多元火災偵測技術的整合

第二節 第二節

第二節 多元火災偵測技術的整合 多元火災偵測技術的整合 多元火災偵測技術的整合 多元火災偵測技術的整合

在防火防災智慧型技術需具備的五項功能裡[20]，第一個是「 提供早期偵測且 正確警報的能力」，要提供正確警報的能力，則第一、二通報階段的「辨識與確認」

工作扮演決定性的關鍵，既然完全依靠人工的辨識與確認有困難，則可依據防護區 燃燒行為特性，整合多種火災偵測技術成為一智慧化防火系統，可獲得正確的資訊 以掌握狀況的先機，並發揮有效的應變措施，達到安全防火之目的。

壹 壹 壹

壹、 、 、氣體偵測技術 、 氣體偵測技術 氣體偵測技術 氣體偵測技術

火災的燃燒反應過程可產生不同的氣體濃度[22]，如表 7-1 所示，實驗證明藉由 偵測特定化學成份的「化學火災探測器」 (Chemical fire detector)，對不同火災階段、

不同類型火災的辨識能提供可靠的資訊，同時可降低誤報的風險。因此利用 ASD 系 統主動抽氣特性，可以很方便結合「化學火災探測器」建置一個「多指標分析」

(Multi-Criteria Analysis)架構，來執行「辨識與確認」的工作，達到智慧化防火的功 能。

表 7-1 不同火災產生氣體的濃度(依據 BS5545) [22]

Fire type CO

(ppm)

H₂ (ppm)

H₂O (%)

O₂ (ppm)

Cellulose 38 3 0 1300

Smouldering (Cellulose) 105 0 0 0 Smouldering (Cotton) 230 245 0 0 Open polyurethane fire 聚氨酯 45 0 8 2200 Liquid (n-heptane)庚烷 23 0 28 8000 Liquid (methylated spirits)甲醇

酒精

18 0 39 9000

除此以外生產製程所需的特殊氣體，經常為可燃性氣體或毒性氣體，利用 ASD 系統主動抽氣特性，可結合防護空間的可能洩漏氣體特性，整合特殊氣體偵測設備，

當洩漏的可燃性氣體濃度未達爆炸下限前即發出異常狀況警示，當可避免火災、爆 炸的發生，也確保人員的安全。以目前的技術已可結合 ASD 系統的特殊氣體偵測設 備如表 7-2 所列[23]。

表 7-2 特殊氣體與偵測濃度 [23]

氣體種類 偵測濃度範圍

一氧化碳 (CO) 0-500 ppm 氧氣 (O2) 0-25% V 硫化氫 (H2S) 0-100 ppm 二氧化氮 (NO2) 0-10 ppm 丙烷 (C3H8) 0-100% LEL 氨氣 (NH3) 0-100 ppm 氫氣 (H2) 0-100% LEL 二氧化硫 (SO²) 0-10 ppm 甲烷 (CH⁴) 0-100% LEL

以下舉幾個不同場所中，ASD 系統結合特殊氣體偵測的智慧化防災系統的案例[24]：

1. UPSUPSUPSUPS 室和電池充電室

在電池充電過程中會釋放氫氣(H2)，這就有可能因為通風不當和/或防火設備缺 失而引發爆炸。當氫氣被探測到時，智慧化防災系統會自動開啟通風系統，以 避免環境中的氫氣濃度達到爆炸危險點。這種通風方式只有在危險氣體產生的 情況下才被啟動，而非連續不斷地運作，因而能大大減少能源的損耗。如果氫 氣濃度繼續增加，系統會自動警報，並通知相關人員潛在的系統故障，從而及 時採取措施，避免災難的發生。

2. 地下公共隧道

公共隧道是工業的命脈，它是電力輸送的通道並為工業的正常運行和服務延續 性提供了重要的資料通訊。火災或氣體洩漏在這些區域一旦發生，可能導致災 難性的後果，並造成由業務中斷或停止而帶來巨大的金錢損失。傳統的煙霧或 氣體探測器易被空氣中的灰塵所污染而無法正常工作，ASD智慧化防災系統則 能克服極端惡劣的環境條件，並提供可靠的氣體探測，探測範圍包括煙霧、甲 烷(CH4)、一氧化碳(CO)和其他各類有害氣體。

