探 測 器 與 撒 水 頭 作 動 與 設 置 位 置 關 係 之 探 討 內 政 部 建 築 研 究 所 研 究 報 告 (一 百 年 )
探測器與撒水頭作動與設置位置關係
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探測器與撒水頭作動與設置位置關係
探測器與撒水頭作動與設置位置關係
之探討
之探討
之探討
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內 政 部 建 築 研 究 所
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內 政 部 建 築 研 究 所 期 末
期 末
期 末
期 末 報 告
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中華民國 中華民國 中華民國 中華民國 100 年年年年 10 月月月 月 （ （ （ （本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見））））計畫編號
計畫編號
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計畫編號：
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：10061b002-4
探測器與撒水頭作動與設置位置關係
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探測器與撒水頭作動與設置位置關係
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之探討
之探討
之探討
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計畫
計畫
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計畫主持人
主持人
主持人
主持人：
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：何明錦
何明錦
何明錦
何明錦
協同主持人
協同主持人
協同主持人
協同主持人：
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：林大惠
林大惠
林大惠
林大惠
研究
研究
研究
研究員
員
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員：
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：沈子勝
沈子勝
沈子勝
沈子勝
研究助理
研究助理
研究助理
研究助理：
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：胡幃傑
胡幃傑
胡幃傑
胡幃傑、
、
、
、賴翊仁
賴翊仁
賴翊仁
賴翊仁
內 政 部 建 築 研 究 所
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內 政 部 建 築 研 究 所
內 政 部 建 築 研 究 所 期 末
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中華民國
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中華民國 100 年
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（ （ （ （本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見））））目次
目次
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目次 ...I 表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... IX 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 研究流程 ... 4 第三節 研究進度 ... 5 第二章 文獻回顧 ... 7 第一節 一般住宅撒水器測試 ... 7第二節 吊扇準則(Ceiling Fan Criteria) ... 10
第三節 多用途水系統的設計 ... 10 第三章 研究方法 ... 13 第一節 一般的撒水頭與探測器 ... 13 第二節 FDS 火災模擬方法... 15 第三節 實驗設備與測試 ... 22 第四章 FDS 火災模擬結果與討論... 29 第一節 一般起居室 ... 29 第二節 FDS 數值模擬空調風管系統實驗... 38 第三節 小結 ... 52 第五章 空調風管系統實驗結果與討論 ... 53 第一節 火源於角落實驗 ... 53 第二節 火源於西方牆角實驗 ... 64 第三節 火源於南方牆角實驗 ... 74 第四節 火源於中央實驗 ... 84 第五節 小結 ... 94 第六章 風扇系統實驗結果與討論 ... 95 第一節 火源於角落實驗 ... 95 第二節 火源於西方牆角實驗 ... 104 第三節 火源於南方角落實驗 ... 112 第四節 火源於正中央實驗 ... 120 第五節 小結 ... 128
第七章 結論與建議... 129 參考文獻... 153
表次
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表 1 研究進度表 ... 5 表 2 實驗規劃表 ... 28 表 3 FDS 材料選擇... 31 表 4 FDS 模擬撒水頭作動時間表... 34 表 5 Case W-P-NF-C 與 Case W-P-NF-NC... 36 表 6 Case W-P-NF-NC 與 Case W-S-NF-NC... 37 表 7 Case W-P-NF-NC 與 Case W-P-F-NC... 39 表 8 FDS 材料選擇... 41 表 9 FDS 探測點達到作動溫度時間表... 43 表 10 冷氣實驗探測點達到作動溫度時間表 ... 57 表 11 風扇實驗探測點達到作動溫度時間表 ... 99圖次
圖次
圖次
圖次
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圖 1 研究流程 ... 4 圖 2 UL 1626 的房間試驗配置 ... 9 圖 3 差動式濃煙探測器 ... 14 圖 4 光電式濃煙探測器 ... 14 圖 5 向下型 ... 14 圖 6 向上型 ... 14 圖 7 側壁型 ... 14 圖 8 優美型 ... 14 圖 9 全尺寸實驗模型平面圖 ... 23 圖 10 全尺寸實驗模型實體圖 1 ... 23 圖 11 全尺寸實驗模型實體圖 2 ... 23 圖 12 撒水頭位置配置圖 ... 24 圖 13 探測器位置配置圖 ... 24 圖 14 熱電偶樹配置圖 ... 27 圖 15 實驗規劃平面圖 ... 27 圖 16 丙烷燃燒器 ... 28 圖 17 一般起居室 ... 30 圖 18 Case W-P-NF-C 在 Y=2.5m 等溫線圖... 35 圖 19 Case W-P-NF-NC 在 Y=2.5m 等溫線圖... 35 圖 20 Case W-P-F-NC 在 Y=2.5m 等溫線圖... 39 圖 21 實尺寸實驗場景 ... 40 圖 22 撒水頭配置圖 ... 43 圖 23 FDS 模擬火源在角落之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖... 45圖 24 FDS 模擬火源在角落之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 45 圖 25 FDS 模擬火源在角落之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 46 圖 26 FDS 模擬火源在西方牆角之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖 ... 