木框架模擬實驗

本次實驗之目的在以木框架為火源，模擬辦公室空間火災，同時測 試各項量測係統功能。

一、 實驗儀器配置位置

圖 5.27 為辦公室內木框架燃燒測試儀器配置之規劃圖，辦公室為一 6m×5m 之平面，高度為 2.4m，牆壁由厚度 0.2m 不可燃之 ALC (Aerated Lightweight Concrete)板所構成。整個配置以 2 堆木框架為主，目的在 測試實驗場有何缺點，並檢查儀器之可靠性。

TC3

TC1 TC2 TC5

TC6

TC7

R5 R3

R4

R1 R2

V2 V1

TC4

圖5.27 木框架模擬實驗配置圖

辦公室東北邊及東南邊各有一個開口，尺寸為 1.8m×0.6m；東北邊的 開口主要作為新鮮空氣之供應，東南邊開口則是作為廢氣排放。開口均 為半開狀態，東北邊的開口開下半部，東南邊開口開上半部。辦公室南 邊上方為 10MW 大尺度燃燒分析裝置之大型抽煙罩，主要用來吸引廢氣，

並由氣體分析儀分析廢氣組成，同時估算熱釋放率。兩組開口分別配置 一組雙向速度儀以及熱電偶（BDP/TC），用來測量經開口部吸入或排出之

氣流之溫度和質量流率，其裝設位置分別位於門框上下各 20cm 處以及門 之中間位置。

圖中 TC 代表熱電偶位置，整個辦公室空間規劃七組熱電偶樹如圖 5.28，熱電偶之種類為 K-type 形式，另為量測輻射熱，共裝設 5 組熱輻 射計，其數量、位置及高度如表 5.2 所述：

此次實驗一共使用 2 堆木框架其位置如圖 5.27 圖中方塊所示，其間 距約 5cm，每堆有 15 層，每層有 6 支，2 堆一共 180 支，每支木材的重 量為 0.52kg。木框架由角鋼拼裝的支架支撐，如圖 5.29 所示，實驗所用 之引火源為 18cm*17.5cm 的矩形燃燒器，燃料為丙烷，功率為 50kw，引 火時間為 200 秒，引火源的位置如圖 5.27 圓圈所示。

表 5.2 木框架實驗之儀器配置

儀器名稱 數量 位置及代號 距地高度 方向

熱偶樹 7 個 TC1、TC2、TC3、TC4、

TC5、TC6、TC7 註 1

熱輻射計 5 個 R1、R2、R3、R4、R5

R1、R4：150cm R2、R5：180cm R3：置於地面

R1 面向東方 R2 面向南方 R3 面向上方 R4、R5 向西方 內

2 個 V1、V2 150cm V1 面向東南方 V2 面向東北方

註 1：每組熱電偶樹由天花板算起至地面，共分 10 個點。以 TC1 為例，天花板為第一點（編號為 TC1,0）， 從天花板算起到第 2 點相差 10cm（編號為 TC1,1）；皆下來各點皆相距 30cm，依序編號（TC1,2 到 TC1,9）。

圖5.28 熱偶樹TC7、TC6、TC5(由左到右)

圖5.29 木框架擺設位置照相圖

二、 火災過程

本次實驗，從引火到熄滅整個火災歷時約 1360 秒。火勢最劇烈約在 750 秒時。其詳細過程如表 5.3 所示：

三、 火場溫度

圖 5.31(a)和圖 5.31(b)分別代表火場中熱偶樹 TC1 到 TC7 的溫度隨 時間變化過程。為方便觀察，我們將每一熱偶樹之數據，分為上層（天 花板下五點）及下層（地面上五點），繪成兩個小圖。

表 5.3 木框架實驗之火災歷程

時間歷程 發生現象 參考相片

0 秒 引燃引火源

5 秒 點火初期，這時主要依靠燃燒氣體供給能量 圖 5.30(a) 200 秒 燃燒氣體關閉

270 秒 火焰只在點火源的木框架上燃燒 圖 5.30(b) 330 秒 火焰開始延燒到第二堆木框架 圖 5.30(c) 640 秒 可以從實驗屋外清楚的看見，點火源木框架

已完全燃燒

圖 5.30(d)

740 秒 點火源木框架開始有坍塌的現象

750 秒 從數據資料及攝影圖像，可以知道此時期為 燃燒最劇烈的階段

圖 5.30(e)

803 秒 點火源木框架完全坍塌 圖 5.30(f) 1092 秒 第二堆木框架完全坍塌 圖 5.30(g) 1363 秒 火源漸漸變小、消失 圖 5.30(h)

(a)內視鏡 V1(5 秒) (e)東南向攝影機(750 秒)

(b)內視鏡 V1 (270 秒) (f)內視鏡 V1 (803 秒)

