第五章 大空間全尺度火災實驗
5.1 大空間煙控實驗
5.1.2 實驗設備
大空間全尺度實驗場地的外部長寬高分別為 30.6m、18.6m、及 30.6m，內部空間為一立方体，淨尺寸為 22.4m×11.9m×27.0m。大空間 全尺度實驗場地外圍共有六層回廊，每層回廊的東、北、西三面均有 窗戶通向室外，以便於實驗中進行觀測，並可利用通向室外之窗戶進 行自然排煙策略之煙控實驗。其外觀如圖 5-1 所示，大空間全尺度實驗 場示意圖，如圖 5-2 所示。
圖 5-1 大空間全尺度實驗場
大空間全尺度實驗場的屋頂上有八個 1.2m × 1.2m 的排煙口，以做 為自然排煙口和機械排煙口使用，如圖 5-3 所示。其中四個排煙口作為 自然排煙口，而另四個排煙口則裝置四台排煙風機，其相關位置圖，
如圖 5-4 所示。此自然排煙口與機械排煙風機，將可充分利用，變換出 實驗時所需要之煙控策略。
圖 5-3 大空間全尺度實驗場頂部自然與機械排煙口
圖 5-4 大空間全尺度實驗場頂部排煙口相關位置圖
大空間全尺度實驗場內部之煙氣溫度由熱電偶測量，在實驗大廳 的四周，距牆邊約 2 m 處，共掛了四束由熱電偶組成之儀器樹。每一 束儀器樹上有 20 個熱電偶，頂部第一個熱電偶距實驗場大廳頂部的距 離約 1 m，其餘熱電偶相距為 1 m，如圖 5-5 所示。由熱電偶測量到之 數據，利用自動數據處理器記錄，最後傳至個人電腦中轉成溫度信號 而儲存，等待日後分析。
圖 5-5 由熱電偶組成之儀器樹
除利用上述儀器樹所量測所得之煙層溫度分佈結果，藉以推論煙 層下降速度外。並且亦加上人工目視記錄與攝影機，配合實驗現場刻 畫之量尺，判斷每個時候之煙層高度，亦可推論煙層下降速度。
為了便於利用人工或攝影機觀測煙氣層界面變化之情形，在實驗 場大廳的牆壁上設置了一大的標尺和標示燈，如圖 5-6 所示。標示燈每 隔 2 m 一個，於實驗過程中，藉由每個標示燈的明滅，用以判斷當時 煙層界面之高度。
圖 5-6 實驗場大廳內部之標尺和標示燈
5.1.3 結果分析
本實驗之火源為 4 個 1m × 1m 之油盤，實驗過程中，可用 1 個、2 個或 4 個油盤，以便進行不同火源功率下的實驗。所有實驗中，油盤 均放在實驗場大廳的中央位置。由於火源的溫度很高，燃燒過程中，
油盤底部很容易被高溫燒的變形，而凹凸不平，影響了火源的穩定和 火源功率的確定。故為了保持整個油盤燃燒面的水平，使之均勻燃燒，
於實驗前先在油盤中加入一定量的水，使之覆蓋油盤底部，然後再加 入燃料，讓燃料浮在水面之上。如此，既可以保持均勻燃燒，又能降 低油盤底部的溫度，使之不再變形。實驗時，點燃油盤情形，如圖 5-7 所示。
火源的釋熱速率 Q（MW）則根據燃料的質量損失速率和燃料的燃 燒熱值來確定。於實驗時，在某一燃燒油盤的下面放置一個六支點壓 式之質量感知器，透過該質量感知器可以得到燃料的瞬間質量變化情 形，然後在求得該次實驗之熱釋放率。實驗時火盤燃燒，煙氣向上竄 升情形，如圖 5-8 所示。
圖 5-7 實驗時點燃油盤情形
圖 5-8 實驗時火盤燃燒，煙氣向上竄升情形
首先進行的實驗為自然填充實驗，實驗條件為自然排煙口與機械 排煙風機皆不開啟狀況，其油盤燃燒之總熱釋放率（Heat Release Rate），經量測結果約為 2 MW。