47 圖 27 FDS 模擬火源在西方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 48 圖 28 FDS 模擬火源在西方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 48 圖 29 FDS 模擬火源在南方牆角之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖 ... 50 圖 30 FDS 模擬火源在南方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 50 圖 31 FDS 模擬火源在南方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 51 圖 32 FDS 模擬火源在正中央之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖 ... 52 圖 33 FDS 模擬火源在正中央之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 53 圖 34 FDS 模擬火源在正中央之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖 ... 53 圖 35 火源在角落之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖... 58 圖 36 火源在角落之空屋環境 X=3m 等溫線圖... 59 圖 37 火源在角落之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖... 60 圖 38 火源在角落之冷氣平吹 X=3m 等溫線圖... 61 圖 39 火源在角落之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖... 62 圖 40 火源在角落之冷氣下吹 X=3m 等溫線圖... 63 圖 41 火源在角落之冷氣自動 H=2.3m 等溫線圖... 64 圖 42 火源在角落之冷氣自動 X=3m 等溫線圖... 65 圖 43 火源在西方牆角之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖... 68 圖 44 火源在西方牆角之空屋環境 X=3m 等溫線圖... 69 圖 45 火源在西方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖... 70 圖 46 火源在西方牆角之冷氣平吹 X=3m 等溫線圖... 71 圖 47 火源在西方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖... 72
圖次 圖 49 火源在西方牆角之冷氣自動 H=2.3m 等溫線圖... 74 圖 50 火源在西方牆角之冷氣自動 X=3m 等溫線圖... 75 圖 51 火源在南方牆角之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖... 78 圖 52 火源在南方牆角之空屋環境 X=3m 等溫線圖... 79 圖 53 火源在南方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖... 80 圖 54 火源在南方牆角之冷氣平吹 X=3m 等溫線圖... 81 圖 55 火源在南方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖... 82 圖 56 火源在南方牆角之冷氣下吹 X=3m 等溫線圖... 83 圖 57 火源在南方牆角之冷氣自動 H=2.3m 等溫線圖... 84 圖 58 火源在南方牆角之冷氣自動 X=3m 等溫線圖... 85 圖 59 火源在正中央之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖... 88 圖 60 火源在正中央之空屋環境 X=3m 等溫線圖... 89 圖 61 火源在正中央之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖... 90 圖 62 火源在正中央之冷氣平吹 X=3m 等溫線圖... 91 圖 63 火源在正中央之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖... 92 圖 64 火源在正中央之冷氣下吹 X=3m 等溫線圖... 93 圖 65 火源在正中央之冷氣自動 H=2.3m 等溫線圖... 94 圖 66 火源在正中央之冷氣自動 X=3m 等溫線圖... 95 圖 67 火源在角落之風扇關 H=2.3m 等溫線圖... 100 圖 68 火源在角落之風扇關 X=3m 等溫線圖... 101 圖 69 火源在角落之風扇中風 H=2.3m 等溫線圖... 102 圖 70 火源在角落之風扇中風 X=3m 等溫線圖... 103 圖 71 火源在角落之風扇強風 H=2.3m 等溫線圖... 104 圖 72 火源在角落之風扇強風 X=3m 等溫線圖... 105 圖 73 火源在西方牆角之風扇關 H=2.3m 等溫線圖... 108
圖 74 火源在西方牆角之風扇關 X=3m 等溫線圖... 109 圖 75 火源在西方牆角之風扇中風 H=2.3m 等溫線圖...110 圖 76 火源在西方牆角之風扇中風 X=3m 等溫線圖...111 圖 77 火源在西方牆角之風扇強風 H=2.3m 等溫線圖...112 圖 78 火源在西方牆角之風扇強風 X=3m 等溫線圖...113 圖 79 火源在南方牆角之風扇關 H=2.3m 等溫線圖...116 圖 80 火源在南方牆角之風扇關 X=3m 等溫線圖...117 圖 81 火源在南方牆角之風扇中風 H=2.3m 等溫線圖...118 圖 82 火源在南方牆角之風扇中風 X=3m 等溫線圖...119 圖 83 火源在南方牆角之風扇強風 H=2.3m 等溫線圖... 120 圖 84 火源在南方牆角之風扇強風 X=3m 等溫線圖... 121 圖 85 火源在正中央之風扇關 H=2.3m 等溫線圖... 124 圖 86 火源在正中央之風扇關 X=3m 等溫線圖... 125 圖 87 火源在正中央之風扇中風 H=2.3m 等溫線圖... 126 圖 88 火源在正中央之風扇中風 X=3m 等溫線圖... 127 圖 89 火源在正中央之風扇強風 H=2.3m 等溫線圖... 128 圖 90 火源在正中央之風扇強風 X=3m 等溫線圖... 129
摘要
摘要
摘要
摘要
摘要
關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞：：：：探測器、撒水頭。 一 一 一 一、、、、 研究緣起研究緣起研究緣起研究緣起 一般住宅、學校、公共場所及工廠中，多設有偵煙式探測器或灑水頭。 當火災發生時，燃燒後的熱煙經由浮力作用上升至天花板，當熱煙接觸 到偵煙式探測器及灑水頭，達到作動條件，偵煙或灑水設備便會開始作 動。而火災發生初期，建築物內的空調系統在探測器及撒水頭未作動時 仍是開啟的，此時空調出風口與回風口氣流會與火災產生的天花板噴流 相互影響，而導致探測器及撒水頭作動時間延遲。 二、 研究方法及過程 本研究案將主題設定為偵測器與撒水器之作動時間與設置位置，首先 將針對偵測器與撒水器作動原理之差異造成作動時間不同開始探討，接 著探討偵測器與撒水器受實際空間障礙物擺設影響之探討，最後將探討 空調氣流與偵測器、撒水器作動時間之影響 三、 研究方法及過程 本研究案將主題設定為偵測器與撒水器之作動時間與設置位置，首先 將針對偵測器與撒水器作動原理之差異造成作動時間不同開始探討，接 著探討偵測器與撒水器受實際空 四、 研究方法及過程 本研究案將主題設定為偵測器與撒水器之作動時間與設置位置，首先 將針對偵測器與撒水器作動原理之差異造成作動時間不同開始探討，接著探討偵測器與撒水器受實際空 五、 研究方法及過程 本研究案將主題設定為偵測器與撒水器之作動時間與設置位置，首先 將針對偵測器與撒水器作動原理之差異造成作動時間不同開始探討，接 著探討偵測器與撒水器受實際空。 六、
第一章 緒論
第一章
第一章
