緒論

第一章 緒論

第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景

於蔡銘儒、謝煒東(2006)「建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間 研究」中，進行了兩因子(木堆分佈狀況、木堆堆疊密度)三水準，共計九種實驗 條件，每種條件下進行10 次重複試驗，合計 90 次的木堆燃燒試驗，結果顯示 單一木堆燃燒速度與熱釋放率最高，在相同火載量下，木堆分散時，燃燒速度 會減緩，且熱釋放率會降低。在相同火載量下，木堆數目變多時，燃燒速度也 會減緩，經分析燃燒速度基本上與可燃物密度呈現線性的關係，即火災成長速 率與可燃物密度成正比。此外，實驗結果也歸納出在假設火災符合常態分配模 式，並假設計算所得之火災持續時間之信賴區間為+2σ(標準差)，經實驗統計結 果仍有將近0.4σ 的機率大於計算時間值，建議取+3σ 可確保安全範圍。

火災成長主要分為三個階段，初期為火災引燃時期，一般被動消防設備均 在此階段偵測並做動，火災若無法於此階段撲滅，則會進入成長期，此時熱、

煙與火勢均會快速成長，人員與重要物品需盡量於此階段前撤出，否則極為容 易造成生命與財產之損失。當火勢持續擴大，火災有可能進入閃燃階段，或者 直接到旺盛期，此時人員生存機會微小火勢要撲滅的困難度與財產的損失將達 極致。

蔡銘儒、謝煒東(2006)火災持續時間研究，主要針對火災由開始、成長乃至 旺盛期，整個火災歷程的長短做研究，主要應用於火災強度與結構耐火評估上。

本計畫主要延續蔡銘儒、謝煒東(2006)研究內容，由其研究結果得知，單一木堆 燃燒速度與熱釋放率最高，在相同火載量下，木堆分散時，燃燒速度會減緩，

且熱釋放率會降低。

由於該研究限於 ISO9705 標準房間試驗裝置所能容許之燃載量需小於 1MW，與實際火災之仿真度較差，因此本研究將利用 10MW 燃燒產物分析器來 進行較大尺度的燃燒模擬。研究重點著重於火災成長之影響因數探討，如通風、

空間與環境，探討其對火災成長之影響，透過實驗設計方法，加以探討一些影 響火災成長因素之重要性。

第 二 節 研 究 目 的

今年研究將著眼於火災前期由引燃至成長末端這一個區間，探討火災成長 因素之影響性。本年度研究結果將可提供影響火災成長之因素分析，瞭解哪些 因素會在建築居室空間中發生火災時造成火災危害性最高，進而在滅火或者其 他防火考量上，可以給予這些因素較大的考量權重。

本研究利用建置於防火實驗室的 10MW 大尺度燃燒分析裝置、ISO 9705 房間量熱儀及可調整天花板高度之單一房間火災模式驗證實驗屋，進行實尺寸 物件或結構體於開放空間或不同房間高度和不同開口率環境中燃燒過程之引燃 特性、熱釋放率、可燃物質量損失率、有效發熱量、發煙等火災特性之量測分 析，並選用木框架及沙發，經由實際量測分析實驗，來建立不同火載量試體的 實尺寸火災特性資料庫，進一步可提供各式建築防火及性能式設計中火載量所 需的基本實尺寸火災特性資料，並提供國內建築防火性能法規推動之檢測驗證 之工具。

第 三 節 火 災 成 長 影 響 因 素 文 獻 探 討

3-1 火災成長歷程介紹

一般火災成長的歷程，如圖 1 所示，依據火場溫度之成長，可分成五個時 期，分別是起火期、成長期、閃燃、全盛期，最後為衰退期。火災自「火源」

開始，通常必須經由「第一著火物」，甚至「第二者火物」之著火、燃燒、火 焰傳播，始能成災。一般而言起火的原因與起火位置並無關係，而起火與材料 則有下列四項因素相關：(1)材料之受熱裂解的溫度與速率；(2)包括有引燃溫 度、發火溫度及引燃所須之最低氧氣量等之引燃難易性；(3)材料曝露面大小；

及(4)可燃物量。火災的起火期，從火源著火開始，此時可燃物被局部引燃，慢 慢延燒，因此初期溫度成長速度緩慢，一旦可燃物被引燃著火形成局部之強烈 火焰，其可藉輻射、對流、傳導等熱傳方式使整個房間的溫度上昇，如此更將 加速其他部份的材料焦化裂解助長燃燒，待可燃物從一點燃燒逐漸成長至局部 燃燒時，火勢與火場溫度開始成長，進入成長期，此時燃燒逐漸由起火點向外 延伸且逐漸擴大，形成火焰延燒的現象。

第一章 緒論

圖 1、火災成長歷程

延燒現象所產生的熱量與因受熱分解所產生之可燃性氣體於火場內累積，

一旦該氣體與空氣之混合氣體濃度到達燃燒界限時，且溫度已達多數材料之引 燃點或以上，則會產生瞬間爆發使整個室內頓時陷入火海之中，一般是以天花 板下10cm 約 600℃或地板之熱輻射量達 20 kW 時當成閃燃界限，此時即使局部 燃燒瞬間擴大至整體燃燒。此階段是否會產生，與材料之著火性、表面燃燒性、

