關(guān)于排煙風(fēng)管隔熱層厚度的探討

劉付偉 陳焰華 昌愛文

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,武漢)

0 引言

GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》[1](以下簡稱GB 51251—2017)已實施近6年,該規(guī)范對于防排煙管道的要求相比已作廢的GB 50016—2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》及GB 50045—95《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》有較大變化,該規(guī)范指出排煙管道均需滿足不同等級耐火極限的要求,同時設(shè)置在吊頂內(nèi)的排煙管道在滿足耐火極限的基礎(chǔ)上,還需設(shè)置隔熱層。

在實際工程中,設(shè)計、甲方、監(jiān)理、施工及消防驗收部門等對風(fēng)管耐火極限的設(shè)置都比較重視,且市面上存在大量滿足耐火極限的不同材料類別的防火板,但對于設(shè)置在吊頂內(nèi)排煙風(fēng)管的隔熱層與耐火極限的關(guān)系,無論是生產(chǎn)企業(yè)、設(shè)計單位、圖審機構(gòu),還是消防驗收部門,對該做法均存在不同的理解,本文通過理論計算及應(yīng)用案例,提出相關(guān)意見及建議,供同行探討與參考。

1 隔熱材料的設(shè)置厚度

GB 51251—2017第4.4.9條提出:當?shù)蹴攦?nèi)有可燃物時,吊頂內(nèi)的排煙管道應(yīng)采用不燃材料進行隔熱,并應(yīng)與可燃物保持不小于150 mm的距離。GB 51251—2017第6.3.1.5條提出:排煙風(fēng)管的隔熱層應(yīng)采用厚度不小于40 mm的不燃絕熱材料。GB 51251—2017第4.4.9條的條文說明指出:為了防止排煙管道本身的高溫引燃吊頂中的可燃物,本條規(guī)定安裝在吊頂內(nèi)的排煙風(fēng)管應(yīng)采取隔熱措施,如在排煙風(fēng)管外包敷具有一定耐火極限的材料,并與可燃物保持不小于150 mm的距離。

計算舉例:隔熱材料選用玻璃棉,計算環(huán)境溫度35 ℃,煙氣溫度280 ℃,表面換熱系數(shù)8.141 W/(m2·K),其隔熱層厚度計算結(jié)果見表1。

表1 隔熱層厚度與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系

以此為依據(jù),GB 51251—2017明確了設(shè)置在吊頂內(nèi)的排煙管道隔熱層的厚度不小于40 mm,但由于GB 51251—2017條文及其說明中均未給出隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù),同一隔熱材料不同的導(dǎo)熱系數(shù)或者不同隔熱材料的包覆厚度是否均必須大于40 mm呢?文獻[2]指出,當?shù)蹴攦?nèi)有可燃物時,排煙風(fēng)管采用的耐火極限風(fēng)管的隔熱層厚度應(yīng)為35 mm左右才能滿足規(guī)范要求,為此需進行必要的理論計算。

由于大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ在一定密度下與材料平均溫度t呈線性關(guān)系,如巖棉保溫板密度為118 kg/m3時的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.027+0.000 17t,微孔硅酸鈣密度為182 kg/m3時的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.044+0.000 1t[3]。GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》指出,對于導(dǎo)熱系數(shù)與t呈線性關(guān)系的材料,一般測試2種溫度情況下的參數(shù)即可,所以通常能查到的材料導(dǎo)熱系數(shù)一般在t=25 ℃和t=70 ℃這2種工況下。為了方便計算,本文導(dǎo)熱系數(shù)采用能查到的數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)。在實際傳熱過程中,隨著溫度的升高,材料的導(dǎo)熱系數(shù)會變大,在校核計算時需考慮該參數(shù)的變化。

以GB 51251—2017條文說明給出的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出規(guī)范要求40 mm厚玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)。由于排煙風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速較高,而鍍鋅鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)大、厚度小,且相對于隔熱材料的熱阻和保溫材料外表面換熱熱阻來說,風(fēng)管內(nèi)壁面的對流換熱熱阻及風(fēng)管自身的導(dǎo)熱熱阻是非常小的,因此計算時忽略風(fēng)管自身的導(dǎo)熱熱阻和表面換熱熱阻。風(fēng)管包覆隔熱結(jié)構(gòu)如圖1所示,隔熱層厚度計算如式(1)所示[4]。

注:δ1為隔熱層厚度;tn為管道內(nèi)空氣溫度;tw1為隔熱層外表面溫度;tw為隔熱層外環(huán)境空氣溫度。圖1 風(fēng)管隔熱層構(gòu)造示意圖

(1)

式中αw為隔熱層外表面與周圍環(huán)境的換熱系數(shù),W/(m2·K)。

為防止高溫風(fēng)管長期烘烤建筑物的可燃或難燃結(jié)構(gòu)而引發(fā)火災(zāi)事故,當輸送溫度高于80 ℃的空氣或氣體混合物時,風(fēng)管穿過建筑物的可燃或難燃結(jié)構(gòu)處,應(yīng)設(shè)置不燃材料隔熱層,保持隔熱層外表面溫度不高于80 ℃,因此GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第6.6.14 條規(guī)定:輸送空氣溫度超過80 ℃的通風(fēng)管道,應(yīng)采取一定的保溫隔熱措施,其厚度按隔熱層外表面溫度不超過80 ℃確定[5],所以計算中tw1取值為80 ℃。

