性能設計與設計火源檢證研究-火載量與閃燃時間評估在性能法規上之應用研究

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(1)性能設計與設計火源檢證研究火載量與閃燃時間評估在性能法規上之應用研究. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 94 年 12 月.

(2) (國科會 GRB 編號) PG9402-0020 (本部計畫編號) 094-301070000G1-009. 性能設計與設計火源檢證研究火載量與閃燃時間評估在性能法規上之應用研究. 受委託者：財團法人中華建築中心研究主持人：蔡匡忠助理教授研究助理：陳信宏. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 94 年 12 月.

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(4) 目次. 目次表次..........................................................................................................III 圖次.......................................................................................................... IV 摘要.......................................................................................................... VI 英文摘要.................................................................................................. IX 第一章緒論...............................................................................................1 第一節研究緣起與背景 ...................................................................1 第二節研究方法及流程 ...................................................................1 第三節研究成果................................................................................2 第二章文獻探討 ......................................................................................5 第一節性能式設計............................................................................5 1. 各國性能安全設計概要..........................................................6 2. 我國性能安全設計概要..........................................................9 第二節火載量研究..........................................................................10 1. 火載量在火災成長之重要性................................................10 2. 火載量與性能式消防設計....................................................10 3. 火載量定義............................................................................12 4. 火載量量測方法....................................................................13 5. 火載量試驗之引燃源............................................................17 6. 傢俱火載量資料收集............................................................20 第三節閃燃定義研究......................................................................21 1.火災成長過程及閃燃..............................................................21 2.閃燃定義..................................................................................23 2.1 溫度與熱通量......................................................................25 2.2 熱釋放率..............................................................................29 第四節閃燃經驗公式分析 .............................................................30 第五節閃燃模擬與實驗比對之相關研究 .....................................35 第三章閃燃與火載量實驗及討論 ........................................................37 第一節火載量實驗..........................................................................37 1.試體選擇..................................................................................37 2.引火源選定..............................................................................40 3.引燃位置..................................................................................40 4.實驗程序..................................................................................41 第二節閃燃時間評估實驗 .............................................................41 1.燃料選定..................................................................................41 2.實驗設備簡介..........................................................................42 3.實驗程序..................................................................................43 -I-.

(5) 目次. 第三節實驗分析與討論 .................................................................45 1.火載量分析..............................................................................45 2.閃燃時間評估..........................................................................64 第四章結論與建議 ................................................................................69 第一節結論......................................................................................69 第二節建議......................................................................................71 附錄一火載量資料庫 ..........................................................................73 附錄二可燃物凈燃燒熱整理 ............................................................127 附錄三第一次專家座談會議紀錄 ....................................................129 附錄四第二次專家座談會議紀錄 ....................................................131 附錄五期末聯合研討成果審查會議紀錄 ........................................135 參考書目.................................................................................................137. - II -.

(6) 表次. 表次表 1-1「建築物防火避難安全性能檢驗技術手冊」堆積可燃物每平方公尺發熱量.............................................................11 表 2-1、折減因子換算表 ..........................................................14 表 2-3、各學者研究閃燃分析比較 ..........................................28 表 2-3、各學者研究閃燃最小熱釋放率比較 ..........................30 表 3-1、燃料發煙特性 ..............................................................42 表 1-1(附錄)、資料庫火載量範圍整理 .................................126 表 2-1(附錄)、各燃料燃燒熱質..............................................127. III.

(7) 圖次. 圖次圖 1-1、研究流程圖 ....................................................................3 圖 2-1、傢俱試驗式意圖 ..........................................................16 圖 2-2、不同引燃強度對火載量之影響 ..................................18 圖 2-3、不同引燃位置對火載量之影響 ..................................18 圖 2-4、不同引燃時間對火載量之影響 ..................................18 圖 2-5、引燃器與廢紙簍熱釋放率比較圖 ..............................19 圖 2-6、木框架示意圖 ..............................................................20 圖 2-7、火災成長過程示意圖 ..................................................21 圖 2-8、閃燃發生示意圖 ..........................................................23 圖 2-9、閃燃前後火場物理特徵變化 ......................................25 圖 2-10、CFAST 與實驗分析比較 ..........................................36 圖 3-1、神桌椅正視圖與側面圖 ..............................................38 圖 3-2、辦公椅正視圖與側面圖 ..............................................38 圖 3-3、桌版樣式圖 ..................................................................39 圖 3-4、高木櫃(規格 No1.)樣式圖...........................................39 圖 3-5、高木櫃(規格 No2.)樣式圖...........................................39 圖 3-6、低木櫃樣式圖 ..............................................................40 圖 3-7、引燃器裝置 ..................................................................40 圖 3-8、火載量實驗示意圖 ......................................................41 圖 3-9、油盤房間實驗示意圖 ..................................................43 圖 3-10、油盤房間實驗測點位置圖 ........................................44 圖 3-11、油盤房間實驗熱電偶數測點高度配置圖 ................44 圖 3-12、引燃器之熱釋放率(30kW) .......................................45 圖 3-13、引燃器之熱釋放率(50kW) .......................................46 圖 3-14、神桌椅實驗示意圖 ....................................................47 圖 3-15、神桌椅之質量損失率 ................................................47 圖 3-16、神桌椅之熱釋放率 ....................................................48 圖 3-17、神桌椅之總熱釋放率 ................................................48 圖 3-18、辦公椅實驗示意圖 ....................................................49 圖 3-19、辦公椅尺寸示意圖 ....................................................50 圖 3-20、辦公椅之質量損失率 ................................................50 圖 3-21、辦公椅之熱釋放率 ....................................................51 圖 3-22、辦公椅之總熱釋放率 ................................................51 圖 3-23、高木櫃(No.1)實驗示意圖..........................................52 圖 3-24、高木櫃(No.1)之質量損失率......................................53 - IV -.

(8) 圖次. 圖 3-25、高木櫃(No.1)之熱釋放率..........................................53 圖 3-26、高木櫃(No.1)之總熱釋放率......................................54 圖 3-27、高木櫃(No.2)實驗示意圖..........................................55 圖 3-28、高木櫃(No.2)之質量損失率......................................56 圖 3-29、高木櫃(No.2)之熱釋放率率......................................56 圖 3-30、高木櫃(No.2)之總熱釋放率率..................................57 圖 3-31、矮木櫃實驗示意圖 ....................................................58 圖 3-32、矮木櫃之質量損失率 ................................................59 圖 3-33、矮木櫃之熱釋放率 ....................................................59 圖 3-34、矮木櫃之總熱釋放率 ................................................60 圖 3-35、桌板實驗示意圖 ........................................................61 圖 3-36、桌板之質量損失率 ....................................................62 圖 3-37、桌板之熱釋放率 ........................................................62 圖 3-38、桌板之總熱釋放率 ....................................................63 圖 3-39、油盤房間試驗示意圖 ................................................64 圖 3-40、火場初期 ....................................................................65 圖 3-41、煙層下降至門高一半處 ............................................65 圖 3-42、煙層下降至地板 ........................................................66 圖 3-43、地上報紙被引燃 ........................................................66 圖 3-44、火焰竄出門口(與報紙引燃時間略同) .....................67 圖 3-45、火場末期(衰退期)......................................................67 圖 3-46、閃燃熱釋放率與時間之關係圖(95 無鉛汽油) ........68. V.