第一章
第一章 緒論
緒論
緒論
緒論
第一節
第一節
第一節
第一節 研究緣起與背景
研究緣起與背景
研究緣起與背景
研究緣起與背景
近年來土地上之取得有限，再加上現今都會區建築物日趨密集，造成 建築物之高度日漸增加，而為了營造出舒適之居住環境，使得室內裝修 材料廣泛使用，一但造成火災之發生，往往造成人員及財務上之損失。 根據內政部消防署的火災統計資料[1]，台灣地區 99 年火災發生次數為 2186 次，死亡人數為 83 人，造成的財物損失更高達 16 億元。若欲防止 該災害之產生，裝設探測器與灑水頭則為首要之務，其功能係於火災初 期，有效控制火勢甚至達到滅火之效能，以防止產生閃燃之現象。 一般住宅、學校、公共場所及工廠中，多設有偵煙式探測器或灑水 頭。當火災發生時，燃燒後的熱煙經由浮力作用上升至天花板，當熱煙 接觸到偵煙式探測器及灑水頭，達到作動條件，偵煙或灑水設備便會開 始作動。 而依探測器及撒水頭作動原理觀之，二者常因建築設計之空調風管 系統及室內裝修等因素，造成其作動有延遲之虞，因此，如何避免這類 情形發生，實為當下需立即探討之課題。再者，在火災發生初期，建築 物內的空調系統在探測器及撒水頭未作動時仍是開啟的，此時空調出風 口與回風口氣流會與火災產生的天花板噴流相互影響，而導致探測器及 撒水頭作動時間延遲。因此，探討空調出風口與回風口氣流對探測器及 撒水頭作動時間之影響亦是本研究計畫重要之研究議題之一。 由於現階段建築設計、技術和建築材料的日新月異，過去建築物防 火設計所依據的傳統規格化法規(Prescriptive Code)顯得綁手綁腳，窒礙難行。近年來，防火工程技術漸趨成熟、防火實驗資料大量建立、預測火 災特性與災害危險度評估的電腦模擬程式逐漸被開發出來，因此在防火 工程方面採用性能式法規(Performance-Based Code)設計已成為全世界的 發展趨勢。相較於規格化法規雖易於執行但缺乏彈性，其條文目標不明 確且規定複雜；而性能式法規則具有明確的意旨、彈性的設計方法以及 更經濟的建造成本，實為我國必須邁入性能式法規的要因，同時採用性 能式法規更是降低貿易障礙的重要措施。 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，對於不斷創新、改進的材料或技術，避免產生不合理的 限制或拘束，並使得有限的防火資源達到使用最佳化。固然，性能法規 設計可以脫離傳統規格化法規或標準的一體化限制，但其展現的防火性 能仍需適當的加以驗證。配合性能法規推動，內政部建築研究所過去已 針對性能法規設計的實際需求和自主發展，結合相關專業研究人力，共 同建立辦公室空間實驗模型；透過全尺寸火災實驗，驗證性能法規的防 火性能，同時經由火災歷程，探討並界定性能法規的防火性能的主控參 數。 本研究案將繼續進行全尺寸火災的滅火性能實驗，利用已建立的辦 公室空間實驗模型，配合由前期研究獲知的火災歷程、不同的滅火手法 與滅火性能的主控參數、個別火載量的滅火需求等研究成果，進一步驗 證性能法規的火災控制性能，探討並界定在實際場所發生火災情況下所 面臨的火災控制問題。本研究案將主題設定為偵測器與撒水器之作動時 間與設置位置，首先將針對偵測器與撒水器作動原理之差異造成作動時 間不同開始探討，接著探討偵測器與撒水器受實際空間障礙物擺設影響 之探討，最後將探討空調氣流與偵測器、撒水器作動時間之影響。相信
第一章 緒論 經過本研究案實際滅火性能實驗，預期能建立完整的全尺寸火災滅火的 火場資料庫，同時瞭解建築火災其空間的整體滅火性能。 本研究計畫之研究目的擬對一般住宅於火災發生時的探測器與撒水 頭作動與設置位置之關係進行評估，藉由電腦模擬與實驗印證探測器與 撒水頭在受天花板位置增設之阻礙物（例如吊扇）及空調風管系統影響 下之延遲作動影響，並且探討空調系統開啟時，空調出、回風口氣流與 天花板噴流交互作用對探測器與撒水頭作動之影響。
第二節
第二節
第二節
第二節 研究流程
研究流程
研究流程
研究流程
本案研究流程如圖 1所示，先針對建築物探測器與撒水頭，從過去研 究成果與國內外文獻蒐集研究，歸納後並利用 FDS 模擬實驗場景，進而 得知火場的詳細資料庫以方便未來與實驗互相比較驗證。依據分析結 果，再利用防火中心之儀器設備進行實驗，最後，將模擬結果與實驗數 據互相比較分析。 圖 圖 圖 圖 1 研究流程研究流程研究流程 研究流程第一章 緒論
第三節
第三節
第三節
第三節研究
研究
研究
研究進度
進度
進度
進度
本研究之研究進度如表 1 所示，目前已完成項目包含相關法規收集 與彙整、探測器與撒水頭作動與設置位置之測試標準方法之收集與分 析，探測器與撒水頭作動與設置位置之電腦模擬、全尺度實驗等工作。 這些工作的成果以及詳細內容將分述於第二章~第六章。 表 表 表 表 1 研究進度表研究進度表研究進度表研究進度表 月次 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 備 註 相關法規收集與彙整 ■ ■ 探測器與撒水頭作動與設置位 置之測試標準方法之收集與分 析 ■ ■ 探測器與撒水頭作動與設置位 置之電腦模擬 ■ ■ ■ ■ ■ 期中審查 ■ 探測器與撒水頭作動與設置位 置之全尺度實驗 ■ ■ ■ ■ ■ 模擬結果與實驗數據比對分析 ■ ■ ■ 探測器與撒水頭作動與設置位 置之消防法規修訂建議 ■ ■ 期末審查 ■ 研究成果提出 ■ 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 10 ％ 20 ％ 30 ％ 40 ％ 50 ％ 60 ％ 70 ％ 80 ％ 90 ％ 100 ％第二章 文獻回顧
第二章
第二章
第二章
第二章 文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
第一節
第一節
第一節
第一節 一般住宅
一般住宅
一般住宅
一般住宅撒水器測試
撒水器測試
撒水器測試
撒水器測試
由於在一般住宅發生火災通常僅依靠單一隻撒水器來達到有效抑制火 災的效果，因此一般住宅的撒水器的水量分佈要較大空間的撒水器的水 量分佈更均勻，且無法如大空間的撒水器分佈以兩個撒水器相互覆蓋的 形式提供足夠的水量。再者，居室撒水器不僅需將水輸送到房間的四周 以保護房間內的家具，更需要更大的水量噴灑在牆上以抑制火焰向上竄 升。故此，一般居室撒水器需要不同於標準型撒水器的測試方法。 Underwriters Laboratories 與 FM Global Research 分別有針對一般住宅撒水 器發展 UL 1626 與 FM 2030 測試標準。UL 1626 與 FM 2030 均有設計火 災實驗，用以模擬居室火災來評估撒水器的性能[2~6]。圖 2 為火災實驗 之配置圖。UL 1626 的內容重點敘述如下： UL 1626 對撒水器火災控制的要求對撒水器火災控制的要求對撒水器火災控制的要求對撒水器火災控制的要求：：：： UL 1626 要求在 2.4m 天花板高的房間火災試驗中，撒水器必須在控制 火災成長 10 分鐘內滿足下列的要求： 1. 在天花板下 76.2mm，離撒水器水平距離 203mm 的最高氣體溫度必須 低於 316℃。 2. 在地板高度 1.6m 以上，距離牆面一半房間長度之處的溫度在實驗全程 不得高於 93℃，在實驗前兩分鐘不能超過 54℃。 3. 在火源正上方，天花板裝修材下方 6.3mm 的最高溫度不得高於 260℃。 4. 不得超過兩個撒水器在試驗房間中作動。 UL 1626 對撒水分佈的要求對撒水分佈的要求對撒水分佈的要求對撒水分佈的要求：：：：在一般居室撒水器的水量分佈上必須包含水平面與垂直面的水量分 佈。在水平面的平均覆蓋水量必須高於 0.8L/min/m2，在垂直面上必須至 少在距天花板 711mm 高度以下均被撒水器噴濕。 NFPA 13D NFPA 13D 除了規定撒水器必須經過測試之外，有關撒水器的設計需 求如下所述[7~9]： 性能準則 性能準則性能準則 性能準則：：：： 裝設撒水器以防止起火點居室發生閃燃，並改善避難人員之避難路徑以 利逃生。 設計準則 設計準則設計準則 設計準則：：：： NFPA 13D 規範的撒水器設計準則如下： 1. 僅能裝設經過測試的(listed) 撒水器。 2. 單一撒水器的最大噴水量為 68L/min，兩個撒水器同時作動下的撒水 器最大噴水量為 49 L/min。 3. 單一撒水器的最大覆蓋面積為 13.4m2。 4. 撒水器最大裝設間距為 3.7m。 5. 撒水器最小裝設間距為 2.4m。 6. 撒水器距外牆或隔間牆的最大距離為 1.8m。
