研究範圍與內容

一、撒水頭性能試驗

撒水頭是決定自動撒水設備能否發揮放水防護的關鍵角色之一，消防安全 設備認可基準明定撒水頭應通過外觀檢查、功能檢查、熱感度試驗、動作試驗 等測試。本研究針對不同使用年限的撒水頭進行取樣測試，並針對 20 年以上撒 水頭材質疲勞老化導致是否尚具防護功效進行探討。材料疲勞損壞又稱持久極 限，其可定義為在經過許多周期的周期應力後，材料不會產生疲勞破壞的周期 應力。ASTM 未定義持久極限，但認為持久極限的數值會類似疲勞極限，自動 撒水設備中撒水頭為相當重要的角色，本研究針對使用二十年以上之撒水頭進 行外觀及性能測試，已針對其材料疲法度對撒水頭性能的影響範圍進行測試。

NFPA 25(2017)明確規範各類撒水頭應於特定年限後進行定期檢查，以一般 反應型撒水頭為例，應於使用 50 年後進行更換或測試，其後每隔十年應再進行 測試或更換一次；快速反應型撒水頭應於 20 年後進行更換或測試，其後亦每隔 十年進行測試或更換。針對原有合法建築使用多年的自動撒水設備，其撒水頭 因年久而無法正常動作的幾個原因包括材料疲勞(Fatique)、設備損壞、環境腐 蝕等因素。諸多因素中疲勞破壞往往主要原因之一，其動作異常往往是毫無預 警無法預測，因此正確評估撒水頭耐用性是非常重要的。撒水頭是否已因老化 疲勞導致火災發生時無法正常動作可以透過性能測試來進行驗證。Khalid A.M.(2019) 以案例統計分析分析澳大利亞 18 座購物中心建築物進行自動灑水 系統故障率分析，研究標的自動撒水系統設備使用期間故障率約 1.4%~9.8%，

意即系統可靠度約 90.2%~98.6%。其購物中心的自動撒水可靠度較高層建築辦 公大樓高約 3~4%( Moinuddin 2014)，其故障率最高的設備為撒水頭及閥配件。

程鑫(2017)以金屬疲勞強度進行應用，其研究指出疲勞是材料在應力或應變反 覆作用下產生的性能變化，最早於 1829 年，探討反覆增加金屬附載的疲勞性質 利用反覆施力用於鐵錬試驗。1840 至 1850 年，常因反覆負荷作用，而致使火 車軸產生破壞，於是「疲勞」名詞被提出。1850 至 1870 年透過車軸疲勞實驗，

發展出可視為最有一慣性及系統性的疲勞研究，提出 S-N 曲線與疲勞極限 (fatiguelimit)的觀念並且提高疲勞應力幅度(stress range)比最大應力(maximum

stress)更顯著的重要。撒水頭於自動撒水系統中具相當重要的功能，因此 NFPA 25(2017)要求每年應進行一次的外觀檢查。除定期檢查外，若明確察覺撒水頭 產生滲漏或損壞應立即進行備品替換。除此之外 NFPA 13 針對自動撒水系統安 裝標準進行規範，除應依設置數量配置備用撒水頭外，規範自動撒水設備之撒 水頭產生洩漏、鏽蝕、損壞、玻璃球熱敏元件液體流失、撒水頭性能受損、外 覆原廠以外油漆塗裝等狀態應立即進行撒水頭更換，系統更換數量大於 20 個以 上時應符合 NFPA 13 進行靜壓測試。

儘管消防法第九條規定，設置消防安全設備場所之管理權人應委託消防設 備師或消防設備士定期檢修消防安全設備，將檢修結果報請當地消防機關備查。

然而，依消防安全設備檢修及申報辦法規定密閉式自動撒水設備進行性能檢查 時，檢查項目僅包括：水源、電動機控制裝置、啟動裝置、加壓送水裝置、呼 水裝置、配管、送水口、流水檢知裝置、輔助撒水栓、耐震措施等。綜合檢查 時，則僅就接裝在建築物各層各流水檢知裝置配管系統的末端查驗閥測試等同 撒水頭放水性能之放水壓力。換言之，現行的自動撒水設備檢修作業中，對於 受熱開啟、抑制火勢的密閉式撒水頭，僅於外觀檢查時確認其外形、感熱及撒 水分佈障礙、未警戒部份，並沒有針對撒水頭進行動作試驗及熱氣流感應試驗，

另社團法人日本消防裝置工業會也針對消防設備大規模修繕的建議進行耐用年 限的研究。

二、設置時間對自動撒水設備之影響

Marchant(1982)以時間概念將火災與避難過程依照發生的先後順序提出以下 公式：

≤1 + +

Tf Ta Tr Tp

Tp(Time prove)是指火災產生的熱、煙、光或氣體經由探測器偵測或採手動 方式發出警報的時間；Tr(Time reaction)則是自接收火災警報至開始避難的時間；

Ta(Time action)為開始避難至抵達安全地點需要的時間。其中，Tf(Time final)可視 為「避難容許時間」(Available Safe Egress Time、ASET)，代表火災發生至環境 已無法安全避難的時間。許多避難的相關研究，著重於縮短 Tp、Tr 和 Ta。NFPA 92, “Standard for Smoke Control Systems” (2015)將建築物劃分為高溫煙層與低溫

