第三章 研究方法與設備 第 一 節 因 子 分 析 與 實 驗 設 計
本研究將以蔡銘儒、謝煒東(2006)研究成果，進一步將燃燒尺度放大，利 用10MW大尺度量熱裝置取代ISO9705中尺度裝置，可將量測對象之熱釋放率上 限由原本的1MW放大到10MW，因此原本的木條數量將依照空間比例放大，進 而檢驗在大尺度下火災成長與可燃物密度之關連性。
本研究之重點在火災成長因素影響性之探討，吾人首先分析火災歷程，選 出對於火災成長階段會有影響之因素。如圖 10所示，火災成長階段，主要可能 的影響因素有火源著火(火源大小、火源時間)、起火容易度(木堆分佈、堆疊密 度、木堆位置)以及火勢成長延燒性乃至後其最高溫度(通風、閉裝、天花板高度)。
圖 10、典型火災成長歷程與因子分析
由於本年度研究主要著重於「火災成長因素影響性探討」，為使實驗單純 化，易於掌控，因此引火源部分予以固定為定量的酒精膏作為引燃木堆之火源，
由實景火災模擬與蔡銘儒、謝煒東(2006)研究結果，本研究選定5個主要因素作
為探討重點，分別為通風、木堆(分佈)數量、木堆密度、天花板高度以及壁裝型 態。這些因素主要可以分別與可燃物型態(木堆分佈、密度)、空間條件(天花板 高度)、通風以及壁裝材有關。
所選定之實驗因子配置與水準選擇如表 2 所示，選擇因子原因概述如下：
1. 壁裝型態：由於蔡銘儒、謝煒東(2006)、唐雲明(2001)及陳愛平 (2004) 等研究結果顯示，壁裝材料在火災持續時間的計算上有明顯的影響，
因此納入考量，並以不同熱慣性之不燃材料為主，牆壁內裝以木質材 料部分則與林大惠(2007)共同進行實驗及分析，但此部分不納入田口 實驗分析，因其燃載量不同，為另一因子型態，因此研究中採用磚牆 以及矽酸鈣板內裝作為實驗因子之兩個水準。
2. 木堆數量(分佈)：木堆延續蔡銘儒、謝煒東(2006)於 ISO9705 實驗屋 中的配置方式，分別為一堆配置，兩堆配置與三堆配置，木堆引燃位 置均固定於單一木堆中央，若為多堆木堆（2、3 堆）則為角落木堆 之中央引燃。
3. 堆疊密度：Babrauskas(1988)及 Croce(2005)等對木堆燃燒形態之研究 加以考量，並以室內空間因素以9 支/層、15 支/層、21 支/層配置。
4. 天花板高度：蔡銘儒等人(2004)研究經由改變天花板高度，可以改變 火場之空間大小，對火災成長有明顯的影響，因此考慮一般居家 2.4m、3m 以及挑高 3.6m 作為因子水準。
5. 通風：CIB 等文獻研究開口對火災形成燃料控制或通風控有關，實驗 屋於北側與南側分別有兩個開口(OP1 與 OP2)，開口尺寸皆為 2m 高
×0.8m 寬，因此以單一開口與雙開口進行配置。
經由田口式實驗設計法[CNS14914(2005)]，以 L18(21x37)直交表配置實驗(表 3)，此直交表是最被田口博士推薦使用的直交表之一，主要因此直交表中，交 互作用或多或少均勻地分散到各行了，縱使所有行都排滿了因子(稱為飽和直交 表實驗)，因子效應與交互作用混淆的程度比其他飽和直交表實驗小[李輝煌 (2003)]。可將本研究有興趣之因子配置進去，經由 18 次實驗配置，實驗後可經 由分析得到因子間的相對重要性。
表 2、實驗因子與水準配置
因子符號 因子說明 水準1 水準2 水準3
A 壁裝型態 磚牆 磚牆+矽酸鈣
第三章 研究方法與設備
第 二 節 研 究 方 法
第三章 研究方法與設備
v 代表 Regression Velocity，木堆為 2.2×10p -6D-0.6；
圖 11、熱釋放率曲線及其特徵參數決定之示意圖(取自[2])
圖 12、木堆幾何示意圖(取自[4]) HRR max
