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作者 撒世忠 黄智华，作者授权发布
摘要
本文对防排烟风管自身的耐火极限展开阐述，讨论了排烟风管本体耐火极限及耐火检测温度与280℃排烟防火阀动作温度的关联性问题。通过传热计算分析对吊顶内排烟耐火极限风管是否还需要再采取隔热措施等问题展开讨论，最后介绍了一种“三明治”结构形式的耐火极限风管及其在项目中的应用。
#1引言
现行《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017和《建筑设计防火规范》-2014（2018年版）及不同建筑类型的建筑设计规范如《办公建筑设计标准》、《科研建筑设计标准》、《饮食建筑设计标准》、《商店建筑设计标准》、《汽车库修车库停车场设计标准》、《综合医院建筑设计标准》、《电动汽车分散充电设施工程设计标准》、《建筑高度大于250m民用建筑防火设计加强性技术要求》等共同组成对防排烟风管的耐火极限规定的体系。
-2017着重于不同类型（排烟、送风、补风）、不同使用场合（地下、地上、吊顶、管井）风管等的规定；-2014则偏重于对穿越防火墙、防火隔墙、防火分区等2m范围内风管耐火极限的规定；不同建筑类型规范则偏重于穿越不同重要房间的风管的耐火极限的规定。
传统的铁皮风管或无机复合风管不具备耐火隔热性和耐火完整性，在排烟时风管内高温烟气本身产生高温辐射，在自身防火分区或防烟分区内就起到传递高温热量乃至引燃附近可燃物或承受外部火自身结构出现塌陷造成截面积大大减少，存在无法有效将烟气排除的缺陷。
对防排烟风管提出的耐火极限要求，无疑是标志着将风管与具有蓄烟功能的内外墙、楼板、结构梁、内外玻璃、吊顶、挡烟垂壁及具有排烟功能的排烟风机、排烟防火阀、排烟风口、排烟窗、固定窗、可溶性采光带地位等同，使其具备耐火极限的要求。
从以上分析来看，对防排烟风管提出耐火极限要求应该是理所应当的，风管的耐火极限要求也为专业人士逐步接受，疑虑的焦点问题在于：
正如GB 51251-2017规定，排烟管道及其连接部件需要在280℃的情况下连续30min保持其完整性，排烟防火阀是280℃动作关闭，此时排烟系统不需要再工作，而风管耐火极限的检测规范GBT 17428-2009 现场测试中起始燃烧温度就是450℃，850℃为完成温度，似乎存在矛盾。
本文试图对规范或国标图中产生疑虑的问题展开讨论，并做出合理解释。
#2防排烟风管耐火极限的论述
在不受干预的情况下，室内火灾发展过程大致可分为初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。室内平均温度是表征火灾燃烧强度的重要指标，常用温度-时间曲线描述室内火灾的发展过程，如图一所示。
图一反映的是火灾发生时，室内平均温度随时间变化的曲线，并非着火点处的温度曲线。由于本文探讨的是火灾场所中防排烟系统各部位的耐火问题，与室内平均温度无关，而与着火点处的温度有关。
图一 室内火灾平均温度-时间曲线
另外，着火点的位置是不确定的，因此，室内排烟系统的任一部位都有可能置于火中，本文以此为假定条件展开讨论和分析。
火灾发生时，着火点的局部温度近似参考耐火试验的炉内温度，其温度时间关系式为[1]：
[1]
公中T为着火点的局部温度，℃；τ为时间， min。
T-τ曲线如图二所示。
图二 室内火灾平均温度-时间曲线
根据式（1）可以计算出不同时间下，着火点的局部温度，见表一。
表一 不同时间下着火点的局部温度
可见火灾30min内局部温度可达到842℃。火灾场所短时间的高温特点使得组成排烟系统的各部位不仅需具备一定的耐火能力，而且因为排烟系统是一个整体，任一部位在火灾时失去完整性后都会影响排烟效果，因此，组成防排烟系统的各部位应形成相应的耐火极限标准。
#3火灾时防排烟风管运行温度的相关问题
火灾中，防排烟风管的耐火极限首先应该考虑如何应对外部火的炙烤：
正压送风管和补风管暴露在火灾情况下，因为具备了完整性和隔热性，可以正常工作，不至于使得管内的空气温度过高，对着疏散人群输送空气的温度是人体可以承受的；
排烟风管在火灾负压抽吸的工作状态中截面不至于变形，影响排烟的有效性。