空氣層，並以兩者間的介面定義為煙層高度。高溫煙層與低溫空氣層之間會存在 一煙層過度區域，此過度區域之底部稱為煙層第一徵兆。以人員從火場避難逃生 之設計目標看來，煙控設計的目的就是創造一個有助於避難人員疏散的流場，藉 由該流場維持一個相對安全的避難逃生路徑。自動撒水設備設置的目的之一，即 是希望藉由水的噴淋來抑制燃燒釋熱率(Heat release rate, HRR)，進而降低驅動熱 煙擴散的浮力(Buoyancy Force)，防止火災煙流蔓延至逃生通道中。

自動撒水設備自 1812 年發展迄今已 200 餘年，已證實為經濟且可靠的滅火 設備之一。火災發生時，火場溫度促使撒水頭達到設定溫度而開啟放水。藉由虛 擬原點之概念及火羽流之溫度、速度成高斯分佈之特性，發展出估算火羽流溫度 及速度之公式。利用此公式計算本研究實驗之火的大小，且對於火羽流的溫度與 速度進而分析其撒水頭作動之溫度與速度等之依據進行相關探討。Xin Ye et al.(2016)的研究中指出，自動撒水設備可有效減少火災發展初期的發熱量及熱輻 射效果。撒水不僅可吸收火場環境熱量，還可預淋濕燃燒物周圍環境，以達到控 制及撲滅火勢功能(趙清德，2009)。Frank(2013)研究發現自動撒水滅火系統有效 性為 70%至 99.5%，但是不正確操作也會有 0.5%至 30%的失敗率。美國國家防 火協會 NFPA(National Fire Protection Association, NFPA)的資料(1925~1964)則顯 示，撒水設備的滅火成功率可達 96.2%，可見自動撒水設備對於火災成長抑制可 扮演非常重要的角色。

國內外法令並未針對自動撒水管路系統規範使用年限，但因金屬管路系統 因水源雜質、鏽蝕、老化等均會造成管路摩擦損失產生變化，自動撒水設備的 配管維護工作，僅定期檢查階段僅檢查閥類、過濾裝置、排放管和流水檢知裝 置二次側配管，並沒有針對管路摩擦損失進行重新計算。長期使用的配管，可 能因管壁鏽蝕、鍍鋅剝離或髒污雜質而影響內徑或的管材摩擦係數 C 值(friction loss coefficient)，造成摩擦損失增大而無法達到完工初期時的放水壓力。本研究 擬針對實際案例進行放水壓力測試後再以水力計算工具進行管路摩擦損失 C 值 變化的驗證與計算。美國自動撒水設備水力計算中針對場所設置進行檢討，並 依序進行建築使用型態、系統選用、自動流水檢知裝置與立管配置後進行基本 設計參數與流量計算、摩差損失等反覆計算後進行設備安裝，但隨著建築物使

用年份造成管系水鏽、雜質、老化等因素直接影響水系統的摩擦損失 C 值，進 而影響自動撒水設備強度及均勻度。世界各開發中及已開發國家建築形態均趨 向高層化、大面積、使用型態複雜的特性。高層建築物火災發生時因為消防搶 救及人員避難較一般建築物困難，因此高層建築物的消防安全需仰賴自動撒水 設備進行防護，如此重要的設備除了需要滿足設置階段的法規需求外，更應該 要針對滅火效能進行驗證，確保人員安全。此外，上述性能檢查的配管部分，

僅檢查閥類、過濾裝置、排放管和流水檢知裝置二次側配管，並沒有針對管路 摩擦損失進行重新計算。長期使用的配管，可能因管壁鏽蝕、鍍鋅剝離或髒污 雜質而影響內徑或的管材摩擦係數 C 值(friction loss coefficient)，造成摩擦損失 增大而無法達到完工初期時的放水壓力。

圖 1- 1 自動撒水設備放水之燃燒釋熱率比較 (本研究繪製)

近年來，長照機構、醫療機構、老人住宅等避難弱者之場所，一旦發生火災 即易造成多人罹難。該場所自動撒水設備若能於火災發生時發揮正常功效，對於 初期火災滅火、抑制，提供相對安全的避難環境應有其正面幫助。Simo Hostikka et al.(2020)針對某醫療院所的火災調查研究中發現，自動撒水設備不僅可抑制燃 燒釋熱率的成長，並且可藉由抑制火勢發展進而防止火場高溫和毒性氣體對人員 的危害。陳建忠(2014)針對建築物消防水系統滅火實驗與撒水頭動作性能實驗指 出，撒水頭作動時間會受到距離火源位置及熱傳導所影響，且撒水頭下方障礙物 亦會造成動作影響。實驗發現，當撒水頭位於 5.2 公尺時，無論遮蔽率百分比 皆因障礙物上方撒水頭設置過高、使作動時間不穩定，導致撒水失效，且作動後 亦無法使下層火災達到滅火，但位於障礙物上方撒水頭仍可防範風管、管線等障

礙 物 上 方 之 火 災 。 陳 泓 翔 (2006) 提 出 Alpert’s Correlation 、 Heskestard 和 Delichatsios 之天花板噴流經驗公式主要功用有：同位置之煙氣最高溫度及最大 速度，出現最高溫度與最大速度後，便可用此估算探測器之作動時間。蔡榮鋒

（2011）針對建築物火災滅火性能關鍵要素：火警自動警報系統與自動撒水系統 進行研究，自動撒水系統與探測器連動裝置於小空間建築中，自動撒水滅火其效 果較無差異，但當建築物空間越大時利用探測器連動撒水系統滅火其效果較為顯

（2011）針對建築物火災滅火性能關鍵要素：火警自動警報系統與自動撒水系統 進行研究，自動撒水系統與探測器連動裝置於小空間建築中，自動撒水滅火其效 果較無差異，但當建築物空間越大時利用探測器連動撒水系統滅火其效果較為顯