關于排煙風管隔熱層厚度的探討

劉付偉 陳焰華 昌愛文

(中信建筑設計研究總院有限公司,武漢)

0 引言

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

在實際工程中,設計、甲方、監理、施工及消防驗收部門等對風管耐火極限的設置都比較重視,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,但對于設置在吊頂內排煙風管的隔熱層與耐火極限的關系,無論是生產企業、設計單位、圖審機構,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用案例,提出相關意見及建議,供同行探討與參考。

1 隔熱材料的設置厚度

GB 51251—2017第4.4.9條提出:當吊頂內有可燃物時,吊頂內的排煙管道應采用不燃材料進行隔熱,并應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:排煙風管的隔熱層應采用厚度不小于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,本條規定安裝在吊頂內的排煙風管應采取隔熱措施,如在排煙風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,計算環境溫度35 ℃,煙氣溫度280 ℃,表面換熱系數8.141 W/(m2·K),其隔熱層厚度計算結果見表1。

表1 隔熱層厚度與外表面溫度對應關系

以此為依據,GB 51251—2017明確了設置在吊頂內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熱系數,同一隔熱材料不同的導熱系數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,當吊頂內有可燃物時,排煙風管采用的耐火極限風管的隔熱層厚度應為35 mm左右才能滿足規范要求,為此需進行必要的理論計算。

由于大多數材料的導熱系數λ在一定密度下與材料平均溫度t呈線性關系,如巖棉保溫板密度為118 kg/m3時的導熱系數λ=0.027+0.000 17t,微孔硅酸鈣密度為182 kg/m3時的導熱系數λ=0.044+0.000 1t[3]。GB/T 10295—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法》指出,對于導熱系數與t呈線性關系的材料,一般測試2種溫度情況下的參數即可,所以通常能查到的材料導熱系數一般在t=25 ℃和t=70 ℃這2種工況下。為了方便計算,本文導熱系數采用能查到的數據作為計算參數。在實際傳熱過程中,隨著溫度的升高,材料的導熱系數會變大,在校核計算時需考慮該參數的變化。

以GB 51251—2017條文說明給出的數據推導出規范要求40 mm厚玻璃棉的導熱系數。由于排煙風管內風速較高,而鍍鋅鋼板的導熱系數大、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,風管內壁面的對流換熱熱阻及風管自身的導熱熱阻是非常小的,因此計算時忽略風管自身的導熱熱阻和表面換熱熱阻。風管包覆隔熱結構如圖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為管道內空氣溫度;tw1為隔熱層外表面溫度;tw為隔熱層外環境空氣溫度。圖1 風管隔熱層構造示意圖

(1)

式中αw為隔熱層外表面與周圍環境的換熱系數,W/(m2·K)。

為防止高溫風管長期烘烤建筑物的可燃或難燃結構而引發火災事故,當輸送溫度高于80 ℃的空氣或氣體混合物時,風管穿過建筑物的可燃或難燃結構處,應設置不燃材料隔熱層,保持隔熱層外表面溫度不高于80 ℃,因此GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第6.6.14 條規定:輸送空氣溫度超過80 ℃的通風管道,應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,根據式(1)計算得出隔熱層導熱系數(見表2)。

表2 隔熱層導熱系數與厚度對應關系

從表2可以看出,GB 51251—2017條文說明中玻璃棉的導熱系數在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,導熱系數≤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≤12 kg/m3。而空調及排煙用玻璃棉密度一般不小于40 kg/ m3,該密度下t=70 ℃時的導熱系數≤0.042 W/(m·K),按該參數根據式(1)計算排煙風管表面溫度不超80 ℃時,隔熱層厚度應為22.93 mm。

可見,由于材料的導熱系數不同,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 防火板包覆風管的隔熱性能

GB 51251—2017第4.4.8條規定了設置在不同位置的排煙風管耐火極限的要求,風管最小耐火極限應不小于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,那么設置了防火板包覆的排煙風管是否還需要再設置隔熱層呢?

