Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken

Transkript

1 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder 1 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken Dipl.-Phys. Elmar Schröder Müller-BBM GmbH DE-Planegg bei München

2 2 6. HolzBauSpezialBauphysik HBS 2015 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder

3 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder 3 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken 1. Einleitung Abgehängte schallabsorbierende Unterdecken aus Lochblechen werden zunehmend auch für Heizung und Kühlung aktiviert. Die hierfür erforderlichen rückseitigen Wärmeleitprofile verringern jedoch den Schallabsorptionsgrad der Decken. Da Messergebnisse aus dem Hallraum in der Regel nur für einen Belegungsgrad vorliegen, stellt sich in der Praxis oft die Frage des Einflusses von davon abweichenden Belegungsgraden auf die Schallabsorption. Im Folgenden wird zunächst auf das Wirkprinzip der Schallabsorption von Unterdecken aus Lochblech eingegangen, dann der Einfluss der verschiedenen Produktparameter, wie Lochbild, Vlies, Dämpfungsauflage, Deckenabstand und Belegungsgrad mit Wärmeleitprofilen, erläutert und abschließend der Bezug der Decken- und Wandsysteme zur Raumakustik hergestellt. 2. Schallabsorption von Lochblechverkleidungen 2.1. Wirkprinzip Unterdecken und Wandverkleidungen aus Lochblech bestehen in der Regel aus 0,5 mm bis mm dicken, perforierten Metallkassetten, die meist rückseitig ein aufkaschiertes Vlies und, je nach Anwendungsfall, auch eine Dämpfungseinlage als Hohlraumbedämpfung aufweisen. Das Lochblech allein, also ohne aufkaschiertes Vlies und ohne Dämpfungseinlage, hat einen geringen Schallabsorptionsgrad und ist daher ohne zusätzliche Absorberschichten nicht zur Schallabsorption geeignet. Lochbleche weisen jedoch aufgrund ihrer geringen Dicke von weniger als einem Millimeter im Vergleich zu Holzwerkstoffplatten oder Gipskartonplatten einen vergleichsweise hohen Transmissionsgrad auf. Das gilt im Übrigen auch für perforierte Laminate, deren Dicke nur wenige Zehntelmillimeter beträgt. Im Detail hängt der Transmissionsgrad von der relativen freien Lochfläche, der Dicke des Lochblechs und in geringerem Maße auch der Lochweite ab. Da perforiertes Lochblech aufgrund der vergleichsweise hohen Transmission akustisch transparent ist, kann ein dahinter liegendes, schallabsorbierendes Material, wie z. B. Mineralfaser- oder Polyesterfaserplatten, auch mit Lochblechabdeckung schallabsorbierend wirken. Der Schallabsorptionsgrad einer Unterdecke aus Lochblechkassetten ohne und mit einer Dämpfungsauflage aus Mineralfaser ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Bezeichnung des Lochbilds mit 2516 bedeutet eine Lochweite von w = 2,5 mm und eine relative freie Lochfläche von A 0 = 16 %.

