第三章 實驗方法及設備
第二節 多功能房間火災模式驗證實驗屋
第二節 多功能房間火災模式驗證實驗屋
本實驗屋（圗 3. 3）高度可配合實驗要求予以調整天花板高度，由於一般建築物常 為美觀而以天花板裝修，因而降低房間高度也降低防火安全性，本實驗屋內設置可調整 高度之天花板、送排煙風管及溫度量測點等裝置並可搭配 10MW 大尺度分析裝置將測 試中產生之燃燒產物，經由開口排出後被吸入排氣系統中，在管道中經由取樣管進入氣 體分析儀，分別可量測 O2、CO2、CO 等氣體濃度，並計算經由該材料排出之熱釋放率 與及煙氣性質。
圗 3. 3 多功能房間火災模式驗證實驗屋 第三節 10MW 大尺度燃燒分析裝置
早期發展的燃燒產物收集器逐漸演變成目前所謂的圓錐量熱儀，世界上現有小尺度 圓錐量熱儀約有 140 多套；至於大尺度燃燒產物收集器，量熱尺度可達 10MW 的燃燒 分析裝置全世界現今亦有多套被建立，如英國 BRE 的 FRS 部門，美國 UL 公司，和美 國FM 公司等。本裝置為亞洲首套可達 10MW 量熱裝置主要分為（1）集煙罩系統(Hood and Exhaust gas collecting system)（2）氣體與光量測定系統(Gas and Optical measuring system) （3）廢氣處理系統(Exhaust gas cleaning system)，本研究將利用 10MW 大尺度 燃燒分析裝置和燃燒氣體排放連續線上分析系統進行實尺寸火災實驗，此裝置設置於內 政部建築研究所防火實驗群（國立成功大學歸仁校區）之綜合實驗室南端，鄰近部材防 火實驗場。其基本功能在於量測分析大型物件或結構體於開放空間燃燒過程之引燃特 性、熱釋放率、質量損失率、有效發熱量、發煙特性、及毒氣分析等。與本裝置相關之 主體基本設計、量測儀器配置及分析計算原理，可參考小型圓錐量熱儀設備標準，如：
ASTM E1354 和 ISO 5660-1，以及全尺寸房間火災試驗標準，如：ISO 9705，以下針對 主要部分設備簡述。
3. 4）。大型物件或結構體將置於升降平台上進行燃燒試驗，試驗區之燃燒煙氣由 集煙罩收集後垂直向上流動，經由集煙彎管轉成水平流入混合管，經過量測段，
再由排氣彎管及排氣管排出。
(2). 氣體與光量測定系統
本裝置（圗 3. 5）為燃燒氣體排放連續線上分析系統，整體系統具備氣體組成、
光學密度、流率⁄溫度之量測功能，以及訊號輸出與數據處理之分析功能；藉此 系統，可以線上連續分析燃燒排氣之溫度與體積流率，以及大型物件或結構體於 燃燒過程之熱釋放率、發煙特性、及毒氣分析等。
(3). 廢氣處理系統
廢氣處理系統可以將燃燒後所抽之廢氣經過處理後再排放至大氣，並提供本裝置 集煙所需之抽風量。系統之總抽氣量主要由變頻器來控制，操作頻率最大可達 55Hz，對應之最大煙氣流率為 30m3/s。
(4). 燃燒氣體排放連續線上分析系統
具備氣體組成、光學密度、流率⁄溫度之量測功能，以及訊號輸出與數據處理之分 析功能；藉此系統，可以線上連續分析燃燒排氣之溫度與體積流率，以及大型物 件或結構體於燃燒過程之熱釋放率、發煙特性、及毒氣分析等。其主要設備包括：
(1)氣體分析系統（含 O2、CO、CO2、NOX、HC 分析儀和氣體採樣⁄校正系統）、
(2)光學密度分析儀、(3)流率⁄溫度監測儀以及(4)數據處理系統等；所有設備需安 置於穩固箱體，可以方便移動或懸吊至不同實驗區域，搭配各式燃燒實驗設施進 行量測分析。
圗 3. 4 10MW 大尺度燃燒分析裝置實際設備組裝圖
圗 3. 5 氣體與光量測定系統
第四節 10MW 大尺度燃燒分析裝置熱釋放率方法
10MW 大尺度燃燒分析裝置之熱釋放率計算中，利用燃燒產物分析之方法有：(1) 氧氣消耗法（Oxygen Consumption, OC ）、(2)CO 及 CO2生成法(Carbon Dioxide Generation, CDG)、(3)熱對流升溫法(Gas Temperature Rise, GTR)。其中前兩者為利用測量燃燒前後 煙氣中氣體濃度消耗及生成量，藉由其單位質量變化產生之固定生成熱求得熱釋放率，
故可稱作氣體生成熱法；熱對流升溫法則是利用燃燒後煙氣之熱對流效應，藉由量測混 合氣前後焓差來求取其熱釋放率，此方法亦可同時搭配熱輻射計來估算整體熱釋放率。
而利用質量損失率的計算法則有：(1)理論質量損失率估算法、(2)實際質量損失率計算 法。
