第三章 實驗方法及設備
第五節 油盤理論質量損失率計算熱釋放率
T e p e o
Q& =m C T& −T ……….. (3.2)
式(3.2)中m&e為進入量測段的煙氣總質量流率，Cp值取空氣 300K 時的比熱 1.0035 kJ/(kg-K)，T 為熱電偶量得的燃燒反應後經過量測段煙氣溫度，e T 為未o 燃燒前所測得之大氣平均溫度。對熱釋放率在 1MW 以下之大型黃色火焰而 言，本方式只能代表約50~60%之熱釋放率，尚有約 30~40%熱輻射及 1~5%熱 傳導必須經由其他儀器測得。
第五節 油盤理論質量損失率計算熱釋放率
理論質量損失率(
M&
L Th, )在 Babrauskas(1983)研究中指出油盤火焰之熱釋放率與 油盤表面積有關，而熱釋放率之大小可以利用燃料質量損失率直接表示，並由許多實 驗中歸納出油盤火焰之單位面積質量損失率與油盤直徑之關係式：m&′′= m&∞′′(1−e−k Dβ )……….……(3.3)
m′′ &
、m &
∞′′
分別表示實際油盤及無限大之油盤燃燒單位面積質量損失率，對於不同 燃料而言有不同之質量損失率，而此值乃經由實驗計算經過曲線之回歸分析所得到，D 為油盤直徑，若油盤為方形或不規則形狀，則以其燃燒表面面積換算出對應此面積 之直徑方式求得，計算式中之 k (extinction-absorption coefficient)與 β (mean-beam-length corrector)則與燃料燃燒特性有關，因其燃燒產物及火焰型態結構不同而有所差異，取 決於火焰煙氣粒子(soot)熱吸收及火焰焰色形成之輻射熱傳行為，一般而言在液態有 機燃料中此兩參數之乘積為一固定值，並不得將兩參數分開單獨納入計算式中。將求
得之
m′′ &
乘上油盤表面積A 及每單位質量燃料燃燒熱∆H 後，可得到熱釋放率Q&
M Th, ：Q
&
M Th,=
m&
"× × ∆
A H………..………(3.4) 油盤火焰之特色為其穩定燃燒過程，當油盤火焰點燃後即迅速反應並成長，到達 完全發展時期(即全盛期)之燃燒模式為維持固定的速率燃燒，並持續一段穩定之長時 間至衰退，故可利用測重裝置(load cell)量測此時期質量變化資料繪成質量-時間關係 圖，在油盤燃燒實驗中由燃燒中期部分與時間呈現之線性關係求得其質量損失率Properties of Fuels
Material Density (kg m/ 3) c Petroleum Products
Gasoloine 740 43.7 0.055(±0.022) 2.1(±0.3) 2.0 1450 70-200
De: Equivalent Pool Diameter (m)
L(m) B(m) A(m2) De(m) e−k Dβ 1−e−k Dβ e m&∞′′ m&∞′′ −(1 e−k Dβ e) ∆hc HRR(MW)
Circle Pool Size
D=1ft Oil pan 0.073 0.3048 0.527 0.473 0.055 0.0260 43.7 0.0829 D=2ft Oil pan 0.292 0.6096 0.278 0.722 0.055 0.0397 43.7 0.5065 D=3ft Oil pan 0.657 0.9144 0.147 0.853 0.055 0.0469 43.7 1.3470 Square Pool Size
0.600 0.600 0.360 0.6770 0.241 0.759 0.055 0.0417 43.7 0.6565 0.700 0.700 0.490 0.7899 0.190 0.810 0.055 0.0445 43.7 0.9535 0.800 0.800 0.640 0.9027 0.150 0.850 0.055 0.0467 43.7 1.3072 0.900 0.900 0.810 1.0155 0.119 0.881 0.055 0.0485 43.7 1.7161 1.000 1.000 1.000 1.1284 0.094 0.906 0.055 0.0499 43.7 2.1787 1.100 1.100 1.210 1.2412 0.074 0.926 0.055 0.0509 43.7 2.6936 1.500 1.500 2.250 1.6926 0.029 0.971 0.055 0.0534 43.7 5.2532 2.000 2.000 4.000 2.2568 0.009 0.991 0.055 0.0545 43.7 9.5299 CNS Square Pool Size (CNS1387 滅火器第六節油盤模型號碼)