(9) 摘要. 摘要關鍵詞：性能法規、火載量、閃燃ㄧ、研究緣起新近大力推動的性能法規，希望以科學的方法來解決現有法規或標準僵化的短處。然而，在實行時仍有相當困難，最大的困難即目前缺乏可靠的火場情境預估工具(如火災模擬及火災參數關係式)及相關資訊的資料庫。本研究即針對火載量資料庫建立及閃燃時間評估進行研究。二、研究方法及過程其中火載量為性能式設計中需「輸入」之建築物中可燃物火災危害重要參數，可燃物可區分為固定物(固定不動之裝修材料等)及可動物(如家具)，本研究針對可動物火載量（live fire load）以資料蒐集及試驗的方式建構資料庫，並評估火載量資訊使用之可行性。另外，閃燃期為防火工程極力避免人員傷亡及財物損失之重要階段，人員雖可藉由避難消防設備引導而在閃燃發生前避難完成，但對於廠房或住宅的損失卻無法避免。基於此點，起火至閃燃時間評估仍扮演非常重要的角色。本研究蒐集相關閃燃時間之評估方法，包括以實驗數據推導的關係式及常見之電腦模擬程式，並以實驗方式進行驗證，以分析各關係式及電腦模擬程式之適用性。三、重要發現研究成果可歸納為下列四項 1.已歸納並分析常見可動物之火載量資料(包括床墊、辦公椅、沙發、及木材製家具共 52 項)，依其尺寸、用途、外觀、材質、重量、實驗條件，列出熱釋放率與火載量等資訊，此資料庫可供今後性能式設計. - VI -.

(10) 摘要. 之重要參考資訊。 2.本研究另以房間試驗之氣罩及大型火災試驗儀進行辦公傢俱之火載量試驗，如辦公桌、椅、書櫃等共五次；並針對本國特殊傢俱(神桌椅)進行火載量實驗，提供本土資訊。 3.針對單純材料所構成之物體，可以材料本身之單位重量熱釋放乘以材料重量即可，本研究已收集常見材質之資訊(如木材、泡棉、聚合物材料)共 13 種，並特別針對木材加以評估，發現木材種類雖多，其單位重量熱釋放值約介於 12-17 kJ/kg。. 4. 閃燃的評估及定義已藉由蒐集彙整國內外之資料，針對閃燃之發生機制及設計時之定量評估(溫度、熱通量、熱釋放率、房屋實驗尺寸等)進行分析，並探討電腦模擬預測閃燃時間之可靠性，研究結果可提供性能設計時各建物及火災情境下之所需閃燃時間資訊。四、主要建議事項立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、內政部消防署、各縣市政府消防局根據本研究之結果得知，國內極缺乏本土火載量資料，若引用國外的資料，差異甚大，貿然使用將可能有誤用之虞。因此，本計劃針對我國傢俱進行火載量分析以符合國內實際的狀況。爾後，建議將火載量資料庫公佈於網路上，以供設計者應用在性能法規設計 (performance-based design)的需求。長期性建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、內政部消防署、各縣市政府消防局隨著時代的演進，國家對於建築物防火安全的規範從規格式法規. VII.

(11) 摘要. 逐漸朝向性能式的法規，未來進行 route C 設計時，單一物體之熱釋放率及大型實驗數據為評估火場行為之重要參考，建議能將重要實驗數據建立網路資料庫，並每年更新加入新資訊，供設計者及研究人員參考。. - VIII -.

(12) ABSTRACT. ABSTRACT Performance-based design has become a legally usable design method in Taiwan. However, several difficulties still exist. Two most severe difficulties are the lack of reliable design tools such as correlations and simulations and database. This study consequently focuses on the database of fire load and evaluation of time to flashover correlations and simulations. Fire load is one of the most basic information in fire safety design and is an “input” in every design tools. According to the style of combustibles, fire load is classified into fire load of fixed combustibles and movable ones. The fire load of fixed combustibles has been studied previously in ABRI, and in this study the fire load of movable combustibles was conducted. A database including the consideration of local furniture was carried out. In addition, time to flashover is an important criterion in fire safety design. However, this scenario has not been analyzed properly, and was discussed in this study. After analyzing the existed information, a detail discussion of fire load experimental environments was made and will provide useful information when used in future design. In addition, HRR experiments using office furniture and worship table were done and detail components reports were made. All those information was collected and a database of 52 furniture and 13 materials were provided. As to flashover analysis, experiments were designed to evaluate previous correlations. After comparing our experimental results (presented in Prof. Lin Tai-Huei’s report) and correlations, disagreement presented. After this study, main suggestions are as follows: 1. A database including 52 furniture and 13 materials was provided. This information will offer design input in performance-based design. 2. The experimental environments in fire load experiments were analyzed and the effect of changing the environments was discussed. 3. The difference between time-to-flashover correlations and experimental results exists. Therefore, those correlations should be used carefully to get rid of misleading in design. keyword：performance-based design，fire load，flashover IX.

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(14) 第一章. 緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景目前許多防火先進國家（如英、美、澳、紐、日）均已實施性能式法規，以達以下幾項目標【1】：(1)以目標及功能為導向，(2) 知其所以然(先了解不同火災危險或風險因子)後再進行設計，(3)多重選擇性(可選擇兼顧法規，及特殊性的方案)，(4)重視成本有效性 (Cost Effectiveness)。我國亦開始實施性能式設計，然而，在實際進行以及推廣時仍有困難，例如：性能式設計需「輸入」建築物當中可燃物之火載量或熱釋放率，但目前對於傢俱等移動式（live fire load）可燃物較缺乏本土化相關資料庫可供參考，因此建立ㄧ本土火載量資料庫顯為重要，另外閃燃期為防火工程極力避免人員傷亡及財物損失之重要階段，人員雖可藉由避難消防設備引導而避免傷亡，但仍會造成廠房或住宅的損失，基於此點，起火至閃燃時間評估為重要的議題。以日本公佈之「性能法規評估之架構」為例，其中幾項主軸中，避難安全性能評估、防止延燒性能評估均與閃燃時間評估有直接關係，而在構造耐火及消防活動性能評估上亦有間接之關係。因此，閃燃時間評估將直接影響性能法規之適用性與評估準確性。然而，在閃燃時間評估上亦有不同之處，貿然使用將可能有誤用之虞。因此，我國須針對上述課題進行探討，使我國性能法規能具體實施。. 第二節研究方法及流程火載量研究: z 蒐集國外常見移動式可燃物火載量資料庫(美國 NIST、澳洲 1.

(15) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 等)，國內外類似之物品可引用國外資料庫。 z 以實尺寸火災實驗測量常見傢俱之火載量，尤其包含我國本土特殊家具。 z 研擬性能設計中評估火載量之參考資料。研究結果經專家諮詢會議後，研提「性能設計火載量參考資料」。. 閃燃時間評估: z 蒐集防火先進國家之性能法規閃燃時間之評估方法。將蒐集先進國家之性能法規及國內外期刊、技術報告中關於閃燃時間之評估方法，以火災動力學之角度，分析比較各國之評估方法，撰寫相關說明。 z 研擬性能設計中評估閃燃時間之參考資料。研究結果經專家諮詢會議後，研提「性能設計閃燃時間評估參考手冊」。. 研究流程圖如圖 1-1。. 第三節研究成果 z 完成建立國內建築物常見可動物可燃物之火載量資料庫。 z 分析整理國內外性能設計中火災成長閃燃時間評估之方法。 z 彙編性能設計中閃燃時間評估之解釋參考資料。. 2.