4 4 6. HolzBauSpezialBauphysik HBS 2015 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder ohne Auflage α w = 0,15 NRC = 0,15 mit 30 mm Mineralfaser (in PE-Folie verpackt) α w = 0 NRC = 0,95 Abbildung 1: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke ohne und mit Dämpfungsauflage aus 30 mm Mineralfaser; Lochbild 2516, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2]. Häufig wird auf der Rückseite des Lochblechs ein Vlies aufkaschiert, dessen Dicke in der Regel einige Zehntelmillimeter beträgt. Dieses Vlies übernimmt zunächst die Funktion des Staub- und Sichtschutzes und wird gelegentlich als Rieselschutz bezeichnet. Wenn dieses Vlies zudem noch bestimmte akustische Eigenschaften aufweist, kann die Schallabsorption des Lochblechs deutlich erhöht werden. Um die maximal mögliche Schallabsorption zu erreichen, kommt es dabei auf den geeigneten spezifischen Strömungswiderstand des Vlieses an. Weitere Eigenschaften des Vlieses, wie der Strukturfaktor und die Porosität, bedürfen bei den marktüblichen Vliesen in der Regel keiner weiteren Optimierung. Der optimale spezifische Strömungswiderstand des Lochbleches mit aufkaschiertem Vlies beträgt etwa R S = Pa s/m. Aufgrund der Geschwindigkeitstransformation der Schallwelle im Loch muss der spezifische Strömungswiderstand des Vlieses dem Lochflächenanteil angepasst werden. Bei einer relativen freien Lochfläche von A 0 = 20 % ergibt sich unter Berücksichtigung des optimalen spezifischen Strömungswiderstands der Gesamtkonstruktion von R S = Pa s/m ein rechnerisch optimaler Strömungswiderstand für das Vlies von etwa R S = 200 Pa s/m. Im Detail sind die Dinge allerdings etwas komplizierter, da zum einen das Geschwindigkeitsprofil im Loch nicht homogen ist und sich hieraus ein Einfluss der Lochweite ergibt, und zum anderen die Faservliese durch das Aufkaschieren mit Kontaktkleber zwar einen sehr guten, aber keinen perfekten luftdichten Abschluss zum Lochrand bilden. Bei großen Löchern von mehr als 5 mm Lochweite sind aufgrund des geringen Lochumfangs im Verhältnis zur Lochfläche die genannten Einflüsse meist vernachlässigbar, so dass sich die rechnerisch erwartete Geschwindigkeitstransformation des Strömungswiderstands auch tatsächlich einstellt. Bei den sogenannten Mikroperforationen, d. h. sehr geringen Lochweiten von in der Praxis meist 0,5 mm bis mm, führt bereits die Anströmung des Lochrands zu einer merklichen Erhöhung des Strömungswiderstands, so dass sich hier bereits ohne Vlies ein hoher Schallabsorptionsgrad einstellt. Bei relativen freien Lochflächen zwischen 15 % und 25 % und einem typischen Prüfaufbau mit 200 mm Deckenhohlraum (E-200 nach ISO 354 [2]) lassen sich mit vlieskaschierten Lochblechunterdecken bewertete Schallabsorptionsgrade von maximal w = 0 erreichen. Diese vergleichsweise hohen bewerteten Schallabsorptionsgrade erfordern jedoch eine optimale Abstimmung des Strömungswiderstands des Vlieses auf die jeweilige relative freie Lochfläche und ggf. auch noch auf die Lochweite. In der Praxis steht wenig dafür, für jede relative freie Lochfläche ein anderes Vlies zu verwenden, zumal der Strömungswiderstand des Vlieses Produktionsschwankungen unterliegt, so dass ein bewerteter Schallabsorptionsgrad von w = 0,75 eine sinnvolle Zielgröße darstellt.

5 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder 5 Wenn ein höherer Schallabsorptionsgrad erforderlich ist, kann dies mit einer zusätzlichen Dämpfungsauflage, beispielsweise aus Mineralfaser oder Polyesterfaser, erreicht werden. Damit sind bei 200 mm Gesamtaufbauhöhe (E-200 nach ISO 354 [2.]) bewertete Schallabsorptionsgrade von w = 0 erreichbar. Je dicker die zusätzliche Dämpfungsauflage gewählt wird, desto weiter kann die Schallabsorption auch im tieffrequenten Bereich erhöht werden. In Abbildung 2 ist der Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke mit aufkaschiertem Vlies ohne und mit 50 mm dicker Mineralfaserauflage dargestellt. mit Vlies α w = 0 NRC = 0 mit Vlies und 50 mm Mineralfaser α w = 0 NRC = 0,95 Abbildung 2: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke mit aufkaschiertem Vlies: ohne und mit zusätzlicher Dämpfungsauflage aus 50 mm dicker Mineralfaser; Lochbild 2516, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2] Einfluss des Deckenabstands Der Abstand zwischen der Lochblechdecke und der Rohdecke bestimmt von tiefen Frequenzen kommend die Lage des ersten Maximums der Schallabsorption. Bei senkrechtem Schalleinfall liegt das erste Maximum bei der Frequenz, deren zugehörige akustische Wellenlänge in Luft dem Vierfachen des Deckenabstands entspricht. Bei diffusem Schalleinfall, d. h. bei Vorhandensein aller möglichen Einfallswinkel zwischen 0 (senkrechter Schalleinfall) und typisch etwa 80 (streifender Schalleinfall), liegt die Frequenz des ersten Maximums bei geringeren Frequenzen als bei senkrechtem Schalleinfall. Wie die Messergebnisse in Abbildung 3 zeigen, kann durch eine Erhöhung des Deckenabstands die Schallabsorption zu tiefen Frequenzen hin erhöht werden.

