第四章 實驗規劃
第一節 實驗設備概述
本研究實驗部分使用雲林科技大學防火工程實驗室，實驗室平面 圖如圖4.1 所示。實驗以工業酒精（甲醇）與正庚烷作為測試火源進 行水霧滅火系統在不同粒徑下對於熱輻射的阻隔與吸收實驗測試。之 所以選擇使用甲醇與正庚烷是由於其擁有1.燃燒不冒黑煙，較易觀察 實驗過程且不會造成儀器污染；2.實驗燃料的選擇是以一般常見之燃 料的熱釋放率為基準（如：汽油，1.95MW），再選擇熱釋放率較低於 它及較高於它的兩種燃料（如：甲醇，0.5MW；正庚烷，3.35MW），
而本實驗主要是希望得到水霧對於熱輻射的遮蔽率相關參數，故甲醇 與正庚烷所囊括的熱釋放率應具有代表性。
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圖4.1 防火工程實驗室平面圖（資料來源：本研究整理）
一、 實驗空間
實驗區的長寬高尺寸為 3.5m×3.5m×3.2m（壁約厚 0.1m），實驗
測窗以便觀測實驗過程火場之變化狀況，牆面與觀測窗的縫隙使用耐 火塗料加以密封，避免熱煙氣從縫隙中流出，因而影響實驗的準確性。
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圖4.2 防火工程實驗室前視圖（資料來源：本研究整理）
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圖4.3 防火工程實驗室相關儀器配置平面圖（資料來源：本研究整理）
二、 水系統
由於水系統的流量與壓力對於水霧噴撒之密度、水霧滴粒徑尺寸 大小及滅火效果等都有很大的影響，因此在撒水管路上必須裝設一個 變頻式壓力泵浦（壓力範圍在0~25kgf/cm2），用來調整實驗過程中水 流量與壓力。另外為了確保水量能在實驗過程中能穩定且持續的供 給，因此設置一大型5ton 的儲水槽。
三、 現場實驗量測設備 A. 溫度量測設備：
實驗空間內溫度的變化將使用熱電偶量測。熱電偶具有價格便 宜、結構簡單、測溫範圍廣及準確度高，而且可以把溫度信號轉變成 電信號進行遠距離傳送等優點。
而為了量測區劃內各個高度的溫度，因此可將數個熱電偶共同綁 在一條垂直的細鐵鍊上。實驗室內架設三點熱電偶，分別在距離地面 1.4m、1.6m、1.8m 等三個不同高度架設熱電偶，示意圖如圖 4.4 所示。
熱電偶使用K-type，最高溫度可以量測到 400℃。熱電偶各點量 測溫度訊號透過數據擷取裝置(Data Log)將數溫度據輸入至電腦中。
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圖4.4 實驗室熱電偶與熱輻射計安裝設置示意圖（資料來源：本研究整理）
B. 流量計與壓力計：
為產生不同粒徑之水霧粒滴，利用變頻式之加壓水泵改變壓力來 進行粒徑之變化，改變壓力亦會改變流量，同時水霧噴撒之流量對於 細水物之滅火效應也會有影響。因此在加壓水泵出口端裝設數位式流 量計，用來量測撒水頭所噴撒出的水量，可透過訊號傳輸線連接至控 制室，利用數位顯示器顯示瞬間流量與累積流量之變化。
壓力計裝設在加壓泵浦的出口處與支管的入口處用來量測水霧 之的噴撒壓力。另外為方便監控，將撒水管路延伸至控制室內並在管 路末端裝設一個壓力錶頭。
C. 熱輻射計：
為 了 量 測 水 霧 系 統 對 於 熱 輻 射 的 阻 隔 與 吸 收 ， 本 研 究 採 用 MEDTHERM CORPORATION 所製造的熱輻射計，其吸收率為 0.92，
外觀如圖4.5 所示。本研究備有 0.9980W/cm2 per mV 和 0.6061W/cm2 per mV 兩種熱輻射計，以求實驗能有較高的準確度。
