細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）

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(1)細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 94 年 12 月.

(2) 094301070000G2012. 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 主. 持. 人：陳建忠組長. 協同主持人：張尚文助理研究員謝煒東國防訓儲研究員研. 究. 員：蘇鴻奇副研究員. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 94 年 12 月.

(3) 目次. 目次表次.............................................................................................................. IV 圖次.............................................................................................................. V 摘要.............................................................................................................. VIII 第一章緒論 .............................................................................................. 1 第一節研究緣起與背景............................................................ 1 第二節研究步驟與內容............................................................ 2 第三節國內外文獻回顧............................................................ 3 第二章細水霧特性、專利與規範研究.................................................. 11 第一節細水霧滅火設備的分類................................................ 11 第二節商用細水霧系統............................................................ 14 第三節細水霧的滅火原理與機制............................................ 15 第四節細水霧與其他滅火系統之比較.................................... 20 第五節細水霧噴頭特性檢測基準之探討................................ 22 第六節美國 UL 撒水分佈試驗與粒徑速度試驗方法 ............ 24 第七節內政部建築研究所細水霧粒徑速度量測方法............ 26 第八節研究討論 ........................................................................ 31 第九節小結 ................................................................................ 34 I.

(4) 目次. 第三章. 細水霧噴頭特性檢測研究.......................................................... 35 第一節前言 ................................................................................ 35 第二節撒水分佈試驗研究與設備建置.................................... 36 第三節粒徑量測儀試驗研究與設備建置................................ 38 第四節相差都卜勒量測設備試驗研究與設備建置................ 41 第五節照相法量測設備與技術................................................ 50 第六節標準液滴產生器............................................................ 52 第七節實驗室整合與應用........................................................ 54 第八節模擬試驗與分析............................................................ 55 第九節小結 ................................................................................ 59. 第四章. 滅火效果實驗研究 ...................................................................... 60 第一節滅火效果實驗規劃........................................................ 60 第二節實驗設備與方法............................................................ 64 第三節滅火效果結果與討論.................................................... 67. 第五章結論與建議 .................................................................................. 74 第一節結論 ................................................................................ 74 第二節建議 ................................................................................ 75 附錄(一) FM 細水霧滅火系統測試規範(節錄)................................... 77. II.

(5) 目次附錄(二) UL2167 細水霧滅火系統相關測試規範(節錄) ................... 103 附錄(三) 發明專利說明書..................................................................... 113 附錄(四) 公開特許公報......................................................................... 138 附錄(五) 密閉型自動撒水頭(CNS11254) ............................................ 155 附錄(六) 密閉型自動撒水頭檢驗法(CNS11255) ................................ 160 附錄(七) UL-2167 Standard for water mist nozzle for fire 178 protection service................................................................... 附錄(八) 自動撒水設備技術規範及試驗方法..................................... 220 附錄(九) 業務協調會會議記錄............................................................. 269 附錄(十) 第一次工作會議會議記錄..................................................... 270 附錄(十一) 第二次工作會議會議記錄 .................................................. 272 參考書目 ................................................................................................... 276. III.

(6) 表次. 表次表 2-1. 細水霧滅火系統表.............................. 14. 表 2-2. 細水霧滅火系統的滅火機制與應用範時機 .......... 18. 表 2-3. 滅火系統比較表................................ 21. 表 2-4. 撒水頭測試項目表.............................. 22. 表 3-1. 壓力與粒徑關係表.............................. 56. 表 4-1. Scotch’s Mist 提供之噴頭資料與照片 .............. 63. 表 4-2. 實驗參數總表 ................................. 64. 表 4-3. 實驗參數配置表................................ 64. 表 4-4. 滅火效果因子影響之田口式分析表................ 72. 表 4-5. 滅火效果因子影響之田口式分析結果 .............. 72. IV.

(7) 圖次. 圖次圖 2-1 撒水頭滅火原理 ...................................................................... 16 圖 2-2 細水霧滅火原理 ...................................................................... 17 圖 2-3 粒徑測量位置圖 ...................................................................... 26 圖 2-4 集水器與撒水頭裝置圖 .......................................................... 30 圖 2-5 粒徑測量位置圖 ...................................................................... 30 圖 3-1 撒水頭撒佈量測試裝置 .......................................................... 37 圖 3-2 撒水頭撒佈量測試量測情形 .................................................. 38 圖 3-3 粒徑量測儀 Malvern .............................................................. 39 圖 3-4 粒徑量測儀 Malvern 量測情形 ............................................. 40 圖 3-5 相差都卜勒顆粒分析裝置 PDA............................................. 42 圖 3-6 光線反射、折射示意 .............................................................. 44 圖 3-7 發射器與接收器設定示意圖 .................................................. 44 圖 3-8 干涉條文示意圖 ...................................................................... 45 圖 3-9 雷射交會範圍 .......................................................................... 45 圖 3-10 都卜勒激發 ............................................................................ 46 圖 3-11 接收器 1 及 2 與光線示意圖 ................................................ 46 圖 3-12 兩個接收器之相位 ................................................................ 46 V.

(8) 圖次. 圖 3-13 粒徑與相位差關係圖 ............................................................ 47 圖 3-14 孔隙板示意圖，光線可由 U1、U2、U3 進入 ................... 48 圖 3-15 相差都卜勒顆粒分析裝置 PDA 量測情形.......................... 49 圖 3-16 照相法量測設備量測情形 .................................................... 51 圖 3-17 標準液滴產生器 .................................................................... 53 圖 3-18 高壓水霧系統系 .................................................................... 54 圖 3-19 壓力與粒徑圖 ........................................................................ 56 圖 3-20 監控螢幕顯示情形 ................................................................ 57 圖 3-21 粒徑量測情形 ........................................................................ 57 圖 3-22 水平、垂直、粒徑分佈分析圖 ............................................ 58 圖 3-23 細水霧實際量測情形 ............................................................ 58 圖 4-1 不同供水壓力下，細水霧噴頭正下方 1m 處量得液滴速 61 度值.......................................................................................... 圖 4-2 不同供水壓力下，細水霧噴頭正下方 1m 處量得液滴粒 61 徑值.......................................................................................... 圖 4-3 固定壓力 30kg，水霧噴頭（Scotch＇s Mist）於不同高度的速度，粒徑於不同供水壓力下，細水霧噴頭正下方 62 1m 處量得液滴速度變化 ....................................................... 圖 4-4 固定壓力 30kg，水霧噴頭（Scotch＇s Mist）於不同高度的速度，粒徑於不同供水壓力下，細水霧噴頭正下方 62 1m 處量得液滴粒徑變化 ....................................................... 圖 4-5 水霧噴頭滅火效果實驗設施配置圖...................................... 65 VI.

(9) 圖次. 圖 4-6 實驗設備照片圖（噴頭與油盤） .......................................... 65 圖 4-7 油盤燃燒情形照片圖 .............................................................. 67 圖 4-8 水霧滅火照片圖 ...................................................................... 68 圖 4-9 為油盤基本燃燒特性的曲線圖 .............................................. 69 圖 4-10 油盤滅火性能實驗結果曲線圖 ............................................. 70 圖 4-11 油盤滅火性能分析圖 ............................................................. 71 圖 4-12 雙油盆滅火性能實驗現場圖 ................................................. 73 圖 4-13 雙油盆滅火性能實驗結果曲線圖 ......................................... 73. VII.

(10) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：細水霧、粒徑量測、速度量測一、研究緣起蒙特婁公約限制海龍滅火系統的使用，而細水霧滅火系統具有乾淨無環保公害、對人體的健康與安全無不良性的影響、滅火劑價錢低廉又易於取得等優點，被認為是極具潛力的海龍替代品。細水霧滅火系統為新科技，我國的消防法規尚無條列式的規定，必須以性能式設計，透過「各類場所消防安全設備設置標準」第三條規定，由中央消防主管機關專案審查核可後方得使用，惟國內目前尚無相關檢驗基準以及實驗設備。目前，我國對於細水霧這種新技術之相關研究少之又少，亟待收集相關研究報告及規範並進行初步實驗探討，就此系統之技術與應用，提供主管官署認識與參考之基礎資料。. 二、研究方法及過程（一）文獻收集：細水霧滅火系統的研究在我國尚屬於萌芽階段，另一方面該領域多項技術涉及商業機密與專利，國際上已發表的研究成果也有限，相較於一般案件而言，本研究之文獻整理格外重要。（二）實驗室建置：依據文獻資料及國外規範之研究成果，優先建置關鍵性之細水霧實驗設備。（三）檢測基準之研定：細水霧的粒徑極微小，介於 1mm 到 10-3mm 之間，如何精確量測正確瞭解設備的操作原理涉及光學與機械專業，量測的結果如何應用到建築物的滅火涉及建築與消防專業， VIII.

