實驗規劃

第三章實驗計畫

第三節實驗規劃

經由文獻回顧所整理之表 2-1，為本研究因子設計參考基礎，在如此多因子、

有限時間內及專家學者建議，實驗因子擇定說明如下。

由於本研究在水霧噴頭固定採用本所新型專利水霧幕噴頭裝置，因此在噴頭特性上以噴水壓力為主要控制因子，而噴水壓力影響水霧動量、噴撒密度及粒徑，亦即此四項因子具有交互作用，但不在本研究範圍，在子噴頭以五個子噴頭，

隨著噴頭設置位置考量裝置於母座本體之底面或側面。

噴頭以設置於天花板下方固定高度為主，設置位置以天花板四等分中央，噴撒角度不作為探討因子。噴撒方式以持續及間歇方式，噴撒時間以滅火效能考量，不作有效水量控制及添加劑。

空間條件方面以固定空間面積為 6 m 長×6 m 寬，天花板高度以考量消防管

列天花板高度不低於 2.5 m，但為配合「探測器與撒水頭作動與設置位置關係之探討」研究，將天花板高度固定 2.4 m，在密閉性方面則與通風條件一併考量。

通風狀態方面參考陳俊勳[9]所提出之建議未來可增加在不同通風狀態下的滅火效能評估，利用不同的通風條件，如強制通風（通風口打開，並使用風扇強制對流），採正壓通風(PPV)，在房間南側門為固定開口，正壓通風由此一開口進行自然與不同強制通風量，並由南側牆之窗設為可開閉式，開口設在同一側主要以煙氣可由 10 MW 系統所收集量測熱釋放率，同時在 Stephen 等人[1,4,5]進行一系列經裝修的房間火災試驗亦為同一側，所以正壓通風(PPV) 在正壓通風下可將火災室之煙氣等排出為目的，南側牆之窗設為可開閉式可探討在雙開口之通風特性對水霧滅火之影響性，本研究不作排煙控制探討。

火源狀態方面，以 A 類火災為主，不同類型火災滅火效能之探討在後續研究再行考量，以 CNS 1378 滅火器第 1 模型之木框架作為火源，位置固定於房間中央。圖 3-8 為噴頭、火源、空間、通風及熱電偶樹實驗規劃配置。

TC2

SP6 SP7

SP8

TC1 SP9

TC3 TC4 TC5

TC6 TC10

TC7 TC8 TC9

nozzle

Thermocouple tree

可開式窗 TC11

6 0 0

600 2 0 0

TC11 TC13

TC12

@10cm

@50cm

40cm

北

圖 3-8 實驗規劃配置

確定因子後進行實驗設計，首先進行在單一開口條件下，在無滅火情形下火源燃燒空間內溫度變化情況，再依不同噴射壓力下之水霧粒徑、噴射水量，擇取兩種不同噴水壓力進行滅火試驗，再由此兩種噴水壓力之滅火效能擇取較適當之噴水壓力作為後續實驗。以下為單一開口房間水霧滅火試驗之規畫。

TC2

SP6 SP7

SP8

TC1 SP9

TC3 TC4 TC5

TC6 TC10

TC7 TC8 TC9

nozzle Thermocouple tree

可開式窗 TC11

6 0 0

600 TC11 TC13

TC12

@10cm

@50cm

40cm

北

圖 3-9 單一開口房間水霧滅火試驗

圖 3-9 為配置條件，滅火試驗程序如下：

第一階段：單一開口房間滅火試驗滅火試驗一：

1. 木框架 144 支(6 支/層)以酒精膏引燃。

2. 試驗至火源熄滅。

3. 量取燃燒時間與房間溫度分佈情形。

滅火試驗二：

1. 木框架 144 支(6 支/層)以酒精膏引燃。

2. 在 TC6~9 天花板下 10 ㎝之測點溫度任一點達 100 ℃時啟動水霧系統 60 kg/

㎡。

3. 試驗至火源熄滅。

4. 量取熄滅時間與房間溫度分佈情形。

滅火試驗三：

1. 木框架 144 支(6 支/層)以酒精膏引燃。

2. 在 TC6~9 天花板下 10 ㎝之測點溫度任一點達 100℃時啟動水霧系統 80 kg/

㎡。

3. 試驗至火源熄滅。

4. 量取熄滅時間與房間溫度分佈情形。

水霧系統啟度時機係依據林大惠[35]以火源在四個撒水頭等距(四個撒水頭中央)，進行實驗，撒水頭動作時最接近撒水頭的熱電偶溫度，溫度範圍大致在 90~100℃之間(如表 3-1)。各撒水頭驅動溫度於撒水頭管路充高壓氣之平均分別為 S

¹

：99.7 ℃、S

²

：95.2 ℃、S

³

：101.0 ℃、S

⁴

：100.1 ℃，撒水頭驅動溫度總平均溫度為 99.0 ℃。各撒水頭驅動溫度於撒水頭管路充高壓水之平均 103.3。在張岱軒[36]所作熱電偶靈敏度測試，以 CNS 5534 所規定具有 0.75 級性能以上及直徑 0.65 ㎜之 K 型熱電偶線。將其熱接點銀銲在厚度 0.2 ㎜面積約 4 ㎝

