第一章 緒論
第三節 水噴霧滅火相關文獻回顧
閃燃發生的主控參數是熱釋放率，而熱釋放率則受火源位置、火源附近 可燃物的延燒特性及其熱釋放率所影響。研究中，藉由文獻針對建築空 間火災用來判定閃燃發生與否的相關經驗公式，計算閃燃時間並與實驗 結果做比較，發現兩者的差異性大。
有鑑於全尺寸火災實驗所花費的人力與物力皆相當可觀，必須善加 利用本研究辛苦建立的火場資料庫；因此，建研所將規劃使用 FDS 電腦 模擬程式，藉著電腦的快速計算能力和龐大的記憶容量，進行火災行為 預測，並與本研究所建立火場資料庫的實驗數據相互驗證。建研所也持 續彙整與建築空間火災相關的經驗公式，未來將編撰火災歷程中預測火 災行為的簡易技術準則。能夠和實驗數據相互驗證的 FDS 電腦模擬程 式，以及簡易估算的經驗公式，將有助於建構本土化的防火性能法規設 計基準。
第三節 水噴霧滅火相關文獻回顧
水具有絕佳的滅火性能，因此水成為最廣泛使用的滅火劑。水的熱 特性(thermal characteristics)可將熱量不論是直接從火焰、從燃燒高溫產物 或是從燃料表面來迅速移除，此熱特性使其適於作為大部分火災的滅火 劑。火場中，水經由液體變為蒸氣（汽）的相變化過程，吸收蒸發潛熱 可以有效的攫取熱量，同時大量產生的水蒸氣可以降低週遭環境的氧氣 濃度（在密閉空間內使用時尤具功效），進而達到滅火的目的【2】。
火災依可燃物質之不同，可區分為普通火災、油類火災、電氣火災 和金屬火災四大類，雷同於歐美法規的 A、B、C 和 D 四種分類【3, 4】。
普通火災（A 類）係指普通可燃物引起的火災，如木材、紙類、纖維、
棉、布、合成樹脂、橡膠、塑膠等。通常建築物火災即屬此類。油類火 災（B 類）則為可燃性液體（如石油製品）以及可燃性油脂（如塗料）
等引起的火災。一般可燃性氣體引起的火災，如天然瓦斯、乙炔氣、液 化石油瓦斯等，也歸於此類。電氣火災（C 類）涉及通電中的電氣設備
第一章 緒論 粒徑分佈直接相關。圖 1-2 顯示使用一公升的水在單一分佈(monodisperse)
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噴霧條件下，液滴平均粒徑與液滴數量和總表面積的對應關係【6】。結 果顯示，欲增加液滴總表面積，必須具備有效霧化才能達成。
圖 1-2 單一分佈噴霧條件下，液滴平均粒徑與液滴數量和總表面積 對應之關係
(資料來源: 參考書目 6)
在實際應用上，一般噴霧不易形成單一粒徑大小的單一分佈，大部 分噴霧都呈現多元分佈(polydisperse)，包含各種粒徑大小的液滴。關於多 元分佈噴霧的實驗研究已發展有年，主要著重於分析粒徑大小和粒徑分 布與噴霧系統主要參數的關聯性。液體的表面張力、黏滯性和密度直接 影響到粒徑大小，至於噴入氣態環境的噴霧，則需考慮氣體密度、液體 和氣體速度場、以及噴嘴幾何形狀。Fraser 和 Eisenklam【7】指出液體黏 滯性是影響粒徑大小的最重要特性，當液體黏滯性較小時，會形成具較 小液滴且較均勻的噴霧。上述各項參數對於噴霧特性的影響可以參考相 關文獻【6-8】的詳細說明。針對水噴霧的滅火效能而言，瞭解水滴粒俓 分布是相當重要的；除此之外，瞭解水霧由噴嘴噴出後的灑佈現象，包
第一章 緒論
括：噴霧錐角(spray angle)、貫穿距離(penetration depth)以及噴霧密度(spray density)等，也是同等重要【6, 9】。
Grant 等人【2】曾歸納各種顆粒尺寸的分佈情形及其對應的物理型 態，如圖 1-3 所示【6, 8, 10】。一般滅火所使用的噴霧粒徑大約位於平均 尺寸(average, 100 ~ 1000μm)範圍。圖中所顯示的微細噴霧(fine sprays) 區，大約介於氣霧劑(aerosols)、噴嘴(nozzle)和撒水頭(sprinklers)間，至於 噴霧和細水霧(mists)間的界定則是有點模糊。
圖 1-3 各種顆粒尺寸的分佈情形及其對應的物理型態 (資料來源: 參考書目 6, 8, 10)
基本上，霧化噴嘴(spray nozzle)的功能則是用來加速和霧化液體，再 以液滴型態來散播。一般滅火使用的霧化噴嘴可區分為【6】：(1)壓力噴 霧器(pressure atomizer)，水在噴嘴內流動，而環境空氣是靜止的；(2)氣 體噴霧器(gaseous atomizer)，水基本上是靜止的，霧化氣體則在噴嘴內快 速流動；(3)膛線噴嘴(rifling nozzles)，噴嘴給予水向前和旋轉運動時可維 持不動，當水霧噴出後，液體前端展開而形成中空噴霧(hollow cone)，其 展開角度可以張開或是縮小。圖 1-4 顯示各種滅火用噴流(jet)和噴霧的噴 嘴型態及其操作原理【6】。一般選擇滅火噴嘴需要考慮：(1)使用不乾淨 的消防用水時，噴嘴孔口不可太小，避免造成堵塞；(2)供水壓力應該維 持至少 5bar，且噴嘴依照所接管路大小需有不同的流率標準，小管路的 出口流率為 100l/min，大管路的出口流率則為 400l/min；(3)操作壓力 5bar 下，液滴平均粒徑在 500 ~ 1500μm 間；(4)有效能的的噴嘴設計可以降低