(c)內視鏡 V1(330 秒) (g)東南開口部(1092 秒)

(d)東北開口部(640 秒) (h)內視鏡 V1(1363 秒) 圖5.30 木框架實驗過程照片

在此實驗中因室內沒有傢俱，牆壁亦無裝修任何可燃材料，故只有 兩個木框架可燃。另外沒有擺放傢俱故熱氣流可以很順暢地流動，因為 這兩個原因，可以發現除了 TC4(很靠近木框架)之外，其餘的各熱偶樹之 溫度上升皆相當平順，且上層之溫度皆依序高於下層溫度。

溫度上升最快依序是 TC5、TC6、TC7，最高可達 800℃，因為這三個 點是在氣流流動之下游區。而 TC3、TC2、TC1 則溫度上升較慢，因為是 在氣流上游。尤其是 TC1 溫度上升最慢且最高溫僅有 600℃，是因為它處 於開口部氣流進入處。除了 TC2 之外，我們可發現距天花板 10 ㎝之溫度，

約在 400 秒可達到 600℃(其中 TC3,1 是故障 )。可說閃燃發生在約 400 秒。火勢之降低則在 900 秒之後。

而 TC4 因為緊鄰木框架，量測到木框架之點燃及延燒，故溫度曲線 跳動劇烈。TC4,0 到 TC4,4 一開始即急劇上升，乃因木框架第一堆之引燃 及延燒，第二堆在 330 秒點燃，而在 600 秒 TC4 上層溫度達到最高值 950

℃。在 800~1100 秒間木框架倒下，火勢漸弱，而 TC4,9 溫度跳高乃是木 框架倒塌時，貼近熱電偶所致。

圖 5.32 是熱輻射計所量測熱輻射通量隨時間變化圖 R1、R2、R4、R5 其本上是以不同方向，在不同距離觀測火勢。由各曲線可明白，約在 800 秒火勢達到最大值，R1 與 R2 上升趨勢類似是因為距火源約同距在 800 秒 時，約可達 40kW/m²。R4 較小因為距火源最遠且在氣流進口處。而 R5 最 大是因為在氣流出口熱氣集中處。一般用以判定閃燃是否發生是 R3(面向 天花板)，在 800 秒時達到 20kW/m²，故以熱幅射之閃燃基準而言，可判 定在 800 秒達到閃燃。

火場煙氣由東南向開口噴出後，由 10MW 大尺度燃燒分析裝置收集分 析其熱釋放率如圖 5.32。在 600 秒左右，因抽氣量不足有漏氣，故將抽 氣量由 20Hz(抽氣馬達變頻器)增加到 35Hz，圖上

Q

& 代表氧氣消耗法所求₀ 得之總熱釋放率，THR 代表由

Q

& 對時間積分所得之總熱釋放量，₀

Q

& 代表_T 以抽氣氣流溫度計算之顯熱所對應的對流熱釋放率。

0 300 600 900 1200 1500

0 300 600 900 1200 1500 t(s)

0 300 600 900 1200 1500 t(s)

TC3,0 ORT0 TC3,1

0 300 600 900 1200 1500

t(s)

TC4,0 ORT0 TC4,1

0 300 600 900 1200 1500

TC7,0 ORT0 TC7,1

總熱釋放率

Q

& 在約 800 秒達到最高值為 2MW，而₀

Q

& 對流熱釋放率約占總_T 熱釋放率之 35%，但這並不表示熱幅射占 65%，因為很多熱量已經在屋內 因熱傳導及對流而損失了，

Q

& 事實上已失去其代表對流熱之意義了。另_T 外 THR 在 1300 秒時，約累積 1300MJ，由 THR 除以時間來看，平均熱釋放 率約為 1MW。

由熱偶樹溫度曲線判定之閃燃時間為 400 秒，但由熱輻射通量判定 則為 800 秒，故顯然存在相當差異，這可能是因為房間沒有任何傢俱擺 設。而以木框架模擬火源太過集中之故，這個問題將在第二次實體辦公 室火災實驗，加以驗證。

0 200 400 600 800

t(s)

0 200 400 600 8001000 0

20 40

q

"

(k W /m

2

)

0 20 40 60 0

20 40 60

R1

R2 R3

R4 R5

ORT0

40 30 20 10 0

40 30 20 10 0

圖5.32木框架實驗之熱輻射通量變化圖

0 1 2 3

Q

O

(M W )

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

TH R (M J )

0 300 600 900 1200 1500

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Q

T

(M W )

t (s)

.

.

Oxygen Consumption ORT0-20/35Hz

Gas Temperature Rise ORT0-20/35Hz

ORT0-20/35Hz 35Hz

20Hz

圖5.33木框架實驗之熱釋放率變化圖

在文檔中 建築防火安全設計與驗證研究(以辦公室為例) (頁 139-148)