第二章 文獻探討
第二節 火載量研究
5. 火載量試驗之引燃源
A、傢俱實驗引火源條件
火載量實驗主要針對可燃物的燃燒行為而進行危險程度的評估，並 非探討傢俱的引燃特性，因此引燃條件的選擇盡可能避免影響傢俱 的燃燒行為。
歐盟防火協會組織【16】針對引燃條件(熱釋放值大小、引燃位 置、時間等)的選定有一定準則：
1. Ignition capacity(引燃熱釋放值)：引火器的熱釋放值必須超過傢 俱的最小引火能量，可參考現存的資料或引燃的實驗測試。
2. Validity(正當性、合理性)：引燃源的熱釋放值不能選擇發熱量 過大的引燃源，否則不能呈現此物體於真實火災情境下之燃燒 反應。
3. Repeatability, reproducibility 和 robustness(再現性、穩定性)：相 同引燃條件(熱釋放值大小、引燃位置、時間等)，其實驗的再現 性或重覆性要在一定水準以上，且些微的改變(試驗誤差)並不會 影響其試驗結果。
4. Independence of hazard analysis：引火源盡可能不影響傢俱的火 災危險評估。
引燃源之加熱強度雖有原則性之規範，但真實火場之引火源範 圍廣泛，加熱強度、位置、差異甚大，以一種加熱強度、時間、
位置進行實驗之火載量資訊與另ㄧ引燃源之實驗結果是否相 同？又單一實驗之火載量結果是否適用於不同起火狀況之火災 風險評估？為此歐盟防火協會組織【16】進一步針對不同引燃 條件進行火載量分析：
z 加熱強度(The intensity of ignition source)：由圖 2-2 可得知在相同 加熱時間(120 秒)不同加熱強度(30kW、40kW)對其火載量(積分面 積)影響不大，可見不同強度對於火載量並不會有明顯的差異。
圖 2-2、不同引燃強度對火載量之影響
z 加熱位置(The position of ignition source)：
位於正下方其燃燒時間減短，但引燃位置對火載量影響並不大。
圖 2-3、不同引燃位置對火載量之影響
z 加熱時間(The heating time of ignition source)：
由圖 2-4 之實驗可見，BR2、BR3 以 30kW 分別加強 120 秒及 180 秒引燃時間對火載量影響並不大。
圖 2-4、不同引燃時間對火載量之影響
B、引燃源強度
火載量試驗之引燃源需與實際可能起火條件接近，先前有研究 使用摺疊的報紙及裝滿可燃物的廢紙簍(聚乙烯的廢紙簍裝滿牛奶 盒)作為引燃源，由於此方式在計算及構造極為麻煩且不穩定，故現 在已不再使用此引燃方式。現今引燃方式一般所採用：(1)氣體燃燒 器(2)木框架引燃。
(1)氣體燃燒器【15】
氣體燃燒器因易控制並可產生穩定之火源，為一般所採用方 法，為模擬ㄧ般房屋發生火災之情境，其熱釋放率比照廢紙簍，其 構造亦模擬廢紙簍，長、寬、高各為0.25m、1.80m 和 2.5m，裝於 一耐燃結構上，並放置在天平上。火焰頂部至底部高度約1.6m，火 焰核心至底部高度約1.15m。實驗結果如圖 2-5，平均加熱強度為 50kW 及時間 200 秒，試驗時，燃燒器必須於 200 秒後關閉且移開，
避免干擾數據的準確性。
圖 2-5、引燃器與廢紙簍熱釋放率比較圖
(2)木框架引燃【15】
此引燃方式是根據British Standard BS 5852： Part 2：1982, crib ignition source no. 7.【15】，木框架引燃試驗須注意以下幾點：
z 以乾松針當木框架的原料，最大含水率不超過13%。
z Polyvinyl acetate(PVAc)或其他適當黏著劑將棉花與木頭固定之。
先排列內部小尺寸的木框架，再依序將木頭堆上，木頭以平行的方 式對稱排列如圖2-6。
圖 2-6、木框架示意圖
6. 傢俱火載量資料收集
目前許多防火先進國家已針對火載量部分進行調查研究，火載量 為一個相當重要的火災行為參數。當我們在進行建築物的防火設計而 預估火災行為時，必須輸入火載量之資料。