由于排煙溫度不能超過280 ℃,因此tn取值280 ℃,αw、tw均按照GB 51251—2017條文說明中取值,根據(jù)式(1)計算得出隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)(見表2)。

表2 隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)與厚度對應(yīng)關(guān)系

從表2可以看出,GB 51251—2017條文說明中玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)在0.057 6～0.064 1 W/(m·K)之間。GB/T 13350—2017《絕熱用玻璃棉及其制品》指出,玻璃棉在t=70 ℃、密度≤12 kg/m3時,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.058 W/(m·K)[6],由此推斷出GB 51251—2017中隔熱材料采用的玻璃棉密度應(yīng)≤12 kg/m3。而空調(diào)及排煙用玻璃棉密度一般不小于40 kg/ m3,該密度下t=70 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)≤0.042 W/(m·K),按該參數(shù)根據(jù)式(1)計算排煙風(fēng)管表面溫度不超80 ℃時,隔熱層厚度應(yīng)為22.93 mm。

可見,由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同,為使隔熱層表面溫度不超過80 ℃,隔熱層的厚度不一定要大于40 mm。

2 防火板包覆風(fēng)管的隔熱性能

GB 51251—2017第4.4.8條規(guī)定了設(shè)置在不同位置的排煙風(fēng)管耐火極限的要求,風(fēng)管最小耐火極限應(yīng)不小于0.5 h,實際工程中需采用不同等級耐火極限的防火板對排煙風(fēng)管進行包覆以滿足該要求。

防火板的耐火極限包括兩部分:隔熱性和完整性。既然防火板自身已具有隔熱性,那么設(shè)置了防火板包覆的排煙風(fēng)管是否還需要再設(shè)置隔熱層呢?

可根據(jù)GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法 第1部分:通用要求》[7]和GB/T 17428—2009《通風(fēng)管道耐火試驗方法》[8]對風(fēng)管包覆防火板的完整性和隔熱性進行判定。

隔熱性是指試件在耐火試驗期間持續(xù)保持耐火隔熱性能的時間。試件背火面溫升超過以下任何一個限定情況均認為試件喪失隔熱性[7]:

1) 平均溫升超過初始平均溫度140 ℃;

2) 任一點位置的溫升超過初始溫度(包括移動熱電偶)180 ℃(初始溫度應(yīng)是試驗開始時背火面的初始平均溫度)。

耐火極限測試起始燃燒溫度為450 ℃,測試完成時溫度會超過850 ℃,所以允許的平均溫升和單點溫升均較高。排煙風(fēng)管耐火極限的隔熱性試驗根據(jù)熱量由外到內(nèi)傳導(dǎo),測量內(nèi)壁溫升,而設(shè)置在吊頂內(nèi)的排煙風(fēng)管隔熱層的作用是減少熱量由內(nèi)向外傳導(dǎo),即風(fēng)管輸送煙氣溫度為280 ℃時,外表面溫度不超過80 ℃。可見,耐火極限的隔熱性試驗是測量風(fēng)管在高溫燃燒爐中風(fēng)管整體熱傳導(dǎo)性能,限制內(nèi)表面溫升;而排煙風(fēng)管設(shè)置的隔熱層作用是阻隔其輸送高溫?zé)煔鉄醾鲗?dǎo)能力,限制外表面溫升。因此,這是2個不同的概念。

以纖維增強硅酸鹽板為例,當其密度為1 250 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.13 W/(m·K)時,8 mm厚度即可達到2 h的耐火極限。采用該防火板包覆,是否滿足吊頂內(nèi)排煙風(fēng)管隔熱層的要求呢?在防燙傷計算中,隔熱層的外表面換熱系數(shù)依舊取8.141 W/(m2·K)[3]。根據(jù)上述參數(shù),利用式(1),計算出該條件下外表面溫度為198.2 ℃,遠遠超過GB 51251—2017的要求值。所以僅對風(fēng)管設(shè)置滿足耐火極限要求的防火板,是無法滿足排煙風(fēng)管隔熱層設(shè)置要求的。

3 復(fù)合包覆風(fēng)管整體隔熱性能

設(shè)置了防火板+隔熱層包覆的鍍鋅鋼板風(fēng)管結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,計算公式見式(2)～(4)。

注:δ2為防火板厚度。圖2 復(fù)合包覆風(fēng)管構(gòu)造示意圖

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中R為防火板和隔熱層的導(dǎo)熱熱阻,m2·K/W;R0為總導(dǎo)熱熱阻,m2·K/W;λ1為隔熱層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λ2為防火板導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

以巖棉+纖維增強硅酸鹽板為例:隔熱層為巖棉,導(dǎo)熱系數(shù)為0.044 W/(m·K);防火板為纖維增強硅酸鹽板,厚度為8 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.13 W/(m·K)。將參數(shù)代入式(2)～(4),計算出隔熱層厚度δ1為21.31 mm,即隔熱層厚度不小于22 mm,就能滿足防火板外表面溫度不超過80 ℃的要求。