第二章 文獻回顧
圖 圖 圖
第二節
第二節
第二節
第二節 吊扇準則
吊扇準則
吊扇準則
吊扇準則(Ceiling Fan Criteria)
在 2007 版本的 NFPA 13D 針對天花板吊扇對煙流形成障礙，影響撒 水器的裝設而增設了吊扇準則。對於下垂式撒水器必須距離吊扇中心點 至少 0.9m，邊牆型撒水器的最小裝設距離為 1.5m[10]。
第三節
第三節
第三節
第三節 多用途水系統的設計
多用途水系統的設計
多用途水系統的設計
多用途水系統的設計
國外有關一般住宅撒水器的研究文獻相當地多，大部分著重在多用途 水系統的設計與一般住宅水霧撒水系統兩部分。 所謂多用途水系統設計是指將撒水系統與一般民生供水系統整合成 一個複和型多用途水系統。將一般住宅的撒水系統整合在民生供水系統 的優點在於設置成本降低以及撒水系統功能較穩定[11]。由於一般民生供 水系統若出現故障馬上就會被住戶察覺，故此多用途水系統在火災發生 時不會出現撒水系統無法供水之問題。目前 NFPA 13D 中即有列出多用途 水系統在 49℃的工作壓力必須大於 8.9bar 的規定。再者，UL 提出交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene)管線材料可應用 在住宅撒水系統上[13]，交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene)管線材料的 性質類似現今使用在住宅水管，可以容易與一般住宅使用的供水管線連 接成多用途的水系統。 一般住宅水霧撒水系統 一般住宅水霧撒水系統一般住宅水霧撒水系統 一般住宅水霧撒水系統 有關一般住宅的水霧撒水系統設計在 NFPA 750 中已有規範。基本上 水霧系統的供水壓力比 NFPA 13D 所規範的壓力大，而且水霧系統所覆蓋 的有效滅火區域比一般撒水系統小，因此在相同的滅火區域條件下，必 須裝設比較多的水霧撒水器，因而造成水霧撒水系統的設置成本較高 [13]。
第二章 文獻回顧 而在國內，有關一般住宅撒水器的研究多著重在撒水器種類與滅火效 能之關係以及火源位置與滅火效能之探討上。根據研究資料 94 年度”消 防安全設備品目檢測設備系統規劃研究”之實驗結果[14]，建立初步國內 外消防安全設備檢測項目認可之基準與規範；且依據內政部消防署九十 年三月三十日台（九十）內授消字第九○八六三三三號函頒實施之「密 閉式撒水頭認可基準」規定已採購的「八項密閉式撒水頭試驗裝置」進 行實測及縣立標準作業流程。而根據 95 年度”性能式防火設計基準全尺 寸驗證研究”之研究結果[15]，，，，撒水頭不能瞬間到達環境溫度，須待熱傳 來加溫，所以不能以環境溫度達到設定溫度來判定作動。 其中蘇鴻奇等人針對密閉式撒水頭於火場之作動時間進行實驗與探 討[16~17]，於 6m×5m 之實尺寸房間進行密閉式撒水頭作動時間實驗與 分析影響撒因素，並使用 FDS（Fire Dynamics Simulator）進行比較分析。 蘇鴻奇等人在研究中，火源位置設定為火源位於房間中央區域、火源緊 靠於壁面以及火源位於房間角落等三類。實驗結果顯示撒水頭作動時間 與流場特性有關，而流場特性又與壁面、火源與撒水頭距離以及通風口 有關。實驗過程發現火源緊靠壁面時，火焰高度會較火源位於房間中央 區域時高，且煙氣的上升速度增快，而致使撒水頭作動時間縮短。若火 源位於房間角落，則其對於火場的影響會比壁面效應更大，且撒水頭作 動時間最快。Lai et al.在全尺寸辦公室火災撒水頭作動實驗中發現，撒水 頭作動時間受火源位置及撒水頭熱傳導之影響。當火源越靠近撒水頭， 越接近角落或是牆壁，則撒水頭作動的時間越快。而因撒水頭不能瞬間 到達環境溫度，須待熱傳來加溫，所以不能以環境溫度達到設定溫度來 判定作動。在本實驗中，所使用之撒水頭標示溫度雖為 68℃，但經過一 連串實驗後發現，當撒水頭周圍溫度到達 100℃以上時，才能驅動撒水
頭，因此可以知道環境溫度要高於設定溫度至少約 30℃，撒水頭才會作 動。
第三章 研究方法
第三章
第三章
第三章
第三章 研究方法
研究方法
研究方法
研究方法
本年度將延續所建立之火場實驗以及數值模擬的經驗與成果，以關 鍵性案例為對象空間進行實驗與數值模擬。將利用美國 NIST 機構所發展 的FDS (Fire Dynamics Simulator)第五版模擬軟體來進行火災模擬，並配合 本所多年來累積的實尺寸居室火災實驗結果來作為參數上的設定。以模 擬與實驗結果探討當火災發生時火場之探測器及撒水頭兩者作動時間之 差異，並針對不同符合法規條件下之阻礙物（例如吊扇）及空調系統之 送、排風口對於探測器及撒水頭兩者作動時間的影響。第一節
第一節
第一節
第一節 一般的撒水頭與探測器
一般的撒水頭與探測器
一般的撒水頭與探測器
一般的撒水頭與探測器
一般常見的偵煙探測器有差動式探測器與光電式探測器兩種，如圖 3、圖 4。差動式探測器其原理為周遭溫度在一分鐘內上升 13~15℃及達到 作動條件而開始作動；而光電式探測器，係採用光電感應原理，即利用 煙進入探測器內之暗光室，煙粒子造成紅外線光束之反射，使受光元件 接收到設定之光量時，探測器即發出警報信號。 撒水頭的作動原理，為熱煙接觸到灑水頭時，造成灑水頭裏頭的酒 精沸騰，造成紅色玻璃球爆裂，進而出水達到滅火的效果。市面上常見 的撒水頭有向下型、向上型、側壁型及優美型 4 種，如圖 3~圖 6，其原 理皆相同，不同的地方在於應用上有所區隔。顧名思義，向下型與向上 型分別表示出水的方向為向下或向上，而側壁型通常裝置於牆壁上，所 以稱作側壁型。而優美型只是為了增加美觀，改變傳統的鋸齒狀迴水板， 以圓形迴水板代替。本實驗將採用向下標準反應型，標示作動溫度為 68 ℃。圖 圖圖 圖 3 差動式濃煙探測器差動式濃煙探測器差動式濃煙探測器差動式濃煙探測器 圖圖圖圖 4 光電式濃煙探測器光電式濃煙探測器光電式濃煙探測器光電式濃煙探測器 圖 圖 圖 圖 5 向下型向下型向下型向下型 圖圖 6 向上型圖圖 向上型向上型向上型 圖 圖 圖 圖 7 側壁型側壁型側壁型側壁型 圖圖 8 優美型圖圖 優美型優美型優美型
第三章 研究方法
第二節
第二節
第二節
第二節 FDS 火災模擬方法
火災模擬方法
火災模擬方法
火災模擬方法
過去研究團隊曾蒐集國內外文獻，彙整與建築物火災相關的經驗公式 與全尺寸實驗（內政部建築研究所，2007），於此不再累述，而將重點放在數值模擬分析方面，特別是美國 NIST (National Institute of Standards and Technology)新近發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator)數值模擬軟體的分 析應用 [18]。 對於單一火焰而言，有相當多學者利用 FDS 進行模擬分析。Cheung 利用 FDS 模擬 0.3m×0.3m 方形甲烷燃燒器[20]，模擬結果經過 FFT (Fast Fourier Transform)計算後，FDS 模擬隨高度對燃燒器直徑比不同呈現不同 的振動頻率，而實際實驗則呈現固定的頻率。研究發現在連續火焰區、 間歇火焰區及浮力火羽流區的高度模擬和實驗結果相似，但是火焰中心 溫度較實際實驗高出約 200℃，且碳煙濃度較實驗結果低，可能導致熱幅 射損失較低，而使火焰區溫度升高。Wen 利用 FDS 模擬在開放空間中一 中尺度 30.5cm 甲醇圓池火焰[21]，熱釋放率約為 24.6kW，模擬範圍包括 火焰中心速度及溫度分布、空氣引入量等，模擬結果和前人所做的經驗 公式及實際實驗相當吻合。 房間內部的幾何空間及通風環境會直接影響火災成長的形式與大小，甚 至影響到閃燃條件。Chow 與 Zou 利用 FDS 模擬在出入口附近的空氣流 率[22]，模擬條件為在兩個相鄰的房間內，一房間側邊具有走道的環境。 模擬及實驗結果顯示，實際實驗較 FDS 模擬在門口附近上層溫度低。而 流出的空氣量則與通氣因子有關，FDS 結果和經驗公式及實驗結果均相 當接近，流出空氣量約為 0.47WH2/3。 Musser 與 McGrattan 利用 FDS 模擬四種房間內煙氣流動情況[23]，分 別為強制對流、自然對流、混合對流及置換式通風。此種問題在熱物體