(11) 摘要. 故硬體設備之整合，以及各種專業人員知識之交流整合相當重要，透過不斷發現問題、討論、簡單模擬實驗，循環回饋的過程，研定細水霧檢測基準。（四）滅火效果實驗研究：實際應用細水霧噴頭，來對於其滅火效果作一實驗研究與探討，討論其滅火機制以及滅火性能的特性等。. 三、重要發現（一）本研究比較了細水霧與各種滅火系統的優劣與適用情形，並由細水霧的滅火原理發現：細水霧噴頭特性的「粒徑」與「速度」對滅火效果的影響極具關鍵地位。（二）比較 UL-2167 細水霧規範與我國「密閉式撒水頭認可基準」發現：細水霧工作壓力高，因此在抗洩漏試驗、液體靜壓強度試驗需嚴格要求；因為細水霧噴頭孔徑小，因此必需進行堵塞試驗；此外，細水霧並需進行粒徑與速度的試驗。（三）UL-2167 所採用的「相差都卜勒顆粒分析裝置（PDA）」在量測上有高度的技術障礙，由於對焦不準、孔隙板選用錯誤、雷射強度不夠、鏡頭被水霧附著、選用的折射模式錯誤、鏡頭角度設定、其他參數設定等情形必需考慮，操作者無法在上述無限多種可能組合之間挑出最正確的組合設定時，即無法量取結果，偵錯過程耗時動輒數月。本研究發現的鋼針對焦流程、Malvern 先行程序、透過長時間試誤法找出最佳參數設定，可讓 1 組實驗在 1 日內完成，大大縮短了實驗效率，提升本所實驗室專業門檻。（四）參照 IMO-Res.A.800、UL-2167、NFPA-750 及 FM-Class5560 等先進國家關於細水霧的的規範，並參酌實驗室設備的建置情形加上實際操作實驗的經驗研定「內政部建築研究所細水霧粒徑速度 IX.

(12) 摘要. 量測方法」乙種。（五）本研究團隊與本所 95 年委託研究案「水霧式隔煙系統之技術與應用研究（1/3）」研究團隊發明「水霧式隔煙系統」專利（草案）乙種。（六）針對噴頭滅火特性的探討發現，影響滅火速率的因子輕重分別為噴頭高度>噴水時間>噴水壓力。. 四、主要建議事項本研究針對細水霧系統火災控制與應用之研究，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。. 立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所、內政部消防署、經濟部標準檢驗局協辦機關：內政部營建署本研究所研訂之「內政部建築研究所細水霧粒徑速度量測方法」，研究過程中業採用為本所台南防火實驗群細水霧實驗室之試驗標準作業手冊外，建議未來有關主管機關有擬定細水霧規範之計畫時，可以參考本方法或為討論之藍本草案。另外，本研究收集了相當豐富的細水霧特性及規範資料以及進行實驗發現的細水霧特性、也提到了主管機關未來可協助主管機關進行相關檢測的設備，一併送請有關主管機關參考。. 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、經濟部標準檢驗局 X.

(13) 摘要. 本研究發現細水霧的滅火理論相當完美，惟經由實際實驗發現，由於動態火場現象瞬息萬變，無法動態控制細水霧依理論的模型放射，理論與實際的差異仍然相當大。本所進行細水霧實驗已經累積相當之經驗，如果各主管機關在審議案件時有實驗之需要時，得商請本所提供支援；如有研定規範草案之需要時，亦得商請本所協助進行相關之研究。. XI.

(14) 摘要. Abstract Keywords: Water mist, Particle size measurement, Particl evelocity measurement Following the ban on halon production by the Montreal Protocol, engineers and scientists have been looking for alternative fire-suppression systems to use as replacements for existing equipment and in future designs. It is of primary importance that the use of such systems does not compromise the firefighting effectiveness currently provided by halon, have negative implications for the environment nor create unacceptable safety risks. Water-mist fire-suppression systems have good potential to satisfy all of the above criteria. However, there is yet no regulation for the water mist system in the fire law. The water mist system can be used only by using performance-based design and approved by the central fire chief office. For now, we have limited understanding in this new technology. Therefore, in this project, we collect the relating research reports and regulations; in addition, we performed a basic test on the water-mist performance. In order to provide the fire chief office with basic understanding and reference on the water mist. In the two-year term project, the following tasks have been accomplished: (1) From the comparison of water mist and various fire fighting system and the fire extinguishing theory of water mist, we find the “particle side” and the “particle velocity” have crucial effect on the performance of water mist. (2) Comparing the UL-2167 with the certification norm on the sprinkler, we find it need more austerely requirement on the leaking test, static hydraulic strength test due to the high working pressure of water mist. And the blocking test is required in water mist system. Besides it is needed to perform particle size and velocity measurements for water mist system. (3) Difficulties in the measurement of water mist using PDA and Malvern, such as alignment, water mist pollution, error on the reflect mode selection, errors on the lens angle, and other parameters has been overcame.. We find it is more efficient by. using needle focusing technique and using Malvern as a preliminary tools to determine the optimum parameter. (4) By referencing the IMO-Res.A. 800, UL-2167, NFPA-750, FM-Class 5560 codes and considering the facilities in the firelab, we redact the “Particle size and velocity XII.

(15) 摘要 measurements for the water mist, Architecture and Building Institute, Ministry of the Interior”. (5) A patent “SMOKE SCRUBBING WATER MIST SYSTEM” (Draft) is developed by the research team and the research team lead by R.F. Tasi. (6) The test on the water mist extinguishing characteristics reveals that the importance of the factors controlling the performance of water mist is as follow: height of water mist nozzle > water mist injection time > water pressure.. XIII.

(16) 第一章緒論. 第一章. 緒. 論. 第一節研究緣起與目的細水霧（Water Mist）滅火系統自 1940 年代開始發展，主要是運用在例如客用輪船等特殊場所1。早期在海龍（Halon）滅火產品掘起後，因其優異的滅火效果侷限了細水霧滅火系統的發展。由於海龍滅火劑的組成物中含有會破壞大氣中臭氧層的鹵素原子（氟氯碳化物），在世界對於環境保護及永續的共識下，於 1987 年全球工業大國簽署的蒙特婁公約（Montreal Protocol）中限制了氟氯碳化物的製造，並約定於 2003 年 12 月以後必須全面停用，各國莫不積極投入研究尋找海龍滅火系統的替代產品。其中，因為細水霧系統以水為滅火劑，具有滅火劑價錢低廉又易於取得、乾淨無環保公害，以及滅火劑無毒性對人體的健康及安全無不良影響等優點，成為近年來被積極研究的海龍替代品之一。我國目前的消防設備主要規定於「各類場所消防安全設備設置標準」2 中，依該標準第 8 條規定了滅火設備包含：滅火器、消防砂、室內消防栓設備、室外消防栓設備、自動撒水設備、水霧滅火設備、泡沫滅火設備、CO2 滅火設備、乾粉滅火設備等，並沒有包含細水霧滅火設備的規範。因此，如果要設置細水霧滅火設備，應依該標準第 2 條規定應檢具證明，經中央消防主管機關認可。但是因為細水霧系統的「噴頭特性」及「滅火效果」國內尚無檢測機構及檢驗基準，因此還必須依該標準第 3 條規定檢附國外標準、國外檢驗報告以及試驗合格證明經中央主管消防機關認可始准使用。以使用在美國船舶上的細水霧為例，細水霧系統需通過噴頭特性的檢驗，以及在各該規範所設定的情境下進行滅火試驗，通過者才能登錄使用，然而通過國外特定的試驗情境下驗證. 1. NFPA 750 “Standard for the Installation of Water Mist Fire Protection Systems,” 2000 Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2000. 2 內政部消防署，「各類場所消防安全設備設置標準」， 2004. 1.

(17) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 的細水霧滅火系統，未必即能適用於我國各類場所建築物內。因此我國的消防主管機關審議細水霧系統時，基於國人生命財產安全第一的前提下，尚持保留之態度。為了我國細水霧科技之研究發展的需要，也為了業界投入細水霧應用研發需要，更為了主管消防機關進行各項審核以及未來管理制度推動的抽檢機制查驗需要，建置一個細水霧實驗室實為當務之急。本案是一個二年計畫，主要包含了細水霧噴頭特性實驗設備建置、建立實驗規範草案，利用前述設備找出噴頭特性並進行細水霧滅火實驗，分析噴頭特性與滅火效果的關連性。. 第二節研究步驟與內容. 要完成細水霧噴頭特性實驗設備建置與應用研究，必須進行的工作項目包含文獻及資料收集、細水霧系統與業界狀況調查、實驗室建置與設備整合以及測試與應用等依序進行，其研究內容重點如下：（一）文獻與資料收集方面：相對一般撒水系統而言，細水霧尚屬新興科技產品。國際間已有少數細水霧相關規範，例如 NFPA-750、UL-2167、 IMO-Res.A.800、FMRC-class5560 等，均規定其滅火效果仍須以實際試驗為主。也顯示了細水霧的滅火效果在電腦模擬以及理論推導領域的發展，尚未達到可以讓學術界以及主管機關完全信賴的狀況。在我國，細水霧的發展尚屬於萌芽階段，因此在本階段文獻收集相當重要。收集的範圍主要以國外對於細水霧系統的規範為主，可為國內研訂相關規範以及本研究案建置相關設備之重要參考，也可以利用國外細水霧規範與我國自動撒水規範相互比較，探討如何將國外的細水霧規範整合在我國既有的法規架構之內。另一方面，蒐集細水霧的滅火原理及滅火效果等相關文獻亦相當重要，如此一來才能掌握噴頭特性之中與滅火效果關連性高、重要性高者以及關鍵技術部分，經由綜合評估來決定設備建置的優先次序。. 2.