0.447 0.477 0.213 0.5210 0.335 0.665 0.055 0.0366 43.7 0.3409 0.633 0.633 0.401 0.7143 0.223 0.777 0.055 0.0427 43.7 0.7482 0.775 0.755 0.585 0.8631 0.163 0.837 0.055 0.0460 43.7 1.1768
第六節 多功能房間實驗模型的設計構想及整體架構
多功能房間實驗模型的設計構想係由本所 95 委辦案「性能式防火設計基準全 尺寸驗證研究」研究團（計畫主持人：林大惠教授）對所規劃，本研究案於該研究 團對規劃中考量能夠結合不同研究計畫以作比較分析，並充分整合本所研究資源，
故本研究計畫所提及之滅火及撒水作動實驗係以搭配該委辦案取得所需實驗資 料，俟該委辦計畫案相關實驗結束後，再利用本案之火源及平方火災模擬器於目前 已建置完成的多功能房間實驗模型實驗場進行實驗。
本研究案搭配相關研究案利用本章第二節已建立的多功能房間火災模式驗證 實驗屋，擴充建置具備多功能的防火與滅火實驗模型，其設計構想示於相片 3.2，
實驗模型必須具備撒水系統、洩水系統（地板坡度和洩水溝）、可動式屋頂、大面 積觀測視窗（防火玻璃）等。灑水系統必須可精確控制和調節水壓和水流率，且可 於不同的位置安置不同型式的水霧噴嘴。去年度實驗模型的缺失，包括：屋頂受熱 變形、接縫氣密不佳和集煙性能不完全等，將一併改善。
多功能辦公室空間實驗場已建構完成，現況如圗 3. 6 所示，本案維持過去已建 立的辦公室空間實驗場之架構，進行重新設計，建置一個多功能且具多案整合機能 的防火與滅火辦公室實驗模型。新增設備有：活動天花板、窺視窗、撒水系統等構 造與設施，並針對去年度的實尺寸實驗設計的缺失作改進，包括屋頂板受熱變形，
牆構件接縫氣密不佳，燃燒分析裝置集煙性能不完全等問題，都一併改善。新建實 驗場以下依三個項目來加以說明：(1)實驗場架構 (2)撒水系統 (3)量測系統。
(a)實驗場北牆 (b)實驗場南牆 圗 3. 6 多功能房間實驗模型實驗場實體架構圖
(一)實驗場建置架構
為了與已完成的實驗條件與結果相互驗證，模型的平面尺寸，依照以往尺度，仍然 維持6m×5m（牆心線）；牆壁部分94年度使用的是厚度0.2m的ALC（aerated lightweight concrete）板來構築，而此次為求更真實的牆面熱流狀況，採用了砌磚的方式來建構牆 面，牆面厚度設計為0.26m、並使用加強磚造工法；另外，同樣參照先前實驗，新規劃 模型的東北側與東南側各有一個2.1m×0.9m之單開門作為房間開口，可依實驗需求自由 開啟或關閉，實驗場平面圖如圖圗3. 7(a)所示。
本年度實驗將因需考量滅火實驗及撒水作動，為能更直接地觀測火場內撒水頭撒水 情形與水對火焰的仰制情況，另外增設了窺視窗的設計；分別於西牆北側與南牆西側配 置了兩個大面積窺視窗，材質為防火玻璃，尺寸皆是2.1m×1.2m，窗體距地面高度則為 0.6m，西向與南向立面圖如圗3. 7(b)與圗3. 7(c)所示，整體3D意象如圖圗3. 7(d)所示。
先前實驗中，煙氣逸散造成實驗數據誤差也是一個待解決之問題，因燃燒分析裝置 的大型抽煙罩其抽風機之抽氣量已是目前技術上的極限，因此，直接在實驗場上設置防 漏煙措施為較可行之方法。
10MW燃燒分析裝置的抽氣影響，實驗體整體空氣走向皆為東北開口入，東南開口 出，煙氣都自東南開口排放而進入10MW，先前實驗漏煙情形大多為煙氣自牆面之縫 隙、天花板與牆面之間的縫隙露出，為解決此問題，此次牆面以加強磚造工法來建構，
牆面氣密勢必能得到改善；磚牆也將直接砌至結構框架體頂部，與其屋頂密合，並在南 面設置一3.55m×0.3m的排煙開口，如圗3. 8 所示，就算有煙氣自實驗場的天花版溢出，
將會積存於實驗模型與結構框架之間，再由排煙開口排出，讓10MW抽走，達到防漏煙 之目的；另外，結構框架體之屋頂四周還會增設導煙板，形成導煙通道，與10MW抽氣 煙罩連結，作為防漏煙之用。
(a)實驗場平面圖 (b)實驗場西向立面圖
(c)實驗場南向立面 (d)實驗場重新設置後3D意像
圗 3. 7 實驗場重新建置之圖面
（a）導煙版
（b）排煙開口
（c）窺視窗
（a）
（b）
（c）