²

銅面，與熱電偶接點 0.05 ㎜進行比對，比對結果前者低於後者約 30~40

℃。由此，林大惠[35]所得撒水頭動作氣流溫度在 130~140 ℃之間，依密閉式撒水頭認可基準 [ 3 7 ] 之感度-熱氣流感應試驗，標示溫度未滿 75 ℃，感度種類第一種，試驗條件氣流溫度為 135 ℃。由上所述本研究所使用熱電偶因考量實驗高溫因素，以林大惠[35]研究相同之熱電偶，將啟動溫度設定在 100 ℃ 以利控制系統啟動時間。

第二階段：雙開口正壓通風房間滅火試驗

第二階段實驗本研究採用田口實驗計劃法，以 2 因子 3 個水準為主(如表 3-2)，採雙開口如圖 3-8，為能同時兼顧可計行全因子探討，本研究擇取 L

⁹

⁴

) 直交表，即進行 9 組實驗(如表 3-3)，第 1 個因子為固定噴射水壓變化子噴頭噴角，噴射水壓依第 1 階段結果而定，子噴頭噴角如圖 3-10，在第 1 階段實驗以 40°角噴量 43(以噴射水壓 80 kg/㎡為例，查其噴量為 7.06 l/min)子噴頭進行實驗，由原廠產品以噴角與噴量區分，為探究噴角對滅火效能之影響，擇取噴角 30°、40°及 65°，其噴量皆為 43(在相同噴射水壓下具相同噴量)，第 2 因子為正壓通風為運轉頻率 0 Hz、30 Hz 及 60 Hz，第 3 及第 4 因子因受第 1 與第 2 因子交互作用影，不作因子配置。

圖 3-10 子噴頭噴射情形[40]

表 3-1 撒水頭實場動作溫度與時間 100kW 丙烷(LPG)燃燒器，撒水頭管路充高壓氣編號燃燒器位置被驅動撒

水頭

4

99 102.9

10/04/2006

油盤，D=40 ㎝，Qave=176.5~165.9kW，92 無鉛汽油，撒水頭管路充高壓氣 S

1

116 98.4

₂

116 100.1 S

3

130 111.1 OIL-M

1

-A M

1

4

138 100.8

10/12/2006

油盤，D=40 ㎝，Qave=176.5~165.9kW，92 無鉛汽油，撒水頭管路充高壓水 S

1

108 99.1

2

--S

3

101 104.7 OIL-M

₁

-W M

₁

4

101 106.0

10/16/2006

(本研究由文獻[35] 整理)

表 3-2 實驗控制因子及水準表

因子

Level

A 子噴頭噴角

（°）

B PPV (Hz)

C D

1 30 0 --

--2 40 30 --

--3 65 60 --

--表 3-3 直交--表 L

⁹

⁴

)各組實驗之因子與水準配置

Exp. A B C D

1 1 1 1 1

2 1 2 2 2

3 1 3 3 3

4 2 1 2 3

5 2 2 3 1

6 2 3 1 2

7 3 1 3 2

8 3 2 1 3

9 3 3 2 1

第四章實驗結果與分析

為了對後續實驗有更完整的參考與分析依據，本研究在進行主要實驗之前，依據後續實尺度研究主要動態因子正壓通風與水霧噴頭，先行量測在不同風量所產生之風場，以及噴頭在不同供應水壓之噴霧特性進行試驗，作為後續研究參考依據。

第一節正壓通風風機特性量測

本研究使用產生正壓通風風機為一般市售大型風機，尺寸為 116 ㎝ × 116

㎝ × 42 ㎝，六片扇葉，葉片構成直徑 42”(107 ㎝)，馬達為 3/4 HP 最大轉速 540 rpm，為瞭解風機吸引風量，乃由風機(圖 4-1)吸引側中心軸向兩側半徑 0.25r、0.5r、0.7r 及 0.85r 處量測吸引風量，以變頻器調整馬達供電頻率，量測測點吸引風速結果如圖 4-2 所示，量測結果顯示中心偏右吸引風速最低，主要是受風機馬達接線盒之影響，而中心吸引風速則受風扇馬達影響，取其平均風速以計算風機供應風量如圖 4-3，此風機最大供應風量約為 24000 m

³

/h。

0.25r 0.25r 0.5r

0.7r ^0.15r ^0.15r

風向

E-1

圖 4-1 風機吸引風量測點

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

位置(cm)

風速(m/s)

10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz

圖 4-2 風機吸引風速量測結果

y = 409.59x R ² = 0.9641

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

0 10 20 30 40 50 60 70

Hz

Q(m

3

/h)

圖 4-3 風機吸引風量

本研究房間空間大小為 6 m × 6 m，設有一門開口大小為 0.8 m 寬 × 2 m 高。據此，為使正壓通風可含蓋此一門開口，而風量可及房間內側；因此，以開口高 2 m 為範圍，風量影響距離至少須達房間深 6 m，規劃於開放空間進行量測，