(18) 第一章緒論. （二）細水霧系統與業界狀況調查：本部分包含細水霧產品的種類與特性，除此之外，對於目前業界常用的細水霧商品以及業界的技術水準等相關資料也應一併蒐集瞭解，以確保實驗室的建置符合實際需要。（三）實驗室建置與設備整合：由於相關量測設備之原型機種，並非專門設計供消防細水霧的量測之用，在採用原本應用於機械、光學等其他領域的設備來進行細水霧量測時，亦應瞭解該設備量測之原理，方能瞭解該設備應用於細水霧量測時，量測之限制以及可能產生之誤差。再者，如何整合這些設備，熟練量測技術，並且加以修改或增添設備，使之更能夠符合細水霧量測所需，亦為重要課題。除了量測設備本身以外，對於細水霧的加壓設備、配管、噴頭量測時的移動定位系統、律定校正的設備等週邊設施如何整合，也是考量的重點。（四）測試與應用：最後，利用已經整合建置之實驗室進行模擬實驗，實驗的重點在於確認設備建置的成果，以及後續值得進一步增購設備或改進試驗方法的建議。（五）細水霧的應用：細水霧系統與目前既有的自動撒水系統同樣都是屬於水系統，究竟此二者之間之優劣為何，細水霧在建築物防火安全與避難之中，其角色定位及發展潛力之探討。. 第三節國內外文獻回顧. 一、研究報告方面 1955 年 Braidech3提出細水霧的主要滅火機制為氧氣取代效應以及冷卻效果，這些細水霧遇到火災的熱源後，蒸發為水蒸汽排擠了火源附近的空氣，使. 3. Braidech, M.M., Neale, J.A., Matson, A.F. and Dufour, R.E., “The Mechanisms of Extinguishment of Fire by Finely Divided Water”, Underwriters Laboratories Inc. for the National Board of Fire Underwriters, NY, 73P.. 3.

(19) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 得燃燒區域內的氧氣大為減少，同時這些水霧粒子也提供了降低火場溫度的冷卻效果。而最近的研究果顯示還有其他滅火機制會影響細水霧滅火設備的有效性，Mawhinney 4 等人提出細水霧的滅火機制主要滅火機制包括熱移除(Heat Extraction)、氧氣排擠效應(Oxygen Displacement)與降低熱輻射效應(Blocking of Radiant Heat)；次要滅火機制包括因水蒸汽將空氣稀釋與流場的動態效應。 Pepi5進行細水霧滅火效果與火源大小關係研究發現，6MW 噴撒火災(spray fires)滅火所需的時間介於 23 秒到 173 秒之間，但對 1MW 噴撒火災滅火所需的滅火時間卻反而增為 5 分 24 秒至 21 分 10 秒之間，可以看出細水霧對於大火源的滅火效果較佳，對於小火的滅火效果並不顯著。 Bill 等人6在樓地板面積 2800m2、天花板高度為 18m 的大空間進行細水霧的滅火實驗中，安排細水霧噴頭之間的水平間距均為 1.5m，分別針對 1MW 到 6MW 的噴撒火源以及油盤火源進行滅火實驗發現，無論是使用高壓或是低壓的細水霧滅火系統，甚至噴頭從 30 顆增加至 100 顆均無法有效的將火勢給撲滅，顯示增加樓地板的面積以及天花板的高度，會降低火源周圍細水霧粒子的 3. 濃度，因而也增加了滅火的困難度。Back 等人7則是在進行防護空間 960 m 的全尺寸火災試驗，將細水霧噴頭安裝在兩個不同高度時，在實驗所設計的火載量下，細水霧滅火系統均能在短短的 25 秒內便將火勢給撲滅，且使用的水量. 4. Mawhinney, J.R., Dlugogorski, B.Z. and Kim, A.K.,“A Closer Look at the Fire Extinguishing. Properties of Water Mist”, Fire Safety Science-Proceedings of Fourth International Symposium, Ottawa, ON, p.47. 5. Pepi, J.S., ” Performance Elevation of a Low Pressure Water Mist System in a Marine Machinery. Space with Open Doorway,” Proceedings: Halon Alternatives Technical Working Conference, Albuquerque, New Mexico, 1995, p.424. 6. Bill, R.G., Hansen, R.L and Richards, K., ”Fine-Spray Protection of Shipboard Engine Rooms,”. Fire Safety Journal, Vol.,29 1997, p.317. 7. Back, G.G., DiNenno, P.J., Leonard, J.T and Darwin, R.L., ”Full Scale Tests of Water Mist Fire. Suppression Systems for Navy Shipboard Machinery Spaces Part II- Obstructed Spaces,” Naval Research Laboratory, NRL/MR/6180-96-7831, 1996.. 4.

(20) 第一章緒論. 均不超過 100 公升。 Hansen8關於細水霧系統在機械空間火災局部防護實驗研究中發現，細水霧噴頭若能直接對火源進行防護，其滅火所需的時間會較側向(90 度)防護所需的時間來的短。另外，他的研究中也發現，當細水霧噴頭被安置在距地較高的位置時，即使都是直接對火源進行防護的情況，兩者將火勢撲滅所需時間仍會有所不同，顯示高度與噴撒角度均與細水霧的滅火效果有關。張枝成等人9則是以液滴產生器產生不同速度、粒徑與入射角來進行小火源的滅火實驗，利用高解析度攝影以微觀的角度探討上述變因對於滅火效果的影響發現，滅火效果依次為水平橫向、45 度斜向與垂直向下，同流量下大顆粒滅火效果較小顆粒佳，液滴需在有足夠動量穿越火焰的情形才能有效滅火，並推測火焰之所以熄滅是液滴引進的氣流造成空燃比（Air/Fuel）改變所致。 Dundas10統計的結果指出，Halon 或者二氧化碳滅火系統在通風狀況下無法有效將火源給撲滅的機率高達 37%。而 Pepi11的研究結果顯示，在通風條件底下細水霧滅火系統仍然可以有效的將火勢給撲滅，但是火勢撲滅的時間卻較在無通風條件下增加 30%到 70%。劉維義12則在 9.7m*4.9m*2.9m 的防護空間安排細水霧滅火全尺寸實驗驗證 FIREDUSS 火災模擬軟體可靠度，實驗結果指出，通風會降低細水霧的滅火效果，而通風量過大時甚至將使細水霧失效。. 8. Hansen, R., “Local Application of Water Mist for Machinery Protection,” Proceedings: Halon Alternatives Technical Working Conference, Albuquerque, New Mexico, 1998, p.439.. 9. 張枝成 ,“ 高速水霧滅火之實驗研究 ,” 國防大學中正理工學院兵器系統工程研究所 ,2001.. 10. Dundas, R.E, “Experience with External Fires in Gas Turbine Installations and Implications for. Fire Protection,” ASME Paper No:90-GT-375,1990. 11. Pepi, J.S., “Advance in the Technology of Intermediate Pressure Water Mist Systems for the. Protection of Flammable Liquid Hazards” Proceedings: Halon Alternatives Technical Working Conference, Albuquerque, New Mexico, 1998, p.417. 12. 劉維義“電腦數值模擬在細水霧滅火效能之應用與探討,”國立交通大學,2004.. 5.

