熱煙試驗火源探討

建築火災中，煙氣是對人員危害最大的因素。據統計，火災中 75％~85％的 死亡人員是由煙氣造成的。因此，火災發生時，應盡快將煙氣排出，阻止火災和 煙氣蔓延，這就需要建築的煙控系統能夠有效地對煙氣進行控制，以幫助人員安 全逃生。

目前國際間最為廣泛使用之 AS 4391（Smoke management systems- Hot smoke test）測試規範，及我國於 2016 年 10 月所公告實施之 CNS 15937（煙 控系統性能現場驗證法-熱煙試驗法）乃於進行現場熱煙試驗時，採取火場強度 與熱煙分離(decouple)之方式。亦即，於進行 5 MW 之火源大小之熱煙實驗，並 不須要真正以燃料燒出 5 MW 大小之火場強度，而只須要能產生出 5 MW 之相對 等量之發煙量以進行煙控性能之測試即可。也因此，其實驗場所之火場強度與溫 度、幅射強度等，皆得以大幅度降低對於試驗環境之影響。且因此可選取對環境 無害之發煙系統為之，因而大大增強其實際應用之可行性。

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Guanchao(2014)，在 HST(Hot Smoke Test)中使用實際火災需要仔細控制火 源和熱煙，以避免損壞建築結構。同時，安全評估和保險往往會提高 HST 成本。

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 必須模擬隧道縱向空氣流動的邊界條件（流量，風力，浮力）。

 煙霧檢測必須可靠地進行，即使在主動霧化抑制時也是如此。

應該簡單快速地進行測試，以執行許多不同場景的測試。

Tony (http://www.fire-eng.co.za/Smoke%20stratification.pdf)，火災事件的預警 通常依賴於在火災發展初期發現燃燒產物。 分層煙霧可能會影響提供火災事件

Chow(2009)，基於經驗公式或 CFD 設計排煙率存在不確定度，有必要在評 估排煙系統的現場進行熱煙測試，設計指引中的經驗公式將經常被審查， 建議

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Kashef(2003)，僅使用煙產生器並不代表火災，不考慮火災產生的熱量，這 限制了火災現象的表示：

· 臨界速度取決於熱釋放率。

· 自然煙氣分層的穩定性，取決於溫度。

LI 等人(2017)，實驗中使用了火災模擬裝置作為火源(圖 2-54)，在這個測 試中，燃料是 75％乙醇，此裝置為史聰靈等人(2013)大陸的發明專利，並納入 大陸安全產業行業標準「城市軌道交通試運營前安全評價規範」附錄。

1- 保護性支柱人為構造; 2 屏蔽橫向; 3 屏蔽連接組件; 4 油盤和水浴盤;

5 防火板; 6 鋼板; 7 煙盒箱體; 8 圓管;9 門; 10 鋼絲網;

(資料來源：Experimental Study on Evaluating Smoke Control System Performance in a Transfer Station)

圖2-54 熱煙測試設備示意圖

綜上，熱煙試驗火源產生的熱量必須安全，且不會破壞建築結構與裝修，

但應引起熱浮力和煙霧層化，以及可達 NFPA 92B N％規則，以下除了 AS 4391 及CNS 15937 規定之甲醇燃料為火源外，目前國際上使用替代池火火源分為漂浮 氣體與燃氣燃燒器，分別整理概述如下。

一、漂浮氣體

Eklund(1990)，氦氣的添加不僅提供了浮力，而且還提供了氣體膨脹的模擬，

氦氣分壓與環境壓力之間的關係是氦氣與氦空氣混合物的體積之間的關係，在空 氣中 50 體積％氦氣的混合物具有與加熱至 475℉（935°R）的空氣相同的密度。

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37 325°F(785°R)(163℃) 44 400(860°R) (204℃) 50 475（935°R）(246℃) 55 550（1010°R）(288℃) 59 625（1085°R）(329℃)