量測範圍如圖 4-4。

風向

E-1

2m 3m 5m

r r r r

圖 4-4 正壓通風影響範圍測點

正壓通風影響範圍測試，以馬達運轉頻率 10 Hz、30 Hz 及 60 Hz 進行，量測結果如圖 4-5 至圖 4-7，在運轉頻率 10 Hz 部分，其正壓風影響寬度約 1 m，

影響距離約 6 m，運轉頻率 30 Hz 及 60 Hz，其正壓風影響寬度可達 2 m，影響距離可達 10 m，在 30 Hz 時距離風機 2 m 處風速達 2.7 m/s、3 m 處達 1.4 m/s，

-1 -0.5 0 0.5 1

圖 4-7 風機供應頻率 60 Hz 風速分佈

第二節開放空間正壓通風結合水霧滅火實驗

在進行房間滅火效能實驗前，為瞭解火源側面受風壓結合水霧，被火源捲吸情況加以探討，基於方便觀察採於開放空間下進行實驗，實驗情境參考 CNS 1387 滅火器 A 類火災滅火效能值測定之第一模型施行試驗，但引燃第一模型之杉木木框架方式由汽油改以酒精膏，木框架之木材經過 105 ℃烘箱烘乾 24 小時，水霧及風機設與木框架距離 3 m 測向水平施壓(如圖 4-8)，主要模擬由實驗房間門口施加正壓通風時，風向為水平側向影響火源，而且風機送風情形在距風機 5 m 處會產生旋風，故以此距離除以較大正壓風對木框架之影響外，並將此旋風能將較多水霧量送至木框架另一側，水霧部分亦為水平側向，係擬觀察當水霧噴頭非於火源上方時，水霧氣與正壓風力對火源之影響，實驗時依 CNS 1387 滅火動作規定，於木框架點火三分鐘後開始啟動水霧及風機至火源熄滅止。

E- 1

300cm

圖 4-8 風機、水霧噴頭與火源關係示意圖

實驗之側向正壓通風與水霧組合條件，實驗結果顯示在高風量與高壓水霧量下，有較多水霧滲入木框架中，由圖 4-9 顯示在較大風量與水壓水霧量或較大水壓水霧量下，對於火源略有抑制性，單以較低水壓水霧量(40 kg/cm

²

)則顯示對於火源並無抑制效果。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720

time(sec)

HRR(MW)

V0W40 V0W60 V0W100 V30W60 V60W60 V60W100 V0W0

圖 4-9 不同正壓通風與水霧量下火源燃燒熱釋放率

在固定水霧噴射壓力 60 kg/cm 變化正壓通風滅火試驗結果如圖 4-10，表 4-1 為試驗火源燃燒過程，圖 4-10 顯示在啟動水霧噴射壓力 60 kg/cm

²

略有抑制燃燒效果，並縮短燃燒時間，在有正壓通風情況下，其燃燒熱釋放率高於無正壓通風，但燃燒時間相對更加縮短。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720

time(sec)

HRR(MW)

V0W60 V30W60 V60W60 V0W0

圖 4-10 水霧噴射壓力 60 kg/cm

²

變化正壓通風之火源燃燒情形

表 4-1 水霧噴射壓力 60 kg/cm

²

變化正壓通風火源燃燒過程時間 V0W60 V30W60 V60W60

3’

3’30”

4’

5’

6’

7’

8’

9’

10’

end

²

變化正壓通風火源燃燒過程

表 4-2 水霧噴射壓力 100 kg/cm

²

變化正壓通風火源燃燒過程

在文檔中正壓通風結合水霧滅火之可行性研究 (頁 45-0)

第三章 實驗計畫

第三節 實驗規劃

TC2

SP6 SP7

SP8

TC1 SP9

TC3 TC4 TC5

TC6 TC10

TC7 TC8 TC9

nozzle

Thermocouple tree

可開式窗 TC11

6 0 0

600

2 0 0

TC11 TC13

TC12

@10cm

@50cm

40cm

北

TC2

SP6 SP7

SP8

TC1 SP9

TC3 TC4 TC5

TC6 TC10

TC7 TC8 TC9

nozzle Thermocouple tree

可開式窗 TC11

6 0 0

600

TC11 TC13

TC12

@10cm

@50cm

40cm

北

1

2

3

4

2

9

4

1

2

3

1

1

4

1

2

3

1

1

4

1

2

3

1

1

4

1

2

3

1

1

4

1

2

3

1

1

4

1

2

3

1

第三章實驗計畫

第三節實驗規劃

¹

²

³

⁴

²

⁹

⁴

₂

₃

₃

₂

₃

₂

₁

₁

⁹

⁴

第四章實驗結果與分析

第一節正壓通風風機特性量測

³

0.7r ^0.15r ^0.15r

y = 409.59x R ² = 0.9641

第二節開放空間正壓通風結合水霧滅火實驗

²

²

²

²

²

²

²