6 6 6. HolzBauSpezialBauphysik HBS 2015 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder 50 mm 100 mm 200 mm 400 mm Abbildung 3: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke mit aufkaschiertem Vlies bei verschiedenen Deckenabständen; Lochbild 2516, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2] Einfluss des Lochbilds Wie bereits bei den Erläuterungen zum Transmissionsgrad erwähnt, hängt dieser sowohl von der relativen freien Lochfläche, von der Dicke des Lochblechs als auch von der Lochweite ab. Um den Abfall der Schalltransmission zu möglichst hohen Frequenzen hin zu verschieben, muss das Lochblech dünn, die relative freie Lochfläche hoch und die Lochweite klein sein. Bei der in der Praxis kleinsten möglichen Dicke des Lochblechs von s = mm wird selbst bei einer relativen freien Lochfläche von nur A 0 = 4 % die Schallabsorption bis 1000 Hz nur in geringem Maße verringert, wenn gleichzeitig die Lochweite mit w = 0,7 mm klein gewählt wird. Durch den Abfall der Schallabsorption in der 4000 Hz- Oktave wird zwar der bewertete Schallabsorptionsgrad kleiner, was in der raumakustischen Praxis jedoch in den meisten Fällen unproblematisch sein dürfte. Bei einer geeigneten Dimensionierung des Vlieses und der Dämpfungsauflage ist der Architekt, abgesehen von Feinheiten in der Schallabsorption bei hohen Frequenzen, somit weitgehend frei in der Auswahl des Lochbilds. Lochbild 1620 α w = 0,95 NRC = 0,95 Lochbild 2516 α w = 0,90 NRC = 0,90 Lochbild 0704 α w = 0 NRC = 5 Abbildung 4: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechwandverkleidung mit verschiedenen Lochbildern; mit aufkaschiertem Vlies und 50 mm dicker Mineralfasereinlage in PE-Folie verpackt, Blechdicke mm, Aufbau A nach ISO 354 [2] mit 50 mm Gesamtaufbauhöhe.

7 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder Einfluss von Wärmeleitprofilen Zum Heizen und/oder Kühlen können Wärmeleitprofile rückseitig auf Metalldecken befestigt werden. Aus thermischen Gründen ist dabei ein flächiger Kontakt zwischen den Wärmeleitprofilen und dem Lochblech erforderlich, so dass die vom Wärmeleitprofil abgedeckte Fläche nicht schallabsorbierend wirken kann. Mit zunehmendem Belegungsgrad durch Wärmeleitprofile nimmt daher der Schallabsorptionsgrad ab. Die Abnahme des Schallabsorptionsgrads durch Wärmeleitprofile erfolgt bei Frequenzen oberhalb von 250 Hz und dabei für hohe Frequenzen schneller als für mittlere Frequenzen (siehe Abbildung 5). Bei Frequenzen unter 250 Hz kann der Schallabsorptionsgrad mit zunehmender Belegung durch Wärmeleitprofile hingegen sogar etwas zunehmen. Dieses Verhalten ergibt sich aus der Abhängigkeit des Transmissionsgrads von der Frequenz und dem ebenfalls frequenzabhängigen Einfluss der Wärmeleitprofile auf den effektiven Strömungswiderstand. Durch die Wärmeleitprofile wird die effektive freie Fläche reduziert. Hierdurch wird der Transmissionsgrad verringert und der resultierende Strömungswiderstand erhöht. Der Transmissionsgrad verringert sich durch die Wärmeleitprofile bei dem Beispiel in Abbildung 5 merklich erst oberhalb von 250 Hz. Der Strömungswiderstand wird durch die Wärmeleitprofile bei Wellenlängen, die groß im Vergleich zum Abstand der Wärmeleitprofile sind, entsprechend der resultierenden relativen freie Fläche erhöht. Beispielsweise ergibt sich bei einem Belegungsgrad mit Wärmeleitprofilen von 50 % gegenüber dem vlieskaschierten Lochblech ohne Wärmeleitprofile rechnerisch eine Verdoppelung des resultierenden Strömungswiderstands. Die Erhöhung des Strömungswiderstands durch die Wärmeleitprofile führt daher zu einer Erhöhung der Schallabsorption, wenn der Strömungswiderstand ohne Wärmeleitprofile zu gering war. Bei Wellenlängen, die klein im Vergleich zum Abstand der Wärmeleitprofilen sind, ergibt sich im Grenzfall keine Erhöhung des Strömungswiderstands durch die Wärmeleitprofile. ohne Profile Belegungsgrad 0 % α w = 0 NRC = 0,95 3 x 100 mm breite Profile Belegungsgrad 42 % α w = 0 NRC = 0,90 4 x 100 mm breite Profile Belegungsgrad 54 % α w = 5 NRC = 5 4 x 125 mm breite Profile Belegungsgrad 69 % α w = 0,50 NRC = 0,75 Abbildung 5: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke ohne und mit Wärmeleitprofilen bei unterschiedlichen Belegungsgraden; Lochbild 1821, mit aufkaschiertem Vlies (R S = 24 Pa s/m) und 50 mm dicker Mineralfasereinlage, Blechdicke 0,7 mm, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2]. In Abbildung 6 sind der Schallabsorptionsgrad einer perforierten Metalldecke mit Wärmeleitprofilen mit einem strömungstechnisch sehr offenen Vlies (R S = 24 Pa s/m) und einem dichteren Vlies (R S = 213 Pa s/m), jeweils ohne und mit Dämpfungsauflage, dargestellt. Während sich bei dem offenen Vlies die Schallabsorption durch Hinzufügen der Dämpfungsauflage deutlich erhöht, kommt es bei dem dichteren Vlies teilweise sogar zu einer Minderung der Schallabsorption durch die Dämpfungsauflage. Oberhalb von 2000 Hz ist der Schallabsorptionsgrad bei der perforierten Metalldecke mit Mineralfaserauflage für beide Vliestypen gleich, da hier nur noch eine geringe Transformation des Strömungswiderstands des Vlieses stattfindet.