(資料來源：US4994092 Helium smoke generator)

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(資料來源：US4994092 Helium smoke generator) (資料來源：Flight Deck Smoke Penetration Testing)

圖2-55 設備示意圖

Guanchao(2012)，建築消防管理系統的調試方法之一是熱煙霧測試，其中燃 燒液體燃料以產生與人造示踪劑煙霧混合的浮力煙霧來模擬火災煙霧，該方法成 本高昂並且經常引起安全問題。

為了更好地驗證氦氣煙霧測試的理論模型和FDS模型，在1：26.5的縮尺建 築模型中進行了實驗，雷射光片光學器件照射煙霧，然後記錄清晰的煙霧層高度，

通過氦分析儀測量氦氣濃度，發現氦煙測試可以很好地預測各種火災大小的相應 熱煙測試的煙層高度，在加拿大國家研究委員會建築研究所（NRC-IRC）的一個 全尺寸建築測試設施和一條小規模公路隧道中進行的模擬演示證實了氦氣煙霧 測試的應用。

純氦氣提供了浮力，但在氦氣羽流中不考慮空氣夾帶，在氦氣羽流中添加 或不添加空氣仍然是一個問題，因為模擬煙霧羽流受到池火測試中的氣體溫度的 影響。由於局限性，目前的研究主要集中在建模方法和定量分析，未來需要進行 更多的理論研究，包括羽流溫度，空氣夾帶和動量效應。

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Guanchao(2014)，在 HST(Hot Smoke Test)中使用實際火災需要仔細控制火 源和熱煙，以避免損壞建築結構。同時，安全評估和保險往往會提高 HST 成本。

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71 移動煙霧和周圍空氣，以及由火災產生的熱量產生的空氣膨脹力。Van den Brink 通過實驗發現，在一分鐘的火災引燃期間，在 3.6m×2.4m×2.4m（長×寬×高）的

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(資料來源：ANALYSIS OF A 10 MW FIRE IN AN UNDERGROUND RAILWAY STATION USING FULL SCALE TESTS AND CFD)

圖2-56 小型燃氣燃燒器火源方式

Juan(2014)，使用預混合丙烷火焰作為火源(圖 2-57)。預混合火焰以高效方 式燃燒，由於這種高燃燒效率，火焰長度減小。因此，燃燒器正上方的天花板的 局部溫度較低，在防火測試中，這可以降低燃燒器上方的結構保護等級。此外，

火焰的輻射急劇減少，熱量幾乎完全釋放為對流熱量。

設備設計允許用戶實時控制設備的熱釋放率。可以復制預定義的“火災＂

曲線來研究檢測系統的反應或評估煙霧填充時間。燃料和空氣是預先混合的，以 增強交叉流的燃燒。 燃料在底部供應，空氣通過 V 型板供應。

(資料來源：New Generation of Smoke Tests)

圖2-57 煙霧測試系統配置

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(資料來源：Nozzle-mix line burner)

圖2-58 預混燃燒器

一個燃燒器單元（燃燒區域）長 1.22m，寬 0.17m（出口區域的尺寸）和 1m 高，該燃燒器的最大容量為 1.2MW，系統產生乾淨的羽流。氣體供應系統由 8 個 丙烷瓶和一個蒸發器組成，這些蒸發器需要在燃燒器中產生合適的氣體量， 這 些丙烷瓶是標準的，可以很容易地在許多國家採購，一個標準的丙烷氣瓶包含大 約 10 公斤，這意味著該系統可以在全功率下運行約 46 分鐘（考慮到效率為 90

％）。該系統配有數字控制系統，可以復制火災曲線、線性、t²和用戶可控火災 增長率，如果需要的話，火災的衰減階段也是如此。該煙霧測試系統使用矩形火 源。 因此，產生的羽流不是軸對稱的，而是橢圓形的：有一個優先的空氣夾帶 方向。

