第二章 自動撒水設備的調查與分析
第二節 放水試驗與模擬分析
自動撒水設備放水試驗與模擬分析，首先挑選某教學醫院進行建築物自動撒 水設備之現地試驗，該本研究場域為地下 3 層、地上 16 層之高層建築物，用途 包括門診、手術、辦公等，測試樓層分別為 1F、5F、8F、12F、15F，測試位置
為前述樓層之末端查驗裝置。現地測試結果將分別繪製幫浦性能曲線、供水高度 對應之放水壓力曲線，調查在不同樓層的放水壓力變化。本研究首先比對現場實 測結果和水力計算軟體結果之相符合度，水力計算軟體之計算方程式採用與配管 摩擦損失計算基準相同的的海森威廉公式。在確認水力計算結果後，分別就供水 高度、撒水頭防護半徑、放水係數 K 值、海森威廉 C 值、幫浦揚程等不同參數 進行大樣本模擬。再就各參數計算結果交叉比對及分析，並提出原有合法建築物 自動撒水設備管路在制度和政策上之建議。
一、現地測試與計算結果比對
試驗場域之自動撒水設備平面圖如圖 2-7、系統圖如圖 2-8 所示。系統 昇位圖標列各管段編號後並進行現地調查與實驗，各管段對應現況如圖 2-9 所示。
圖 2- 7 實驗對象自動撒水設備平面圖 (本研究整理)
圖 2- 8 實驗對象自動撒水設備系統圖 (本研究整理)
編號 3 編號 4
編號 5 編號 6
編號 7 編號 8
編號 9 編號 10
圖 2- 9 自動撒水設備各管段對應現況 (本研究整理)
表 2-9 為試驗建築物自動撒水幫浦之測試結果，該場所之幫浦曾經經過 整修，幫浦的全閉揚程為 173.8 m，該場所之撒水頭為第一種感度撒水頭(快 速反應型撒水頭)。比對量測結果，12 只撒水頭同時放水 1080 LPM 之出水 量時之額定揚程約為 167 m。圖 2-10 為實測場域之自動撒水幫浦性能曲線 圖。
表 2- 9 幫浦性能曲線測試結果
序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
水量 L/min 0 100 1000 1500 2000 2500 2700 3000 3500 4000 4500 揚程 m 173.8 173.0 169.1 164.1 160.4 155.0 152.6 148.6 140.5 128.9 112.7
(本研究整理)
圖 2- 10 自動撒水幫浦性能曲線圖 (本研究整理)
表 2-10 為 1F、5F、8F、12F 及 15F 等五個樓層實際測試結果，以及參 照圖 2-8 分別繪製全數放水樓層之系統圖後，以水力計算軟體模擬該樓層末 端查驗管放水壓力之結果。從圖 2-11 可以看出，現地實測的結果和水力軟 體的計算結果非常接近。整體趨勢可看出，末端查驗裝置的壓力值隨著供水 高度的增加與放水壓力值呈反比關係。
表 2- 10 現地實測與水力計算之結果 放水
樓層
供水 高度(m)
流水檢知裝置一次 側壓力(kgf/cm²)
末端查驗裝置 實測壓力(kgf/cm²)
末端查驗裝置 模擬壓力(kgf/cm²) 15F 63.95 8.50 7.95 7.98
12F 52.60 12.40 12.32 12.66 8F 38.50 13.07 12.71 12.95 5F 27.50 14.80 14.79 14.94 1F 12.90 17.50 17.13 17.25
圖 2- 11 現地實測與水力計算曲線圖 二、自動撒水設備水力計算分析
為進一步調查不同參數對於自動撒水設備放水特性之影響，接下來將以 以下參數條件進行模擬計算。考量一般場所和甲類場所火災特性，防護半徑 採取r=1.7m和 2.1m二種尺度；參考Chang(2006)提出的Hazen – Williams Equation的C值建議，水力計算設定三種海森威廉C值，分別為 110、100、
90；撒水頭放水係數K值採用 80L/min/bar0.5和 114L/min/bar0.5二類；自動撒 水幫浦則設定H=172m、150m、135m、120m、100m、95m、70m、65m等八 種揚程；前述現地實測供水高度為末端查驗裝置高度，依照實測建築物高程 修正為實際撒水頭裝設高度，分別為 15m、22.3m、33m、44m、54.5m、66m，
撒水頭假設為第一種感度，以同時開啟 12 只撒水頭進行水力計算，共計 576
組水力計算案例。
表 2- 11 水力計算參數設定表 供水高度 h
(m)
幫浦揚程
H(m)
海森威廉
C 值
撒水防護 半徑 r(m)
放水孔徑K值
(L/min/bar
0.5)
15 65 90 2.1 80
22.3 70 100 1.7 114
33 95 110
44 100 54.5 120 66 135 150 172
依臺灣消防設置標準第 50 條之規定，撒水頭之放水壓力應在 1 kgf/cm2 以上。然而，就NFPA 13 圖 11.2.3.1.1 之精神，自動撒水之防火性能取決於 防護安源的放水密度，其放水密度應視防護場所之危險程度(如表 2-12)以及 最大防護面積而決定。基於自動撒水設備主要係抑制火源燃燒的發熱速度以 及降低火場溫度之精神，藉以降低驅動熱煙流動擴散的浮力，本研究在放水 性能以放水壓力和和放水密度二項指標進行計算和分析。
圖 2- 12 NFPA 13 自動撒水放水密度/防護面積曲線圖
(資料來源： NFPA 13 Standard for the Installation of Sprinkler Systems FIGURE 11.2.3.1.1 Density/Area Curves.)