圖 13、縮減比燃燒率 f(P)與木堆孔隙率(P)之間的關係(取自[4])
圖 14、木堆燃燒率估算之木堆幾何示意圖 (取自[5])
3-2-1 田口實驗特性分析
望目特性：以有限個目標值最為適當，不希望在任何地方發生變異的特性值，
當輸出有目標值時，無論何時何處都能維持此目標值最為理想[田口 玄一(1999)]。
損失函數 2
(
0)
21
1 n
i i
L A y
n μ
=
= −
Δ
∑
其中μ0是目標值，以本案而言，即為依據經驗公式所計算出之木堆熱釋放
第三章 研究方法與設備
值。
n為樣品(測試)個數。
y 是對應的品質特性。
Δ 是允差，及無法產生機能的界線， A 為失去機能時的損失成本。
圖 15、望目特性所產生之損失函數變化情形 望大特性：非負值，愈大愈好的特性[田口玄一(1999)]。
損失函數
∑
=
Δ
= n
i yi
A n L
1 2
2 1 1
圖 16、望大特性所產生之損失函數變化情形
望小特性：非負值且其值愈小愈好的特性[田口玄一(1999)]。
損失函數
∑
Δ =
= n
i
yi
n L A
1 2 2
1
圖 17、望小特性所產生之損失函數變化情形
所謂損失函數，就品質管理而言為當品質特性與消費者的期待值(目標值) 一致時，消費者的不滿意度是最低的，換句話說，品質損失是最小的。當品質 特性開始偏離目標值時，消費者的不滿意度也開始提高，品質損失開始增加[李 輝煌(2003)]，以此一觀點套用到本研究實驗設計與分析，以望大與望小特性可 評估本研究所選定之5 因子，每一因子 3 個水準變動下，對火災危害性大小之 影響程度，未來可就影響性大之因子會造成較大火災危害性，或可得到較小之 火災危害，作為防火設計參考準據，而望目特性，則可作為性能式設計參考方 式。
整個研究的研究流程，如圖 18 所示，前期先透過油盤與木堆實驗，對 10MW 進行儀器之校正。之後再於 10MW 煙罩下進行木堆開放空間的試驗，以 建立木堆燃燒的基本資料，作為後續木堆擺放於實驗屋內燃燒之比較基準。接 著就依據實驗規劃，將木堆與實驗屋之實驗條件依序設定好，開始進行木堆於 實驗屋內之實驗。實驗之結果再以田口分析法，分析各因子對於目標之影響性，
此外，也同時嘗試由熱釋放率曲線，找出與家具燃燒之相關性，以提高研究結 果之應用程度。
第三章 研究方法與設備
10MW儀器 校正
木堆Freeburn試驗
（建立基本資料）
木堆於實驗屋內依照 實驗配置進行實驗
田口S/N分析各 因子之影響性
提出火災成長因 素之影響性
木質壁裝型態與木 堆燃燒交互影響性
圖 18、研究流程圖
第 三 節 實 驗 設 備 與 測 溫 點 位 置
3-3-1 熱釋放率量測
本研究中，使用到的設備，主要是10MW 大尺度分析裝置，早期發展的燃 燒產物收集器逐漸演變成目前所謂的圓錐量熱儀，世界上現有小尺度圓錐量熱 儀約有140 多套；至於大尺度燃燒產物收集器，量熱尺度可達 10MW 的燃燒分
析裝置全世界現今亦有多套被建立，如英國BRE 的 FRS 部門，美國 UL 公司，
和美國 FM 公司等。本裝置為亞洲首套可達 10MW 量熱裝置主要分為(1)集煙 罩系統(Hood and Exhaust gas collecting system) (2)氣體與光量測定系統(Gas and Optical measuring system) (3)廢氣處理系統(Exhaust gas cleaningsystem)，所有感 測裝置皆符合ISO9705 規定。