(16) 第一章. 緒論. 圖 1-1、研究流程圖. 火載量收集文獻回顧. 閃燃分析全尺寸試驗. 實驗規劃燃料分析. 火載量分析. 閃燃時間評估. 傢俱試體選擇. 房間測點位置擺設. 引火源選定. 燃料選定. 房間煙罩與 10MW 實驗. 房間試驗. 火載量分析與閃燃時間評估. 3.

(17) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 4.

(18) 第二章. 文獻探討. 第二章文獻探討第一節性能式設計隨著都市型態漸漸轉變，建築物亦朝向規模大型化、樓層立體化、構造特殊化、設備複雜化的趨勢發展。因此若不慎發生火災，將造成許多人員的傷亡。因此基於對於人命及財務保全的觀念，為避免火災發生時造成的傷亡以及財物損失，世界各國政府對於建築物及其內部所需的消防設施都訂有相關的法規，以確保萬一火災發生時能免除人員傷亡並減少財物損失。對於建築物及消防設施相關的法規，早先各國大多是以量化的型態行諸於條文，也就是說基於消防安全的考量下，在建築規範的條文中是以明確的定量要求，來要求建築物完工後的外型、內部隔間大小、建築材料及相關消防、避難設施等等，而相關的審核單位也是以這些明確的定量要求來做為核發使用執照的依據，即為規格式法規(prescriptive-based codes)。但隨著時代的演進，不但建築物的種類日新月異，建築物所需的建築材料及相關設施在這些年裡已有長足的進步。因此先進國家對於建築物防火安全的規範，已經改變了傳統式的規格性規範 (prescriptive-based codes)，而逐漸的朝向以科學為基礎的防火安全工程來加以研究，其可見到的成果即是將傳統的規格性規範逐漸轉換為功能性規範(performance-based codes)。主要目標是希望在面對不斷創新設計的新式建築物以及不斷改進的防火材料或技術時，能以科學的方法來解決現有法規或標準無法去詳盡規範的建築物。並進而使建築物在達到建築防火安全同時，也讓設計者能透過自由選擇. 5.

(19) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 以採取彈性的防火安全措施。尤其近年來拜經濟成長所賜，陸續有各種特殊的建築物出現在我們的四周，例如特別挑高中庭(往往超過三、四層樓或更高)的大樓，具有巨型內部空間的建築(如巨蛋球場) 或者是大型的地下建築空間(如地下捷運站)等。因此如何檢驗這樣建築物的防火性能，性能式設計更顯重要【2】。 1. 各國性能安全設計概要世界各國對於建築、消防相關法規的規定，要求建築物防火安全的最終目標不外乎包含了以下幾點【7】：一、防止起火及火勢擴大，減少生命財物損失。二、防護建築物不致因火災造成損壞與波及鄰房。三、提供消防搶救人員於執行救災時之必要設施。四、保證安全疏散，確保生命安全。以下試以針對美國、英國、澳洲、紐西蘭、日本、瑞典及加拿大等國之避難相關性能法規之安全設計案例探討分析之【4】。一、美國美國截至目前並無統一的建築基準法，其國內主要採行之建築法規包括 Uniform Building Code（ICBO）、Southern Building Code （SBCCI）、Basic Building Code（BOCA）、Life Safety Code（NFPA）、 New York Building Code 及 NFPA 5000 Building Code（2002），在這樣的背景下，美國性能式法規的導入，目前是由美國防火協會（NFPA）、國際法規委員會（ICC）、消防工程師協會（SFPE）等單位投入研究。其重要精神在於各項性能明確化，並規範本身可繼績維持某些規格式規定，故美國建築法規發展趨勢即便是「性能」取向，但仍不屬於性能化規定【5】。. 6.

(20) 第二章. 文獻探討. 二、英國英國早在 1993 年就發表了一系列性能式法規相關規定，包括定義、性能要求、性能設計審查（ Qualitative Design Review, QDR）、驗證程序以及各防火子系統的相關規定等，並要求制定送審認可基準書【8】（Approved Document）。1994 年 BSI （British Standards Institution）受委託著手編訂建築防火安全工程設計指南，而於 1997 年提出草案 DD240【9】。在 2001 年，BSI 公佈標準 BS7974：2001（建築物設計之防火工程原理應用—技術規範），並於 2002 年 12 月 31 日廢止 DD240，取而代之將是一系列防火工程設計次系統指南（PD7974-0~PD7974-9）以及 ISO 系統之相關規定（Part 1~Part 8）。以 ISO/TR13387 法規【10】而言，它綜合建築物的廣泛設計與用途，並考量火災、建築物和人員三者交互影響下造成多種的可能情境，在評估建築物的設計上，與傳統/條例式的規定有所不同，不論是新建或既有建築物均可應用，同時也為主管機關在建築物防火安全設計上，提供一個具有彈性且可行的架構。三、澳洲【11】澳洲是於 1996 年 10 月公布建築規範（BCA96），並於 1997 年至 1998 年間，其境內 8 個州才開始陸續採用。其性能法規分為起火蔓延、煙控、延燒擴大、火警探測與滅火、避難逃生及消防等六個子系統（SS6），這與英國 BS 的分類類似，其設計案例可應用排煙設備與空調設備、撒水設備與供水管路，共同納入安全性能之評估。另外澳洲為執行性能式法規，其發展出 CESARE-風險評估模式，為一量化建築物消防安全系統的危險度評估模式，其中有關避難逃生部分為人類行為模式（Human Behavior Model），該模式包括反. 7.

(21) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 應次模式、疏散次模式、避難者分類、無逃生能力和意外死亡等，並結合火災成長和煙蔓延模式，以使其能應用於性能法規之建築設計。四、紐西蘭【6】紐西蘭於 1992 年在建築法（Building Code）導入性能法規的概念，1993 年將火災安全與避難的性能規定導入建築基準（Building Regulation），並於 1995 年正式將性能規定的目的與機能，明文規定於建築法規（Building Code）。其在案例設計上需考慮樓梯的寬度、探測警報設備、火煙的預測等評估其人命安全的指標值。五、日本在 2000 年 6 月，日本因頒布新修正建築基準法及其告示，其性能式法規的執行向前邁進一大步。除採用以往之法定規格式基準 Route A 及以簡單的工程方程式計算檢討之 Route B 外，也可採用中央主管機關所認定之高度驗證法進行指定性能之評估的 Route C。其中最使用的 Route B 是採以簡單的工程方程式，以手算方法，實際應用至各種設計例。其避難安全評估範圍分為居室、樓層及整棟建築物，而避難安全結果的判定為確認避難者在未受火煙侵襲危害下，可以安全的逃生至避難安全處所。日本這種方式較為簡易，也較容易理解與應用。六、瑞典【8】瑞典是從 1994 開始實施性能式法規基準（BBR94），其設計應用方式是考量偵煙探測器、撒水設備、警報設備及避難樓梯等影響人命避難逃生安全之因子，並利用 t-square 火災成長模式作為火源設計，以 CFAST 評估煙控，及應用 DETACT-T2 計算撒水設備的動作時間，最後評估各種設備的動作率對人命安全的影響。七、加拿大. 8.

