第一章 緒論
第三節 區劃火災閃燃估算文獻回顧
所謂閃燃，就是在一區劃空間內，可燃材料的全部表面，突然轉變 成著火狀況。或是室內起火後，火勢逐漸擴大過程中，因燃燒所生之可 燃性氣體，蓄積於天花板附近，此種氣體與空氣混合，一舉引火形成鉅 大之火苗，使室內頓時成為火海之狀態。火災發生後至閃燃發生之時間，
稱為閃燃時間，簡稱為 F.O.T.。
閃燃時間越長，人員逃生之時間也越充裕，由此可知閃燃時間在建 築防火中是一個逃生的準則。一旦發生閃燃火勢瞬間擴散，在屋內的人 員將無法倖存。Peacock 【1】經由實尺寸火場實驗結果，利用可量測物 理性質之近似法以及電腦模擬（computer-modeling methods）等方式分 析閃燃發生機制。儘管目前閃燃時間的估測方法尚未有所定論，但在大 量的實驗數據的佐證之下，對於引發閃燃的條件各方看法已趨一致：當 上層氣體溫度為 600℃，或是到達地板的輻射熱通量為 20 kW/m2，即預估 閃燃會發生。
一般火災中火勢從成長至產生閃燃所需之時間到底有多久，根據美 國國家標準局（NIST）以一般建築物地下室房間作實體火災（這房間可 能做為客廳、機械房、休憩室、辦公室等）實驗發現，火勢不到 4 分鐘 就達猛烈階段且達到空間整個高度，到 6 分鐘後，空間內平均氣體溫度 經量測為 600℃。至於獨棟式住宅之客廳火災試驗中發現，從開始起火 後，到 3 分 41 秒時閃燃形成。而一般住宅之臥房從第一起火源引燃後 到 2 分 12 秒即發生閃燃。由以上實驗可以歸納出閃燃之發生時間主要受 到下列各種因素的影響：
1.室內可燃物之種類、形狀、數量及分佈狀況（內部裝潢材料）。 2.供應室內空氣量大小（開口部大小與位置）。
3.火災室內構造材料的耐燃性能。
4.點燃火源的大小與位置 。 區劃空間上方的煙氣層（upper gas layer）溫度≧600℃或是地板受到 的熱通量（heat flux）大於 20 kw/m2時，便會形成閃燃。
（ventilation factor）A h 有關（A 為開口部面積，h 為開口部高度）。
經由推導，發生閃燃所需的最小熱釋放率（kW）為：
其中：
A：開口部面積（m2）
AT：區劃空間的有效熱傳面積（不包含開口部的壁面面積,m2） Cp：氣體比熱（kJ/kg
⋅
K）g ：重力加速度（9.8m/s2） h：開口部的高度（m）
hk：天花板以及牆壁的有效熱傳係數（kW/m2
⋅
K）Q&：火源的熱釋放率（kW）
T0：大氣溫度（K）
ΔTg：區劃空間上方的煙氣層與大氣的溫差（℃）
ρ0：大氣密度（kg/m3）
上式中hk必須由火災的燃燒時間tc和熱穿透時間tp（thermal penetration time，熱傳至裝修物背面所需的時間）的關係決定，tp的定義如下：
2
2
p w
t C
k
ρ δ
⎛ ⎞⎛ ⎞
= ⎜⎝ ⎟⎜ ⎟⎠⎝ ⎠， （4）
其中ρ、CW及k分別為天花板或牆壁的密度（kg/m3）、比熱（kJ/kg
⋅
K）和 熱傳導係數（kW/m⋅
K），δ 為天花板或牆壁厚度（m）。當tp<tc時，可利用 穩定的一維熱傳導分析來定義hk，即=δ hk k
， （5）
而當tp>tc時，hk則必須利用暫態熱傳導分析來定義：
= ρ
hk w c
C k
t 。 （6）
在使用（3）式來估算區劃空間上方的煙氣層溫度時，需符合無通風 控制、天花板及牆壁面皆為不可燃以及引燃源是位於區劃空間中央等條
件。另外，（3）式也可以用來估算區劃空間內避免閃燃發生的最大熱釋 放率，而一般閃燃約發生在區劃空間上方的煙氣層溫度達到600℃時，因 此，為了避免發生閃燃，McCaffrey令（3）式中ΔTg=500℃，整理之後可 得到下式
620( k T )1/ 2
Q& = h A A h 。 （7）
對於引燃源在區劃空間的角落或是牆壁邊等情況，並不適合利用（3）
式進行估算，因此，為了修正（3）式，Mowrer【4】等人將引燃源放置 在區劃空間的角落或牆壁邊來進行區劃空間火災實驗。實驗結果發現，
當引燃源在區劃空間的角落或牆壁邊時，其區劃空間上層的煙氣溫度分 別為（3）式所估算的 1.7 倍以及 1.3 倍，即形成閃燃所需的熱釋放率分 別約只需要引燃源在區劃空間中央的 50%以及 70%。
第二種預測閃燃的方法是從點燃開始（ignition），逐步依各階段之 經驗公式來計算火災之發展過程，若火災之發展到達閃燃之標準，則預 測閃燃會發生。
在火源的熱釋放率方面，可先利用油盤或木框架等經驗公式來估 算。由 Babrauskas【5】之研究得知，油盤火焰之熱釋放率與油盤表面積 有關，而熱釋放率之大小可利用燃料之質量損失率直接表示，質量損失 率與油盤之有效直徑之關係式如下所示：
'' '' (1 k D)
m& =m&∞ −e− β ， （8）
上式中m& 及'' m& （汽油為 0.055kg/m∞'' 2
⋅