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霧化所需能量，同時確保操作壓力 5bar 下的適當噴射距離。
圖 1-4 各種滅火用噴嘴型態及其操作原理 (資料來源: 參考書目 6)
近幾年來，細水霧(water mist)的興起逐漸地取代一般水霧系統。NFPA 750【11】對於細水霧的定義說明如下：在最小設計壓力下，於噴嘴出口 前一公尺處之平面量測水噴霧最濃處(the coarsest part)的粒徑，其 DV99值
（99% volume diameter）不得超過 1000μm。與傳統的撒水頭相比，撒水 頭的 DV99值約在 5000μm 量級【12】。有些建議認為，NFPA 的細水霧定 義太過寬鬆，因為其定義和傳統噴霧所得到的結果並沒有什麼差異。因 此有些替代定義【13】被提出來加以改進：細水霧所含細微液滴的平均 直徑為 80 ~ 200μm，且 DV99值應該要小於或等於 500μm。這個定義可以 確保很小的平均液滴粒徑，以防止一般製造商僅稍微修正傳統水霧系統
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而將其視為細水霧系統。Mawhinney 和 Solomon【14】利用體積累積率 (cumulative percent volume)來區分較粗(coarser)水霧以及較細(finer)水 霧，如圖 1-5 所示。
圖 1-5 利用體積累積率區分細水霧 (資料來源: 參考書目 14)
長久以來一直認定，水有吸收輻射熱的能力【6】，此項特性習用於 保護可燃材料被引燃，而且也用來降低熱應力對消防隊員的影響。Rasbash 研究【15】指出當液滴大到足以吸收大部分的入射熱輻射而且絕少反射 和散射時，輻射熱傳遞至消防水霧主要與火焰的溫度和放射率(flame emissivity)有關。假設火焰放射率和其厚度有關，考慮約 1m 厚的火焰，
其溫度達 1000℃，若以黑體輻射，可得熱傳率約 150kW/m2。與以水噴霧 估算的對流熱傳率（約 1.7 ~ 2.5MW/m2）相較，其值甚小，因此輻射熱 傳對水噴霧滅火的貢獻是可忽略的。
既然知道液滴粒徑是滅火噴霧的重要特性，因此在實際應用上，值 得去尋找最佳液滴粒徑是否存在。面對這個問題前，我們需了解水滅火 的三個效應：冷卻火焰、冷卻燃料和取代氧氣，同時考慮水吸收輻射熱 的好處：限制火焰傳播和改善火場熱應力對消防隊員的影響。如果上述 因素只有一個較重要，我們則容易尋得最佳液滴粒徑。舉例來說，假如 冷卻火焰是單一的重要因素，那麼可選擇微細噴霧(fine spray)，它具有大 的表面積/體積比，可以促進有效熱傳和水滴蒸發，以致於加速撲滅火災。
相反的，假如冷卻燃料是主要目的，那麼粗噴霧(coarser spray)則是較好
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的選擇，它能確保液滴能夠穿透火羽流(fire plume)的對流流動。不過，針 對此例使用微細噴霧也是另外一個考量，因為它可以保護消防隊員抵抗 強烈的熱輻射。至於深層(deep-seated)的成長火災，一般建議使用所謂的 強力噴射(hard jets)來滅火【6】，因為它具有高動能及較佳的穿透性能。
在實際火災發生時，總是無法明確掌握火災中哪個是最重要的滅火
Kaleta【18】以數值計算尋得液滴粒徑在 300~900μm 間會有最好的滅火 性能，至於最佳液滴粒徑則和火焰區與噴嘴間的距離以及主要的熱環境
第一章 緒論
火焰；因此，噴霧液滴能夠穿透且抵達燃料表面是最重要的考量。針對 侷限區域的強烈火災而言，一般建議由低層開口往火焰上方空間進行噴 灑，如此可將水大部分轉變成水蒸氣，水蒸氣吸收熱量同時取代黑煙將 使得能見度增加，因而容易接近火災的根源或基部。此類火災在滅火過 程通常處於通風不佳狀況，由於空氣的吸入可能導致復燃現象，需要加 以注意。
整體來說，文獻並沒有針對撲滅火災提出單一的最佳液滴粒徑，正 常操作下，有用的液滴粒徑範圍大概介於 300 ~ 2000μm 間。若為了保護 作用而需要有效的吸收熱輻射，最佳的液滴粒徑將落於 1 ~ 100μm 間。
滅火策略需要具彈性是很重要的，因此選擇使用可調整式的噴嘴將具有 策略上的優點。至於固定式的滅火系統，人的生理因素將不相干，最佳 的噴霧特性將由環境參數所控制，包括：危害等級、隔間幾何形狀以及 通風設備等。