但由於實尺寸試驗所需昂貴，且傢俱範圍甚廣，我們無法針對每 一種傢俱進行全尺寸試驗，有鑒於此，我們蒐集國內外常見可動物之
火載量資料【16】【17】，並與國內常見物品使用狀況比對，了解國 內外之差異，進而建立火載量資料庫以供參考(附錄一P.52)。此外並 蒐集相關可燃物原料之燃燒熱以便粗估可動物之火載量(附錄二P.105)
【24】。
第三節 閃燃定義研究
1.火災成長過程及閃燃
一般火災成長之過程大致可分為五個階段（圖2-7），從一開始火 源著火之「起火期」、火焰延燒之「成長期」、局部燃燒瞬間擴大成全 面燃燒之「閃燃」階段、火勢全面燃燒之「全盛期」及嚴重燒損到熄 火之「衰退期」。
圖 2-7、火災成長過程示意圖
(1)起火期（initial fire）
造成起火之原因很多，通常有香煙、火柴引起之失火，或因電 氣器具過熱，與來自鄰接構造物的延燒...等火源。而火災自「火源」
開始，通常必須經由「第一著火物」，甚至「第二著火物」之著火、
燃燒、火焰傳播，始能成災（即「起火」確定）。
(2)成長期（fire growth）
一 旦 材 料 被 引 燃 著 火 形 成 局 部 之 火 焰 ， 其 可 藉 傳 導
（conduction）、對流（convention）、輻射（radiation）等熱傳方式加 熱其它可燃物並使整個房間的溫度上昇，如此更將加速火災居室內 其它可燃物焦化裂解助長燃燒並形成延燒(flame spread)，此階段稱 為成長期。
(3)閃燃（flashover）
隨著煙層的溫度增加，此時對其它可燃物的加熱方式會由最初的 對流效應轉變由輻射效應所主導【22】。因火勢持續成長，火焰會逐 漸增大且煙層高度逐漸降低之中，並增加向下的輻射熱強度，而增 加的輻射熱不只增加已燃可燃物的燃燒速度，相對的也會增加其它 未燃物熱裂解可燃蒸氣產生。當大量可燃性蒸氣與空氣混合至燃燒 界限之中，且溫度已達多數可燃物著火點以上時，火勢迅速從局部 性燃燒轉變成全面性燃燒狀態時，此種情形稱為閃燃(flashover)，而 這短暫轉變過程稱閃燃期。
(4)全盛期（fully developed fire）
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 全盛期或穩定燃燒期（steady state combustion），此期與室內全體可 燃物之發熱量有密切關係。室內各可燃物品全面起火燃燒，燃燒速 度急增，釋放大量熱能。
(5)衰退期/火焰延燒（fire decay/propagation）
當可燃物逐漸燃燒殆盡，室內火勢即逐漸轉弱，此即進入衰減 期，火勢變小，溫度逐漸降低，最後至完全熄滅為止；或者，為火 災擴大至其它樓層、房間之階段。
2.閃燃定義
上述火災成長之五階段當中，其中閃燃發生是大家最關注的階 段，閃燃時，火場由局部燃燒瞬間擴大到全體燃燒；此外，火災初 期由燃料控制(fuel control)火災轉換成通風控制(ventilation
control)，因此為火災成長過程中最危險的現象，圖 2-8 為閃燃發生 示意圖。
圖 2-8、閃燃發生示意圖
(a)可燃物及通風充足之侷限空間內，火源建立並持續燃燒
可 燃 物 蒸 氣
可 燃 物 蒸 氣
(c)火源逐漸擴大，可燃物蒸氣量逐漸增加
(d)當可燃物蒸氣與空氣混合濃度達可燃下陷之上，且多數材料 以達著火點之上，火勢由局部燃燒瞬間轉變為全面燃燒之過程即為 閃燃
另外，Kennedy【19】對局限空間火災成長提出無因次關係式曲 線圖，表示火場物理特徵。圖 2-9 中橫軸為火災成長時期(成長→閃 燃→全盛期→衰減期)，縱軸為火場物理性質，隨著火災成長其相關 性質亦因此改變。
圖 2-9、閃燃前後火場物理特徵變化
曲線A 表示火場中相關物理性質隨著閃燃發生而增加，舉例如下：
●上層平均溫度與房間溫度 ● 地板輻射熱通量
● 一氧化碳(CO)與其他毒性氣體濃度 ● 煙層厚度
● 輻射加熱效應/對流加熱效應 ● 總熱釋放率