表面處的熱傳相當重要，而在熱表面附近的格點應設定為大於熱邊界層 厚度。Lin 利用 FDS 及 CFAST 模擬台灣常見的有騎樓之摩托車店[24]， 發現建築物內的熱釋放率受限於通風口大小而無法達到理論最大值，而 起火點的改變也會對人員逃生有重大影響，起火點位於地下室較起火點 位於騎樓處更不易逃生，可逃生時間約略差距 100 秒。 Kerber 與 Milke 利用 FDS 模擬研究外氣引入對於天井中煙層累積的 影響[25]，將開口型態分為對稱式、非對稱式、開口位於各樓層及開口位 於角落等四種不同型態討論，風速為 0 到 2m/s，火源利用木框架模擬。 模擬結果顯示對稱式有較好的排煙效果，但入口風速若達到 2m/s 以上 時，則會對煙氣產生擾動現象；而若將通風口設置位於煙層高度中，則 會使煙層快速擴散至較低的樓層位置。Yi 則利用 FDS 及 CFAST 模擬 22.4m×12m×27m 的天井空間[26]，探討天井空間內的強制抽風對於煙氣 層的影響。研究發現使用強制抽風時，其配置必須考量區劃空間內的可 燃物總量，否則會導致房間內煙氣層受到外圍空氣進入的影響，使煙氣 層下降更為迅速。 針對區劃空間而言，亦有相當多學者模擬房間火災。Kim 與 Ryou 利 用 FDS 模擬甲醇及己烷火焰滅火機制[27]，模擬範圍為 4.0m×4.0m×2.3m 的方形房間內，利用水霧滅火。研究發現位於房間內低層的氧氣濃度在 撒水後有減少的情況，是因為撒水增強了低層與高層間的混合，而在溫 度方面模擬和實驗預測的相當準確，誤差約為 10℃內，但是因為缺乏火 焰熄滅的模型，所以在預測火焰熄滅方面較不準確。Zou 與 Chow 使用 ISO9705 房間進行實驗並採用 FDS 模擬驗證[28]，實驗採用汽油圓池火焰 配置出不同的熱釋放率曲線，且改變通風條件來預估閃燃時間。實驗結 果顯示 FDS 模擬結果不論在溫度或者熱輻射方面均和實驗結果相符合，
第三章 研究方法 在天花板附近的溫度和實驗只有 10%的誤差，對於閃燃時間的判斷具有 幫助。 FDS 亦可用來模擬其他類型的火災，諸如倉庫或隧道等。Hu 的研究使用 FDS 模擬一氧化碳在長型通道下擴散的情況[29]，模擬分為兩種不同熱釋 放率的火源。模擬結果顯示一氧化碳濃度隨著垂直高度的增加而線性的 增加，而與火源距離增加則呈指數性減少，而兩種模擬均較實驗結果略 低，但仍具備相當好的預測性。 （ （ （ （一一一一））））FDS 的理論基礎的理論基礎的理論基礎的理論基礎 以下將針對 FDS 的理論基礎作簡單的介紹，其中包含熱流模型、燃 燒模型以及熱輻射模型等。更詳細的內容可參考 FDS 技術手冊。 (1) 熱流模型熱流模型熱流模型熱流模型
常見的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)求解紊流的方式 有直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation, DNS)、大渦流模擬法 (Large Eddy Simulation, LES)及 平 均 化 紊 流 模 式法 (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)，而 FDS 所提供的計算方式採用前兩種方法。整體 流場模型是由數個基本守恆方程式所架構，包含質量守恆、動量守恆、 能量守恆以及狀態方程式。 質量守恆方程式： + = 0 t ρ ρ ∂ ∇ ∂ u ， (3-1) 動量守恆方程式： ( ) ij t ρ ρ ρ ρ τ ∂ + ∇ + ∇ = + ∇ ∂ u uu f ， (3-2)
能量守恆方程式： ( h) h Dp q t ρ ρ Dt ∂ ′′′ + ∇ = + − ∇ + Φ ∂ u & q ， (3-3) 狀態方程式： RT p M ρ = ； (3-4) 其中，ρ為密度，u為速度向量，f 為包含重力項等力量項，h為熱焓，τij 是壓力張量，q′′′& 是化學反應中單位體積產生的熱釋放率，∇ q代表傳導 與輻射熱通量， Φ 則為動能因為黏滯力轉換成熱能的逸散項。 (2) 燃燒模型燃燒模型燃燒模型 燃燒模型 在燃燒模型中主要是以無限快化學反應速率以及混合分率為基礎所 建立。燃燒反應的一般通式為：
[ ]
[ ]
[ ]
o F P P O F P v +v →∑
v ， (3-5) 其中，v為化學當量係數，下標 O代表氧氣，F代表燃料，P則代表生成 物。而混合分率Z的定義為：(
)
F O O F O I sY Y Y Z sY Y ∞ ∞ − − = + ， O O F F v M s v M = ， (3-6) 其中，Y 為質量分率，M 為分子量；而混合分率也遵守質量守恆定律： DZ ρ D Z Dt = ∇ ρ ∇ 。 (3-7) 因為假設化學反應為無窮快，所以表示燃料與氧氣在反應時的速率很 快，因此燃料與氧氣無法同時存在。火焰面的位置就是發生在燃料與氧第三章 研究方法 氣濃度皆為零的位置， O f st F O Y Z Z sY Y ∞ ∞ ∞ = = + 。 (3-8) 當處理範圍較大的火焰時，這種火焰面的定義可能無法產生正確的火 焰高度，和動力行為。因此定義一個有效的火燄位置Zf,eff以幫助程式正 確地捕捉到火焰的範圍， * f,eff f min 1, Z D C Z δx = ， (3-9) 其中，C 為經驗常數， xδ 為隔點大小，D 為火焰特徵長度，此處作為參* 考長度。當計算的解析度越高時，Zf,eff會越接近理想值Zf。使用這種方 法的好處是，在格點的解析上不只考慮格點的大小並且將火焰的大小也 考慮進去。 因為混合分率是無因次參數值，所以無法單獨地用來計算物種的分 布，因此還需要氧氣的狀態關係式，理想的氧氣狀態關係式是以燃料與 氧氣無法同時存在為基礎建立的， f Z < Z ， YO
( )
Z =YO∞(
1−Z Z/ eff)
， (3-10) f Z >Z ， YO( )
Z =0 。 (3-11) 單位體積的熱釋放率是氧氣消耗法關係式為基礎來建立， O O q&′′′ = ∆H m& ′′′ ， (3-12) 其中，∆HO為單位質量的氧氣燃燒熱，m&O′′′為氧氣質量消耗率。m&O′′′是以 氧氣燃燒率定義，O O O dY dY m D Z D Z dZ dZ ρ ρ ′′′ − = ∇ ⋅ ∇ − ∇ ⋅ ∇ & 。 (3-13) (3) 熱輻射模型熱輻射模型熱輻射模型 熱輻射模型
氣體的輻射傳遞方程式(Radiative Transport Equation)為：
(
)
( )
(
)
λ , ( , λ) b λ , I κ I I ⋅ ∇ = − s x s x x x s ， (3-14) 其中，s為單位向量強度，∇Iλ(
x s,)
是波長等於 λ 時的輻射強度，κ( , λ)x 代表吸收係數，Ib( )
x 則為黑體的輻射強度。而能量方程式中的輻射損失 項為：( )
( )
( )
r ( ) 4 b q κ U πI −∇ ⋅ x = x ⋅ x − x , U( )
x =∫
4πI(
x s,)
dΩ 。 (3-15) 格點所獲得的輻射能量是發射量與吸收量的差值。源項的定義為：(
)
4 4 / max / 4 , / b r T I X q T κσ π κ π κσ π = ′′′ & ， 於火焰面外 ， 於火焰面內 ， (3-16) 其中，q′′′& 代表單位體積的熱釋放率，Xr代表熱輻射所佔能量的比例。而 輻射熱通量qr為：(
)
4 ( ) , r x =∫
πsI x s dΩ q 。 (3-17) (4) 熱邊界條件熱邊界條件熱邊界條件熱邊界條件 固體表面熱損失考慮對流及輻射兩種模式，而計算對流熱傳模式則根 據紊流模式不同而有所改變。在 DNS模擬中，對流熱傳模式是藉由邊界第三章 研究方法 c T q k n ∂ ′′ = − ∂ & ， (3-18) 其中，q′′&c 為對流的熱傳量，k為氣體熱傳導係數。在 LES 模擬中，經由 對流傳遞至固體表面則同時考慮自然對流及強制對流兩種模式， 4 1 1 3 3 3 max 0.037 Re Pr c k q h T h C T L ′′ = ∆ = ∆ , & ； ， (3-19) 其中，∆T 為固體與氣體的溫度差，C為自然對流係數，L為固體的特徵 長度。
第三節
第三節
第三節
第三節 實驗設備與測試
實驗設備與測試
實驗設備與測試
實驗設備與測試