(22) 第二章. 文獻探討. NRCC（National Research Council of Canada）建築研究所為加拿大之法規主要推動單位，NRCC 所研發出的 FireCAM（Fire Risk Evaluation and Cost Assessment Model），用來評估建築物內人命安全的指標期待值，再應用火災危害造成影響後之相對安全值的方法進行評估。至於實際設計案例需要分析建築物耐火時間、各樓層有無相對避難安全區、是否設有撒水設備，及是否遵守法規規範等，再以 FireCAM 評估避難安全結果，其驗證結果發現有無設相對避難安全區對避難結果影響較大。 2. 我國性能安全設計概要為了確保建築物避難安全，同時避免不必要的避難安全設施投資浪費，法規的性能化設計是有其必要性的。我國建築法規的性能化設計是參考日本建設省（現改為國土交通省）於 2000 年 6 月公告新修正避難安全檢證法所規劃訂定，為此，內政部於 93 年 1 月 1 日台內營字第 0920088169 號令修正發佈「建築技術規則總則篇」第 3 條、第 3 條之 2、3、4 條文及「建築設計施工篇」第 3、4 章部分條文修正，即是建築法規性能化的起始點。而依據修正發佈「建築技術規則總則篇」第 3 條、第 3 條之 2、3、4 條文及「建築設計施工篇」第 3、 4 章部分條文修正所制定的「建築物防火避難安全性能驗證技術手冊」【3】即是我國避難安全性能驗證法之重要參考。其設計理念就是評估建築物避難安全性能方向設計，以確保人員在遭受火煙侵襲前可以完成避難行動。該手冊採用國際火災工學相關學術及規範準則資料分析避難人員能承受之煙層下降高度，推算出避難容許時間，然後再以調查歸類所得之收容人員密度、步行數度、出口流量、居室面積、步行距離、出口寬度等資料，依所建立之驗算公式推估避難完成所需之時間後，再. 9.

(23) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 與避難容許時間比對，確認避難是否符合安全。. 第二節火載量研究 1. 火載量在火災成長之重要性性能式設計需輸入建築物之相同性質，其內之可燃物量為一重要參數。因在火災成長過程中(詳見第三節)，火災初期時一旦材料著火，其火勢是否會藉由輻射、對流、熱傳導使全系統的溫度上升，加速、助長延燒(flame spread)，與可燃物之熱釋放率有關。若可燃物釋放足夠熱量，將使火勢持續擴大，而易燃性天花板和牆壁裝修材料之熱釋放特性在此階段將成為催促的重要角色。若可燃性蒸氣持續累積，則有可能發生閃燃，閃燃後，因為火勢已擴及全部可燃表面，此階段火勢的強度大小依可燃物量與空氣之供給量而定。綜合以上所述，火勢之成長與室內全體可燃物之發熱量有密切關係，而建築物或區劃內所有可燃物之發熱量稱為火載量。 2. 火載量與性能式消防設計在消防設計時，需預測各種火災行為之基本參數，例如火災持續之時間，推測火災溫度分度等，因此需「輸入」建築物當中可燃物之火載量或熱釋放率，以「建築物防火避難安全性能驗證技術手冊」為例（表）【3】，即需要各場所物品之火載量資料。目前相關資料庫為場所整體之總火載量，且該資訊亦譯自日本，恐不符我國國情之資料，因此國內數迫切需要本土性建物空間使用火載量調查資料，但需要建立個別物品火載量資料庫。未來即可利用計算的方式，實際應用至各種設計案例。. 10.

(24) 第二章. 文獻探討. 表 1-1「建築物防火避難安全性能檢驗技術手冊」堆積可燃物每平方公尺發熱量編號（一）（二）. （三）. 住宅的居室. 720. 住宅以外建築物內的臥室. 240. 辦公室及其他類似場所. 560. 會議室及其他類似場所. 160. 教室. 400. 體育設施的運動場及其他類似場所. 80. 博物館或美術館的展示場及其他類似場所. 240. 百貨商場或其他販賣物品的店鋪. 家具或書籍等賣場及其他類似場所. 960. 其他. 480. 簡易餐廳. 240. 其他餐廳. 480. （四）餐飲店或其他餐廳. （五）. （六）. （七）. 發熱量（單位 MJ/m2）. 居室的種類. 劇場、電影院、演藝觀眾席部分場、觀覽場、集會廳、集會場及其他類舞台部分似場所室內停車場或汽車修理場. 固定座位. 400. 其他. 480 240. 室內停車場及其他類似場所. 240. 車道及其他類似場所. 32. 走廊、樓梯、及其他通道. 32. 玄關、大廳及其他類劇場、電影院、演藝場、觀覽場、集會廳、集會場及其他類似場所或似場所百貨商場或其他販賣物品的店鋪，以及其他作為類似該用途場所. 160. 其他. 80. （八）. 升降機及其他建築設備的機械室. 160. （九）. 頂樓廣場或陽台. 80. （十）. 倉庫及其他儲放物品的房間. 2,000. 11.

(25) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 3. 火載量定義火載量密度(fire load density)係單位面積之可燃物火載量 (MJ/m2)，常用來評估一場所發生火災的危險程度。Pettersson【12】在1976年以下列關係式表達火載量密度：. q=. ∑ M v Δhc At. 單位：MJ/m2 (total surface area). 其中Mv：建築物或區劃空間內單一可燃物之重量(kg) Δhc：建築物或區劃空間內單一可燃物之燃燒熱(MJ/kg) At：建築物或區劃空間內總面積(m2) 火載量密度通常以MJ/m2表示，假若面積定義的不清楚，其火載量會有明顯的差異，因此必須清楚說明其面積定義為何。Caro and Milke 【13】【14】只考慮地板(floor)面積，而Pettersson【12】是以總區劃空間之表面積計算之。. At = 2 [ A f + H t ( L + W. )]. 單位：m2. 其中At：建築物或區劃空間內總表面積(m2) Af：建築物或區劃空間地板面積(m2) Ht：建築物或區劃空間之高度(m) L：建築物或區劃空間之長度(m) W：建築物或區劃空間之寬度(m) 建築物內的可燃物可分為固定式可燃物及可動式可燃物，因此火載量區亦分為二大類：固定物火載量(fixed load) 與可動物火載量 (movable load)。固定物火載量(fixed load)定義為可燃物永久固定於牆面、天花板或地板等固定建築構件之可燃物發熱量；可動物火載量 (movable load)定義為可移動傢俱或其他供居住者使用之可燃物品。可動火載量具有易移動性，可秤其重量，但卻可能經常會有變動；固定 12.

(26) 第二章. 文獻探討. 火載量具有固定不易移動性，調查時不易由秤重的方式取得重量，但若可取得設計資料則可依據設計與構造方式了解其材料類別、尺寸、數量與材質資料庫，而計算出火載量。 4. 火載量量測方法如上所述火載量可分為固定物火載量及可動物火載量，其中固定物火載量之相關研究已進行多年，但較缺乏可動物火載量之資訊，本研究特別針對可動物火載量進行實驗研究及資料蒐集。目前對於火載量的量測方法主要分為計算法與實驗法兩種，為下表所述：估算法：. (一)直接秤重法 (二)NBS 清點調查技術(Inventory survey technique) (三)等值木材法(Mass of wood equivalent). 實驗法：. (四)傢俱試驗法(Furniture calorimeter). (1)、直接秤重法將建築物或區劃空間各種可燃物逐一秤重，直接調查其可燃物重量，再乘以各種可燃物單位重量熱釋放量，合計總熱釋放量(焦耳)即為火載量。但由於此方法對於較大型建築物，例如醫院、學校等，其所花費金錢與時間非常龐大。有鑑於此，NBS(The National Bureau of Standards)發展清點調查技術法(Inventory survey technique)評估火載量技術（如下）。 (2)、NBS清點調查技術(Inventory survey technique) NBS發展之清點調查技術，主要利用視覺調查建築物或區劃空間內各種各樣的可燃物相關資料。早在20年前就有學者Culver、 Harris 和Corotis【14】分別用來調查辦公室及醫院之火載量，Blackball【13】 13.