8 8 6. HolzBauSpezialBauphysik HBS 2015 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder ohne Mineralfaser Vlies R S = 20 Pa s/m α w = 0,30 NRC = 5 mit Mineralfaser Vlies R S = 20 Pa s/m α w = 0,50 NRC = 0,75 ohne Mineralfaser Vlies R S = 200 Pa s/m α w = 5 NRC = 0,55 mit Mineralfaser Vlies R S = 200 Pa s/m α w = 0,50 NRC = 0 Abbildung 6: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke mit Wärmeleitprofilen: Vliese mit einem Strömungswiderstand von R S = 24 Pa s/m oder R S = 213 Pa s/m, jeweils ohne und mit 50 mm dicker Dämpfungsauflage; Lochbild 1821, Wärmeleitprofile mit einem Belegungsgrad von 70 %, mit aufkaschiertem Vlies, Blechdicke 0,7 mm, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2]. Der akustische Effekt, dass die schallabsorbierende Fläche größer ist als die geometrische Fläche des Absorbers, ist allgemein bekannt und wird aus der Kantenbeugung erklärt. Je größer der Umfang der Wärmeleitprofile im Verhältnis zu deren Fläche ist, desto mehr wirkt sich der Kantenbeugungseffekt auf den Schallabsorptionsgrad aus. In Abbildung 7 ist der Schallabsorptionsgrad bei gleichbleibendem Belegungsgrad mit Wärmeleitprofilen aber unterschiedlichen Profilbreiten dargestellt. Oberhalb von 400 Hz ist mit zunehmendem Verhältnis von Umfang zu Fläche auch eine steigende Schallabsorption erkennbar. Innerhalb der in Abbildung 7 dargestellten extremen Belegungsmuster kann der Schallabsorptionsgrad um etwa 10 % erhöht werden. ohne Profile α w = 0,90 NRC = 0,90 8 x 50 mm breite Profile α w = 0 NRC = 5 5 x 75 mm breite Profile α w = 0,55 NRC = 5 4 x 100 mm breite Profile α w = 0,50 NRC = 0 3 x 125 mm breite Profile α w = 0,50 NRC = 0 Abbildung 7: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke ohne und mit Wärmeleitprofilen bei unterschiedlichen Breiten der Wärmeleitprofile aber gleichem Belegungsgrad von 54 %; Lochbild 1810, mit aufkaschiertem Vlies und 50 mm dicker Mineralfasereinlage, Blechdicke 0,7 mm, Aufbau E-200 nach ISO 354 [2].

9 Akustik und Raumklima Einfluss von Heiz-/Kühlsystemen auf das Absorptionsverhalten von gelochten Decken E. Schröder 9 3. Zusammenfassung Mit perforierten Metalldecken und Wandverkleidungen lassen sich grundsätzlich sehr hohe Schallabsorptionsgrade erreichen. Wenn ein ausreichender Decken- bzw. Wandabstand zur Verfügung steht, kann über den gesamten raumakustisch relevanten Frequenzbereich eine gleichmäßige Schallabsorption erreicht werden. Verkleidungen aus Lochblech sind daher eine schalltechnisch gut geeignete Konstruktion, wenn es darauf ankommt, eine möglichst hohe, breitbandige Schallabsorption zu gewährleisten. Bei der Auswahl der Lochbilder ist der Architekt weitgehend frei von akustischen Vorgaben. Durch Wärmeleitprofile wird der Schallabsorptionsgrad mit steigender Frequenz zunehmend reduziert. Durch eine abgestimmte Dimensionierung von Vlies und Wärmeleitprofilen auf das Lochbild kann die Verringerung der Schallabsorption durch die Wärmeleitprofile minimiert werden. In vielen raumakustischen Anwendungsfällen ist die verbleibende Minderung der Schallabsorption unkritisch, da bei hohen Frequenzen andere Materialien im Raum die verringerte Schallabsorption durch die Wärmeleitprofile kompensieren. 4. Literatur und Normen [1.] CREMER L, MÜLLER HA Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Band I, II, Hirzel, Stuttgart (1978) [2.] ISO 354 Acoustics - Measurement of sound absorption in a reverberation room ( ) [3.] WAGNER, M Untersuchung des Schallabsorptionsgrades von Kühldecken aus gelochten Metallkassette, Bachelorarbeit, Hochschule Rosenheim (2015)