本案全尺寸實驗地點在台南縣歸仁鄉內政部建築研究所防火實驗中 心，以下就實驗設備、實驗規畫分項敘述。 (一一一一) 實驗設備實驗設備實驗設備實驗設備 本實驗之主要設備可分為(1)實驗場整體架構、(2)撒水頭及偵煙式探測 器系統、(3)熱電偶樹。 (1) 實驗場整體架構實驗場整體架構實驗場整體架構實驗場整體架構 實驗場內部為 6m長×6m寬(牆心線)，採用了砌磚的方式來建構牆面， 牆面厚度為 0.26m，天花板高度為2.4m，實驗場南北各有一單開口門， 門開口為 2.1m高×0.9m寬，可依照實驗自由開啟或關閉，如圖9~圖11 所示。 (2) 撒水系統及偵煙式探測器撒水系統及偵煙式探測器撒水系統及偵煙式探測器撒水系統及偵煙式探測器 為了模擬真實建築空間並符合法規規定，將模型房間假定為辦公室。 依據各類場所消防安全設備設置標準[32]，一般反應型撒水頭室內任一點 至撒水頭水平距離在2.1m以下，而實際設計時因有整齊配置等美觀因素 之考量，需長寬均衡設置，故實際設置撒水頭為四顆，撒水頭標示作動 溫度為 74℃，而撒水頭位置如圖12所示，各撒水頭與牆面距離均為 1.25m~1.4m，代號為 S1~S4。 實驗場亦配置四個偵煙式探測器。根據各類場所消防安全設備裝置標 準，除火焰式、差動式及光電式偵煙探測器外，其他探測器需裝設距牆 面 1.5m處。本實驗將採用差動式與光電式偵煙探測器兩種，顧及實驗場 架設方便性，各探測器位置與撒水頭位置一樣，代號為 D1~D4，如圖 13。第三章 研究方法 圖 圖 圖 圖 9 全尺寸實驗模型平面圖全尺寸實驗模型平面圖全尺寸實驗模型平面圖全尺寸實驗模型平面圖 圖 圖 圖 圖10 全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖1 圖圖圖圖11 全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖全尺寸實驗模型實體圖2
圖 圖 圖 圖12 撒水頭位置配置圖撒水頭位置配置圖撒水頭位置配置圖撒水頭位置配置圖 圖 圖 圖 圖13 探測器位置配置圖探測器位置配置圖探測器位置配置圖探測器位置配置圖
第三章 研究方法 (3) 熱電偶樹熱電偶樹熱電偶樹熱電偶樹 實驗使用了許多熱電偶來量測室內的溫度變化，以十個一組，垂直方 向綁於細鐵鏈組成一組熱電偶樹。實驗模型中有 13 組熱電偶樹，8 組位 於房間的牆壁和角落，其量測數據用來繪製平面等溫線圖；剩下 5 組則 分別配置於撒水頭位置上與房間中心點。熱電偶配置如圖 14 所示，使用 的熱電偶為K-type。 (二二二二) 實驗規劃實驗規劃實驗規劃實驗規劃 實驗規劃如圖15、 表 2所示，圖中標號 M1、W2、W1、C1 等代表火源位置，每個火源 位置各有吊扇強風、中風、吊扇關 3 種以及冷氣平吹、下吹、風向自動 、冷氣關 4 種，總計共 28 組實驗。在實驗期間使用 30cm×30cm 丙烷燃 燒器，如圖16，以流量計控制丙烷的流量，使火災熱釋放率為100kW， 並先以熱電偶代替撒水頭與探測器量測火場之溫度變化，往後的數據皆 以S1~S4表示探測點的溫度，74℃為作動溫度。 (1) 冷氣冷氣冷氣冷氣通風效應的影響通風效應的影響通風效應的影響通風效應的影響 冷氣實驗為了研究通風效應對火場的影響，安裝冷氣出風口於實驗 W1，探討火場中冷氣出風對撒水頭及探測器作動時間的影響，其中實驗 採用分離式側吹式冷氣出風口，並於點火前先開啟冷氣達 300 秒，確保 房間內流場達到穩定，往後實驗數據皆從 300秒之後開始討論。 (2) 吊扇效應的影響吊扇效應的影響吊扇效應的影響吊扇效應的影響 F1實驗為了研究吊扇效應對火場的影響，於各種不同火源實驗模型中 安裝吊扇，探討在不同位置下吊扇開啟時對於撒水頭及探測器作動時間 的影響。 (3) 牆壁與角落效應的影響牆壁與角落效應的影響牆壁與角落效應的影響牆壁與角落效應的影響 為了觀察火源位置對於撒水頭及探測器作動時間的影響，吾人設計四
種不同位置實驗火源。其中 M1代表火源安置於房間正中央，W1代表火
源安置於西方牆角旁，W2代表火源安置於南方牆角，則C1代表火源安置
第三章 研究方法 圖 圖圖 圖 14 熱電偶樹配置圖熱電偶樹配置圖熱電偶樹配置圖熱電偶樹配置圖 圖 圖圖 圖 15 實驗規劃平面圖實驗規劃平面圖實驗規劃平面圖實驗規劃平面圖
表 表表 表 2 實驗規劃表實驗規劃表實驗規劃表實驗規劃表 火源位置 角落 (C1) 西方牆角 (W1) 南方牆角 (W2) 中間 (M1) 空屋
(NC) case-C1-NC case-W1-NC case-W2-NC case-M1-NC 平吹
(CH) case-C1-CH case-W1-CH case-W2-CH case-M1-CH 下吹
(CD) case-C1-CD case-W1-CD case-W2-CD case-M1-CD 冷氣
自動
(CA) case-C1-CA case-W1-CA case-W2-CA case-M1-CA 關
(NF) case-C1-NF case-W1-NF case-W2-NF case-M1-NF 中風
(FM) case-C1-FM case-W1-FM case-W2-FM case-M1-FM 房間
裝置
吊扇
強風
(FS) case-C1-FS case-W1-FS case-W2-FS case-M1-FS
圖 圖圖
第四章 FDS 火災模擬結果與討論
第四章
第四章
第四章
第四章 FDS 火災模擬
火災模擬
火災模擬結果
火災模擬
結果
結果
結果與討論
與討論
與討論
與討論
本案以NIST所發展的FDS 第五版，模擬一般起居室以及實尺寸房 間實驗。在一般起居室中，房間大小、開口尺寸與火源皆參考文獻，而 將撒水頭的位置改變與吊扇的有無，分析並討論。在實尺寸房間中，空 間、尺寸，開口位置設定與實驗相同，改變冷氣出風口大小以及出風口 角度，以模擬實驗。第一節
第一節
第一節
第一節 一般起居室
一般起居室
一般起居室
一般起居室
（ （ （ （一一一一））））模擬場景尺寸設定模擬場景尺寸設定模擬場景尺寸設定模擬場景尺寸設定 模擬建築物空間係依據 Victoria B 與 Valentine 之參考文獻來設定 [33]，如圖 17 所示。房間為長 4m×寬 5m，室內淨高為 2.4m，在室內角 落設有兩出風口，為寬 0.8m×高 2.1m，房間內設置沙發 3 張，茶几與桌 子各一，並設置大型衣櫥於沙發正對面。數值計算場域長度(x向)為4m， 寬度(y向)為 5m，高(z 向)為2.4m。房間沙發上有火源，依據設計情境面 積為 0.1m×0.1m，為模擬火災時的火源。係根據 Ma 與 Quintiere 建議的 計算公式所求出[34]，理想的網格大小應為 2.5公分，在此網格大小採用 5公分，格點配置則是採用均勻格點的方式。圖 圖圖 圖 17 一般起居室一般起居室一般起居室一般起居室 (二二二二) 表面材料設定表面材料設定表面材料設定表面材料設定 關於本模擬空間的材料設定，可參考 表 3，壁面材質皆根據文獻中所給的參數搭配 FDS 第五版去模擬，詳 細壁面材料皆採用 FDS 第 4 版的資料預設值，為不可燃的物質，其中木 製家具與尼龍家具為了更符合實際場景，分別使用可然以及不可燃的條 件去分析。
第四章 FDS 火災模擬結果與討論 表 表 表 表 3 FDS 材料選擇材料選擇材料選擇 材料選擇 物體 表面材料 材料特性 天花板 牆壁 地板 'WALL' 'GYPSUM PLASTER' density=1440 (kg/m3) conductivity=0.48 (W/m/K) SPECIFIC_HEAT=0.84 (kJ/kg/K) 木製家具 'OAK' 'PINE' density=360 (kg/m3) conductivity=0.05 (W/m/K) SPECIFIC_HEAT=1.0 (kJ/kg/K) 尼龍家具 'UPHOLSTERY' (FABRIC：FOAM=1：5) 'FABRIC' density=100 (kg/m3) conductivity=0.1 (W/m/K) SPECIFIC_HEAT=1.0 (kJ/kg/K) 'FOAM' density=40 (kg/m3) conductivity=0.05 (W/m/K) SPECIFIC_HEAT=1.0 (kJ/kg/K) (三三三)模擬情境之設定三 模擬情境之設定模擬情境之設定模擬情境之設定 根據文獻設定，希望由 FDS 數值模擬結果，歸納出阻礙物對於探測 器與撒水頭作動之影響，並對照文獻裡的過去資料，以及對未來的實驗， 給予有力的參考數據。因火場裡家具的延燒效果，會加速火場溫度的提 高，以及影響火災濃煙的分布，固本案針對 4 種情境，並搭配家具可燃 與不可燃，以利互相參考與比較。 情境 情境 情境 情境 1(Case W-P-NF)：：： ： 常見的撒水頭安裝位置 常見的撒水頭安裝位置 常見的撒水頭安裝位置 常見的撒水頭安裝位置。。。。在建築空間配置規範下，吾人常安裝撒水 頭於房間的正中央，一方面是因為節省經費，另一方面也是因裝置於中