圖集22K311-5《防排煙系統(tǒng)設(shè)備及部件選用與安裝》[9]中列舉了幾種金屬風(fēng)管防火包覆性能和燃燒性能,對其不同等級耐火極限的做法進行核算,驗證外表面溫度是否滿足不高于80 ℃的要求,計算結(jié)果見表3。

表3 復(fù)合包覆風(fēng)管厚度與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系

2) 表中材料的導(dǎo)熱系數(shù),除防火板采用t=25 ℃時的參數(shù),其余均為t=70 ℃時的參數(shù)。

從表3可以看出,6種包覆構(gòu)造做法中有4種包覆厚度小于40 mm,其中只有漂珠防火隔熱板的隔熱性無論耐火極限為1 h還是2 h,外表面溫度均不滿足低于80 ℃的要求,另外2種包覆厚度小于40 mm的做法也能滿足隔熱性的要求。文獻[2]僅根據(jù)整體厚度列出了幾種適用于吊頂內(nèi)排煙管的包覆做法,得出的結(jié)論并不嚴謹。

4 工業(yè)一體化復(fù)合板隔熱性能

傳統(tǒng)的鍍鋅鋼板+巖棉+防火板包覆的安裝方式有著諸多弊病,如缺少整體包覆構(gòu)造檢測報告、施工工序復(fù)雜、施工質(zhì)量難以控制、需現(xiàn)場加工等[10]。內(nèi)置鋼板的工業(yè)一體化風(fēng)管因其安裝美觀、節(jié)約現(xiàn)場人工和造價,被越來越廣泛地設(shè)計和使用。工業(yè)一體化風(fēng)管結(jié)構(gòu)型式同傳統(tǒng)的復(fù)合包覆風(fēng)管一樣,以工業(yè)一體化硅酸鈣復(fù)合板來校核表面溫度[11],見表4。

表4 工業(yè)一體化硅酸鈣復(fù)合板厚度與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系

從表4可以看出,耐火極限為1 h和2 h的工業(yè)一體化硅酸鈣復(fù)合板,在隔熱層厚度小于40 mm的情況下,外表面溫度均不超過80 ℃,滿足GB 51251—2017的要求。

市場上工業(yè)一體化復(fù)合板產(chǎn)品類型越來越多,表5列舉了2種其他材料的工業(yè)一體化復(fù)合板,驗算外表面溫度是否滿足GB 51251—2017的要求。

表5 其他材料的工業(yè)一體化復(fù)合板厚度與外表面溫度對應(yīng)關(guān)系

從表5可以看出,2種材料的包覆厚度均小于40 mm,內(nèi)外鋼面無機硅晶復(fù)合板耐火極限為0.5 h時外表面溫度超過80 ℃,內(nèi)外鋼面石墨硅復(fù)合板耐火極限為1.0 h時外表面溫度超過80 ℃,2種材料適當增加厚度,均可滿足GB 51251—2017的要求。

通過上述計算可以看出,工業(yè)一體化風(fēng)管芯材導(dǎo)熱系數(shù)越小,需要的整體厚度越小,而大多數(shù)廠家僅關(guān)注材料自身耐火極限的特性,對于應(yīng)用在吊頂內(nèi)有可燃物的場所的整體材料隔熱層設(shè)置要求并未了解透徹。

5 結(jié)論

1) 對于GB 51251—2017第6.3.1.5條隔熱層的要求,由于不同隔熱材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)不同,相應(yīng)的熱阻也不相同,在滿足耐火極限隔熱性的情況下,設(shè)置在吊頂內(nèi)排煙管隔熱層的厚度應(yīng)由計算確定,不一定大于40 mm。

2) 對于鍍鋅鋼板風(fēng)管,僅包覆滿足耐火極限的防火板,無法滿足吊頂內(nèi)排煙風(fēng)管隔熱層的設(shè)置要求。

3) 對于復(fù)合包覆的風(fēng)管構(gòu)造,滿足耐火極限的要求時,不一定能滿足吊頂內(nèi)排煙風(fēng)管的隔熱層設(shè)置要求,需要進行驗算。

4) 工業(yè)一體化復(fù)合風(fēng)管應(yīng)用在吊頂內(nèi)有可燃物的場所時,設(shè)計時需注明各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度等,或者對整體構(gòu)造導(dǎo)熱系數(shù)作出限值要求,驗收時廠家除提供耐火極限檢測報告外,還需提供材料導(dǎo)熱系數(shù)的檢測報告。

5) 無論是傳統(tǒng)的復(fù)合包覆風(fēng)管還是工業(yè)一體化復(fù)合風(fēng)管,均需廠家給出耐火極限檢測報告。對滿足耐火極限的型式結(jié)構(gòu)驗算隔熱層厚度時應(yīng)考慮材料平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。

6) 建議GB 51251—2017修編時,給出隔熱材料的具體熱物性參數(shù),且不應(yīng)簡單地將隔熱材料的厚度限定為不小于40 mm。