基于此耐火极限的检测规范GBT 17428-2009起始燃烧温度就是450℃防排烟风管保温岩棉，完成温度为850℃；
因此《上海市建筑防排烟系统设计标准》DG/TJ08-88-2021才要求风管的绝热材料应采用岩棉或其他能承受800℃以上的高温的绝热材料。
排烟风管工作温度与排烟防火阀动作温度的关联性思考
由此可见，对防排烟风管的耐火极限的相关规定，首先是要求风管能承受外部火的炙烤（远大于280℃），这与建筑构件、吊顶或挡烟垂壁所要求的耐火极限要求一致（挡烟垂壁是30min承受620±20℃的耐火极限）。
这是基于风管任一部位在火灾时承受外部火失去完整性后都会影响防排烟补风效果而提出的。
而排烟防火阀在280℃情况下会关闭，排烟风机关闭，排烟动作停止，这是基于抽吸入排烟风管内烟气温度高于280℃发生的情况，这是风管内烟气温度过高引发的。
因此GB 51251-2017的4.4.8.1条文规定，排烟管道及其连接部件需要在280℃的情况下连续30min保持其完整性，可视为排烟风管承受室内烟气温度时，耐火极限温度的规定。
两种不同的温度要求看似矛盾，实际上不矛盾。
原因有二：
1）着火点不一定在防烟分区和主风机280℃防火阀附近，排烟风管承受外部火时，1min内外部温度已经达到了350℃，排烟风管本身需要经受外部火的考验，保持其完整性；
2）火灾时是各种消防设施共同作用的结果，喷淋系统或消火栓可能先于排烟风机动作或人为开启，排烟系统抽吸的烟气温升有个过程，烟气中还夹带着大量水汽，温度不会立即达到280℃，排烟系统在人员疏散期间有足够的时间完成自身的排烟工作。
基于此，考虑排烟风管在火灾中承受内部烟温和外部火的共同作用，不能简单的以280℃作为评判风管本身耐火极限的工作温度。
防排烟风管吊顶内耐火极限的分析
从规范可以看出，凡是吊顶内和管井内的风管的耐火极限要求有所降低，当然这个吊顶是完全意义上的吊顶，而不是镂空吊顶，镂空吊顶无法阻挡火焰，起不到保护吊顶内风管的作用。
查看-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》吊顶的耐火极限，常用的Ａ级吊顶材料应能满足：
试验温度为（750±5）℃，实验时间为 30min。可见吊顶能起到了保护吊顶内防排烟风管的作用，吊顶内的防排烟风管不会受到吊顶下火焰的直接炙烤。
#4防排烟风管隔热性的传热分析
从分析表明承受外部火应该才是风管必须具有耐火极限的更重要的原因，但现行防排烟规范和相关图集对外部火作用于防排烟风管的隔热性并没有详细的阐述或计算，都是通过送样检测来测试一定温度下风管本体的耐火极限。
防排烟规范体系中最重要的三本规范均提到了吊顶内排烟风管的隔热性问题。
如《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017中4.4.9规定[2]：当吊顶内有可燃物时，吊顶内排烟风管应采用不燃材料进行隔热，并应与可燃物保持不小于150mm的距离。
又如《上海市建筑防排烟系统设计标准》DG/TJ08-88-2021中4.3.10规定[3]，当吊顶内有可燃物时，吊顶内的排烟管道的绝热层厚度不应小于35mm，并与可燃物保持不小于150mm的距离。
这两个规定都源于母规《建筑设计防火规范》-2014（2018年版）9.3.10的规定[4]。
可以理解为吊顶内的排烟风管受到了A级吊顶的保护，不考虑承受外部火的炙烤，只考虑排烟风管内部280℃高温烟气向风管外传热不超过80℃[5][6].否则可能引燃吊顶内的可燃物。
（这和风管耐火极限的检测规范-2009中的测试外部温度边界条件不一样，风管达到耐火极限时风管表面的规定温度数值也不一样）
问题归结为吊顶内采用了0.5h耐火极限风管后（成品耐火极限风管内本身含有隔热层），是否还需要再增设一定厚度的隔热层的问题。
结论是：
吊顶内如果没有可燃物，则采用0.5h的耐火极限排烟风管即可；
如果吊顶内有可燃物，则需校核采用的耐火极限排烟风管在280℃管内烟气流走条件下，采用相应厚度和材质能否保证表面温度不高于80℃的问题了。
铁皮加隔热材料复合风管和复合耐火极限风管的传热分析
《建筑防排烟系统技术标准》图示107页中对吊顶内排烟风管隔热计算做了阐述。