3. 交通運輸中心

各類交通運輸中心，諸如停車場、庫房、公路隧道甚至車輛維修工廠等常常塵 土飛揚，並且由於車輛排氣的一氧化碳(CO)，二氧化氮(NO )含量較高，而潛

藏危機。ASD系統已在此類惡劣環境下成功運用並提供可靠的煙霧探測預警。在 現有的ASD系統管網上結合特殊氣體偵測設備，可以在探測區域或區域的某一局 部空間中對高濃度的一氧化碳（CO）進行準確探測，相比之下，傳統的一氧化 碳探測器只能對某個固定點進行探測。當結合抽氣式煙霧探測器一同使用時，

ASD智慧化防災系統低廉的安裝和操作成本，能為停車場經營者節省大量開支，

並為公眾提供了一個安全健康的環境。

貳 貳 貳

貳、 、 、火災偵測技術 、 火災偵測技術 火災偵測技術 火災偵測技術

火災行為的探測可依據火災發生與成長過程不同階段產生的物理、化學反應所 伴隨的元素，諸如：不可見煙（熱釋粒子與各種氣體）、可見煙、火焰、熱。在過去 幾年由於各種的新偵測元件的開發、訊號處理與監控能力的進步，使得火災偵測技 術的應用更為廣泛，因此整合多元火災偵測技術，交叉比對來進行「辨識與確認」

的工作，可達到智慧化防火的功能。茲將目前已開發的火災偵測技術舉例如下：

1. 光纖熱偵測器(Optical Fiber Heat Detector) 2. 紅外線熱像儀 (Infrared Imager)

3. 閉路電視(CCTV)

第三節 第三節 第三節

間火源，以閃燃前期火源為主，閃燃前的火源如圖 7-1 中的火源成長期。火源隨時 間釋放的熱值與時間的冪次方成正比，所假設的火源熱釋放率如下方程式(7.4)所 示:

Q = α t²...(7.4) 其中

Ｑ: 熱釋放率 (KW) t : 點燃時間 (sec) α: 火源成長係數 (kW/s²)

因此公式(7.4)被通稱為「T-square fires」，被廣泛使用於火源成長模式 (

t

可將火源區分成極快速(Ultra-Fast)、快速(Fast)、中等(Medium )及慢(Slow)四種成 長曲線如圖 7-2 所示，各種火源成長係數與成長時間如表 7-3 所示[27]。

圖 7-2 T-square 火源成長曲線

表 7-3 火源成長模式係數

成長係數 成長時間

(熱釋放率達 1MW 之特性時間) T Square Fires α(kW/s²) Tg(s)

慢(Slow) 0.002931 600 中等(Medium ) 0.01127 300

快速(Fast) 0.04689 150

極快速(Ultra-Fast) 0.1878 75

上表的參數乃計算避難性能驗證時，可依堆積可燃物的發熱量、牆壁及天花板 材料的特性而定，一般以保守考量大都採用極快速(Ultra-Fast) 火源成長曲線。因此 火源成長曲線的選用，直接影響煙層下降的速度，進而影響危險時間 ts。

貳 貳 貳

貳、 、 、 、ASD ASD ASD ASD 系統與避難開始時間 系統與避難開始時間 系統與避難開始時間 系統與避難開始時間 t

因為避難開始時間乃取決於煙層蓄積於天花板下方，造成火警警報設備動作之 時間，因此現行的方法是採取增設機械或自然排煙的方法，來延緩煙層下降的速度，

以爭取更長的危險時間 t_s。通常開始的避難行為取決於居室人員目擊火災現象(煙、

火焰等)或被告知(火警或廣播)而開始避難，而大部份的避難情況屬於後者。假使某 居室內(不一定是起火居室)人員沒有目擊明顯的火災現象或也沒有被告知要開始避 難，則避難的行為就不會發生。這隱含著極早期火災偵測單元感測到環境異常時所 產生的警示訊息，經辨識後確認為誤報(false alarm)、亦或是極早期的燃燒行被確 認且被排除(包括移除燃燒三要素或手動撲滅)情況下，都不會發展或產生避難的需 求。

重新仔細審視火源成長圖 7-2，這是一個忽略早期火源成長階段 t₀的近似趨勢 曲線，Natori [28]提出若以熱釋放率(HRR)代表火源用在防火性能設計時，則不能忽 略「早期火源成長階段 t₀」，如圖 7-3 所示。

圖 7-3 熱釋放率與近似曲線圖 (Natori, 2006)

從前面的章節裡明白，與傳統局限型煙霧探測器比較，ASD 系統俱備「主動抽 氣」與「較高靈敏度」的偵測能力，即在 t0 階段時其偵測單元便能感測到環境中的 異常。因此會有以下影響發生，