● 火災成長速率
反之，曲線B 為火場中相關物理性質隨者閃燃發生而減少或降低，
如下：
● 氧氣(O2)濃度 ● 對流加熱效應/輻射加熱效 應
● 能見度 ● 中性面(neutral plane) 2.1 溫度與熱通量
因閃燃現象甚被重視，已經有許多研究利用全尺寸試驗和模擬來 研究閃燃發生的條件，例如針對不同的空間大小、幾何形狀、面積、
通風條件、材料特性和厚度等，這些因子皆與閃燃發生有直接的關 係。以下為各學者針對閃燃之研究結論【20】：
(1) Hägglund et al.(1974)：由實驗觀察得閃燃時火焰於門口竄出，在 天花板下方約10mm 處氣體溫度可達 600℃。
(2) Babrauskas(1977)：應用連續的床墊燃燒實驗。在測試的 10 組床
墊當中有兩組發生閃燃。氣體溫度超過 600℃，所觀察到發生閃 燃的溫度接近600℃。
(3) Frag(1975)：進行 NBS(National Bureau Standards)全尺寸實驗，
房間上層平均溫度範圍從450-650℃，並提供相當程度的輻射 熱，足夠引燃在地板上的皺報紙。在上層溫度達可引燃報紙時 的溫度約在540±40℃，值得注意的是在此指的平均溫度包含房 間下半部溫度。在天花板25mm 處所測得的溫度通常超過 600℃。
(4) Babrauskas(1979)：利用沙發椅來進行實驗，發生閃燃時的最大 溫度超過800℃。在未達閃燃的沙發椅實驗中，溫度都在 600℃
以下。
(5) Fang and Breese(1980)：藉由居室房間全尺寸實驗，並以報紙被 引燃作為閃燃發生的指標，觀察到房間發生閃燃時天花板上層 溫度的範圍為706±92℃。
(6) Quintiere and McCaffrey(1980,1977)：研究木頭與塑膠在房間內 部燃燒的情形。從實驗中所獲得的數據分成兩組，具有較低溫 度的火焰(天花板下方氣體溫度低於 450℃)及具較高溫度的火焰 (天花板下方氣體溫度皆高於 600℃)。
(7) Thomas(1981)：發展出半經驗計算法(semi-empirical)來計算房間 內達閃燃時的熱釋放率。利用可達閃燃條件的房間中研究壁裝 材料及熱回饋至燃燒物件的情形。觀察得到，當木頭燃料表面 至週遭環境溫度上升至520℃即黑體輻射在 22kW/m2即達閃燃。
(8) Parker and Lee(1974)：以纖維素燃料做為閃燃標準，建議當地板 輻射熱通量達20 kW/m2時，可以引燃房間低層部分的纖維素燃 料。
(9) Budnick and Klein(1979)：發現當閃燃發生時，在地板中心所測
得的最小輻射熱通量為15 kW/m2。
(10) Lee and Breese(1979)：在全尺寸實驗中，得到達閃燃時地板的平 均輻射熱通量為17-30 kW/m2。
(11) Fang and Bresses(1980)：發現以報紙做為燃料引燃至發生閃燃的 時間與在房間地板中心處達輻射熱通量為20 kW/m2的時間相當 吻合。
(12) Quintiere and McCaffrey(1980)：指出地板輻射熱通量達 20 kW/m2為達閃燃的標準。在點燃濾紙(filter paper)的實驗當中，
發生閃燃時，時間大約在200 秒左右，且所觀察到的最小輻射 熱通量為17.7 kW /m2。在實驗室條件下觀察所得，用輻射熱加 熱於相同的物件，濾紙約在120 秒，25 kW /m2狀態下迅速變黑。
另外相同條件，地板輻射熱通量為15 kW /m2的會熱裂解不完全 變成咖啡色。
(13) M.Spearpoint et.al(1999)利用全尺寸 5.2m×4.6m×2.4m(高)房間實 驗，開口大小0.9m×2.0m(高)，房間內部佈滿傢俱來進行閃燃時 驗，並使用三種zone-model 及一種 field-model 進行電腦模擬。
以沙發上的枕頭作為引燃源，實驗過程中紀錄火焰高度、上層
以沙發上的枕頭作為引燃源，實驗過程中紀錄火焰高度、上層