    10,0 m
    Gerätebreite    2,3 m
    Gerätehöhe    1,5 m
    Schallleistungspegel    70 dB(A)
Schalldruckpegel in 10 m Entfernung
EN 13487    „andere“ Methode    ohne Reflexion
37,3 dB(A)    35,9 dB(A)    34,4 dB(A)
12 % Preisdifferenz

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