(27) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 藉由此方式將辦公室內的可燃物分成不同的燃燒等級。Mitchell、 Bryson和Gross【13】利用製造商和照片的相關型式與目錄，將其產品分類重量並獲得相關火載量資料。目前Inventory survey technique 為評估火載量為最便利、接受度高且較省時之方法。 Inventory survey technique顧名思義採用全面清點調查技術，調查建築物或區劃空間內所有可燃物之重量、表面積、厚度以及建築物幾何資料 (樓地板面積、開口部、高度等) 和估計各項可燃物組成物質比例，計算其發熱量。除了上述之方法，在此須對火載量評估做幾點假設，以便利於火載量計算，將假設以下幾點： (a)整棟建築物可燃燒的物質是均勻分布在火場中。 (b)在火災中所有可燃燒物質均包含在內。 (c)在火災居室中，所有可燃燒的物質將經歷完全燃燒。 (d)火載量可以被計算式不同物質熱量的總和，並允許轉換為等值的木材重量。但對於有些傢俱並無法使用，像一些外材為鋼鐵材料如衣櫃、抽屜，由於鋼是不燃的，內部可燃物將不會被引燃，對火載量值有明顯的影響，因此無法準確的計算，需考慮折減因子(derating factors)係數如表一【13】。表 2-1、折減因子換算表. 14.

(28) 第二章. 文獻探討. 此處火載量以單位地板或建築物面積之總熱能釋放(MJ/m2)即火載量密度(Fire load density)表示之，面積(At)以地板面積表示。 n. Qt =. ∑. M iΔ hc. i. At. 單位：MJ/m2 (floor area). 其中Mv：建築物或區劃空間內單一可燃物之重量(kg) Δhc：建築物或區劃空間內單一可燃物之燃燒熱(MJ/kg) At：建築物或區劃空間內地板面積(m2) 全面清點法亦提供一估計城市或地區各建物平均火載量之方法，步驟如下： (a)以隨機取樣方式選取此城市或地區之建築物，進行現場調查、拍照，以蒐集各類型建築物或區劃空間基本資料，包括火載量、空間型式等。 (b)併同問券方式調查各種有關社會學相關因子(含年所得、人口組成、居住時間等資料)。 (c)以電腦方式計算出各樣本點之火載量密度。本方法以隨機取樣建築物之火載量資訊，再依該建物之社會經濟水準預估此城市或地區之建物平均火載量。 (3)、等值木材法(Mass of wood equivalent) ：單位面積內的可燃物量，以單位面積之木材重量(kg/m2)表示之【14】. q, =. ∑ (G H ) i. i. HoA. 單位：kg/m2. 其中q’：火負荷當量密度[Kg/m2] Gi：可燃物重量[Kg] Hi：可燃物之單位，發熱量[KJ/Kg] Ho：木材的單位發熱量（=17.7）[KJ/Kg] 15.

(29) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. (4)、傢俱試驗法(Furniture Calorimeter) 由於房屋試驗花費所需昂貴，因此希望以較簡化之全尺寸試驗來測得熱釋放率，Furniture calorimeter 規模是介於全尺寸 Full-scale 和小尺寸 Bench-scale 之間，為一中尺度測試法，主要探討傢俱之燃燒行為，測量傢俱之熱釋放率(Heat release rate)與質量損失(Mass Loss)，能精準測得可動物火載量。其原理利用氧氣消耗法(Oxygen Consumption Method)來測得熱釋放率，以燃燒消耗 1g 的氧會產生 13.1kJ 的熱之原理計算之，此原理可由下列公式表示之： • Δhc ⎛ • ⎞ Q= ⎜ mo2 ,∞ − mo2 ⎟ r0 ⎝ ⎠ •. •. 其中 mo2 ,∞ =進去之氧氣流率 ΔhC =燃燒熱. •. m o2 =排出之氧氣流率 rO =燃燒時所需之耗氧量. 圖 2-1 為 Furniture calorimeter 示意圖，燃燒實驗在一通風良好處進行，四周無任何障礙物，因此沒有輻射回饋可燃物之情形。試體置於量測重量之平台上，透過上方集氣罩蒐集分析可得知實驗中產生氣體流速、溫度、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2) 及煙濃度等相關資訊，試驗所得傢俱所產生熱釋放率與時間之關係圖，曲線下總面積即為總火載量(total fire load)(MJ)【14】。圖 2-1、傢俱試驗式意圖. 16.

(30) 第二章. 文獻探討. 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：. 17.

(31) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 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. 18.

(32) 第二章. 文獻探討. 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 利用外科手術棉花(200g/m-2)剪成40mm*40mm大小。 19.

(33) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 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. 20.

(34) 第二章. 文獻探討. 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）。. 21.

(35) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. (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。. 22.

(36) 第二章. 文獻探討. 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. (b)火源持續成長並產生可燃物蒸氣及煙，蓄積於房間高處 23.

(37) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 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。. 24.

(38) 第二章. 文獻探討. 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. 25.

(39) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 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. 26.

(40) 第二章. 文獻探討. 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。. 27.

(41) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 表 2-3、各學者研究閃燃分析比較來源. 實驗方式. 閃燃判別. Hägglund (1974). ---. 火燄竄出門口. Parker and Lee(1974). ---. 纖維燃料引燃. Fang (1975). 全尺寸實驗 (NBS). 報紙引燃. Babrauskas (1977) Babrauskas (1977) Budnick & Klein (1979). Lee & Breese(1979). Fang and Breese (1980). 連續床墊燃燒火燄竄出門口實驗全尺寸實驗. 紙箱被引燃. 組合式房屋實驗. 報紙引燃. 潛艇全尺寸實驗居室全尺寸實驗. 報紙引燃. 報紙引燃. 氣體溫度 (℃) 天花板下 10mm 處 600 ℃ ---. 熱通量 (kW/m2) --房間底部 20 kW/m2. 天花板下 25mm 處 450-650 ℃ 天花板下 10mm 處 600 ℃ ---. 地板位置平均熱通量 17-25 kW/m2. 天花板中心下 25mm 處 673-771 ℃. 地板中心最小輻射熱通量 15 kW/m2 地板位置平均熱通量 17-30 kW/m2. 室內溫度 650 ℃ 門口溫度 550 ℃ 平均上層溫度 706±92 ℃. --20 kW/m2. ---. Quintiere and 木頭與塑膠在天花板溫度超 McCaffrey --房間燃燒實驗纖維燃料引燃過 600 ℃ (1980,1977) Fang and 地下娛樂室地板中心 Breese --報紙引燃 20 kW/m2 實驗 (1980) Quintiere and 最小輻射熱 McCaffrey ----濾紙引燃通量 (1980) 17.7 kW/m2 Thomas 半經驗計算法週遭溫度輻射熱通量 (1981) --(semi達 520 ℃ 達 22 kW/m2 empirical) M.Spearpoint 全尺寸實驗天花板熱電偶 et al. (1999) ----和電腦模擬溫度達 600 ℃. 28.

