第二章 大空間建築全尺度熱煙試驗定量化分析
第二節 量測儀器設備說明
本計畫於進行本案
大空間建築全尺度熱煙試驗
時，為採用 AS 4391, Smoke Management Systems Hot Smoke Test 之標準規範作為測試方法之依據。以下就「A. 煙 霧與熱源產生設備」、「B. 捲吸增強變頻式風機系統」、「C. 能見度距離量測系統」、與「D. 煙層高度與溫度量測系統」等相關之量測儀器設備加以說明。
2.2.1 煙霧與熱源產生設備
AS 4391 乃利用發煙器（Smoke Generator）產生濃煙，配合火盤提供之熱浮力以重 現火災之實際情形。發煙器之出口需置於火盤上方，以便順利推動濃煙向上竄升，如圖 2-2 所示。
圖2-2 AS 4391 中發煙器藉由火盤熱氣，將煙驅動往上竄升
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本案依據 AS 4391 所載內容，使用之發煙設備，包括：發煙器、二氧化碳鋼瓶與 煙流導管等組合而成。發煙器之運作方法為:藉由 Vicount 發煙器內置之電熱器，將 Smoke Oil 180 油基性液態發煙油加熱至 370 oC；再經由調節二氧化碳鋼瓶噴出之壓力，
將發煙器所產生的白煙推進煙流導管中。再經由火盤加熱之熱浮力，驅動熱煙往上竄 升，如圖2-3 所示。
圖2-3 本案所使用之發煙設備，含發煙器、二氧化碳鋼瓶與煙流導管等組合而成
本案所將使用之Vicount 發煙器配合採用不會污染建築物，且可長時間維持漂浮於 空氣中、適合建築物大空間與室內觀察煙霧流動情形之油基（Oil Based）發煙材 Smoke Oil 180 來進行實驗。
本發煙材料自英國進口，採用食用油等級之液體油為基材 且同時通過 NATO`s AQAP 1 及 ISO 9OO1 認證，為具備無毒性、不燃性、長期穩定持效、且對環境不會 造成污染，之良好發煙材。
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事實上，本團隊自2006 年開始，即已長期持續使用本項 Smoke Oil 180 發煙材料 配合Vicount 發煙器，進行多項實驗，獲得良好成果。其中，最顯著之案例為，2008 年 於高雄捷運系統紅線與橘線之交會站，亦即美麗島站「光之穹頂」所進行之全尺度熱煙 測試。美麗島站被認定為全世界最美麗之地下鐵車站之第 2 名，並具備價值不斐之公 共藝術內裝。由於工程進度及通車進度緊湊之關係，進行全尺度熱煙測試之時，全部內 部裝潢幾乎已全部完成。於此情況下進行全尺度熱煙測試，必然須確保對於整體內部 環境不得造成任何影響，如圖2-4 所示。
圖2-4 2008 年於高雄捷運美麗島站無價藝術品「光之穹頂」進行全尺度熱煙測試實況
其Vicount 發煙器詳細之規格，說明如下：
最大發煙量：250 m3/min。
熱交換最大功率：2,000 W。
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熱交換器加熱溫度：350℃。
煙油容量：4 公升。
暖機時間：5 分鐘。
燃燒顆粒粒徑：0.3 micron。
電源：110VAC/60Hz。
另外，本發煙器設備能以程式控制發煙量輸出，以產生不同濃煙密度進行多種火 災情境測試。其具備程式控制輸出系統，可提供能夠配合發煙器及 CO2鋼瓶進行整合 之壓力控制閥（0 ~ 80 psi），並以個人電腦軟體程式控制發煙器之煙量輸出，如下圖 2-5 與圖 2-6 所示。
圖2-5 本發煙器設備進行 CO2鋼瓶進行整合之壓力控制閥
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圖2-6 本發煙器設備能以程式控制發煙量輸出，以產生不同濃煙密度
最後，介紹本煙霧與熱源產生設備中之熱源產生設備。由於 AS 4391 其主要的精 神在於，採取火源大小與發煙量分離（decouple）的方式。故進行煙控系統性能驗證所 須之火災情境，是產生與實況相等之發煙量，並非去重現火場火源大小之熱釋放率強 度。因此，其熱源產生設備之用途，為產生讓測試用白煙有充足的熱浮力而已。
早期本團隊使用AS 4391 所列不同尺寸容器，大小從 A1 尺寸至 A5 尺寸之方型火 盤作為其熱源產生設備，如圖2-7 與圖 2-8 所示。但經由多次大空間建築現場之熱煙試 驗後，發現測試用白煙並未獲得充足的熱浮力，而達到大空間建築頂部進行蓄積。因 此，改採用可提供較大熱浮力的多個圓形火盤，作為進行大空間建築熱煙試驗之熱源 產生設備。圖2-9 與圖 2-10，分別為台鐵新左營車站與桃園國際機場一期航廈，使用圓 型火盤作為熱源產生設備進行熱煙試驗情形。
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圖2-7 AS 4391 所列從 A1 尺寸至 A5 尺寸方型火盤之熱源產生設備
圖2-8 使用 AS 4391 所列方型火盤之進行熱煙試驗情形
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圖2-9 台鐵新左營車站使用圓型火盤之進行熱煙試驗情形
圖2-10 桃園國際機場一期航廈使用圓型火盤之進行熱煙試驗情形
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為產生讓測試之白煙有充足的熱浮力，本計畫進行大空間建築全尺度熱煙試驗時，
採用較大規模之瓦斯燃燒系統。本團隊為應用大量之瓦斯爐心，來增加其熱容量。亦即 使用電子點火型瓦斯燃燒爐，以作為熱源產生設備，如圖2-11 所示。
圖2-11 本案使用電子點火型瓦斯燃燒爐作為熱源產生設備
此電子點火型瓦斯燃燒爐，其可使用15 kg 以上之液化石油氣。瓦斯爐心底部利用 ISOWOOL 防火毯保護軌道層之布置情形，如圖 2-12 與圖 2-13 所示。