T16，T11 分別表示距地面 26m、21m、16m、及 11m 處的熱電偶。由 圖中可看出，各位置的溫度變化基本上是一致的，隨著煙氣層的發展，
圖 5-9 自然填充實驗下，由熱電偶推得之煙層下降圖
圖 5-10 自然填充實驗下，由人工目視所得之煙層下降圖
0 50 100 150 200 250 300
0 5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200 250 300
0 5 10 15 20 25 30
圖 5-11 自然填充實驗下，由 CFAST 電腦模擬所得之煙層下降圖
圖 5-13 四個位置的熱電偶量測值
圖 5-14 相同火源功率下，不同排煙速率之煙沈積速度比對
T12183 sol i d T12261 open
0
Elevation (m)
Obser vat i on Ther mocoupl e Vi deo
Obser vat i on Ther mocoupl e Vi deo Temperature ( ℃ )
T 2 6
T 2 1
T 1 6
T 1 1
5.2 水幕性能實驗
幕（Water Drench）之性能與防止火災延燒之效果。所利用之儀器設備 包括水幕系統之水路管線及噴頭，及各種控制啟動閥、及連動控制器場溫度之值。
5.2.2
實驗設備本水幕實驗利用建築研究所五股防火試驗室前之空地進行。將兩 只防火居室吊起，置於臨時製作之水槽上後，整個實驗設備大致完成，
如圖 5-15 所示。
圖 5-15 水幕實驗大體設備
俟實驗之大體設備完成後，接著將進行水幕系統之設計。由於我 國目前並無任何有關水幕系統設計之法規規定，故本研究之水幕系統 設計將依循日本「消防法施行規則」第 15 條（開口部に設置するドレ ソチヤ一設備）之規定設計。其內容重點如下：
1. 水幕系統之撒水頭需設置於其開口部之上緣，且二個撒水頭之距離 不得大於 2.5 公尺以上。
2. 水幕系統之每個撒水頭放水量，每分鐘需大於 20 公升以上。
3. 水幕系統所連結之供水裝置需加以防火保護，以防止火災時遭受破 壞，喪失功能。
因此基於上述日本水幕系統相關規定，本水幕實驗之水路系統設 計如圖 5-16 所示。
圖 5-16 水幕系統水路圖
由於水幕系統之用水量相當大，除於試驗箱底部設置一個 6 噸水 箱外，並裝置 2HP 之循環水泵，讓水從兩個撒水頭噴出後，能循環使 用。圖 5-17 為位於試驗箱後方之循環水泵。
圖 5-17 水幕系統之循環水泵 6
1m 1m 6噸水箱
試驗箱 試驗箱
2HP變頻式水泵
撒水頭 撒水頭
本實驗將於有無水幕系統作用下，量測火場釋放熱量與火場溫度 之值。實驗進行時，將採取二個試驗箱比對方式，故只有左邊試驗箱 中才有油盤，右邊試驗箱中並無油盤。將在有油盤的試驗箱中裝置熱 量計及熱電偶，量測火場釋放熱量與火場溫度，如圖 5-18 所示。而沒 有油盤的試驗箱中，只裝置熱電偶，量測試驗箱中溫度。而所有熱量 計與熱電偶量測值，皆送到電腦進行自動數據記錄，如圖 5-19 所示。
圖 5-18 有油盤的試驗箱中裝置熱量計及熱電偶
圖 5-19 熱量計與熱電偶量測值之自動數據記錄
5.2.3 結果分析
1.