氧氣消耗法(Oxygen Consumption, OC)
氧氣消耗法係藉由量測大氣與煙氣中氧氣濃度之差值，利用每單位質量氧氣產 生固定熱量之原理來計算整體燃燒形成的熱釋放率，其整體熱釋放率表示式如 下：
2( o2 2)
O O O O
Q& = ∆H m& −m& ……… (3.1) 根據 Thornton【22】及 Huggett【23】研究發現，有機物在完全燃燒後，每單 位質量氧氣的熱釋放趨近一個定值；同時後者也在文中指出，經由實驗結果顯
引起的氣體膨脹效應也勢必改變燃燒前後儀器量測之體積分率；為了對熱釋放 率有較精確之估算，吾人以Parker（1982）及 Janssen（1991）在文獻中提到的 氣體濃度與實際濃度間之修正方程式作為本實驗氣體濃度修正之計算式。
CO 及 CO2 生成法(Carbon Dioxide Generation, CDG)
CO 及 CO2生成法為計算燃燒氣體中二氧化碳及一氧化碳氣體生成量，利用每 單位質量二氧化碳及一氧化碳產生固定熱量之原理來計算整體燃燒形成的熱 釋放率。
熱對流升溫法( Gas Temperature Rise, GTR )
( )
T e p e o
Q& =m C T& −T ……….. (3.2)
式(3.2)中m&e為進入量測段的煙氣總質量流率，Cp值取空氣 300K 時的比熱 1.0035 kJ/(kg-K)，T 為熱電偶量得的燃燒反應後經過量測段煙氣溫度，e T 為未o 燃燒前所測得之大氣平均溫度。對熱釋放率在 1MW 以下之大型黃色火焰而 言，本方式只能代表約50~60%之熱釋放率，尚有約 30~40%熱輻射及 1~5%熱 傳導必須經由其他儀器測得。
第五節 油盤理論質量損失率計算熱釋放率
理論質量損失率(
M&
L Th, )在 Babrauskas(1983)研究中指出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以利用燃料質量損失率直接表示，並由許多實 驗中歸納出油盤火焰之單位面積質量損失率與油盤直徑之關係式：m&′′= m&∞′′(1−e−k Dβ )……….……(3.3)
m′′ &
、m &
∞′′
分別表示實際油盤及無限大之油盤燃燒單位面積質量損失率，對於不同 燃料而言有不同之質量損失率，而此值乃經由實驗計算經過曲線之回歸分析所得到，D 為油盤直徑，若油盤為方形或不規則形狀，則以其燃燒表面面積換算出對應此面積 之直徑方式求得，計算式中之 k (extinction-absorption coefficient)與 β (mean-beam-length corrector)則與燃料燃燒特性有關，因其燃燒產物及火焰型態結構不同而有所差異，取 決於火焰煙氣粒子(soot)熱吸收及火焰焰色形成之輻射熱傳行為，一般而言在液態有 機燃料中此兩參數之乘積為一固定值，並不得將兩參數分開單獨納入計算式中。將求
得之
m′′ &
乘上油盤表面積A 及每單位質量燃料燃燒熱∆H 後，可得到熱釋放率Q&
M Th, ：Q
&
M Th,=
m&
"× × ∆
A H………..………(3.4) 油盤火焰之特色為其穩定燃燒過程，當油盤火焰點燃後即迅速反應並成長，到達 完全發展時期(即全盛期)之燃燒模式為維持固定的速率燃燒，並持續一段穩定之長時 間至衰退，故可利用測重裝置(load cell)量測此時期質量變化資料繪成質量-時間關係 圖，在油盤燃燒實驗中由燃燒中期部分與時間呈現之線性關係求得其質量損失率Properties of Fuels
Material Density (kg m/ 3) c Petroleum Products
Gasoloine 740 43.7 0.055(±0.022) 2.1(±0.3) 2.0 1450 70-200
De: Equivalent Pool Diameter (m)
L(m) B(m) A(m2) De(m) e−k Dβ 1−e−k Dβ e m&∞′′ m&∞′′ −(1 e−k Dβ e) ∆hc HRR(MW)
Circle Pool Size
D=1ft Oil pan 0.073 0.3048 0.527 0.473 0.055 0.0260 43.7 0.0829 D=2ft Oil pan 0.292 0.6096 0.278 0.722 0.055 0.0397 43.7 0.5065 D=3ft Oil pan 0.657 0.9144 0.147 0.853 0.055 0.0469 43.7 1.3470 Square Pool Size