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圖4.5 熱輻射計（資料來源：本研究整理）
D. 數據收集系統：
數據擷取裝置的主要作用是將實驗過程中熱電偶量和熱輻射計 測到的數值傳輸並記錄下來。本實驗所用之數據收集系統是由一部筆 記型電腦及資料擷取設備（Data Log）所組成，可同時接收多點信號 並儲存。
E. 影像設備：
在控制室內靠近實驗區位置以及正視實驗室鐵捲門處均架設影 像系統。透過觀測窗，錄下實驗進行時實驗空間內火源燃燒的狀態、
水霧系統噴撒的情形與火源燃燒的時間。
四、 火源
本研究透過火盤燃燒甲醇形成池火源作為實驗測試火源，火盤大 小為 0.84m×0.59m、高度 0.1m，使用厚度 1.5mm 的鋼板製成，避免 因燃燒時的高溫而產生變形。火盤位於實驗室中央，放置於地面上一 長寬高均略大於火盤的水盆內，以減少實驗過程中火源受週遭地板熱 效應之影響。
第二節 實驗規劃
本研究以實驗為主，以模擬加以對照，目的是希望能以正確的模 擬結果減少實驗所帶來的金錢與時間的消耗，也可以作為實驗前的評 估與設計工具。
一、 CFD 軟體介紹 A. FDS 軟體簡介：
本研究所使用的CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬軟體為 美國 NIST(National Institute of Standard and Technology)所發展的 FDS(Fire Dynamic Simulator)火場模擬軟體，並搭配火場情境繪圖軟 體Somkeview 觀察火場溫度、煙流方向或是其他性質作動情形。
FDS 這套軟體的核心是由 Navier-Stokes 組成，以解析流體公式的 方式撰寫，可用於3D 的流場和煙流動模擬，同時可模擬計算火場的 變化。
B. FDS 使用步驟：
要使用 FDS 進行模擬之前，必須要先收集火場資料，包含火場 外型、內容物位置、可燃物資料等等。然後就是定義起火點以及火源
尺寸和熱釋放率。資料齊全之後，便可著手建立 FDS 的輸入檔，使 用 Windows 內建的「記事本」軟體編輯即可。這個輸入檔便是 FDS 讀取資料的來源，其中可加以建立的項目包含：模擬空間的大小及形 狀、內容物的位置、門窗、偵測點的位置與種類、火場資料(如：溫 度、熱輻射值、煙濃度)擷取點的位置。之後便是執行 FDS 開始進行 計算的動作。
C. FDS 結果的處理與分析：
當 FDS 計算完畢之後，可直接執行 Smokeview 察看計算後的火 場情景，將模擬的結果透過色彩、立體、動畫，讓使用者能很清楚的 對於火場有鮮明的印象，快速掌握火場資訊，進一步對於火場進行分 析，以瞭解災害發生的原因以及預防的方法。
二、 FDS 執行過程
經由上述FDS 執行步驟後，我們依照實際的建築-防火工程實驗 室建立了 FDS 的模型，如圖 4.6～4.9 所示。其中灰色的部分代表實 驗室主體，紅色代表火源，黃色代表Thermocouple，綠色方塊是用來 測量熱輻射值，如圖4.7、4.8 說明。
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圖 4.6 FDS 模擬防火工程實驗室前視圖17
圖4.7 FDS 模擬防火工程實驗室右轉 15 度角視圖實驗室主體
火源 Thermocouple
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圖4.8 FDS 模擬防火工程實驗室左轉 15 度角視圖19
圖 4.9 FDS 模擬防火工程實驗室透視圖（圖4.6-4.9 資料來源：本研究整理）