表 2- 12 NFPA 13 場所危險等級之建議 A. Light Hazard Occupancies：(可燃物少、熱釋放率低)
Churches(教堂) Clubs(俱樂部)
Eaves and overhangs， if combustible construction with no combustibles beneath(屋簷或突出物-正下方無可燃物質)
Educational(教育場所) Hospitals(醫院)
Institutional(公共團體聚會場所)
Libraries， except large stack rooms(圖書館—堆放大量書籍區除外) Museums(博物館)
Nursing or convalescent homes(護理站及病人恢復室) Office， including data processing(辦公室含資料處理區) Restaurant seating areas(餐廳座位區)
Theaters and Auditoriums excluding stages and prosceniums(電影院和演講堂—舞 台及布幕區除外)
Unused attics.(未使用的閣樓或屋頂室)
B. Ordinary Hazard Occupancies (Group 1)：(可燃物中量 h<2.4m、熱釋放率中)
Automobile parking and showrooms(室內停車場)
Bakeries (展示場)
Beverage manufacturing(飲料製造廠) Canneries(罐頭工廠)
Dairy products manufacturing and processing(乳製品製造及處理工廠) Electronic plants(電子設備或工廠)
Glass and glass products manufacturing(玻璃及玻璃產品的製造廠) Laundries(洗衣店)
Restaurant service areas(餐廳工作人員工作區)
C. Ordinary Hazard Occupancies (Group 2)：(可燃物中量 h<3.7m、熱釋放率中)
Cereal mills (穀類磨坊)
Chemical plants--ordinary (一般性化學設備或工廠) Confectionery products (製作餅乾場所)
Distilleries (蒸餾酒廠)
Dry cleaners(乾式清潔劑製造廠)) Feed mills(飼料工廠)
Horse stables(馬廄)
Leather goods manufacturing(毛皮產品製造廠)
Libraries excluding large stack room areas(圖書館—堆放大量書籍區) Machine shops(機械商店)
Metal working(商業場所) Mercantile(金屬加工場所)
Paper and pulp mills(紙及紙漿工廠) Paper process plants(製紙機器設備場所) Piers and wharves(碼頭)
Post offices(郵局)
Printing and publishing(印刷廠)
Repair garages(汽車修理廠) Stages(舞台)
Textile manufacturing(紡織廠) Tire manufacturing(輪胎製造廠)
Tobacco products manufacturing(菸草製造廠) Wood machining(木材加工廠)
Wood product assembly(木製產品裝配場所)
D. Extra Hazard Occupancies (Group 1)：(可燃物量高、熱釋放率迅速、少量可 燃液體)
Aircraft hangars (except as governed by NFPA 409) (飛機停機棚) Combustible hydraulic fluid use areas (可燃性液壓油使用區) Metal extruding (鑄造場所)
Plywood and particle board manufacturing (金屬鍛造廠)
Printing(using inks having flash points below 100 oF-37.9oC)(印刷廠 FP<100) Rubber reclaiming， compounding， drying， milling， vulcanizing(橡膠資源 回收處理廠)