由10MW 大尺度分析裝置所蒐集之燃燒後產物，可經由以下之熱釋放率計 算方法予以計算：(1)氧氣消耗法(Oxygen Consumption, OC )、(2)CO 及 CO2 生 成法(Carbon DioxideGeneration, CDG)、(3)熱對流升溫法(Gas Temperature Rise, GTR)。其中前兩者為利用測量燃燒前後煙氣中氣體濃度消耗及生成量，藉由其 單位質量變化產生之固定生成熱求得熱釋放率，故可稱作氣體生成熱法；熱對 流升溫法則是利用燃燒後煙氣之熱對流效應，藉由量測混合氣前後焓差來求取 其熱釋放率，此方法亦可同時搭配熱輻射計來估算整體熱釋放率。而利用質量 損失率的計算法則有：(1)理論質量損失率估算法、(2)實際質量損失率計算法。
實驗進行所在之實驗屋，如圖 19所示，詳細平面圖如圖 20所示。實驗屋 下方有設置測重平台於實驗場中央，如圖 21(a)、圖 21 (b)，用以量測引火源木 框架的質量損失率，以便日後推估其熱釋放率。
圖 19、實尺寸房間實體照片圖(北側)
第三章 研究方法與設備
圖 20、實驗屋簡圖
圖 21、(a)實驗場底部測重平台及(b)延伸進實驗場之測重平台
3-3-2 木質壁裝型態與可動可燃物燃燒交互影響性實驗配置
本項實驗分別以木質合板設置了四種壁裝型態，分別為全面壁裝、上吊櫃下 壁裝、下矮櫃上壁裝及高櫃，如圖 22。又因為高櫃及上吊櫃下壁裝受到煙氣影 響的範圍類似，所以將其合併，放置在牆面2和4 處，並放置於其牆面中心處；
同理，下矮櫃上壁裝及全面壁裝類似，故將其合併設置在牆面1和3處，並放置 於其牆面中心處。每種壁裝材均為寬1.6m，高2.4m，壁裝材厚4cm，櫃材厚40cm。
壁裝材部份所使用的角材為2.4cm×3.6cm×90cm 的木材，每條木材重量為
0.697kg，而壁裝及櫃子所使用的板材為199.7cm×122.1cm×0.9cm。木角材配置 如圖 23所示，每30公分各設置一隻，兩側木角材共3.2m。而牆面2及4的高櫃及 上 吊 櫃 下 壁 裝 總 重102.1kg，而牆面1及3的下矮櫃上壁裝及全面壁裝總重 92.1kg。實驗場總火載量約為15.4Kg/㎡。
圖 22、壁裝型態與配置
圖 23、木角材結構與火載量估算
實驗場內量測系統整體代號及配置如圖 24所示，共配置有熱電偶樹21組、
灑水頭(S1~S4)4顆、偵煙器(D1~D4)4顆、氣體分析(G)1組。依據實驗不同，將引
第三章 研究方法與設備
火方式改變，第一次及第二實驗均引燃中央200支一堆木框架，而第三次實驗將 東北及西南各100支一堆木框架同時引燃，第四次實驗為中央與東南各100支一 堆木框架，引燃中央木框架，第五次實驗為中央與西北各100支一堆木框架，引 燃西北木框架，第六次實驗為西北雙人座與中央三人座沙發各一張，引燃西北 雙人座沙發，如圖 25所示。
圖 24、量測系統配置
40 40
Test1 Test2
40 40
Test3 Test4
40 40
Test5 Test6 圖 25、壁裝型態與可動可燃物配置與引燃點
3-3-3 5 因子實驗溫度場量測
實驗使用了許多熱電偶來量測室內的溫度變化，以八個一組，垂直方向綁 於細鐵鏈上組成一組熱電偶樹；由於實驗次數繁多且火載量大，因此為降低重 新綁製測溫樹之耗時併同時兼顧合理數據的取得，在後續木堆實驗中，無人減 少熱電偶樹配置，改以參考ISO9705的配置方式，總共在實驗模型中用了8組熱 電偶樹。每組熱電偶樹自天花版下50 公分內每10 公分分配一點，共分配五點；
天花板下50 公分後，每50 公分分配一點，亦分配四點；房間內的熱電偶樹配 置如錯誤! 找不到參照來源。9所示。
第三章 研究方法與設備
6000
5000
單位:mm
1 2
4 3
5
6
8
11
7
熱偶樹
@100@500
熱偶樹 1~21
N
OP1 OP2
圖 26、熱電偶配置圖