央，有效面積最大，效果最好。 情境 情境情境 情境 2(Case W-P-F)：：：： 加裝吊扇 加裝吊扇加裝吊扇 加裝吊扇。。。。常見的辦公室皆會安裝吊扇於房間的上方，固本案將吊 扇設定於室內的正中央，因 FDS 軟體的關係，本案設計吊扇並不會出風 與旋轉，為吊扇形狀的障礙物。 情境 情境情境 情境 3(Case W-S-NF)：：：： 撒水頭安裝於牆邊 撒水頭安裝於牆邊撒水頭安裝於牆邊 撒水頭安裝於牆邊。。。。為了比較撒水頭的位置對作動時間的影響，將 撒水頭設定於牆邊，探討改變撒水頭位置是否會改變撒水頭的作動時間。 情境 情境情境 情境 4(Case W-S-F )：：： ： 加裝吊扇且撒水頭安裝於牆 加裝吊扇且撒水頭安裝於牆加裝吊扇且撒水頭安裝於牆 加裝吊扇且撒水頭安裝於牆邊邊邊邊。。。常見的辦公室搭配不常見的撒水頭。 的安裝位置，在阻礙物與壁面效應、牆壁效應的交互影響下，觀察其撒 水頭的作動時間，以利未來實驗設計參考。
(四
四
四)
四
FDS 模擬結果
模擬結果
模擬結果
模擬結果
吾人設計火源在時間一開始即點燃，其撒水頭作動溫度為 74℃，結 果如表 4 所示。第四章 FDS 火災模擬結果與討論 表 表表 表 4 FDS 模擬撒水頭作動時間模擬撒水頭作動時間模擬撒水頭作動時間模擬撒水頭作動時間表表表表 Model Name Ceiling Fan Present Sprinkler Type 火災蔓延到 火災蔓延到火災蔓延到 火災蔓延到 大茶几的時間 大茶几的時間大茶几的時間 大茶几的時間 (s) 作動時間 作動時間作動時間 作動時間 (s) Case W-P-NF-C N Pendent 106 48.56 Case W-P-NF-NC N Pendent 0 172.33 Case W-S-NF-C N Sidewall 106 46.67 Case W-S-NF-NC N Sidewall 0 316.23 Case W-S-F-C Y Sidewall 106 48.78 Case W-S-F-NC Y Sidewall 0 262.17 Case W-P-F-C Y Pendent 106 45.67 Case W-P-F-NC Y Pendent 0 200.33 家具的延燒與否 家具的延燒與否 家具的延燒與否 家具的延燒與否 如圖 18，在 FDS 模擬結果中，因設定沙發為可燃物質，火源在沙發上 會起火產生更多的火焰與濃煙，造成環境溫度急速升高，由表 3 可以很 明顯的看出，一旦家具會延燒，無論是哪一種情況，撒水頭的作動時間 皆為 45 秒左右，顯示出家具的延燒嚴重的影響撒水頭的作動時間，導致
我們無法判斷不同情況對於撒水頭的影響。 表 4 為 Case W-P-NF-C 與 Case W-P-NF-NC 在 48 秒以及 172 秒的模擬 場景與溫度分布圖，由表 5 中可發現，一旦 Case W-P-NF-C 發生家具延 燒現象，燃燒所導致的濃煙會比較厚且房間溫度較高，撒水頭在 48 秒即 達到作動溫度，甚至在 172 秒的時候，整個房間已暴露在火場中，不只 濃煙充斥整個空間，整體溫度幾乎都超過 100℃以上；由圖 19 和表 5 中， Case W-P-NF-C 在 48 秒與 172 秒時，濃煙看起來都差不多，撒水頭也到 了 172 秒才因濃煙堆積而達到作動溫度。 t=60s t=120s t=180s 圖 圖 圖 圖 18 Case W-P-NF-C 在在在在 Y=2.5m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖 t=60s t=120s t=180s 圖 圖圖 圖 19 Case W-P-NF-NC 在在在 Y=2.5m 等溫線圖在 等溫線圖等溫線圖等溫線圖
第四章 FDS 火災模擬結果與討論 表 表表 表 5 Case W-P-NF-C 與與與與 Case W-P-NF-NC Case W-P-NF-C（（（（火災會蔓延火災會蔓延火災會蔓延火災會蔓延）） Case W-P-NF-NC（）） （（火災不會延燒（火災不會延燒火災不會延燒）火災不會延燒））） t=48S t=172S
撒水頭的位置 撒水頭的位置撒水頭的位置 撒水頭的位置 表 6 為 Case W-P-NF-NC 與 Case W-S-NF-NC 在 172 秒的溫度分布圖， 因我們只改變了撒水頭的位置，故火場的燃燒狀況與煙流情形完全一模 一樣。在 172 秒時濃煙才慢慢蔓延到中間，以至於中間的撒水頭達到作 動溫度，而牆邊的溫度還維持在 60℃左右；反觀牆邊的撒水頭要到 316 秒時，才會達到作動溫度而作動。 表 表表 表 6 Case W-P-NF-NC 與與與與 Case W-S-NF-NC
Case W-P-NF-NC（
（
（
（撒
撒
撒
撒
水頭在
水頭在
水頭在
水頭在中央
中央
中央
中央）
）
）
）
Case W-S-NF-NC（
（
（
（撒水
撒水
撒水
撒水
頭在牆邊
頭在牆邊
頭在牆邊
頭在牆邊）
）
）
）
t=172S
阻礙物 阻礙物阻礙物 阻礙物(吊扇的影響吊扇的影響吊扇的影響) 吊扇的影響 其中，表 7 為 Case W-P-NF-NC 與 Case W-P-F-NC 在 172 秒的 FDS 模擬圖與溫度分布圖。觀察兩種情形的模擬圖，會發現圖中煙層的差異 並不明顯，但觀察兩種情形的溫度分布圖，很明顯的發現在葉片上方， 會因為吊扇阻礙的影響，高溫的煙堆積在吊扇旁，無法順利的擴散到撒 水頭附近，導致本來在 172 秒就可達到作動溫度的撒水頭，要等到 200 秒，濃煙擴散到撒水頭而達到作動溫度。第四章 FDS 火災模擬結果與討論 表 表表 表 7 Case W-P-NF-NC 與與與與 Case W-P-F-NC
Case W-P-NF-NC（
（
（
（無吊
無吊
無吊
無吊
扇
扇
扇
扇）
）
）
）
Case W-P-F-NC（
（
（
（有吊
有吊
有吊
有吊
扇
扇
扇
扇）
）
）
）
t=172S
t=60s t=120s t=180s 圖 圖圖 圖 20 Case W-P-F-NC 在在在在 Y=2.5m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖 等溫線圖在本次的實驗模擬中，證明了探測器與撒水頭的作動時間，和探測器 與撒水頭位置設置，以及家具延燒與否皆有一定的關係。另外在起居室 中加裝阻礙物，會影響火場裡煙層的流動，進而影響探測器與撒水頭的 作動時間，也給未來實驗帶來龐大的數據資料，以供參考。
第二節
第二節
第二節
第二節 FDS 數值模擬
數值模擬
數值模擬
數值模擬空調風管系統
空調風管系統
空調風管系統實驗
空調風管系統
實驗
實驗
實驗
(一
一
一) 模擬場景尺寸設定
一
模擬場景尺寸設定
模擬場景尺寸設定
模擬場景尺寸設定
所模擬之建築物空間係依據第三章之實驗實尺寸房間來設定，如圖 21 所示。房間為長 6m×寬 6m，室內淨高為 2.4m，在兩邊牆面有室內通 風口。數值計算場域長度(x 向)為 6m，寬度(y 向)為 6m，高(z 向)為 2.4m， 網格大小也如辦公室模擬情況一樣，設定為 5cm。 圖 圖圖 圖 21 實尺寸實驗場景實尺寸實驗場景實尺寸實驗場景實尺寸實驗場景第四章 FDS 火災模擬結果與討論
(二
二
二
二) 表面材料設定
表面材料設定
表面材料設定
表面材料設定
關於本模擬空間的材料設定，可參考表 8，本實驗為研究建築內部在 加裝冷氣出風口條件下的流場結構，以及在不同火源位置的條件下火災 煙流之流動趨勢，壁面材料依據實驗場景設定為磚塊牆，為不可燃的物 質，其物理性質則參照實際物理性質所設定。 表 表 表 表 8 FDS 材料選擇材料選擇材料選擇 材料選擇 物體 表面材料 材料特性 天花板 'brick' ‘Default’ 牆壁 'brick' ‘Default’ 地板 'brick' ‘Default’(三
三
三
三) 模擬情境之設定
模擬情境之設定
模擬情境之設定
模擬情境之設定