s）分別代表實際油盤及無限 大油盤的單位面積之質量損失率，對於不同燃料而言，其質量損失率亦 不相同，D 為油盤之有效直徑（若油盤不為圓形，則可利用其油盤表面積 換算成對應之直徑），而 k （extinction-absorption coefficient）與β（mean-beam-length corrector）則與燃料之燃燒特性有關，一般而言 在液態有機燃料中此兩參數之乘積為一固定值，不需要將兩參數分開納 入計算式中，汽油之 kβ =2.1m-1。
將求得之m& 乘上油盤表面積 A及每單位質量燃料之燃燒熱 H'' Δ 後，可 1-2 所示。Babrauskas 指出，對於整體點燃之寬鬆結構，質量損失率受 燃料表面控制（fuel surface control），其質量損失率為：
0
v ：燃料表面消耗率（fuel surface regression rate ,m/s），對p
於木料而言， v =p 2.2 10 D× −6 −0.6 t：從木框架完全引燃起算之時間（s）
而密集結構之質量損失率則受木框架多孔性控制（crib porosity control），其質量損失率為：
對於中間引燃方式而言，定義火焰延燒至木框架邊緣時間為 t0。t0 與每層木條支數 n 呈線性關係，即：
t0=15.7n， （12）
在燃燒時間未達t0前，質量損失率為：
2
0 2
0.0254 ( )
p
m m Dt
= n v
& ， （13）
在燃燒時間超過t0之後，其質量損失率則與整體點燃方式相同。
圖 1-2 木框架之幾何尺寸
一般而言，除了油盤以及木框架有經驗公式可估算燃燒速率外，尚 未有其它經驗公式可供利用，對於各式各樣的傢俱，必須個別地以量熱 儀測試其熱釋放率，在文獻【6】中有衣櫃、電視、聖誕樹、窗簾以及枕
頭等物品之測試數據可供參考。
另外，對於火災在成長階段之熱釋放率，為了計算上的方便，儘可 能將其曲線用函數來表示，較為常用的函數為 t2函數，可以利用下式計 算【7】：
Q at& = 2， （14）
其中 ：
Q& ：總熱釋放率（kW）
a：為一常數，表示熱釋放率成長的速度快慢（kW/s）
t：火災發生後所經過之時間（s）
由公式（14）中，a之數值若等於 0.00293 則表示熱釋放率之成長速 度 為 「 慢 」（ slow ）； a= 0.01172表 示 熱 釋 放 率 之 成 長 速 度 為 「 中 」
（medium）；a= 0.0469表示熱釋放率之成長速度為「快」（fast）；而
= 0.1876
a 則表示熱釋放率之成長速度為「極快」（ultra fast）。
而在火災形成之後，火焰高度是判斷區劃空間內是否會形成火羽流
（fire plume）的重要因素，當火焰高度低於天花板時，區劃空間內才 會有火羽流產生。火焰高度可利用下式估算【8】：
2 / 5
1.02 0.235
Zf = − D+ Q& ， （15）
其中：
Zf：火焰高度（m）
D：火焰基部有效直徑（m）
Q& ：總熱釋放率（kW）
（15）式之限制條件為0.12<Q&D* <1.2 10× 4，此處之Q& 為熱釋放率之無因D* 次參數，其定義如下所示：
*
燃燒產物會被吸入空氣（entrained air）稀釋，最後蓄積在天花板下方 而形成所謂的上層煙氣層（upper gas layer），其厚度以及溫度和時間 成正比，而影響煙氣層溫度和濃度的主要因素則和吸入空氣量的多寡有 關。因為一般火災的火源為面源（area source），所以在計算火羽流的 溫度、速度以及吸入空氣量前，必須先求得火羽流的虛擬原點（virtual origion）。
Heskestad【9】提出當火災的火源僅有在燃燒物體的表面燃燒且沒 有深入物體（in-depth combustion）內燃燒時，虛擬原點與燃燒物體表 面的距離 Z0（m）可以下式計算：
Cetegen【10】等人利用直徑為 0.1、0.19 和 0.5m 的天然氣燃燒器 來進行區劃火災實驗，以量測在不同熱釋放率（10~200kW）以及不同高 度下其吸入空氣量的變化情形，並利用實驗結果迴歸出一經驗式來計算 虛擬原點，即：
2 / 5 0 0.0659
Z Q
0 0.01015
Z Q
而火羽流的溫度及速度則可以利用下列各式計算【9】： 紊流火焰（turbulent flame）區域，吸入空氣量和燃燒器的熱釋放率以 及距離燃燒器的高度有關。而在高於燃燒器火焰頂端的部分，吸入空氣
之經驗公式來計算火災之發展過程較為複雜，所以此種方式大多使用在 數值模擬上。
除了利用（8）~（23）式來推算出蓄積在天花板下方煙氣特性外，
還可以利用天花板噴流（ceiling jet flow）的經驗公式來計算。當火 羽流接觸到天花板表面時，煙氣會沿著天花板表面流動且呈徑向擴散，
與天花板間的距離等參數來進行實驗，進而迴歸出天花板噴流溫度的關
300 800
800