Saw mills(鋸磨廠)
Textile picking， opening， blending， garnetting， carding， combining of cotton，
synthetics， wool shoddy， or burlap(紡織品的各種原料廠) Upholstering with plastic foams(使用塑膠泡棉作為室內裝修場所)
E. Extra Hazard Occupancies (Group 2)：(可燃物量高、熱釋放率迅速、儲存中 量可燃液體或可能延燒區域廣泛)
Asphalt saturating (柏油浸染的場所)
Flammable liquids spraying (利用可燃性液壓作霧化處理場所) Flow coating (電鍍場所)
Manufactured home or modular building assemblies(where finished enclosure is present and has combustible interiors) (建築物模組件的組裝場所)
Open oil quenching (利用油作淬火處理的開放場所) Plastics processing(塑膠製品的處理場所)
Solvent cleaning(使用揮發性溶劑作清理工作的場所) Varnish and paint dipping(油漆或油漆封裝場所)
圖 2-13 為本研究水力計算分析之架構圖。自動撒水設備之放水性能可 分為放水壓力和放水密度兩項。供水高度取決於防護對象之設置樓層。而在 建築物沒有進行管路變更和更換撒水頭的情況下，撒水配管管徑、配管管長、
撒水頭防護半徑和撒水頭放水孔徑是固定的。換句話說，自動撒水設備在沒 有系統變更的前提下，影響放水性能的因素主要為幫浦性能的衰減和配管摩 擦損失的變化，在配管管徑、配管管長未變動的情況下，影響配管摩擦損失 的主要因素可使用海森威廉 C 值做為衡量指標。
圖 2- 13 自動撒水設備放水性能之影響因素 (本研究整理)
(一) C 值對壓力及放水密度的影響
由相關文獻得知，撒水設備管路 C 值會隨著配管的使用年份而改變。當年 份越久，C 值會逐變變小而導致摩擦損失變大。圖 2-14 是根據 C 值分別為 90、
100、110 時，各種幫浦揚程在不同供水高度的放水密度分布圖。觀察圖中，所 有曲線的放水密度都隨著供水高度的增加而遞減。揚程 H=65m 幫浦的曲線斜 率大於揚程 H=100m 和 H=150m 的情況。顯示較小揚程幫浦的放水密度性能較 容易受到供水位能增加的影響。再比較不同的海森威廉 C 值的放水密度值，發 現無論在 H=65m、H=100m 或 H=150m 情況下，C 值 90 和 C 值 100 的放水密 度差明顯大於 C 值 100 和 C 值 110 的放水密度差。代表當管路因時間因素老化、
銹蝕或因雜質而導致 C 值變小時，配管摩擦損失將逐年增加。幫浦性能衰退和 管路致 C 值變小皆可能造成自動撒水設備放水性能的下降。
圖 2- 14 C 值對供水高度及放水密度之影響 (本研究整理)
圖 2-15 是C值分別為 90、100、110 時，各種幫浦揚程在不同供水高度的 放水壓力分布圖。基於撒水頭放水量、放水係數和放水壓力之關係(Q = K×P0.5)，
圖 2-14 和圖 2-15 的趨勢是一致的，但是當幫浦揚程較大時，C值對放水壓力的 影響值明顯來得大。也說明老舊管線的C值變化會增加配管摩擦損失進行影響 撒水頭的放水壓力。
圖 2- 15 C 值對供水高度及放水壓力之影響
(二) 放水壓力和放水密度的探討
以下，藉由圖 2-16 和圖 2-17 來探討在不同設計條件下，以放水壓力和放 水密度來衡量自動撒水放水性能之差異。圖 2-16 中A點為模擬場域之 15F，供 水高度為 66 m，放水壓力值為 3.35 kgf/cm2。A點曲線之幫浦揚程為 172 m，可 看出無論在甚麼情況下，A點曲線皆能同時符合消防設置標準撒水頭放水壓力 應達 1 kgf/cm2以上的規定，以及NFPA 13 對於撒水放水密度之要求。再觀察 H=65 m中由於幫浦揚程相對較小，當供水高度 33 m (6F)和 44 m (9F)時，放水 壓力分別為 0.94 kgf/cm2和 0.6 kgf/cm2皆不符合放水壓力應 1 kgf/cm2以上規定。