(21) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. Zhigang Lu13的報告中指出細水霧滅火系統的滅火性能與火源的位置以及細水霧滅火系統本身的特性有關。在使用高壓細水霧防護的情況下，只有在門口附近的實驗火源的滅火時間會受到通風條件的影響，而當細水霧系統改為雙向低壓細水霧系統時，門口附近以及實驗空間內的實驗火源的滅火時間均會受通風條件的影響。可知低壓的細水霧產生的動量比高壓細水霧低，因此，外界的空氣仍有足夠的動能穿透水幕因而造成滅火時間的增加。 Will Koroluk 14 在 CABA 的一項初步的研究顯示細水霧滅火系統若以一個間歇性進行防護，其結果較以持續性放射的滅火性能來的好。Kim 等人15 在全尺寸火災實驗中顯示，在強制通風的測試條件下，使用連續性放射的細水霧滅火系統，無法將有遮蔽的油盤火源給撲滅。但是，若將連續性放射方式改為間歇性放射時，在相同通風條件下，細水霧滅火系統卻能將火勢撲滅。而實驗中所測量到的最低氧濃度為 16% 而最大的二氧化碳濃度是 3.3%，顯示有效撲滅火焰時，防護區域內的氧濃度尚在人員可以存活的下限之以上。另外，在 Kim 所規劃的另一火災發現間歇性防護情況下，在天花板附近的氣體溫度比連續性放射來的高。其原因是間歇性放射的情況下，原本被抑制的火勢迅速恢復，在天花板附近的熱氣體的濃度增加，而當細水霧滅火系統再次開動時，會有更多的水蒸汽在測試空間內生產，因而提升細水霧滅火系統的滅火效力。 3. Erdem 等人16在防護空間為 80 m 的機械空間實驗中指出，在天花板以牆壁兩. 13. Liu, Z.G, Kim, A.K. Su and J.Z .,“Examination of Performance of Water Mist Fire Suppression System under Ventilation Conditions” Journal of Fire Protection Engineering, v.11, no.3, August 2001, pp.164-193.. 14. Will Koroluk, “Tests Show Effectiveness of Cycled Discharge from Water Mist Fire Protection Systems” Published in CABA home & Building Automation Quarterly, 1998, pp.28-29.. 15. Kim, A, “Overview of Recent Progress in Fire Suppression Technology ”, Invited Keynote Lecture. at the 2nd FRIFD Symposium, Proceedings, Tokyo, Japan, July 17-19, 2002, pp.1-13. 16. Erdem A. Ural and Robert G. Bill, Jr. “Fire Suppression Performance Testing of Water Mist. Systems for Combustion Turbine Enclosures” Factory Mutual Research Corporation 1151. 6.

(22) 第一章緒論. 側分別安裝 6 顆以及 8 顆細水霧噴頭，20 秒放射 20 秒停止放射的防護情況底下，細水霧滅火系統能有效的將火給熄滅並且成功滿足 FMRC 對於機械空間防護的操作試驗協議要求。陳俊勳17,18於 6.1m×3.5m×2.9m 的防護空間安排 1m×1m 油盤火源，分別在有遮蔽及無遮蔽的狀況下進行滅火效果實驗發現，無論是傳統撒水防護或者是細水霧防護，在有無遮蔽的情形下均能將火源撲滅，但是依所需的滅火時間顯示細水霧系統優於一般撒水系統。6 顆與 4 顆細水霧噴頭滅火實驗所需的滅火時間分別為 44 秒及 73 秒，而用水量分別為 23.21 公升及 25.01 公升，顯示 6 顆噴頭滅火效果比 4 顆佳但是用水量卻差不多。以 FIREDUSS 及 FDS 模擬發現，二氧化碳滅火需要 57 秒、細水霧 114 秒、一般撒水系統則需 170 秒其滅火效果最差。. 二、有關規範方面簡賢文19在比較了 IMO-800、UL-2167、NFPA-750、FMRC 及國內一般消防撒水頭的規範之後，認為 UL-2167 有關於噴頭特性的檢測方法較符合我國訂定未來規範所需。 NFPA-75020是美國國家防火協會（NFPA）所提供，並於 2000 年被認可為美國國家標準，為細水霧滅火系統的主要規範，主要是規定細水霧系統的設. Boston-Providence Turnpike . 17. 陳俊勳“細水霧滅火系統技術研發之規劃研究,”內政部建築研究所,2003.. 18. 陳俊勳“滅火系統技術研發之規劃研究-細水霧滅火系統技術研發之規劃研究（2）,”內政部建築研究所,2004.. 19. 簡賢文“細水霧滅火系統審查作業制度與認可基準之研究,”財團法人消防設備中心基金會,2002.. 20. NFPA,“NFPA 750 2000 edition: Standard on Water Mist Fire Protection Systems”, National Fire Protection Association, Quincy,. 2000.. 7.

(23) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 計、裝置、檢修及測試的基本要求，在開宗明義即說明細水霧系統要控制、壓制或撲滅火災，仍須經過（其他規範或協定的）火災試驗並經登錄才能信賴其可靠性。依該規範定義細水霧為 99％體積粒徑必須小於 1000μm （即 Dv0.99 ＜1000μm）者稱之。其管系壓力 500psi（約 35kg/cm2）以上為高壓細水霧，在 500 到 175psi 間為中壓、在 175psi（約 12.3kg/cm2）以下為低壓。主要內容包含細水霧系統元件項目及基本要求、設計查驗及檢修應注意的事項（包含幫浦、配管、水力計算及其他設計事項等）、必要的書圖文件以及海上系統除了依本規範外還要遵守海事組織（IMO）的規範等。在美國常透過保險公司規範的機制來補足政府機關法令規定的不足， UL-216721是 UL(Underwriters Laboratories, Inc.)針對細水霧的管系與噴頭特性以及滅火效果提出之試驗規範，於 2002 年被認可為美國國家標準，在系統及噴頭特性方面包含了水滴粒徑大小與速度(Water Droplet Size and Velocity)等 29 個主要試驗項目的試驗基準。滅火效果方面則有船舶機械空間三類、船舶乘客客艙空間、船舶公共區域、輕度危險、普通危險Ⅰ類、普通危險Ⅱ類空間等 8 種實驗情境的試驗基準。FM-Class5560 則是 FMRC(Factory Mutual Research Corporatuon)提出可適用於細水霧滅火效果之試驗規範，包含了氣體渦輪機房 2 種、機械空間、濕式清洗台、輕度危害空間、工業用油鍋、小油池局部放射等七種情境。 IMO-Res.A.800 則是海事組織 IMO（International Maritime Organization）提出的撒水系統認可基準，附錄中包含了細水霧噴頭的組件以及客船住宿區、公共區及服務區等場所滅火效果試驗的規範。我國消防設備的設計、裝置的主要規定為「各類場所消防安全設備設置標準」，其中「水霧」滅火設備的相關規定，包含適用範圍、幫浦、配管、水源及其他設計事項等等，規定管系最末端噴頭壓力需大於 2.7kg/cm2，對於「細. 21. UL,UL 2167 2002 edition: Request for Comments on the Proposed Fire Edition of the Standard for Water Mist Nozzles for Fire-Protection Service”, Underwriters Laboratories Inc., 2002.. 8.

(24) 第一章緒論. 水霧」系統則無規定。已公告水系統相關原件的認可基準包含「密閉式撒水頭認可基準」、「泡沫噴頭認可基準」、「一齊開放閥認可基準」、「流水檢知裝置認可基準」、「消防幫浦認可基準」等，可資參考。. 三、文獻回顧小結由以上的文獻回顧可以瞭解，目前細水霧的定義已經明確化，即 Dv0.99 ＜1000μm。其滅火原理亦有相關理論基礎，並有 FIREDUSS 等軟體可以進行初步的火災模擬，但是無論是模擬軟體的可靠性或者是細水霧的滅火效果與適用範圍均仍處於持續研究與驗證階段。由前述文獻的實驗結果可以證明細水霧用來滅火是有效的，但是滅火效果可能受到火源大小、空間大小、高度及通風狀況的影響，也會受到噴頭配置、數量、噴射角度、水滴大小與動能的影響，而適當的間歇式放射可能會提升滅火效果。由前述 Hansen 與張枝成均針對噴射角度進行實驗探討而結論卻不同，Bill 及 Back 均為進行大空間細水霧滅火實驗其能否滅火的結論也不同，說明了分析細水霧的滅火效果時，必須格外注意該項研究的假設條件以及實驗條件。顯見細水霧的滅火效果仍有很大的研究空間。由國外關於細水霧的規範可以發現，主要可以分為「一般設計原則」、「噴頭特性試驗」、「滅火效果試驗」三大部分，一般設計原則方面以 NFPA-750 為主，噴頭特性試驗則 UL-2167 及 IMO-Res.A.800 有試驗規定範，滅火效果試驗則是 FM-Class5560 以及 UL、IMO 有試驗規定，但是僅適用於規範中所設定的情境類似場所，目前規範的情境以船舶空間及機械空間居多，建築物各類場所適用的情境較少，有待持續研究建置。美國 NFPA 規定中、高壓「細水霧滅火設備」工作壓力的級距為 12.3kg/cm2 及 35kg/cm2 以上，而國內規定「水霧滅火設備」末端工作壓力在 2.7kg/cm2 以上，顯示兩者不盡然相同。我國目前雖然尚無細水霧相關規定，但既有水系統相關規定仍具有高度參考價值，在「一般設計原則」方面有各類場所消防安全設備設置標準關於水霧滅火系統的規定，「噴頭特性試驗」方面則有「密閉式. 9.

(25) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 撒水頭認可基準」、「泡沫噴頭認可基準」、「一齊開放閥認可基準」、「流水檢知裝置認可基準」、「消防幫浦認可基準」等，可資參考。. 10.