熱輻射測點 實驗室主體
A
三、 實驗規劃
本研究實驗之部分將在防火工程實驗室內，距離牆壁 1.6m 處、
高 2.1m 、 2.7m 處 裝 設 水 霧 撒 水 頭 ， 並 在 火 盤 旁 裝 設 三 點 Thermocouple，用來量測火場溫度變化。熱輻射計安裝在水霧撒水頭 與火盆相同距離之對角線處，高度為1.8m，在圖 4.8 中 A 點的位置。
同時為產生不同粒徑大小之水霧滴，透過變頻式加壓泵浦壓力的改變 及不同撒水頭來控制水的流量及粒徑大小，並利用雷射繞射粒徑分析 儀量測水滴粒徑大小。
實驗中將使用自行開發之水霧撒水頭，為了產生不同之水霧噴撒 粒徑，透過變頻式壓力泵浦來調整實驗過程中水的壓力，以得到不同 之水霧粒滴直徑，來進行不同水霧粒徑大小對於滅火效能之影響及其 他影響參數之交互作用，配合不同工作壓力以產生粒徑範圍 DV0.9分 別為200 到 800μm，並紀錄相關的水霧放射條件（所需工作壓力及流 量），以便進行不同水霧滴粒徑大小與放射壓力及工作流量對水系統 滅火效能之影響研究。
水霧系統之滅火效能將從實際火源撲滅時間與火場空間溫度變 化情形進行比較探討。滅火時間是指從水霧開始撒水一直到火源被完 全撲滅為止之間的時間，配合影像系統觀察實驗過程中火源燃燒狀況 與最後火源撲滅之時間，所有實驗完成後再進行性能比較分析。
而水霧系統對於熱輻射的阻隔分別使用不同高度及不同粒徑的 水霧做區別，目的在於瞭解粒徑大小對於阻隔熱輻射的效率，以期能 找出最符合經濟效益的組合。
由於預燃時間並不在本研究中探討，因此實驗時統一固定預燃時 間為 60 秒，且為避免加壓水泵會有壓力上升之時間延遲，因此加壓
水泵會先開啟至所需之工作壓力，在管路內先行蓄壓，利用水霧撒水 頭前方之電磁閥來控制系統之作動噴撒，從點火開始至 60 秒後水霧 系統開始噴撒。
水霧系統之滅火效能將從實際火源撲滅時間與火場空間溫度變 化情形進行比較探討。滅火時間是指從水霧開始撒水一直到火源被完 全撲滅為止之間的時間，配合影像處理系統觀察實驗過程中火源燃燒 之狀況與最後火源撲滅之時間。
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表 4.1 實驗規劃表 實驗編號 水霧水滴粒徑Dv0.9(μm) 撒水頭高度 燃料數量 燃料種類 流量(Lpm) 操作壓力 (kgf/cm2)
1 N/A N/A 3L 甲醇 N/A N/A
2 N/A N/A 5L 甲醇 N/A N/A
3 N/A N/A 3L 正庚烷 N/A N/A
4 200 2.1m 3L 甲醇 12 16.3
5 800 2.1m 3L 甲醇 12 2
6 200 2.7m 3L 甲醇 12 16.3
7 400 2.7m 3L 甲醇 12 3.5
8 600 2.7m 3L 甲醇 12 5
9 800 2.7m 3L 甲醇 12 2
10 Sprinkler 2.7m 3L 甲醇 12 1
11 200 2.7m 3L 正庚烷 12 16.3
12 400 2.7m 3L 正庚烷 12 3.5
13 600 2.7m 3L 正庚烷 12 5
14 800 2.7m 3L 正庚烷 12 2
15 Sprinkler 2.7m 3L 正庚烷 12 1
16 200 2.7m 5L 甲醇 12 16.3
17 400 2.7m 5L 甲醇 12 3.5
18 600 2.7m 5L 甲醇 12 5
19 800 2.7m 5L 甲醇 12 2
20 Sprinkler 2.7m 5L 甲醇 12 1
註：1 kgf/cm2 ＝ 0.098 MPa = 14.214 psi = 0.968 atm
（資料來源：本研究整理）