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圖2-12 瓦斯爐心底部利用 ISOWOOL 防火毯保護軌道層之布置情形
圖2-13 本案使用電子點火型瓦斯燃燒爐作為熱源產生設備之測試情形
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2.2.2 捲吸增強變頻式風機系統
本大空間建築全尺度熱煙試驗將使用捲吸增強變頻式風機系統，以配合煙霧產生 設備進行操作，模擬火源捲吸情形。
過去進行大空間建築全尺度熱煙試驗時，因未使用捲吸增強變頻式風機系統，因 此發煙量無法向上提升。本計畫為改善此現象，特別利用捲吸增強變頻式風機系統之 風量補充，以增加前述發煙器所產生的煙量，可進行較大火載量規模之模擬測試，如圖 2-14 至圖 2-17 所示。詳細之規格，說明如下：
(1) 風葉直徑：30 inch。
(2) 變頻範圍：0 ~ 60 Hz。
(3) 使用電壓：三相 220V。
(4) 輸出功率：500 W。
圖2-14 本案利用捲吸增強變頻式風機系統，以增加前述發煙器所產生的煙量
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圖2-15 本案捲吸增強變頻式風機系統前方之導煙管
圖2-16 本案捲吸增強變頻式風機系統後方可見其風扇葉片
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圖2-17 本案捲吸增強變頻式風機系統之轉速（Hz）控制器
另外，本案捲吸增強變頻式風機系統前方之導煙管內，亦設置有煙氣透光率偵測 器，用以確認經由導煙管出口，以捲吸增強變頻式風機送出的煙氣，其濃度達到進行大 空間建築全尺度熱煙試驗時之標準。圖2-18 為本案捲吸增強變頻式風機系統前方之導 煙管內，預留設置煙氣透光率偵測器之位置。
圖2-18 本案捲吸增強變頻式風機系統前方之導煙管內，預留設置煙氣透光率偵測器 之位置
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其次，圖2-19 為本案捲吸增強變頻式風機系統前方之導煙管，設置完成煙氣透光 率偵測器之情形。而為於進行熱煙試驗時，同步獲得捲吸增強變頻式風機送出的煙氣 透光率，本案煙氣透光率偵測器並與電腦連線，及時得知當時之煙氣透光率，如圖 2-20 所示。
圖2-19 設置完成煙氣透光率偵測器之情形
圖2-20 本案煙氣透光率偵測器並與電腦連線，及時得知當時之煙氣透光率
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2.2.3 能見度距離量測系統
本計畫所採用之能見度距離量測系統，為依據Beer Lambert Law 原理進行基本系 統設計。其中，K3 能見度距離量測系統，為針對避難路徑上反射光源，進行能見度量 測。而K8 能見度距離量測系統，則為針對避難路徑上直射光源，進行能見度量測。
其原理為火場中的能見度S（Visibility, m），為人的視力所能辨視之最遠距離。當 光線通過火場，其強度會受到煙的阻擋而衰減。為獲得火場中能見度距離之值，首先計 算光衰減係數α（Light Extinction Coefficient, m-1）。
e
LI I
0
其中，I 為光經一段距離 L 後之剩餘強度（cd），亦即接受端強度；I0 為光之初始 強度（cd），亦即發射端強度；α為光衰減係數（m-1）；L 為距離（m），亦即發射端 與接受端之間的距離。其次，再計算能見度S。
S = K / α
其中，α為光衰減係數，可由前面所述式子求得。K = 3 時，表示反光式指標（Light-reflection Sign），如避難指標等；而 K = 8，表示發光式指標（Light-emitting Sign），
如避難方向指示燈等。以上數值，並能於電腦上即時顯示及記錄。本計畫所使用能見度
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圖2-21 本計畫所採用之能見度距離量測系統架設完成之情形
(2) 能見度距離量測系統：須提供電腦及類比訊號轉換器進行實驗數據之 AD/DA 轉換 功能，並設計軟體將實驗數據轉換為能見度直接於電腦上實時顯示並紀錄實驗數據，
本設備之系統架構如圖2-22 所示。
圖2-22 本案能見度距離量測系統之系統架構圖
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圖2-23 本案能見度距離量測系統與電腦監控系統之連結情形
圖2-24 本案能見度距離量測系統與電腦監控系統之及時顯示畫面
第二章 大空間建築全尺度熱煙試驗定量化分析 (或以上)，素線徑 0.3 mm，芯線之二素線身應以鐵氟龍(Tefion)材質包覆線身。亦即，
煙層溫度量測系統，進行全度度熱煙試驗之煙層溫度與時間關係之建立。
本案於煙層高度與溫度感測器之設置，可配合實驗場地，自地面起每隔50 公分之 垂直高度設置一感測器，總高度 12 公尺，每個測量點之垂直方向上共計有 24 個感測 器，並設置至少4 個以上(含)之測量點，即至少設置 96 個偵煙探測器。
另外，本計畫再創新發展成功以一般PC 電腦及自行編譯軟體，即可簡易判讀之煙 層下降數據處理系統（Data Acquisition System），且全部取材自一般垂手可得之微軟軟 體。如此，可簡易地與微軟之WORD、EXCEL 等工具，直接互通，並即時繪製成圖。
另外，本計畫再創新發展成功以一般PC 電腦及自行編譯軟體，即可簡易判讀之煙 層下降數據處理系統（Data Acquisition System），且全部取材自一般垂手可得之微軟軟 體。如此，可簡易地與微軟之WORD、EXCEL 等工具，直接互通，並即時繪製成圖。