(42) 第二章. 文獻探討. 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。. 29.

(43) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 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。. 第四節閃燃經驗公式分析目前已有相當多的研究成果可用來預測侷限空間火災閃燃的發生情境，這些預測模式均立基於簡化後的質量、能量平衡，空間型態則為單一區劃空間，且併同火場實驗數據之迴歸印證。Walton 與 Thomas 30.

(44) 第二章. 文獻探討. 整理相關閃燃評估經驗式【23】，其中包括 Babrauskas、McCaffrey et al.和 Thomas 所提出相關經驗式。另外，Deal 與 Beyler 做超過 250 次侷限空間火災實驗並建立一資料庫，並且額外探討通風因子對侷限空間火災的影響。 A、Babrauskas（1980）利用簡單的能量守衡(式 1)預測閃燃所需的最小熱釋放率(Heat Release Rate)。 Q& = m& g C p (Tg − T∞ ) + qloss ………….. (1). 其中 m& g 為氣體流出率、 C p 為比熱、Tg 為上層溫度、T∞ 為周圍大氣溫度及 qloss 為輻射熱和對流熱之熱損失。進一步假設， m& g ≈ 0.5 A0 H 0 …………..………(2) ( A0 為開口面積、 H 0 為開口高度). 並假設輻射熱損失為牆面面積的百分之四十，其中 ε 為放射係數、σ 為 Stefan-Boltzmann 常數為 5.67*1011kW/m2K4，結合(1) (2) (3)式並 qloss = εσ (Tg4 − T∞4 )(0.40 AT ) …………..(3). 設假設達閃燃溫度為 600℃，空氣比熱為 1.0kJ/kg*K，放射係數為 0.5 帶入式中，可得到閃燃所需的最小熱釋率（HRR, Heat Release Rate）預估方法： & = 750 A h ……………………..(4) Q 其中， Q& = 產生閃燃所需的最小熱釋放率，單位：kW 2 A = 開口部（一般為門）之面積，單位：m h = 開口部（一般為門）之高度，單位：m. 此 A h 因子通常被稱為「通風因子（ventilation factor）」，此研究所提供的預估模式（式一）與實驗數據呈現相當的吻合，其中 2/3 的火場實驗數據落在 Q& = 450A h 及 Q& = 1050A h 之間。為了將室內牆面面積以及壁材熱性質所導致的熱損失列入考量，作者提供另一則預估模 31.

(45) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 式：假定閃燃發生機制為溫昇 575℃、壁材為石膏板及外側溫度為 25℃，則達到閃燃的最小熱釋率為一 closed-form 方程式： 2/3 ⎛ & ⎛ A h ⎞ ⎞⎟ ⎞⎟ ⎛ ⎞⎛⎜ 600 − 25 Q ⎜ ⎟ ⎟ 1 − 0.94 exp − 33⎜ = 0.83⎜⎜1 + 0.51 ln ⎜ A ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎜ 1725 − 25 1520A h ⎟⎠⎜⎜ T ⎝ ⎠ ⎠⎠ ⎝ ⎝ ⎝ 0.6 ⎛ ⎛ ⎞⎞ ⎜1 − 0.92 exp⎜ − 11.9⎛⎜ A h ⎞⎟ ⎟ ⎟ ⎜⎜ ⎜ A ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎝ T ⎠ ⎠⎠ ⎝ ⎝ ( AT =侷限空間內總面積). ..................(5). B、 H&a&gglund （1980）利用雙域電腦模型（two-zone computer model）以及參考（Babrauskas，1980）所提供的方程式，提出下列達到閃燃的最小熱釋率估算方程式： 3. ⎞ ⎛ 1.2 & = 1050A ⎜ Q + 0.247 ⎟⎟ ……………(6) T⎜ ⎠ ⎝ AT / A h. （MQH）利用簡單的能量守衡(式 1 和式 C、McCaffrey et al（1981） 3)和實驗數據的佐證，預測接近天花板的氣體溫度利用超過 100 則的實驗數據(房間尺寸為高 0.7 至 2.7 公尺，面積為 1.14 至 12.0 平方公尺)迴歸分析火場上層（接近天花板面）的氣體溫度： & ⎞ ⎛ Q ⎟ ΔT = 480⎜ ⎜ gC ρ T A h ⎟ P 0 0 ⎠ ⎝. 2/3. ⎞ ⎛ h KAT ⎟ ⎜ ⎜ gC ρ A h ⎟ P 0 ⎠ ⎝. −1 / 3. ………(7). 其中， ΔT = 溫昇，單位：℃ 2 h K = 對於天花板/牆壁之有效熱傳係數，單位：kW/m K A T = 有效熱傳面積（包含開口部），單位：m2 將典型 C P 、 ρ 0 、 T0 的值以及發生閃燃之機制（溫昇 575℃）帶入上式，可得： ΔTg = 6.85(. Q& 2 A0 H 0 hk AT. 1. ) 3 ………(8). 及 Q& = 740 h K A T A h ……………(9) 此研究亦提供 h K = kρC / t 的估算式，其中 k、 ρ 、C 為材料性質，t 32.

(46) 第二章. 文獻探討. 為材料暴露時間，假設： t＞tp，則 h k = k / δ 反之， t ≤ t p ，則 h k =. ………….(10) k ρ c / t …….(11). ( δ 為強面厚度). Mowrer and Williamson（1987）針對上述 MQH 關係式（式 7）應用於角落火源以及牆邊火源時所需的修正進行研究工作，發現：對於簡單的居室情形，MQH 能夠可靠地應用於室內中央火源引致之火場。對於角落火源以及牆邊火源，則是建議將 MQH 所計量而得溫昇分別乘以 1.7 以及 1.3，如此可使預測結果更接近實驗數據。針對 McCaffrey 等學者所提出閃燃預測公式有以下幾點的限制條件： 1. 達閃燃時，假設上層溫度為 600℃。 2. 不適用於快速發展的火災，且不適用在空間比較大的場所。 3. 燃料熱釋放率必須先計算出來。 4. 火災時間與材料先關性質( k ρ c )需先得知，以便計算有效熱傳係數( hk )。 5. 因於佐證的數據其實驗次數有限，其無法適用於通風控制 (ventilation-controlled)的火災情境。 D、Thomas（1981）利用簡化後的能量平衡式(式 1)，假設熱輻射損失為六分之一的總面積，因此 q& loss ≈ hc (Tg − Tw ). AT A + εσ (2Tg4 − Tw4 − T flr4 ) T …………(12) 2 6. ( Tw 為上面牆面溫度； T flr 為地板溫度). 接著假設達閃燃溫度為 600℃，空氣比熱為 1.26kJ/kg*K，進行達到閃燃的最小熱釋率估算：. 33.