FDS 不是用來直接模擬預混合燃燒，因此必須找到一種替代解決方案，預混 合丙烷燃燒的性質是已知的，並且在文獻中很好地表徵，其在絕對理想條件下的 絕熱火焰溫度為 2194℃。 考慮到這一點，燃燒器已被建模為在高於 2000°C 的 溫度下從燃燒器噴出的熱氣流。丙烷燃燒熱可以在文獻中找到，它的數值約為 46 MJ / kg。

預混火焰呈現非常低的輻射分數，因此較大的部分作為對流熱釋放，已知燃 燒效率越高，火焰輻射分數越低，因為產生更少的煙灰並且火焰變得透明，作為 對流熱釋放的熱量的部分可以使用產品中 CO²和水蒸氣的分壓來計算，使用化學 平衡，計算摩爾量並且這些值對應於分壓（環境壓力，環境壓力，1atm）。 CO²: pCO2 　 3 / (3 + 4 + 18.8 ) 　 0.116 atm

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(資料來源：Real fire testing with Izar)

圖2-59 以 Izar 燃燒器為火源進行熱煙試驗

自然火焰釋放，考慮標準值，約2/3的能量通過對流和1/3的輻射，這個比值 可以通過預混合火焰計算，作為燃燒產物分壓的函數，燃燒方程和燃料性質，丙

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烷都是眾所周知的，可以在文獻中找到。

計算結果證實，只有約3％的一部分輻射到周邊地區，這個結果對於理解煙 霧測試系統的行為非常重要，能量主要通過對流傳遞，可以忽略輻射來簡化微積 分，該燃燒器被認為是對流熱源，並且與對流和輻射熱釋放的2/3和1/3比率之後 的擴散火焰相關聯。

這種計算和來自擴散火焰的對流 - 輻射比是將測試與預混火焰和自然火相 關聯的基礎：預混火焰的輻射被忽略，預混火焰必須產生與天然火相同的對流熱。

考慮到前面提到的標準值的一個例子是：1,500kW的自然火災釋放大約1,000kW 的對流熱量和500kW的輻射熱量，預混火焰系統必須產生1,000kW的功率才能生成 相同的煙層。

澳洲標準定義了煙霧試驗期間在天花板撒水頭作動溫度以下10度上限的最 高溫度，這是一個妥協的價值來設置測試火災測試的最大HHR，但也是一個約束 和“轉移＂的設計火災代表的實際測試火災。但是，可以遵循火災曲線，直到這 個最大HRR值使測試更接近現實(圖2-60)。

(資料來源：Izar, an innovative smoke testing system by using premixed flames for a new smoke testing strategy)

圖2-60 池火與設計火災比較

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新的建築項目對其居住者的安全構成挑戰，煙霧管理系統必須提供足夠的時 間以安全的方式完成大樓撤離，並減少火災後果。其中一些煙霧管理概念不是標 准設計規範中考慮的標準概念; 它們是基於性能原理開發的創新解決方案，需要 在調試之前進行驗證，目前的標準測試方法不適合測試那些創新的解決方案，基 於性能的解決方案應該使用基於性能的測試而不是標準測試來測試。

姚斌等人(2011)，燃燒器的進氣口壓力為4300Pa時，燃氣的輸入速率為 1.8m³/h，即4.5kg/h，折算功率約為53.5kW，單個燃燒器約為0.4m×0.7m，氣體 燃燒器單位面積的熱釋放率約為甲醇池火的1/3，單個燃燒器單元的自重為5kg 左右(圖2-61)。

(資料來源：熱煙測試裝置) (資料來源：地鐵車站消防系統驗收評定規程)

圖2-61 熱煙測試裝置預混燃燒器

此燃燒器並被納入深圳市標準化指導性技術文件檔「地鐵車站消防系統驗 收評定規程」，規範性附錄附錄 B 熱煙測試操作方法說明。

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