然而，從圖 2-17 可看出，倘若B點(6F)和C點(9F)場所等級為Light Hazard Occupancies或Ordinary Hazard Occupancies(Group 1)時，B點和C點的放水密度 分別為 9.79 L/min*m2 和 7.85 L/min*m2仍符合NFPA 13 對於放水密度之建議值。
換句話說，圖中B點和C點的放水壓力已經不符合臺灣現行法令之規定，然而對 於Light Hazard Occupancies和Ordinary Hazard Occupancies(Group 1)的場所來說，
其放水密度仍足以抑制燃燒釋熱率和驅動火場熱煙的浮力動能。最後，觀察圖 中D點，假設該場所危險等級為Light Hazard Occupancies或Ordinary Hazard Occupancies(Group 1)。雖然放水密度看似符合NFPA 13 的要求，然而由於放水 壓力僅有 0.44 kgf/cm2(未達 0.5 kgf/cm2)，已無法達到標準型撒水頭的最小放水 壓力要求而有效滅火。
圖 2- 16 設計條件對放水壓力之影響 (本研究整理)
圖 2- 17 設計條件對放水密度之影響 (本研究整理)
(三) 防護半徑和放水係數的探討
根據前述可知，增加幫浦揚程或提高海森威廉C值(更新配管)可提昇自動撒 水設備的放水壓力和放水密度。然而，就原有合法建築物來來說，提升幫浦揚 程和更換配管可能造成的衝擊和影響是很大的。幫浦的更換除了要考慮原有幫 浦室的空間以外，緊急發電機的負載容量也可能必須加大。配管更換若涉及公 共區域，則必須考量相關管理權歸屬以及施工期間建築物多樓層消防防護中斷 和施工風險等問題。因此，本研究將近一步探討對於自動撒水防護半徑和放水 係數的影響。圖 2-18 和圖 2-19 當中，●和〇的撒水幫浦揚程H皆為 95 m，防 護半徑分別為 1.7 m和 2.1 m。在圖 2-18 中可看出，●和〇的曲線幾乎是重疊在 一起，但是在圖 2-18 中防護半徑 1.7 m的●曲線數值明顯皆大於〇曲線數值，
差異值約為放水密度 6-10 L/min/m2。代表在相同幫浦揚程和撒水頭放水係數的 條件下，縮小防護半徑對於撒水頭的放水壓力影響不明顯，但是防護半徑變小 可以具體提高撒水放水密度。相同的，在幫浦揚程 65 m(符號▲和△的案例)時，
也是呈現相同的情況。
圖 2- 18 撒水頭防護半徑對放水壓力之影響 (本研究整理)
圖 2- 19 撒水頭防護半徑對放水密度之影響 (本研究整理)
假設圖 2-18 和圖 2-19 的場所危險等級為Extra Hazard Occupancies (Group 1)，圖中△曲線E點放水壓力大於 1 kgf/cm2，但是並不符合NFPA 13 的放水密 度要求。場所有二種改善對策，一種方式是將幫浦揚程從 65 m提高為 95 m，
另一種方式是將撒水頭的防護半徑從 2.1 m縮小為 1.7 m。如同前述，幫浦整修
涉及空間、管理權和發電機負載，而撒水頭防護半徑的修改對建築物的影響相 對來得小。
圖 2-20 和圖 2-21 的分別比較撒水頭放水係數對放水壓力和放水密度的影 響。圖 2-20 中□曲線H點的幫浦揚程為 95 m、放水係數K值為 80。當放水係數 K值由 80 提高至 114 時，放水壓力由 2.4 kgf/cm2下降至 1.3 kgf/cm2(由□曲線H 點改變為■曲線I點)。然而，觀察圖 2-21 卻發現放水密度由□曲線H點的 13.5 L/min/m2。提高至■曲線I點 16 L/min/m2。基於上述，可知撒水頭K值和撒水放 水密度成正比，與撒水頭放水壓力成反比。原有合法建築物防火避難設施及消 防設備改善辦法第二十五條第二款規定：「滅火設備之施工及結構安全確有困
圖 2-20 和圖 2-21 的分別比較撒水頭放水係數對放水壓力和放水密度的影 響。圖 2-20 中□曲線H點的幫浦揚程為 95 m、放水係數K值為 80。當放水係數 K值由 80 提高至 114 時，放水壓力由 2.4 kgf/cm2下降至 1.3 kgf/cm2(由□曲線H 點改變為■曲線I點)。然而，觀察圖 2-21 卻發現放水密度由□曲線H點的 13.5 L/min/m2。提高至■曲線I點 16 L/min/m2。基於上述，可知撒水頭K值和撒水放 水密度成正比，與撒水頭放水壓力成反比。原有合法建築物防火避難設施及消 防設備改善辦法第二十五條第二款規定：「滅火設備之施工及結構安全確有困