(47) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. & = 7.8A + 378A h ………………(13) Q T. 其中，7.8A T 代表室內側總表面積所引致的熱損失，378A h 則是代表由開口部所流出的熱焓值。. Deal（1994）針對上述預測模式的使用限制進行分析，主要有：（1）大部分的預測模式皆立基於簡化後的質量、能量平衡、單一火場區劃以及單一開口部（主要型態為門），對於較具變化的室形以及通風形式的研究則不多見， Foote et al（1986）曾針對強制通風的室內火場進行研究。（2）預測模式多立基於實驗數據，而這些實驗空間在尺度以及長寬比（aspect ratio）上多雷同於居室空間，一般而言面積均小於 16m2，長走廊或是長形空間的研究則不多見。（3）特別的是， A T 所代表的量值在定義上有所分歧，例如：火場區劃內的總表面積、扣除區劃內地板面積後的總表面積或是扣除通風面積後的總表面積等等。再者，既有的文獻資料多為「達到閃燃的最小熱釋率」估算模式，至於進行防火性能設計所急需或是評估消防安全設備性能標準所急需的「閃燃時間之計算」，迄今尚未有可靠的預測模式。. 34.

(48) 第二章. 文獻探討. 第五節閃燃模擬與實驗比對之相關研究電腦模擬現今為火災研究的重要方向，MQH提供簡單公式來計算房間溫度和閃燃發生的可能性，ASET(Available safe egress time)藉由煙層厚度、溫度及燃燒物來預測熱釋放率，為單一房間提供火場幾個重要參數。COMPF2為簡單的區域模式，針對單一隔點，預測閃燃後的溫度，LAVENT對房間具有易熔開關通風處和窗簾進行火災的模擬，HARVARD和FIRST模擬逃生時間點對火災燃燒行為的影響。上述所提模擬多為簡單的區域模式模擬，對於複合式區域式模擬較少被研究，如BRI、CCFM和CFAST等。 CFAST為zone model的火災模擬，由美國NIST所發展。CFAST由許多數據收集模組及計算程式所組成，可用來預測許多重要的火場重要變化現象，主要功能包括計算： (1) 一個或多個燃燒物在一空間中所釋放的熱能與質量(煙與氣體)。 (2) 能量與質量經由開口(門、窗、裂縫等)或鄰接空間的傳遞，此傳遞可藉由熱浮效應或強制對流效應而發生。 (3) 熱傳遞(對流、傳導、輻射)及煙氣混合後的溫度，煙濃度與氣體濃度。從上述的各種功能說明可知 CFAST 包含了物理、化學、熱傳與流體力學等各種學理的組合，在某些領域，基礎方程式(能量、質量與動量守恆方程式)可被用來解決大部分的火場機理問題。 CFAST 模擬程式其模擬空間可由 8 至 1327 立方公尺，天花板高度變化 2.4 至 12.2 公尺，通風比例由 10％至 100％。Peacock【21】利用 CFAST 模擬程式來評估閃燃最小熱釋放率並與實驗結果和評估閃燃最小熱釋放率經驗式比較，如下圖 2-10，由圖可知，CFAST 模擬具有一定的準確度，且閃燃評估經驗式也有一定的準確性，在此需注意 35.

(49) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. CFAST 模擬在較小空間時，輻射效應顯得更明顯，使牆面傳導的熱損失增加，因此需要更多的熱釋放率來達到閃燃。圖 2-10、CFAST 與實驗分析比較. 模擬程式常進行某種程度的假設，因此模擬的預測存在一定的誤差，使用者必須清楚模式預測的限制與各種假設。. 36.

(50) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. 第三章閃燃與火載量實驗及討論本章節針對閃燃時間及火載量實驗進行評估，火載量實驗部分，針對不同用途及本土特殊之可動物試體進行全尺寸實驗，實驗設備依試體尺寸進行 10MW 或 ISO 9705 煙罩實驗。另外，在閃燃部份主要利用不同發煙量燃料進行房間試驗，閃燃判別以火焰竄出門口、地上報紙引燃、天花板溫度達 600℃及地板熱通量達 20kW/m2 等，最後將實驗所得之數據進行分析與討論。. 第一節火載量實驗 1. 試體選擇針對辦公室常見或特殊之傢俱進行可動物火載量分析，以建立我國常見或特殊傢俱火載量資料庫。傢俱購自傢俱行或中央信託局，在進行國內外傢俱比對後，針對常見辦公室或特殊傢俱進行試體的選定： (1)特殊傢俱之選定傢俱範圍甚廣，無法一一分析，藉由與國外火載量比較分析後，我們選定國內特殊的傢俱為試體： a. 神桌椅：總重量約為 85.2 公斤，為國內特殊的傢俱，神桌椅為供奉祖先或神明之傢俱(如圖 3-1)，供奉時通常會引燃蠟燭和香柱，往往為火災發生的引火源。多數材質為木頭所構成，且為大型可燃物，因此在火災中釋放出大量的熱釋放率。. 37.

(51) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 圖 3-1、神桌椅正視圖與側面圖. (2)辦公室傢俱之選定本實驗選定一般常見之辦公室之傢俱，如下： a. 辦公椅：為一般辦公室常見之可燃物，其材料多為化學複合材料，燃燒時易產生大量的煙及有毒氣體，內容物多為泡棉等易燃材料，往往提供大量的熱釋放率於火場中，其尺寸規格與材質如下圖：圖 3-2、辦公椅正視圖與側面圖. 名稱表材曲木板泡棉扶手 38. 辦公椅壓克力布料多層原木薄片熱壓成型，厚12㎜抗老化、高密度一體成型PU合成泡棉 PU自成皮鋼模發泡一體成型.

(52) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. b. 桌板：顧名思義為辦公時所使用之平台，一般材料多為塑合板所構成，其重量為 18.3 公斤。尺寸規格為 30mm 塑合版表面貼 0.8m 美耐版兩側及後緣以 PU 封邊前緣，桌面後端附 ABS 出現孔盒。圖 3-3、桌版樣式圖. c.高木櫃(規格 No1.)：本木櫃尺寸及規格依照建研所台南實驗室一樓辦公室為依據，其構材為三夾板所構成，其重量約為 52 公斤，亦為大型可燃物。圖 3-4、高木櫃(規格 No1.)樣式圖. d.高木櫃(規格 No2.)：本木櫃尺寸及規格依照建研所台南實驗室一樓辦公室為依據，其構材為三夾板所構成，其重量約為 47 公斤，亦為大型可燃物之一。圖 3-5、高木櫃(規格 No2.)樣式圖. 39.

(53) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. e.低木櫃：本木櫃尺寸及規格依照建研所台南實驗室一樓辦公室為依據，其構材為三夾板所構成，其重量約為 21 公斤。圖 3-6、低木櫃樣式圖. 2.引火源選定參照文獻回顧引燃條件，本實驗以氣體引燃器取代廢紙簍引燃，引火源如下圖 3-7，引燃氣體為丙烷(propane)。為避免試體無法被引燃，本實驗選定兩種不同熱釋放率為引燃強度，分別為 30kW 及 50kW。實驗結束後，回扣引燃器所釋放之熱釋放率即為試體所釋放出的熱釋放率值。圖 3-7、引燃器裝置. 3.引燃位置傢俱實驗引燃位置的擺設需考慮其試體燃燒特性，必須能順利 40.