(26) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 第二章細水霧特性、專利與規範研究第一節細水霧滅火設備的分類細水霧系統是一種利用非常小的水霧來進行滅火的系統。非常小的水霧能夠冷卻火焰，產生的水蒸氣能夠稀釋氧氣並阻隔熱輻射，進而達到抑制火災（ Fire Suppression ）、控制火災（ Fire Control ）或撲滅火災（ Fire Extinguishment）。整個系統的主要原件包含水槽、加壓裝置、配管、噴頭。其種類可依放射方式區分、依工作壓力區分、依加壓裝置區分、依作動方式區分、依細水霧產生方式區分等，分述如下：. 一、依放射方式區分（一）全區放射系統：全區放射系統是設計用來針對整體防護區域提供完整的防護，可藉由手動或自動方法，同時啟動被防護區內所有噴頭，以達防護效果。（二）分區放射系統：分區放射系統屬於將防護空間分區防護的系統，設計上分區放射系統應由感知用自動噴頭或獨立偵測系統啟動預定分區所有噴頭。（三）局部放射系統：局部放射系統是設計用來針對防護對象物提供完整防護的系統，局部放射系統可用來防護封閉空間、非封閉空間或戶外環境中之物體，局部放射系統應由感知用自動噴頭或獨立偵測系統所啟動。. 二、依工作壓力區分細水霧滅火系統依操作壓力依據 NFPA-750 的規範，可以分為高壓、中 11.

(27) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 壓及低壓等三種系統: （一）高壓系統：細水霧滅火系統管路壓力大於或等於 500psi(34.5bars) （二）中壓系統：細水霧滅火系統管路壓力，小於 500psi (34.5bars)，大於 175psi (12.1bars)。（三）低壓系統：細水霧滅火系統管路壓力小於或等於 175psi (12.1bars)。. 三、依加壓裝置區分細水霧滅火系統之加壓裝置視其使用之流體類型而異，並非單指送水之功能，故稱之為壓力源較為適當。以下為幾種壓力源為細水霧滅火系統較常採行之方式。（一）消防幫浦：單流系統中一般採行此種方式，通常採用多段式消防幫浦以達高揚程之輸出。（二）高壓鋼瓶：通常用於雙流式系統，適用於供電可靠度較低之場所，無需藉由消防幫浦之加壓，僅以微弱之控制電源即可起動鋼瓶放射。此種系統的作動方式為一組氣體管路至水槽加壓帶動內部水源放射，另一組氣體管路在噴頭前端與水流配管匯集幫助水滴霧化。（三）空氣壓縮機：通常用於雙流系統，由空氣壓縮機加壓，一組氣體管路放射至水槽，加壓帶動內部水源放射，另一組氣體管路在噴頭前端與水流配管匯集幫助水滴霧化。（四）消防幫浦+高壓鋼瓶：通常用於雙流式系統，液體由消防幫浦加壓，氣體由高壓鋼瓶供給，兩組管路在噴頭前端配管匯集。（五）消防幫浦+空氣壓縮機：通常用於雙流式系統，液體由消防幫浦加壓，氣體由空氣壓縮供給，兩組管路在噴頭前端配管匯集。. 12.

(28) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 四、依加壓裝置區分細水霧滅火系統的動作方式可區分為開放式、密閉濕式、乾式及預動式，分述如下: （一）開放式(Deluge System)：開放式系統必須使用開放式噴頭，本系統管路經由一控制閥與供水管路連接，該控制閥的動作由裝設於與細水霧噴頭同區的獨立式偵測系統所控制，當系統作動時，水經由管路流至該區放射，適用於火災有迅速蔓延之虞的場所。（二）密閉濕式(Wet Pipe)：濕式系統使用自動噴頭，平時管內貯滿高壓水，細水霧噴頭感測火場作動時即迅速撒水，較適用於一般場所。（三）預動式：預動式系統必須使用自動式噴頭，系統管路內為加壓空氣，在與細水霧噴頭同一放射區中，裝置一獨立式偵測系統，用以控制管路控制閥，當偵測系統動作時，管路控制閥打開，加壓水經由管路流至噴頭處，等待自動式噴頭作動，才會開始撒水，此系統由於具有雙重確認之功能與提早偵知及防止誤動作之特性，適用於高價值對象物之保護。（四）乾式(Dry Pipe)：乾式系統必須使用自動式噴頭，系統管路內為加壓空氣，藉由管路內壓力的流失啟動管路控制閥，當管路控制閥打開後，水流入管路，至動作的噴頭處放射。細水霧噴頭動作時先排空氣，繼而撒水，因有延遲撒水之虞，故一般使用於可能結冰之場所。. 五、依細水霧產生方式區分細水霧滅火系統依細水霧產生之方式可分為單流系統與雙流系統等二種，分述如下：（一）單流系統(Single Fluid System)：系統僅供應一種流體(水)，藉高壓由單一管路輸送至噴頭，由精細的孔徑放射出微細之水滴。 13.

(29) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. （二）雙流系統(Twin Fluid System)：系統以兩種流體供應，一組管系輸送液體(通常為水)，另一組管系輸送氣體(通常為氮氯或空氣)，兩組配管在噴頭前端匯集，氣液混合後輸送至噴頭，以氣體幫助水滴霧化。. 第二節商用細水霧系統由於國內尚無細水霧的規範，安裝者必須經過中央主管機關審查認可程序上較為繁複，國內的商用細水霧市場尚未普及，仍以仰賴進口為主，茲整理國外細水霧系統如下：. 表 2-1 細水霧滅火系統表. （資料來源：文獻 19） 14.

(30) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 雙流系統是在噴頭出口處注入空氣產生細水霧可以允許採用較低的工作壓力但是實務上配管較為麻煩，單流系統則是利用高壓或噴頭內部的摩擦撞擊產生細水霧。由上表可知，仍以單流為主，壓力則介於 12bar(約 12.2kg/cm2) 到 120 bar(約 122kg/cm2)之間。國內既無細水霧相關規範，必須經過中央消防主管機關審查認可才能使用，曾有數家代理商的細水霧產品通過消防署的型式認定，嗣因消防署取消通案認可改採個案審查，故目前國內市面上尚無審查通過的細水霧系統。國內亦有部分從事農業用噴霧業者有意投入細水霧系統開發，從既有的農業用噴霧技術加以改良，經實際訪查結果發現，目前技術上的瓶頸在於既有的農業用噴霧頭單一噴頭水量過小以及水霧的動能太小無法穿越火源有效攻擊火源中心，透過一個改良式的噴頭來連接數個農業用噴霧頭並且加長噴嘴來提高細水霧的速度也許可以解決上述問題，日本公開特許字號：特開 2002-336370 號受有智慧財產權保護之產品得參考之。國內也有多項關於細水霧的專利技術例如：消防用水霧噴頭結構改良、水霧噴頭結構改良等可資參考。本研究進行時，本研究團隊部分研究人員與與本所 94 年度委託研究案「水霧式隔煙系統之技術與應用研究（1/3）」研究團隊，共同開發「水霧式隔煙系統（Smoke Scrubbing Water Mist System）」之專利研發，已有初步成果。. 第三節細水霧的滅火原理與機制傳統的撒水頭滅火原理，主要是利用經由撒水頭所產生的水滴，進到火場中，受熱蒸發進而移除燃燒產生的熱量，使得火源熄滅，或者直接沾濕可燃物表面，減少可燃物再次被引燃的機會，而達到滅火或者控制火災目的。簡單來說，撒水頭只有控制住燃燒三要素（熱量、燃料、氧氣）中的熱量部 15.

(31) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 分（如圖 2-1）。由於撒水頭的撒佈特性比較偏向集中式的噴撒，因此對於撒水頭正下方的火源可以有效控制住，但是在外緣的部分則是無法有太大的作用，為了確保火場能夠被有效控制，因此撒水頭的撒水量設計上，往往會比滅火所需的水量來得多，或者是使用高密度的撒水頭分佈來確保滅火的可靠性。這樣的設計所衍生的問題就是火災後的水損往往逼近於火災本身所造成的財物損失。. 圖 2-1 撒水頭滅火原理. heat fuel oxygen. Sprinklers 細水霧係利用高壓水柱流經水霧噴頭，經由高壓的作用，配合設計過之噴頭，產生細水霧。在 NFPA 750 中，細水霧的定義是：在最小設計工作壓力下，距噴嘴 1m 處的平面上，測得水霧粒徑最大部分的微粒直徑 Dv0.99 不大於 1000μm，依照水霧顆粒大小，細水霧分成三級，第一級水霧 Dv0.9=200μm 以下，為最細的水霧；第二級細水霧則是 Dv0.9 介於 200~400μm 之間，此種水霧可由高壓噴嘴、雙流噴嘴或許多對衝式噴嘴產生，其流量會較第一級水霧來得大；第三級水霧，則是 Dv0.9 > 400μm，此種主要由中壓、小孔噴霧頭產生。不同於撒水頭的滅火只針對熱量移除處理，細水霧在滅火原理上除了利 16.