1. 比較現行因「煙層蓄積於天花板下方，才造成火警警報設備動作」的避難開始 時間 t start (公式 7-2)，在「衍生性取樣(Secondary Sampling)」下採用 Class C 靈敏度的設計情況，因一個取樣點等同於一個局限型探測器，然而 ASD 的主 動抽氣特性，在之前的性能驗證實驗中證明，在相同靈敏度情況下 ASD 能更早 偵測到火災現象，也就是能縮小避難開始時間 t start，即提早開始避難。

2. 當 ASD 系統在極早期火災 t0 階段發出警示訊息(condition warning，pre-alarm) 後，若是能由有經驗的合格人員或智慧系統進行警示訊息的辨識與確認，並進 行初期滅火，避難之開始就取決於初期滅火是否成功，若成功則不需啟動避難 機制，亦即 ASD 能縮短 t escape 至零。

叁 叁 叁

叁、 、 、 、ASD ASD ASD ASD 系統與火源成長曲線 系統與火源成長曲線 系統與火源成長曲線 系統與火源成長曲線

避難安全性能驗證時，依序先檢討居室避難安全性能、其次是樓層避難安全性 能，再考量整棟避難安全性能。由於 ASD 系統的「主動抽氣」與「較高靈敏度」的 偵測能力，對於發現火災(搭配其他火災偵測技術)的時間點將往前推，不僅能提早 開始避難，同時也較早能啟動自動滅火系統。自動滅火藥劑能對火源的成長產生抑 制、甚至撲滅的效果，例如:水系統能控制或限制火源在一定範圍內的成長。當起火 居室內的火源比以往更早被發現(經過辨識與確認)，而啟動自動滅火系統可能有以 下情勢發展

1. 起火居室內的火源因滅火藥劑而受到抑制，雖然此時「非起火」的樓層也在進 行避難，但火源已不再如預期中的快速發展，煙的產生率也降低、閃燃點也被 延遲，如此一來將可選用較緩慢的火源成長曲線來進行避難安全性能驗證，居 室因火災造成煙層下降之危險時間 t_s 也會變長。

2. 若起火居室內的火源因滅火藥劑的釋放而被撲滅，則避難的樓層範圍將不再擴 大，因而避難行動所造成的人力、物力損失將被最小化。

第八章 第八章 第八章

第八章 結論與建議 結論與建議 結論與建議 結論與建議

本計畫乃延續上一年度(99 年)內政部建築研究所之委託研究計畫「建築防火防災智 慧型技術之發展趨勢與整合」，有關研究成果的第一個建議如下[20]:

「建議一

立即可行建議—推動建立極早期火警探測與通報系統規範應用之研究 主辦機關：內政部建築研究所

協辦機關：內政部消防署

配合國內正推動智慧型產業之際，宜儘速辦理極早期火災預警通報與智慧化技術結 合相關研究，首先參考國外規範，建立極早期探測器功能測試等應用規範，提供設 計者正確的設計方法，亦可建置極早期探測器的規格標準，以利驗證、登錄、分級 等管理。其次，研究改善火災訊息辨識、提高正確警報功能的智慧化通報系統，提 出極早期探測與通報之結合機制、技術內容，以達成 『智慧化有效探測』之火災預 防功能。」

本研究工作已完成委託合約的內容，根據本研究的執行過程與驗證經驗提出以下的 結論與建議。

第一節 第一節 第一節

第一節 結論 結論 結論 結論

1. 根據 NFPA 及 EN[1-4,13]對極早期火災偵測的定義，並比較目前的火災偵測技術 後，歸納出唯有 Aspiration Smoke Detectors (簡稱 ASD)能夠達到極早期偵測的能力。

相關 ASD 的通用設計應用指南與性能測試規範草案業於第三及五章提出；驗證設計 應用指南的性能驗證實驗及結果分析於第四章有詳細說明。在性能驗證實驗中證實

「ASD 系統」比「傳統局限型偵煙探測器」更早偵測到極早期火災的現象。雖然一 般的 ASD 系統俱備較廣的靈敏度範圍，從「極高靈敏度 Class A」到「一般感度的 Class

「ASD 系統」比「傳統局限型偵煙探測器」更早偵測到極早期火災的現象。雖然一 般的 ASD 系統俱備較廣的靈敏度範圍，從「極高靈敏度 Class A」到「一般感度的 Class