煙氣流動途徑，讓煙氣 由10MW 抽氣罩抽走
圗 3. 8 實驗場西南向透視圖
為配合實驗所需，天花板採活動式設計，如圗3. 9所示；天花鋼板由四條鐵鍊懸 吊在實驗模型外之結構鋼樑上，由馬達捲動或由實驗場天車拖吊來改變高度；天花鋼 板下再加掛輕鋼架天花，以便真實模擬實際建築結構之天花板與裝修面關係。
利用 4 條鐵鍊懸 吊活動天花
活動天花下方懸
(二)實驗場撒水設備
火災為一種「燃燒放熱現象」，一般自動撒水系統中的撒水頭，是透過感熱元件，
感受火災時所產生的熱而啟動；而在火場中，熱透過輻射、對流與傳導三種方式傳遞；
過去研究顯示，影響撒水頭啟動（密閉式撒水頭）最主要的熱傳遞方式，是火場中以空 氣為介質的「熱對流」傳遞方式。建築空間內發生火災時，火源上方的空氣受火源影響，
會產生上浮力，形成上升氣流，上升氣流到達天花板，便會四處逸散，形成天花板氣體 噴流。
天花板氣體噴流層大約是火源與天花板距離的5~12%，而溫度最熱、流速最大的區 域大約是在火源與天花板距離的 1%左右，而此溫度層所傳遞的熱也是啟動撒水頭的主 要因素；現行消防法規規定，撒水頭必須設置在天花板下三十公分內，便是為了能讓撒 水頭能有最佳的反應條件，避免撒水頭過早或太晚作動；不過，也不能夠距離天花板過 近，免得撒水頭處於天花板下方空氣流動不佳的死角。
為了模擬真實建築，符合法規規定，撒水頭數量則選用四顆；若將模型房間假定為 辦公室，依消防法，辦公大樓等防火構造建築物的撒水頭數量最低需求，由每一個撒水 頭有效防護面積計算，撒水頭防護半徑為 2.3m，則每一個撒水頭最大有效防護面積為
=10.56 m2；因此，撒水頭數量=5×6/10.56=3 個。而實際設計時，因有整齊配置等美觀因 素之考量，需長寬均衡設置，故實際設置時會依：（r=2.3m 時，S= 2r=3.25m=撒水頭 間距）長：6/3.25=2，寬：5/3.25=2。所以實際撒水頭數量為 4 個。
撒水系統由4 根獨立的管路組成，水管出口接撒水頭以進行實驗；水管出口分別位 於模型房間四個平面的中心點，每個水管末端皆接上壓力計及快速接頭，可依實驗需要 獨立進行壓力觀測及水源或空氣充填等工作，整體配置如圗 3. 10~圗 3. 12 所示。圗 3. 10 主要顯示撒水頭分佈位置；圗 3. 11 則是代表四個撒水頭外接管路以及壓力表配置之情 形，分別獨立銜接到圗 3. 10 中四顆撒水頭之接口，至於圗 3. 12 則是代表撒水頭之照相 圖，實驗使用撒水頭之規格如表 3. 2 及表 3. 3。
圗 3. 10 撒水頭位置
圗 3. 11 撒水頭管路及壓力表
72℃優美向下型 68℃向下型 68℃向上型 圗 3. 12 撒水頭外觀
表 3. 2 72℃優美向下型撒水頭規格表 型式 向下型
口徑 1/2"(12.7mm) 測試壓力 35kgf/cm2 動作溫度 72℃
規定放水量 80L/min(1kgf/cm2) 表 3. 3 68℃向上(下)型撒水頭規格表 型式 向上(下)標準反應型 認證 UL，CUL，CNS 口徑 1/2"(12.7mm) K 值 5.6Imp.(80s.i.) 最大工作壓力 175PSI(1200kPa) 工廠水力測試 500PSI(3450kPa) 最小動作壓力 7PSI(48kPa) 動作溫度 68℃
反應速度 標準(玻球直徑:5mm) 成品表面 銅面,鍍鉻,白漆,訂製
(三)量測系統 (a) 溫度場量測
實驗使用了許多熱電偶來量測室內的溫度變化，以十個熱電偶為一組，垂直方 向綁於細鐵鏈上組成一組熱電偶樹；總共在實驗模型中用了 13 組熱電偶樹，有八 組位於房間的八個角落，主要是用來蒐集繪製平面溫度等溫線圖的數據；剩下五組 則分別配置於四個撒水頭的位置上與房間的中心點，西北方向的熱電偶樹編號為 T1，其他的熱電偶樹則依順時針方向編號為T2、T3、T4；單組熱電偶樹的垂直方向 分配為，自天花版下 50 公分內每 10 公分分配一點，共分配五點；天花板下 50 公
實驗使用了許多熱電偶來量測室內的溫度變化，以十個熱電偶為一組，垂直方 向綁於細鐵鏈上組成一組熱電偶樹；總共在實驗模型中用了 13 組熱電偶樹，有八 組位於房間的八個角落，主要是用來蒐集繪製平面溫度等溫線圖的數據；剩下五組 則分別配置於四個撒水頭的位置上與房間的中心點，西北方向的熱電偶樹編號為 T1，其他的熱電偶樹則依順時針方向編號為T2、T3、T4；單組熱電偶樹的垂直方向 分配為，自天花版下 50 公分內每 10 公分分配一點，共分配五點；天花板下 50 公