(32) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 用水的蒸發來移除熱量進而控制火源之外，更可經由水在受熱蒸發成水蒸氣時，體機會膨脹 1700 倍的物理特性，達到燃燒場中氧氣移除的功能。由於細水霧滅火受熱產生水蒸氣，可吸收火源附近的熱量，並且同時稀釋了火焰附近的氧氣濃度，窒息燃燒反應（如圖 2-2），且有效控制火場的熱輻射，因此可有效地控制火災。此外，細水霧啟動所需的水量會明顯比撒水頭來得少，因次對於災後造成的水損較撒水頭少很多。. 圖 2-2 細水霧滅火原理. heat fuel oxygen. Water mist steam smothering at flame front. 維持火源繼續燃燒的三要素為不斷供應的燃料（可燃物）、不斷供應的氧氣（助燃物）以及最小發火能量以及維持燃燒繼續所需的熱源（熱量），上述三要素以外更有連鎖反應共同組成所謂的燃燒四面體。針對上述的燃燒要素只要移除其中之一即可滅火，分別為以移除法移除可燃物、以窒息法移除助燃物、以冷卻法移除熱量以及以破壞連鎖反應來中斷火焰燃燒的化學反應。一般的撒水系統通常以大量的水直接澆置於火源吸收火源的熱量（冷卻法），並且沾濕正在燃燒或者是旁邊尚未引燃的可燃物，使之無法續燃或引燃（移除法）來達到滅火的功效；至於氣體滅火設備如 CO2 則主要以窒息法 17.

(33) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 滅火；海龍則主要以破壞火的連鎖反應來滅火。我們由前節所摘要的文獻所載細水霧的滅火原理可窺知，細水霧是利用微小水滴噴撒於火場，利用水滴遇到火源後迅速汽化吸收大量的熱能（冷卻法）、而水滴汽化後膨脹 1700 倍，所產生大量的水蒸氣稀釋火源周邊的氧氣（窒息法）為主要的滅火機制。由此可知，一般撒水系統與細水霧的滅火原理有其相異之處。細水霧滅火的模型上，假設細水霧能夠攻擊到火源核心始汽化，則可以冷卻火源，吸收火源處大量的熱量使火源無法維持持續燃燒所需之最小熱能，另一方面，迅速汽化所產生的水蒸氣亦排擠稀釋了火源周邊的氧氣，對於滅火有冷卻與窒息的雙重效果。然而，如果細水霧水滴在火源的遠處即已汽化，則只能俟整個空間的水蒸氣到達 0.4 倍的室內空間體積以上，以降低密閉空間氧氣濃度窒息火源的方式來滅火，情形如同全區放射式氣體滅火系統（如 CO2）一般，其效果自然遠遜於直接攻擊火源的情形。因此水滴能否攻擊火源的核心或者是在行進的過程即已汽化，對於滅火效果有關鍵性的影響。細水霧的滅火效果取決於其吸熱率，這與噴霧的通量密度、平均粒徑、火場留置時間等相關，而火場中的氣流可能改變霧滴的路徑和噴霧通量的分佈、且對吸熱率影響很大，尤其是在火焰的根部。而噴頭特性中之水霧「粒徑」與「速度」關係著水霧在火場中停留的時間，水霧能否順利汽化吸熱並產生水蒸氣稀釋氧氣、或者是沾濕防護對象物在水損最小的情形下來滅火，直接影響了水霧系統的適用範圍與滅火效果，在噴頭特性的實驗時應優先探討。. 表 2-2 細水霧滅火系統的滅火機制與應用範時機細水霧系統滅火機制應用時機熱移除 18. 細水霧系統的有效防護範圍、動量以及質流率，.

(34) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 必須足以吸收燃燒時產生的熱氧氣取代. 滅火方式︰ 1.蒸發的水圍住火源，形成隔絕 2.增加細水霧粒子的動量迫使水蒸汽進入火的基部. 熱輻射衰減. 細水霧必須︰. 對未燃燒的表面. 1.將火源與外界和隔絕. 對燃燒表面. 2.透過火焰. 蒸汽/ 空氣稀釋. 1.對於油池液體燃料（liquid fuel pool）或者噴撒. 透過水蒸汽. 火災（spray fire）, 細水霧系統必須有包圍火源或者稀釋在燃料表面上方空氣分佈 2.噴嘴設計可以影響進入火源內部空氣，因此稀釋火源周圍空氣. 透過產生的空氣. 動力效應︰ 1.降低火焰速度. 1.適用於爆燃(deflagration)的情況, 透過降低控制速度的那些火焰的前面，所造成壓力過大(overpressure )爆炸. 2.加速燃燒反應. 2. 細水霧可能抑制或者鼓舞燃燒（資料來源：文獻 18） 19.

(35) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 第四節細水霧與其他滅火系統之比較一、細水霧系統與其他水系統之比較自動撒水系統是 A（普通）類火災場合最常被應用的滅火設備，其優點為以水為滅火劑，價格低廉容易取得而滅火效果備受肯定，然而其最為人詬病之處為水損嚴重。在使用限制上，因為水的比重比油大，使用自動撒水設備反而會讓油類火災蔓延的危險，因此 B（油）類火災不能適用，以及 C（電器）火災會有感電的危險也不能適用。泡沫滅火系統可以說是自動撒水系統的進化產品，在滅火劑（水）中加入發泡劑，利用泡沫懸浮於油面之上隔絕燃燒所需的氧氣，可以用來撲滅 B 類火災。細水霧的滅火藥劑同樣為水，因此也具有價格低廉容易取的的優點，因其噴撒的水滴遠小於自動撒水設備的水滴，在攻擊火源時能夠迅速汽化，將水的滅火效果發揮到極限，也因此除了能夠以更少量的水更有效率的滅火外水損極小。由於汽化的水蒸氣隔絕氧氣以及未汽化的水滴直徑極小，因表面張力的緣故可以懸浮在油面上，因此可以適用在 B 類火災，由於水滴已經汽化而未汽化的水滴粒徑小於電路版線路的間距，因此控制得宜的話也可以用在 C 類火災的場所。然而，欲產生細水霧的方式（如前述）採用雙流系統在噴頭處加壓空氣使用上不甚方便，常用的單流系統則需要比自動撒水系統高出十數倍的工作壓力，因此無論加壓系統或者是配管等方面，都比自動撒水系統昂貴許多。而最關鍵的，如欲達到上述功效，則勢必需將噴撒水量控制在比滅火所需臨界水量大一些就好，然而面對瞬息萬變的火場，如何隨著火場的變化來動態控制水霧的噴撒是一個值得研究的領域。總而言之，細水霧系統比自動撒水系統適用的場合廣、並具有低水量、低水損的優點；但是同時高壓力的加壓系統與配管需求費用昂貴以及滅火效果與控制技術尚未成熟為其缺點。 20.

(36) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 二、細水霧系統與氣體滅火系統之比較氣體滅火系統對於防護物而言，是最乾淨的系統，滅火後即無殘留物是其最大的優點。其中以海龍系統滅火效果極佳，用極少量的海龍即可撲滅大量的火源，可以節省許多滅火劑的儲存空間。相對而言，CO2 系統的滅火效能不如海龍，因此滅火藥劑需要數倍的儲存空間，另一方面因為高壓液態的 CO2 在噴嘴汽化吸熱結冰結露的情形也比海龍嚴重。氣體滅火系統的價格高於自動撒水系統，因此 A 類火災的場所使用自動撒水系統者居多，而 B、C 類火災的場所，尤其是高科技廠房則會考慮使用氣體滅火系統。海龍滅火系統的滅火機制為破壞連鎖反應與窒息作用，CO2 的主要滅火機制為窒息作用，防護空間小而密閉有助於提昇防護效果，以全區放射型而言，進行滅火時必須自動關閉門窗，防護區內的人員必須進行疏散否則會有窒息中毒的危險。細水霧系統的適用範圍與氣體滅火器相同，一般認為細水霧不僅防護區域內的人員不必疏散，反而因為細水霧汽化時會吸收大量的熱量使的火場溫度下降，另一方面，細水霧的總表面積大會吸附洗滌大量的煙毒等，有利於人員避難。不過也有學者認為細水霧的滅火機制包含窒息作用，因此在密閉空間施放細水霧時，亦宜注意是否產生窒息或使得火焰在低氧燃燒下產生大量的 CO 毒氣致人於死。. 表 2-3 滅火系統比較表特性/作用. 適用火災. 污染環境. 有毒性. 疏散計畫. 其他缺點. 海龍(Halon). ABCK. 是. 是. 是. 禁用. 二氧化碳(CO2). ABC. 是. 是. 是. 結露. 水系統(Sprinkler). A. 否. 否. 否. 水損. 否. 否. 否. 效果疑義. 細水霧(Water Mist) ABC. 21.