曝露面大小、可燃物量以及空間大小、火載量等相關。由於閃燃發生後會使溫 度急速上昇、濃煙及炙熱氣體量激增、壓力變化等現象，此時人仍在室內則難 以存活，所以所有人員應在閃燃發生之前逃避至安全之處。基於此點，在建築 物火災避難計畫中決定避難容許時間的目標上，閃燃點具有極重要意義。因此，

即便能使到達閃燃時間延長1 秒鐘的措施也可謂重要。

自閃燃發生之後，火勢旺盛、溫度持續在高溫領域的時間，稱為全盛期或 穩定期，此期與室內全體可燃物之發熱量有密切關係。表面燃燒性在此階段已 無意義，因為火勢已擴及全部可燃表面。此階段火勢的強度決定在可燃物量與

空氣之供給量而定，隨可燃物量與空氣之空給量比值之變化，可以分成通風控 制與燃料控制兩種燃燒狀況。另外，此階段之發煙性及燃燒氣體生成量亦須加 以注意。

最後一個階段：火災的擴大或衰退(Fire propagation or decay)火災擴大至其 他結構體的階段(若無防火區劃將火災限制在其內)。或者另一方面，獨立住宅或 一密閉房間內之火災一旦到達全盛期的末期，即可看到室內火勢趨弱(主要是區 劃內可燃物或空氣逐漸消耗殆盡，不再能夠維持燃燒)，此稱衰退期(後期)。火 災一旦發展至此時期，室內溫度開始呈直線般下降，地板上呈現殘餘物燃燒狀 態，一直至滅熄為止。

3-2 通風(Ventilation)因素

火是一種燃燒行為，它必須要有三個要素同時存在才能持續下去，這三個 要素分別為：空氣、燃料(或稱可燃物)、引火源(或以溫度表之)。而空氣之供給 量，便由通風所決定，因此通風在火場中是極為重要的因素之一。依據通風量 與可燃物之間的關係，一般可分成兩種狀況：「燃料控制」(Fuel control)以及「通 風控制」(Ventilation control)。當通風環境相當良好時，火場中的可燃物被引燃 後可以有足夠的空氣供應燃燒，因此其可釋放出所隱含的化學能，達到較大的 熱釋放率。而當通風環境較差時，火場中的可燃物燃燒情形會受限於供給的氧 氣量，因此熱釋放率隨供氧量之多寡而會有所變化。

彭伟等人(2006)研究了空隙因數對木垛燃燒產物中 CO 濃度的影響,提出了 一種通過燃燒產物中 CO 的濃度來判別木堆從通風控制燃燒轉變為燃料控制燃 燒的臨界狀態的新方法，傳統的方法都是基於對燃燒失重速率的分析；通過試 驗，對採用這兩種方法所得到的結果進行了比較，表明兩種方法的結果基本一 致。

唐雲明(2001)以固定牆壁屬性，於四種開口通風值下模擬結果表示，開口越 大造成燃燒生成熱之封流損失越大，此種燃燒型態為燃料控制，其隨著開口通 風越大，區劃空間之熱損失越高，宋虎等人(2001)認為影響閃燃的因素包括通風 條件、房間尺度、火源參數、壁面材料、可燃物種類等等，由其研究對開口寬 度與高度的影響分析結果指出，開口越寬，則釋熱速率越高、熱煙氣溫度越低，

這是因為，開口越寬，開口處的對流熱損越大，從而延長了閃燃發生的時間，

降低了閃燃發生的可能性；此外，開口越高，則釋熱率越高，熱煙氣溫度則越

第一章 緒論

低，達到閃燃的時間究越長；當開口面積固定時(豎直方向或者水平方向之一為 腔室的內邊長)，豎直開口比水平開口需要更大的火源釋熱速率，因為在水平開 口的情形下，上緣的存在增加了熱煙氣的下降時間，而下緣的存在又使得新鮮 空氣無法很快得到補充，使得熱煙氣在腔室內部迅速聚積，縮短了熱反饋的形 成時間，從而容易達到閃燃。

3-3 空間因素

閃燃是火勢成長中最為激烈之一種物理現象，對閃燃研究在早期也只能以 實驗為主，因為如此複雜動態過程，理論分析不是很難就是根本不可能，直至 1980 年代英國Thomas 始以理論分析閃燃機制。閃燃實驗方面，於1950 年代起 日本對區劃空間閃燃相關性影響開始從事實驗觀察，隨後歐美國家也陸續實施 實體實驗探討;在1960 年代為決定建築物火災影響之主要參數，就進行多次火 災實驗，由 CIB(International Council for Building) 主持該項計劃，計畫中分別 以世界各地之九個研究實驗室來共同參與(分別在日本、荷蘭、澳大利亞、美國 之FM 與NBS研究機構、英國、德國、加拿大與瑞典)，其中重點擺在8 個重要 變數，這些變數分別為(1)區劃空間幾何形狀(2)起火源位置、(3)燃料堆積高度、

(4)開口尺寸、(5)燃料堆間距、(6)燃料分布性、(7)天花板與牆壁之壁裝杖質、(8) 起火源之面積。在這些實驗依次以8 個變數不同組合而逐次火災實驗，共實行2 的8 次方=256 次，並由9 個實驗中心分配進行。

上述實驗結果使用多元迴歸作分述，成果如以下結論：

(a)在小區劃空間內幾何形狀對閃燃發生沒有顯著影響

(b)在開口尺寸與燃料連續性對閃燃有輕微影響。但開口尺寸隨著實驗室之條件

(b)在開口尺寸與燃料連續性對閃燃有輕微影響。但開口尺寸隨著實驗室之條件