靜態水幕性能觀察本項實驗將於無油盤狀況下，觀察撒水頭不同出水量下，水幕系 統所形成之水簾形狀與性能。之前曾提及日本水幕系統之設計內容，
其中規定「水幕系統之每個撒水頭放水量，每分鐘需大於 20 公升以 上」。實驗結果顯示，當調整循環水泵使水幕系統撒水頭之出水量小於 每分鐘 20 公升時，其所造成之水簾效果較為不佳，如圖 5-20 所示。而 調整水幕系統撒水頭之出水量大於每分鐘 20 公升時，則水簾效果明 顯，如圖 5-21 所示。
圖 5-20 撒水頭之出水量小於每分鐘 20 公升時，水簾效果不佳
圖 5-21 撒水頭之出水量大於每分鐘 20 公升時，水簾效果佳
2. 火場輻射熱量量測
本項實驗將於試驗箱有無水幕系統作用下，利用熱量計量測試驗 箱火場輻射熱量之值，圖 5-22 為進行油盤燃燒水幕系統實驗之情形。
由圖中可看出，油盤燃燒後的煙，從試驗箱的正面竄出。一來實驗時 並未在試驗箱的頂部裝置排煙系統，二來水幕系統並非防煙區劃之 用，而是防火區劃用途，可用來降低火場的輻射熱。
圖 5-22 油盤燃燒水幕系統實驗之情形
圖 5-23 為有無水幕系統作用下，火場輻射熱量量測之比較。經實 驗結果顯示，當油盤燃燒約 90 秒後啟動水幕系統後，很明顯地，火場 熱釋放量比沒有水幕作用下小了許多，且只有水幕系統沒有啟動下之 1/3強而已。
故水幕系統的確可降低火場輻射熱量，且效果非常明顯，可替代 一般常用防火鐵捲門，作為防火區劃之設計。尤其將水幕系統設置於 具備挑空中庭及大型開闊空間之建築物時，除無設置防火鐵捲門時之 多項缺點，如建築景觀、投資成本過大與不易維修等外。若配合其性
3. 火場溫度量測
本項實驗將於有無水幕系統作用下，利用熱電偶量測火場溫度之 值。圖 5-24 為有無水幕系統作用下，火場溫度量測之比較。由實驗結 果得知，沒有水幕系統作用下之火場溫度，高達約 480 oC以上。而當 水幕系統啟動後，火場最高溫度約達 350 oC，與沒有水幕作用下降低 了 130 oC以上。
故承接上一實驗項目之結果，水幕系統大幅降低火場輻射熱量之 同時，也大幅降低火場溫度，此點可提供火場一個較佳的逃生避難環 境。而水幕系統之降低火場溫度功能，也再一次證明可替代一般常用 防火鐵捲門，作為防火區劃之設計。
圖 5-24 有無水幕系統作用下，火場溫度量測之比較
5.3 小結
於大空間煙控自然填充實驗下，由熱電偶量測煙層溫度之結果，
所推得之煙層下降圖。可由結果得知，約油盤燃燒 150 秒後，煙層即 下降到離地面約 5 公尺處。另外由人工目視所得其煙層下降之趨勢，
與熱電偶量測類似。為確認實驗之準確性，本研究利用美國中央標準 局（NIST）所發展之火災電腦模擬程式 CFAST 進行大空間煙控系統模 擬。最後對自然填充實驗下，熱電偶、人工目視與 CFAST 電腦模擬比
防火鐵捲門時之多項缺點。基於以上，本實驗主要目的為分析當發生 火災時，大空間中庭水幕（Water Drench）之性能與防止火災延燒之效 果。所利用之儀器設備包括水幕系統之水路管線及噴頭，及各種控制
火場溫度量測實驗方面，本項實驗將於有無水幕系統作用下，利 用熱電偶量測火場溫度之值。由實驗結果得知，沒有水幕系統作用下 之火場溫度，高達約 480 oC 以上。而當水幕系統啟動後，火場最高溫 度約達 350 oC，與沒有水幕作用下降低了 130 oC以上。
故承接上一實驗項目之結果，水幕系統大幅降低火場輻射熱量之 同時，也大幅降低火場溫度，此點可提供火場一個較佳的逃生避難環 境。而水幕系統之降低火場溫度功能，也再一次證明可替代一般常用 防火鐵捲門，作為防火區劃之設計。