(37) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 第五節細水霧噴頭特性檢測基準之探討 IMO RES.A.800 以船艙為主要考慮之使用空間，測試條件以海上之環境為參考依據。UL-2167 與 IMO 試驗內容大致相同，惟試驗條件稍有修改，對於不同噴頭（自動噴頭與開放式噴頭等），有更明確之試驗要求，內容也更完善，因此簡賢文. 19. 建議以 UL-2167 為研訂國內細水霧規範之主要參考依. 據。自動撒水設備之撒水頭與細水霧噴頭在構造上及裝設使用上，有許多相似之處，故可參考國內之「密閉式撒水頭認可基準」。首先整理出 UL-2167 與密閉式撒水頭認可基準檢測項表列目如下：. 表 2-4 撒水頭測試項目表 UL. 我國. 編號撒水頭測試項目（細水霧）（水系統） 1. 標稱動作溫度(Nominal Operationg Temperatures). ○. ○. 2. 作動溫度測試(Operation Temperature Test). ○. ○. 3. 流量測試(Water Flow Test). ○. ○. 4. 水量分布測試(Water Sistribution Test). ○. ○. 5. 水滴粒徑大小與速度(Water Droplet Size and Velocity). ○. 6. 功能測試(Function Test). ○. 7. 迴水板/限流孔配件測試(Deflector/Orifice Assembly Test). ○. 22. ○.

(38) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 8. 本體強度測試(Body Strength Test). ○. ○. 9. 玻璃球元件強度(Strength of Glass Bulb Elements). ○. ○. 10. 易熔元件強度(Strength of Fusible Elements). ○. ○. 11. 抗洩漏(Leak Resistance). ○. 12. 液體靜壓強度(Hydrostatic Strength). ○. 13. 熱暴露(Heat Exposure). ○. ○. 14. 熱陡震(Thermal Shock). ○. ○. 15. 腐蝕測試(Corrosion Tests). ○. ○. 16. 噴頭塗層完整性(Integrity of Nozzle Coatings). ○. 17. 水錘測試(Water Hammer). ○. 18. 動態加熱(Dynamic Heating). ○. 19. 風洞測試(Plunge Test). ○. 20. 延長風洞測試(Prolonged Plunge Test). ○. 21. 耐熱測試(Heat Resistance). ○. 22. 振動(Vibration). ○. 23. 粗糙處理測試(Rough Usage Test). ○. 24. 衝擊測試(Impact Test). ○. 25. 橫向放射(Later Discharge). ○. 26. 30 天耐洩漏( Thirty-Day Leakage Resistance). ○. 27. 耐真空(Vacuum Resistance). ○. 28. 堵塞測試(Clogging Test). ○. ○. ○. ○. ○. ○. 23.

(39) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 29. 抗凍測試(Freezing Test). ○. 由上表的檢驗項目可以看出，噴頭的物理性能（本體及元件強度）、耐蝕性能、作動性能等規定兩者均有。可以看出國外細水霧規範要求的檢驗項目較多，由於細水霧系統的工作壓力高出自動撒水系統甚多，因此對於抗洩漏耐壓性有較嚴格的要求；由於細水霧噴頭的孔徑極小容易堵塞，因此需進行堵塞試驗；特別值得注意的是，水滴粒徑大小與速度試驗這個項目關係著細水霧的滅火效果，也是最為關鍵的部分。. 第六節美國 UL 撒水分佈試驗與粒徑速度試驗方法 UL-2167 對於細水霧粒徑與速度試驗規定於第 14 節及第 15 節，需先進行水分佈試驗來決定量測範圍的直徑 D，然後再量測規定的 24 個量測點的粒徑與速度，試驗方法如下：（一）撒水分布測試 1.噴頭的放射特性根據以下的步驟 2 到步驟 7 進行。 2.測試在一個具有最小尺寸 7×7m 的測試室進行或在最大覆蓋區域 300%測試區進行(取較大者)。1 顆單獨的開放式噴頭及 4 顆開放式噴頭配置以製造商設計安裝手冊規範的最大間距安裝在方形區域內。 3.對於向上式噴頭，天花板與配管間距離為 50mm。對於垂吊式噴頭距離為 275mm，或依製造商設計及安裝手冊的規範。對於沒有配管的噴頭，距離的測量為從天花板測量到噴頭出水口。 24.

(40) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 4.嵌壁式、flush、及隱藏式噴頭安裝在人造天花板上，天花板尺寸不能小於 6×6m，噴頭對稱排列在測試室內，噴頭依製造商設計及安裝手冊之規定安裝在天花板上。 5.在一個正方形格局內的樓地板上放置足夠數量的集水器，集水器尺寸為 305×305mm。依製造商設計及安裝手冊所說明防護區大小，並在此防護區取一個 90 度弧形防護區域收集放射的水。安裝一個單獨的噴頭在垂直下降的位置，如此一來集水器頂部與噴頭出水孔水平面距離為 1m。 6.依製造商設計及安裝手冊規範，測試符合最小放射壓力時的水放射流量，持續最少 10 分鐘，同時紀錄每一個集水器收集到的水量。集水器最小的正方形模型至少要包含最少全部放射水的 22.5%。沿著正方形模型邊緣延長至二倍數量的集水器，即可假設為放射模型的直徑 D。 7.測試在最大放射壓力的流量，重複同樣的測試流程。 8.當放射樣品超過動作壓力範圍須進行額外的火災測試時，流量分布的測試結果可用來決定放射的樣式。. （二）水滴大小與速度 1.水滴大小與水滴速度分布應跟據以下步驟 2 的規範在 24 個測量位置判定，如下圖 2-3 所示。以距離細水霧噴頭中心軸 0.203D、0.353D、 0.456D 的位置測量水滴大小與速度，其中 D 為放射模型的直徑，從噴頭出水孔到測量點平面的距離應為 1m。 25.

(41) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 圖 2-3 粒徑測量位置圖. 2.測試須針對製造商指定的最小或待機及最大操作壓力量測平均水滴直徑、速度及粒徑大小分布。在資料收集後，使用 Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liquid Drop Size Analysis ,ASTM- E 799(1992)所述的方法，決定取樣數量、級距分類、粒子大小特性及粒徑大小分布測量方式。 3.當系統使用超過動作壓力範圍，須進行額外火災測試，也需據此判定水滴粒徑大小及速度測量的結果。細水霧的粒徑量測範圍需包含 50-2000 microns 的範圍。. 第七節內政部建築研究所細水霧粒徑速度量測方法依據上述撒水分佈試驗、粒徑與速度量測試驗的規範，並配合既有實驗設備的操作，經本研究之研議，訂定了「內政部建築研究所細水霧粒徑速度量測方法」乙種如下，該方法除了納入本所台南防火實驗群-細水霧實驗室的 26.

(42) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 操作規範之外，亦可提供國內細水霧研究團隊之參考，並期待未來技術更為成熟後得為中國國家標準（CNS）或者是消防主管機關訂定規範之參考。（一）適用範圍：本量測方法用於量測細水霧噴頭撒水分佈情形、粒徑分佈情形、及粒徑與速度。（二）用語定義： 1.細水霧：體積粒徑 99％以上之直徑在 0.5 到 1000μｍ以下之水滴。 2.細水霧噴頭：可產生細水霧的噴頭。 3.最大覆蓋區域：在假設防護區域高度為 3M 的情形下，依噴頭設計手冊所標稱之有效防護面積。 4.移動台架：用來固定細水霧噴頭，並可以使細水霧噴頭在空間中 X、 Y、Z 方向移動定位之台架。 5.量測直徑 D：用來定位量測點之直徑。（三）量測儀器 1.集水器：長寬各為 305mm，高度應足以容納實驗進行中撒水頭水量之不銹鋼之集水器若干個，排列成方陣。用以量測細水霧噴頭噴灑之水滴分佈情形以及求出量測直徑 D。 2.磅秤：允許量測重量 30kg 以上，精密度到公克之電子磅秤，用重量換算集水器之水量。 3.水霧噴霧粒徑量測儀（Malvern），用以快速量測細水霧噴頭水滴大小之分佈情形。 4.二維相差都卜勒顆粒分析裝置（PDA），用以量測單點之粒徑及速度（四）水分佈試驗 27.

(43) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 1.試驗空間：試驗空間尺寸應在長寬各為 7 公尺以上，且不小於單一撒水頭最大覆蓋區域之 300%以上。 2.細水霧噴頭安裝：單獨的開放式撒水頭安裝在實驗空間中央的可移動台架上，以及加壓系統及配管等均依使用手冊安裝。 3.集水器：準備足夠數量的集水器排列成為方陣，方陣邊長不得小於撒水頭標稱防護半徑，每個集水器並依序編號，如圖 2-1。 4.細水霧噴頭與集水器配置：集水器頂端距離撒水頭出水口下方垂直距離為 1m，集水器方陣的角隅對準撒水頭正下方，用以量取細水霧噴頭防護範圍內 90 度弧形的水量。 5.實驗與量測：依使用手冊所載噴頭標稱壓力範圍，在最小壓力的情形下進行試驗，持續最少 10 分鐘，紀錄每一個集水器收集到的水量。 6.實驗紀錄：先依流量、管徑、實驗時間推算總放射水量。依序累計集水器之水量，當集水器最小方陣收集的水量達到總放射量的 22.5%以上時，此時該最小方陣邊長的 2 倍即可假設為放射模型的量測直徑 D。 7.測試在最大放射壓力的流量，重複同樣的測試流程，求得的 D 值與上述不同時，應分別紀錄實驗條件及實驗結果，以為後續滅火效果試驗或者是未來設計時之參數。（五）粒徑分佈試驗 1.量測裝置：將 Malvern 的發射端與接收端距離 67.5cm 以上以減少量測設備對於流場的擾動，採用 45CM 的鏡頭。 2.實驗安裝：細水霧噴頭依（四）-2 節方式安裝在移動台架上，高度 28.