可根據GB/T 9978.1—2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分:通用要求》[7]和GB/T 17428—2009《通風管道耐火試驗方法》[8]對風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。排煙風管耐火極限的隔熱性試驗根據熱量由外到內傳導,測量內壁溫升,而設置在吊頂內的排煙風管隔熱層的作用是減少熱量由內向外傳導,即風管輸送煙氣溫度為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管在高溫燃燒爐中風管整體熱傳導性能,限制內表面溫升;而排煙風管設置的隔熱層作用是阻隔其輸送高溫煙氣熱傳導能力,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、導熱系數為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,是否滿足吊頂內排煙風管隔熱層的要求呢?在防燙傷計算中,隔熱層的外表面換熱系數依舊取8.141 W/(m2·K)[3]。根據上述參數,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。所以僅對風管設置滿足耐火極限要求的防火板,是無法滿足排煙風管隔熱層設置要求的。

3 復合包覆風管整體隔熱性能

設置了防火板+隔熱層包覆的鍍鋅鋼板風管結構示意如圖2所示,計算公式見式(2)～(4)。

注:δ2為防火板厚度。圖2 復合包覆風管構造示意圖

(2)

(3)

(4)

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

以巖棉+纖維增強硅酸鹽板為例:隔熱層為巖棉,導熱系數為0.044 W/(m·K);防火板為纖維增強硅酸鹽板,厚度為8 mm,導熱系數為0.13 W/(m·K)。將參數代入式(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《防排煙系統設備及部件選用與安裝》[9]中列舉了幾種金屬風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,計算結果見表3。

表3 復合包覆風管厚度與外表面溫度對應關系

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

從表3可以看出,6種包覆構造做法中有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]僅根據整體厚度列出了幾種適用于吊頂內排煙管的包覆做法,得出的結論并不嚴謹。

4 工業一體化復合板隔熱性能

傳統的鍍鋅鋼板+巖棉+防火板包覆的安裝方式有著諸多弊病,如缺少整體包覆構造檢測報告、施工工序復雜、施工質量難以控制、需現場加工等[10]。內置鋼板的工業一體化風管因其安裝美觀、節約現場人工和造價,被越來越廣泛地設計和使用。工業一體化風管結構型式同傳統的復合包覆風管一樣,以工業一體化硅酸鈣復合板來校核表面溫度[11],見表4。

表4 工業一體化硅酸鈣復合板厚度與外表面溫度對應關系

從表4可以看出,耐火極限為1 h和2 h的工業一體化硅酸鈣復合板,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。

市場上工業一體化復合板產品類型越來越多,表5列舉了2種其他材料的工業一體化復合板,驗算外表面溫度是否滿足GB 51251—2017的要求。

表5 其他材料的工業一體化復合板厚度與外表面溫度對應關系

從表5可以看出,2種材料的包覆厚度均小于40 mm,內外鋼面無機硅晶復合板耐火極限為0.5 h時外表面溫度超過80 ℃,內外鋼面石墨硅復合板耐火極限為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,工業一體化風管芯材導熱系數越小,需要的整體厚度越小,而大多數廠家僅關注材料自身耐火極限的特性,對于應用在吊頂內有可燃物的場所的整體材料隔熱層設置要求并未了解透徹。

5 結論

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、導熱系數不同,相應的熱阻也不相同,在滿足耐火極限隔熱性的情況下,設置在吊頂內排煙管隔熱層的厚度應由計算確定,不一定大于40 mm。

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

3) 對于復合包覆的風管構造,滿足耐火極限的要求時,不一定能滿足吊頂內排煙風管的隔熱層設置要求,需要進行驗算。

4) 工業一體化復合風管應用在吊頂內有可燃物的場所時,設計時需注明各層材料的導熱系數、厚度等,或者對整體構造導熱系數作出限值要求,驗收時廠家除提供耐火極限檢測報告外,還需提供材料導熱系數的檢測報告。

5) 無論是傳統的復合包覆風管還是工業一體化復合風管,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構驗算隔熱層厚度時應考慮材料平均溫度下的導熱系數。

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