0.600 0.600 0.360 0.6770 0.241 0.759 0.055 0.0417 43.7 0.6565 0.700 0.700 0.490 0.7899 0.190 0.810 0.055 0.0445 43.7 0.9535 0.800 0.800 0.640 0.9027 0.150 0.850 0.055 0.0467 43.7 1.3072 0.900 0.900 0.810 1.0155 0.119 0.881 0.055 0.0485 43.7 1.7161 1.000 1.000 1.000 1.1284 0.094 0.906 0.055 0.0499 43.7 2.1787 1.100 1.100 1.210 1.2412 0.074 0.926 0.055 0.0509 43.7 2.6936 1.500 1.500 2.250 1.6926 0.029 0.971 0.055 0.0534 43.7 5.2532 2.000 2.000 4.000 2.2568 0.009 0.991 0.055 0.0545 43.7 9.5299 CNS Square Pool Size (CNS1387 滅火器第六節油盤模型號碼)
0.447 0.477 0.213 0.5210 0.335 0.665 0.055 0.0366 43.7 0.3409 0.633 0.633 0.401 0.7143 0.223 0.777 0.055 0.0427 43.7 0.7482 0.775 0.755 0.585 0.8631 0.163 0.837 0.055 0.0460 43.7 1.1768
第六節 多功能房間實驗模型的設計構想及整體架構
多功能房間實驗模型的設計構想係由本所 95 委辦案「性能式防火設計基準全 尺寸驗證研究」研究團（計畫主持人：林大惠教授）對所規劃，本研究案於該研究 團對規劃中考量能夠結合不同研究計畫以作比較分析，並充分整合本所研究資源，
故本研究計畫所提及之滅火及撒水作動實驗係以搭配該委辦案取得所需實驗資 料，俟該委辦計畫案相關實驗結束後，再利用本案之火源及平方火災模擬器於目前 已建置完成的多功能房間實驗模型實驗場進行實驗。
本研究案搭配相關研究案利用本章第二節已建立的多功能房間火災模式驗證 實驗屋，擴充建置具備多功能的防火與滅火實驗模型，其設計構想示於相片 3.2，
實驗模型必須具備撒水系統、洩水系統（地板坡度和洩水溝）、可動式屋頂、大面 積觀測視窗（防火玻璃）等。灑水系統必須可精確控制和調節水壓和水流率，且可 於不同的位置安置不同型式的水霧噴嘴。去年度實驗模型的缺失，包括：屋頂受熱 變形、接縫氣密不佳和集煙性能不完全等，將一併改善。
多功能辦公室空間實驗場已建構完成，現況如圗 3. 6 所示，本案維持過去已建 立的辦公室空間實驗場之架構，進行重新設計，建置一個多功能且具多案整合機能 的防火與滅火辦公室實驗模型。新增設備有：活動天花板、窺視窗、撒水系統等構 造與設施，並針對去年度的實尺寸實驗設計的缺失作改進，包括屋頂板受熱變形，
牆構件接縫氣密不佳，燃燒分析裝置集煙性能不完全等問題，都一併改善。新建實 驗場以下依三個項目來加以說明：(1)實驗場架構 (2)撒水系統 (3)量測系統。
(a)實驗場北牆 (b)實驗場南牆 圗 3. 6 多功能房間實驗模型實驗場實體架構圖
(一)實驗場建置架構
為了與已完成的實驗條件與結果相互驗證，模型的平面尺寸，依照以往尺度，仍然 維持6m×5m（牆心線）；牆壁部分94年度使用的是厚度0.2m的ALC（aerated lightweight concrete）板來構築，而此次為求更真實的牆面熱流狀況，採用了砌磚的方式來建構牆 面，牆面厚度設計為0.26m、並使用加強磚造工法；另外，同樣參照先前實驗，新規劃 模型的東北側與東南側各有一個2.1m×0.9m之單開門作為房間開口，可依實驗需求自由 開啟或關閉，實驗場平面圖如圖圗3. 7(a)所示。
本年度實驗將因需考量滅火實驗及撒水作動，為能更直接地觀測火場內撒水頭撒水
本年度實驗將因需考量滅火實驗及撒水作動，為能更直接地觀測火場內撒水頭撒水