(44) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 在 Malvern 量測雷射光束垂直高度上方 1M 處。 3. 距離 Malvern 接收端 67.5cm 以上的水滴可能干擾量測結果，如依（四）-6 節或（四）-7 節量測之 D 大於 61cm 時，細水霧噴頭靠近 Malvern 發射端的一半水滴需阻擋在外。 4.量測之粒徑，由控制軟體依「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liquid Drop Size Analysis ,ASTM E 799(1992)」所述的方法自動計算面積平均粒徑 D 3 2 、粒徑百分比分佈及其他所需粒徑特性。（六）粒徑速度量測試驗 1.量測裝置：依（五）-4 節量測之結果，選擇適當之濾光器（Aperture plates），建議選擇第一次折射模式，雷射發射端與接收端夾角（π/2 – 73.8。）的模式來量測，並調整角度到最佳接收信號之狀態。 2.實驗安裝；細水霧噴頭依（四）-2 節方式安裝在移動台架上，高度在 PDA 量測平面雷射光束垂直高度上方 1m 處。 3.量測點位置為撒水頭中心軸 0.203D、0.353D、0.456D 的位置，每 45 度量測 1 點，包含中心共 25 點，如圖 2-3。因為 PDA 僅能量測二維速度（X 軸、Z 軸），因此先量測 X 軸方向的 7 個點，噴頭旋轉 45 度，量測此時落在 X 軸的 6 個點，重複將噴頭旋轉 45 度，量取其他的點，直到 25 個點量測完畢為止。 4.量測之粒徑，由控制軟體依「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liquid Drop Size Analysis ,ASTM E 799(1992)」所述的方法，分別計算此 25 點之面積平均粒徑 D 3 2 ， 29.

(45) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 紀錄於圖 2-3 之量測點旁，用以觀察其粒徑及分布。 5.量測之速度，分依 X 分量、Z 分量合計速度，依算數平均計算後，表示於圖 2-3 之量測點旁。. 圖 2-4 集水器與撒水頭裝置圖. 圖 2-5 粒徑測量位置圖. 30.

(46) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 本試驗方法係參考 UL-2167 國際規範，並配合國內既有設備及實驗能量所研訂，有助於 UL 概括性規範之落實執行，本方法所規定必需紀錄的數據較 UL 規範詳實，主要係基於除了驗證細水霧噴頭基本特性外，能夠提供更多的資訊予細水霧相關研究之用。. 第八節研究討論由於目前 UL 以及國際相關規定針對粒徑及速度量測的部分，均係原則性之規定，許多先進國家（如歐盟）亦仍在草案研議階段，故實際運作上仍有許多待克服，除本研究團隊內部討論外並多次諮詢專家學者意見，擇重要者，整理如下：（一）量測 25 個點之粒徑速度時（圖 2-5）應採用噴頭移動或者是 PDA 移動： 1、甲案：噴頭固定而移動 PDA 分別量測 25 個點，設備改良方式為於 PDA 底座加裝大型移動平台（讓整台 PDA 可以移動）並加長 PDA 光纖雷射長度到 15m，初步估計所需經費約需 500 萬元。優點是，使用固定式硬管配接可以容許較大的壓力及水量，試體固定而移動量測儀器的方式比較符合噴頭實際安裝時的情形。缺點是， PDA 必需送回丹麥原廠改裝耗時，移動平台長期暴露於撒水噴淋狀況維護費用高，以及 PDA 對焦不易，發射端與接收端不允許 1mm 或 1°的偏差，技術上仍須克服。 2、乙案：PDA 固定而移動噴頭分別量測 25 個點。設備改良方式為於實驗室天花板下安裝噴頭的小型三軸移動平台（讓噴頭可以移動），配合高壓軟管處理，初步估計所需經費約需 45 萬元。優點是 31.

(47) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 經濟，維護容易。缺點是高壓軟管震動、高壓軟管與硬管接頭易爆管及水量限制等問題有待克服。 3、綜合評估：目前乙案的震動、爆管問題已經獲得初步的解決，乙案的水量及壓力尚可滿足本所取的 3 種細水霧噴頭實驗所需，在經濟性、時效性及維護性考量，現階段採用乙案為宜，未來如細水霧市場在國內具一定規模，而有大量檢測需求時再考慮甲案。（二）撒水分布實驗中，計算總水量 22.5％時，其總水量應如何認定問題： 1、甲案：依現行「密閉型自動撒水頭檢驗法（CNS11255）」4.26 節，應以流水經過規定之整流筒且以撒水壓力 1kgf/cm2，量 100 公升之水由撒水頭撒出時間，求取每 1 分鐘之撒水量求得。 2、乙案：由於細水霧會飄散，因此流經噴頭的水量與集水盆收集到的水量有極大的落差，故應以及水盆收集到的總水量為基準來計算 22.5％水量範圍。 3、綜合評估：按密閉式撒水頭係以收集到 90％水量的範圍來估算其防護範圍，係以此推測火源處實際接受的水量。UL-2167 規定，達到 22.5％水量範圍訂為量測半徑（細水霧規範規定量測第 1 象限即可，故 4 個象限合計則為 22.5％×4＝90％），理論上，集水盆收集到的水量會比較接近火源接受到的水量，以此來估算防護半徑較為合理。實際實驗上，由於水霧會飄散蒸發，集水盆收集到的水量可能低於噴頭出水量的 90％，此時如以流經噴頭的水量為基準，將得出防護範圍無限大的矛盾結果。縱上所述，撒水分布實驗中計算總水量 22.5％時，應採乙案，其總水量應以集水盆收集到的總水量 32.

(48) 第二章細水霧特性、專利與規範研究. 為準。但流經噴頭的水量亦不妨一併記錄，提供滅火效果參考分析之用。（三）量測高度 1m 是否合理： 1、甲案：應小於 1m 為宜，主要是因為目前並無針對細水霧粒徑量測而設計的設備，即使採用最先進的 PDA 或 Malvern，其最佳量測範圍均在 30cm 至 70cm 左右，而距離撒水頭愈遠量測範圍將愈大，導致設備必需進入水霧之中，準確度也會降低。 2、乙案：依國際標準，訂為 1m。 3、丙案：應大於 1m(建議為 1.8m)，細水霧密度會隨著距離噴頭愈遠而愈小，細水霧密度太高的話即無法量測 22。 4、丁案：量測高度應與實際應用於建築物時之高度相當。 5、綜合評估：目前學理上僅知道粒徑、速度對於滅火效果有關鍵性的影響，惟尚無法利用噴頭之粒徑、速度推測滅火效果。UL-2167 規定細水霧的滅火效果，仍須藉由實場實驗來驗證。粒徑速度量測環境係無火源狀態，而滅火效果實驗係全尺寸有火源狀態，兩者流場動態差異有天壤之別。故可推測，粒徑及速度之量測僅係表示該噴頭之特性，實際運作上，當主管機關進行「個別檢驗」或者是實地抽查時，均必需藉由粒徑與速度的量測，來確認該噴頭之特性是. 22. 蔡榮鋒,“水霧式隔煙系統之技術與應用研究（1/3）”,內政部建築研究所,2005.. 33.

(49) 細水霧系統火災控制與應用之研究（2/2）. 否與「形式認定」時，滅火效果實場測試的噴頭特性相同，故量測高度應以足以取得個別噴頭特性資料為準。現階段既然國際標準規定在 1m 之距離進行量測，暫宜參照之。惟進行相關研究時，仍應嘗試各種不同高度之量測。. 第九節小結（一）在細水霧滅火設備概述蒐集了各種不同分類的細水霧系統組合方式，也瞭解業界使用的細水霧仍以單流為主，工作壓力 12.2kg/cm2 到 122kg/cm2 之間，可作為實驗室建置的重要參考。（二）細水霧的主要滅火機制為熱移除、氧氣取代及熱輻射衰減，次要滅火機制為空氣稀釋及動力效應。透過細水霧與其他滅火系統之比較可知細水霧確實擁有乾淨、無公害、滅火劑便宜易取得、適用範圍廣、無水損等優點，缺點則為高壓設備昂貴、滅火效果仍待進一步研究證實。（三）在細水霧噴頭特性檢測基準之探討比較了國內外的規範，其中「粒徑」及「速度」與滅火效果關係密切具關鍵地位應優先研究，除了參照 UL-2167 的規範外，並考量實驗操作的需求撰擬了「細水霧粒徑速度量測方法」乙種，除可供本研究室進行相關試驗的標準作業手冊外，也可供國內細水霧研究團隊及國家標準（CNS）或者是消防主管機關訂定規範之參考。. 34.