(54) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. 且快速的引燃試體，一般而言火焰由下往上的延燒速度最快，因此引燃源的位置於試體下方處。對於高低木櫃引燃器於正前方緊靠試體，對於桌版試體先以鐵架支撐固定於之上，下方再以引燃之。 4.實驗程序實驗在煙罩下進行(圖 3-8)，周圍環境為一般大氣環境。首先將傢俱試體置於一量測平台，測其重量，隨後進行引燃。燃燒所產生的氣體產物則由集煙罩及排氣系統所收集，氣體再導管中流經一段距離後，隨之由取樣管抽至 CO/CO2 分析儀及 O2 分析儀進行氣體分析，因而測得熱釋放率。圖 3-8、火載量實驗示意圖. 第二節閃燃時間評估實驗 1. 燃料選定研究探討發煙量對於閃燃時間之互相關係，因此在燃料上必須選定發煙量差異頗大之燃料。藉由文獻【23】的資料，顯示醇類及丙酮 (acetone)發煙量較其他碳氫化合物小的許多，因此選定甲醇及丙酮為發煙量少的燃料；漸進選定發煙量之燃料(依序：95 無鉛汽油、正己烷、異丙醇、甲醇) ，進行 ISO 9705 房間實驗。油盤尺寸為長 30× 寬 30×高 30 公分。. 41.

(55) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 表 3-1、燃料發煙特性. 註：Somke point 為燃料燃燒時在幾公尺處產生煙層. 2. 實驗設備簡介 (1) ISO 9705 試驗房間(Test room) 試驗房間長、寬、高分別為 3.6m±0.05m、2.4m±0.05m 及 2.4m±0.05m，並有一寬度、高度尺寸為 0.8m±0.01m、2.0m±0.01m 之開口。 (2) 集煙罩及排氣導管(Hood and exhaust duct) 排氣系統主要包含集煙罩、排氣導管及可讓氣體混合均勻的擾流片。集煙罩設置於分析房間開口上方，收集從房間開口部所流出之燃燒產物並經由排氣導管抽至氣體分析儀中進行分析。 (3) O2/CO/CO2 氣體分析儀(Gas analysers) O2 氣體分析儀採用順磁性(Paramagnetic) 氣體分析儀，測量範圍 0~21% vol. O2。CO/CO2 採用非散射性紅外線(NDIR) 氣體分析儀，測量範圍為 0~1% CO 及 0~10% CO2。 (4) 熱通量計(Heat flux meter) 量測範圍 0~100kW/m2，且其具有±3%的準確度，和 0.5%以內的重複性。 (5) 熱電偶(Thermocouple) 使用 0.32mm K-type (Chromel-alumel thermocouple) 之熱電偶。 42.

(56) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. 3. 實驗程序將油盤置於房間內，並由一引火源引燃，房間內在天花板(圖 3-9)、門口角落處設置熱電偶計(樹)與地板中心之熱通量計進行溫度與熱通量測量，並使用資料擷取系統進行實驗紀錄。煙濃度及熱釋放率的量測，利用煙罩的光學分析及氣體分析系統，藉以分析不同種液體燃料的熱釋放率及發煙量，近一步評估閃燃、熱釋放率與發煙量之互相關係。圖 3-9、油盤房間實驗示意圖. 43.

(57) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 房間實驗內部相關儀器設置位置說明如下圖所示：圖 3-10、油盤房間實驗測點位置圖. 圖 3-11、油盤房間實驗熱電偶數測點高度配置圖. 44.

(58) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. 第三節實驗分析與討論 1.火載量分析 A、引火源校正實驗針對火源(引燃源)進行量測，對於引火器不同熱量(千瓦)進行氣體流量及壓力的調整，將供火載量實驗使用。測試在 ISO 9705 煙罩下進行，以 SPARKER 作為引火器，當丙烷(Propane)引燃源被引燃時，即將 SPARKER 移除。並利用 ISO 9705 集煙罩收集氣體至氣體分析儀中進行分析，每 2 秒紀錄一數據資料，導管體積流量為 3 m3/s。測試熱量(千瓦)分別為 30kW 及 50kW，分別記錄其丙烷氣體流量與壓力。測試結果如下：圖 3-12、引燃器之熱釋放率(30kW) 30kW burner 60. 50. HRR(kW). 40. 30. 20. 10. 0 0. 50. 100. 150. 200. T im e. 當丙烷氣體流量為 19.5 NL/min 壓力為 0.99 kgf/cm2 時，此時引燃源熱釋放率平均約為 29kW。. 45.

(59) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 圖 3-13、引燃器之熱釋放率(50kW) 50kW burner 80 75 70 65. HRR(kW). 60 55 50 45 40 35 30 25 20 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Time. 當丙烷氣體流量為 33 NL/min 壓力為 0.98 kgf/cm2 時，此時引燃源熱釋放率平均約為 55kW。由實驗結果可得知兩種不同熱釋放率(30 kW 及 50 kW)之丙烷氣體之流量，以兩種引火源熱釋放率來引燃本實驗傢俱試體。. 46.

(60) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. B、神桌椅試體實驗針對本土特殊傢俱進行 10MW 煙罩下實驗如圖 3-14，此外，引火源熱釋放率為 30 kW，引燃時間為 4 分 09 杪。實驗分析參數為質量損失率(圖 3-15)、熱釋放率(圖 3-16)、總熱釋放率及火載量(圖 3-17)，其結果如下：圖 3-14、神桌椅實驗示意圖. 實驗前總重為 85.2 公斤，實驗後總重為 14.3 公斤，質量損失率如下：圖 3-15、神桌椅之質量損失率質量損失率. 100 90 80 70. 質量. 60 50 40 30 20 10 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. 1600. 1800. 2000. 時間. 47.

(61) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 由下可知，神桌椅熱釋放率(Heat Release Rate)最高值約為 2.11MW 圖 3-16、神桌椅之熱釋放率 HRR. 2.5. HRR(MW). 2.0. 1.5. 1.0. 0.5. 0.0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 時間. 由下可知，神桌椅總熱釋放(Total Heat Release)約為 1026 MJ，故火載量(Fire load)為 1026 MJ。圖 3-17、神桌椅之總熱釋放率. Total Heat Release. 1200. Total Heat Release(MJ). 1000. 800. 600. 400. 200. 0 0. 200. 400. 600. Time. 48. 800. 1000. 1200.

(62) 第三章. 閃燃與火載量實驗及討論. 由於神桌之材料為木材，故本實驗亦將神桌木材單位重量之實驗發熱量(14.47 kJ/kg)與一般所採用的 17.76 kJ/kg 進行比對，差異約為 18.6％，此差異應與木材本身之木種有關。 C. 辦公傢俱實驗 (1)辦公椅實驗在ISO 9705煙罩下進行如圖3-18，引火源熱釋放率為30 kW，引燃時間為1分40秒，總時間為34分42秒。由於辦公椅材料多數為易燃的化學聚合物所構成(尺寸如圖3-19)，因此ㄧ經引燃，熱釋放率即達峰值。實驗過程中可見，起先引火源引燃辦公椅表面的化學聚合材料，使熱釋放率達一峰值，當表面材料慢慢被燒盡，熱釋放率緩緩下降；隨後當火源引燃內部材料(木材)時使熱釋放率又上升直至內部材料慢慢被燒盡。質量損失歷程如圖 3-20，熱釋放率歷程及總熱釋放如圖 3-21 及 3-22。圖 3-18、辦公椅實驗示意圖. 49.

(63) 火載量與閃燃時間評估在性能法規上應用研究. 圖 3-19、辦公椅尺寸示意圖. 實驗前總重為20.8公斤，實驗後總重為10.9公斤，質量損失率如下：圖 3-20、辦公椅之質量損失率質量損失率. 22. 20. 質量 (kg). 18. 16. 14. 12. 10 0. 500. 1000. 1500. 時間. 50. 2000. 2500.