第二章 文獻探討
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 氣體溫度與溫層介面高度，並與模擬軟體比較分析。當裝置在 房間內部天花板上方的熱電偶樹，每個熱電偶計所測平均溫度 達600℃以上時，表示閃燃發生。
以上研究結果比較分析結果如表ㄧ；由以上實驗可知，以房間 天花板下方溫度600℃及地面熱通量 20kW/m2 做為閃燃發生的判 定，為一尚稱合理的方式。
表 2-3、各學者研究閃燃分析比較
來源 實驗方式 閃燃判別 氣體溫度
(℃)
熱通量 (kW/m2) Hägglund
(1974) --- 火燄竄出門口
天花板下 10mm 處 600 ℃
--- Parker and
Lee(1974) --- 纖維燃料引燃 --- Babrauskas
(1977) 連續床墊燃燒 Babrauskas
(1977) 全尺寸實驗 紙箱被引燃 --- 20 kW/m2 Budnick &
Klein (1979) 組合式房屋
Breese (1980)
居室全尺寸
實驗 報紙引燃
平均上層溫度
706±92 ℃ ---
Quintiere and McCaffrey (1980,1977)
木頭與塑膠在
房間燃燒實驗 纖維燃料引燃
天花板溫度超
過600 ℃ --- Fang and
Breese (1980)
地下娛樂室
實驗 報紙引燃 ---
地板中心 20 kW/m2 Quintiere and
McCaffrey (1980)
--- 濾紙引燃 ---
最小輻射熱 通量 17.7 kW/m2 Thomas
(1981)
半經驗計算法 (semi- empirical)
---
週遭溫度 達520 ℃
輻射熱通量 達22 kW/m2 M.Spearpoint
et al. (1999) 全尺寸實驗
和電腦模擬 --- 天花板熱電偶
溫度達600 ℃ ---
2.2 熱釋放率
Babrauskas【21】基於溫度與熱通量均為閃燃發生時伴隨之相關 現象，但在消防設計上無法提供相關資訊，試圖以火場中的熱釋放率 作為評估火場行為的參數，收集不同文獻的全尺寸實驗資料並利用電 腦模擬程式進行比對驗證，文獻中所涵蓋的全尺寸實驗之房間幾何、
開口、材料、引燃源都不盡相同，所得到之結果亦有差異(表二)。這 些存在的影響因子會影響火場熱釋放率，一旦環境改變所達閃燃條件 亦可能隨之改變。
各學者實驗房間尺寸如下【21】：
(1) Lee 以房間尺寸 2.44m×3.66m×2.44m(高)進行試驗，針對不同壁 裝材料進行閃燃實驗分析，主要量測不同夾板厚度和不同泡材 (Polystyrene、Polyisocyanurate)達閃燃熱釋放率與時間。
(2) Fang 以房間尺寸 3.26m×3.26m×2.44m(高)，開口尺寸
0.76m×2.03m(高)進行試驗，總表面積 51.5m2(ISO 總表面積 51.5m2)。
(3) Sundström 與 Thuresin 房間試驗尺寸與 ISO 9705 房間試驗大致 相同。
表 2-3、各學者研究閃燃最小熱釋放率比較
由表我們可得知平均達閃燃熱釋放率為1975±1060kW，而最多出現 之熱釋放率值為1700 kW。在 33 試驗中，僅有 3 次實驗之熱釋放率 值低於1000kw，表示 1000kw 可作為設計時達閃燃的最小熱釋放率。