环境温度为35℃，管内温度为280℃，风管外表面换热系数αc为8.14W/（m2K)，风管内表面的对流换热系数为αn为20W/（m2K)，铁皮风管的传导忽略不计，隔热材料的导热系数设为λ，单位为：W/（mK)；厚度为δ，单位为m，则联立等式可得：
[2]
得出：δ/λ=0.496
当采用矿棉制品时，λ=0.033，则δ=16.4mm；当采用离心玻璃棉时，λ=0.037，则δ=18.4mm；当采用岩棉时，厚度和离心玻璃棉相当。
只有导热系数取λ=0.07时，答案为34.7mm才接近图集中34.5mm的答案。可见对隔热材料的绝热性能要求不高，从另外一个方面也说明，隔热材料也非必须为35mm或40mm以上，材料自身导热系数小时，厚度更薄。
从当前耐火极限风管采用的材料和使用厚度来看，满足0.5h耐火极限的风管其自身具备的隔热性均能满足规范规定的吊顶内排烟风管外表面不超过80℃的隔热要求。
防排烟耐火极限风管的应用--＂三明治“的一体化板结构
某产品为装配式一体化成品复合耐火风管，产品结构如图三所示。
图三 某装配式三明治结构一体化耐火极限风管
核心层为140kg/m3的岩棉上下复合特制防火板的三明治结构，0.5h防火风管的结构形式为3mm+19mm+3mm，工厂压制而成，最内层防火板可内衬镀锌铁皮或复合金属铝的保护层，最外层防火板复合金属铝的保护层，将“斤"型金属连接件与垂直防火一体化板组装，形成牢固的成品风管。
工厂化制作，成品风管运输到现场后进行组装，风管之间用C型插条金属法兰连接，隔热层为岩棉板，两面无机防火层，防火层与隔热层为一体化结构，无化学有机胶连接。从0.5h的风管形式看，即使不考两侧3mm虑防火板的热阻，19mm的岩棉也是满足吊顶内排烟风管隔热性要求的。
该产品的优点是：
由此可见，该类型的装配式成品复合耐火风管，是符合当今发展方向的耐火风管[7]。
也可以采用40mm厚的一体化板外包在铁皮风管外部，形成外包裹型复合耐火极限风管，工厂在一体化板上打好孔洞，现场采用碰焊钉的方式连接在风管本体上，不破坏风管本体，其耐火极限可以达到1.5h。
其结构形式如图四所示。
图四 铁皮外包三明治结构一体化板的耐火极限风管
图五该结构装配式一体化耐火极限风管在无锡某洁净室的应用，其内外表面均添加了金属铝的保护层，防尘且美观。
图五 装配式及铁皮外包裹式耐火极限风管在洁净厂房中的应用
图五右侧为该结构一体化板采用碰焊钉的方法外包裹在铁皮风管上在无锡某洁净室内的应用。
#5结语
本文对现行防排烟风管的耐火极限相关问题进行了探讨，总结如下：
1）在火灾中防排烟风管作为建筑构件的一部分，均可能承受外部火的炙烤，必须达到相应的耐火极限才能保证相应的耐火极限要求，以保证防排烟系统在火灾初期的有效工作；
2）分析表明，排烟系统内280℃工作机制和排烟风管本体要求具备更高温度的耐火极限无必然关联性；
3）吊顶内满足耐火极限要求的排烟风管是否还需要增加隔热措施一来取决于风管内是否具有可燃物，二来如果存在可燃物，取决于耐火极限风管本身结构材料的导热系数和厚度能保证风管外表面温度不大于80℃的要求，从诸多形式的耐火极限风管的结构形式分析结果来看是都可以满足的。
参考文献：
[1]李琦波 建筑排烟系统各部位不同耐火标准的问题和建议 暖通空调2021年51卷第6期 40-46页[J]
[2]建筑防烟排烟系统技术标准GB 51251-2017[S]
[3]上海市建筑防排烟系统设计标准DG/TJ08-88-2021[S]
[4]建筑设计防火规范-2014（2018年版）[S]
[5] CECS 886-2021建筑防烟排烟风管防火性能试验方法标准[S]
[6] GBT 17428-2009 通风管道耐火试验方法[S]
[7]欧志刚 撒世忠 黄智华 防排烟风管的耐火检测与类型差异的解析 建筑热能通风空调 2022年第1期 [J]
作者介绍：
撒世忠防排烟风管保温岩棉，男，（1975-），土木工程工学学士，暖通空调工学硕士，土木高级工程师，勘察设计注册公用设备工程师
黄智华，男，（1979-），江苏潢华节能材料有限公司董事长，参编-2021建筑防烟排烟风管防火性能试验方法标准
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