吾人根據第 3 章的實驗規劃，以 FDS 模擬房間中加裝冷氣出風口， 並如實驗規劃所示於房間中 4 點(S1~S4)安裝撒水頭與探測器，因為在 FDS 模擬時，我們可直接獲得此 4 點的溫度，並藉由溫度可得知撒水頭或探 測器作動的準確時間，故在程式表示上皆用探測器代替即可，又因 FDS 程式無法模擬動態出風口的關係，本案只模擬空屋環境、冷氣平吹、冷 氣下吹等 3 種不同的出風方向。吾人於房間正中央地板上，放置 30cm× 30cm 高 50cm 熱釋放率為 100kW 的火源，火源位置也如實驗規劃放置於 4 種不同位置，互相驗證與探討。吾人並於牆壁上加裝 90cm×10cm 的冷 氣出風口，吹出的冷空氣風速大小為 1.5m/s 溫度為 18℃，藉由改變冷氣 的出風方向，分析冷氣對於撒水頭與探測器作動時間的差異，與未來實 驗做比較。(四
四
四)
四
FDS 模擬結果
模擬結果
模擬結果
模擬結果
吾人在長 6m×寬 6m 的房間中，加入了冷氣的冷風，會使得房間內流 場產生明顯的變化，並分別以空屋、冷氣平吹、冷氣下吹，利用 FDS 進 行模擬，比較 S1~S4，可得出表 9。其中 S1~S4在房間的位置如圖 22 所示。 FDS 模擬時間約 600 秒，前 300 秒模擬冷氣開啟使房間流場達到穩 定，300 秒開始點火，時間達到 600 秒停止模擬，一旦模擬結束探測點還 未達到作動溫度則判定該點無法作動。以下針對 4 種不同類型火源位置 分別敘述。第四章 FDS 火災模擬結果與討論 圖 圖 圖 圖 22 撒水頭配置圖撒水頭配置圖撒水頭配置圖撒水頭配置圖 表 表表 表 9 FDS 探測點達到作動溫度探測點達到作動溫度探測點達到作動溫度探測點達到作動溫度時間時間時間時間表表表表 S1(s) S2(s) S3(s) S4(s) 空屋 6.45 23.17 11.12 1.78 平吹 8.78 21.61 8 1.78 火源在角 落 下吹 4.50 23.94 10.34 1.78 空屋 4.11 27.45 30.56 4.11 平吹 7.61 31.72 30.56 9.56 火源在西 方牆角 下吹 7.61 36.01 30.56 6.45 空屋 15.78 13.45 1.78 1.78 平吹 26.28 15.39 2.56 2.56 火源在南 方牆角 下吹 15.67 14.33 2.34 2.34 空屋 5.67 2.95 2.95 7.62 平吹 8.39 3.73 3.34 8 火源在中 央 下吹 2.95 2.95 3.34 4.11
(1) 火源在角落火源在角落火源在角落 火源在角落 FDS 模擬火源位於角落情況，詳細火災觀測如圖 23~圖 25，圖 23 為 空屋環境的平面溫度圖，在空屋環境下 S4作動最早，距離火源最遠的 S2 則需火源產生後約 23 秒才達到作動，S1距離西北方角落較近，角落聚煙 效果較為嚴重，故 S1作動時間比 S3快上許多。 圖 24 為冷氣平吹的平面溫度圖，在冷氣平吹且火源於角落的環境裡， S4 距離火源最近且不受冷氣干擾，作動時間依舊在點燃後 2 秒內，而最 遠的 S2須達火源產生後 22 秒才達到作動。比較 S1的作動時間，在冷氣 平吹的影響下，延遲了約 2 秒鐘，但是 S3的作動時間，則因冷氣將熱空 氣往東方吹的緣故，提早了約 3 秒鐘。 圖 25 為冷氣下吹的平面溫度圖。觀察圖 25，距離火源最近的 S4與最 遠的 S2，數據維持不變為火源產生後 2 秒與 22 秒即達到作動，S1則因冷 氣下吹之關係，加速了房間內西方的熱空氣上升，S1 作動時間在點火後 4.5 秒，而 S3的作動時間也因此提早許多，甚至比空屋環境來的早。
第四章 FDS 火災模擬結果與討論
t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖 圖 圖 23 FDS 模擬火源在角落之空屋環境模擬火源在角落之空屋環境模擬火源在角落之空屋環境模擬火源在角落之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖 圖 圖 24 FDS 模擬火源在角落之冷氣平吹模擬火源在角落之冷氣平吹模擬火源在角落之冷氣平吹模擬火源在角落之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖圖 圖 25 FDS 模擬火源在角落之冷氣下吹模擬火源在角落之冷氣下吹模擬火源在角落之冷氣下吹模擬火源在角落之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖 (2) 火火火源在火源在源在西方牆角源在西方牆角西方牆角 西方牆角 FDS 模擬火源位於西方牆角情況，即為冷氣出風口正下方，詳細火災 觀測如圖 26~圖 28，圖 26 為空屋環境下平面溫度圖，熱煙從冷氣下方垂 直上升並往東方擴散，所以距離火源較近的 S1與 S4約為火焰點燃後 4 秒 鐘即達到作動條件，但距離火源較遠的 S2與 S3則於 30 秒左右即達到作 動溫度。 圖 27 為冷氣平吹之平面溫度圖，因冷氣開啟的緣故，熱空氣上升過程 中會遭遇冷氣出風口的影響，S1與 S4的作動時間就有明顯的延遲現象， 各約延遲 3~5 秒。雖然說冷氣平吹影響了 S1與 S4的作動時間，距離火源 較遠的 S2與 S3則維持 30 秒左右而作動，原因為火源所產生的熱空氣量 比冷氣出風口的出風量大，在靠近冷氣出風口處雖會有延遲現象，但冷第四章 FDS 火災模擬結果與討論 有因冷氣出風而產生加速的效果。從平面溫度圖也可發現空屋環境與冷 氣平吹的圖形相當類似，故 S2與 S3作動時間幾乎不變。 圖 28 為冷氣下吹之平面溫度圖，結果與冷氣平吹環境相當類似，S1 與 S4在點火後 7 秒左右達到作動，而距離較遠之 S2與 S3依舊為點火後 30 秒左右達到作動，因火源所產生的熱空氣量比冷氣出風口的出風量 大，使得整體結果顯示，冷氣出風方向對於撒水頭與探測器的作動時間 並無太大的影響。
t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖 圖 圖 26 FDS 模擬火源在西方牆角之模擬火源在西方牆角之模擬火源在西方牆角之模擬火源在西方牆角之空屋環境空屋環境空屋環境空屋環境 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖圖 圖 27 FDS 模擬火源在西方牆角之冷氣平吹模擬火源在西方牆角之冷氣平吹模擬火源在西方牆角之冷氣平吹模擬火源在西方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖圖 圖 28 FDS 模擬火源在西方牆角之冷氣下吹模擬火源在西方牆角之冷氣下吹模擬火源在西方牆角之冷氣下吹模擬火源在西方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖第四章 FDS 火災模擬結果與討論 (3) 火源火源火源火源在南方牆角在南方牆角在南方牆角在南方牆角 FDS 模擬火源位於南方牆角情況，詳細火災觀測如圖 29~圖 31，圖 29 為空屋環境之平面溫度圖，因火源位置改變，距離火源最近的 S3與 S4為 最早作動之兩點，約為點火後 2 秒內達到作動，而距離較遠的 S1與 S2則 須 15 秒左右，才達到作動條件。 圖 30 為冷氣平吹之平面溫度圖，S3與 S4略為延遲 1 秒鐘，而 S2的作 動時間略為延遲 2 秒鐘，影響較為明顯的 S1延遲時間約 10 秒鐘。冷氣出 風使得熱空氣往東方擴散，但冷氣出風口的出風量比火源所產生的熱空 氣量小，影響熱空氣擴散的幅度有限，故只有 S1延遲效果較為嚴重，其 餘 3 點延遲現象相當有限。 圖 31 為冷氣下吹之平面溫度圖，更改了冷氣出風口為向下吹，雖會加 速了熱空氣的上升，但冷氣出風口的出風量比火源所產生的熱空氣量 小，故整體而言影響幅度並不大，連冷氣平吹中影響較大之 S1，作動時 間回復為點燃後 15 秒。冷氣下吹之平面溫度圖也與空屋環境之平面溫度 圖相當類似，與冷氣平吹時的些許影響比較起來，冷氣下吹對探測器與 撒水頭的延遲幾乎沒有影響。
t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖圖 圖 29 FDS 模擬火源在南方牆角之空屋環境模擬火源在南方牆角之空屋環境模擬火源在南方牆角之空屋環境模擬火源在南方牆角之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖圖 圖 30 FDS 模擬火源在南方牆角之冷氣平吹模擬火源在南方牆角之冷氣平吹模擬火源在南方牆角之冷氣平吹模擬火源在南方牆角之冷氣平吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖第四章 FDS 火災模擬結果與討論
t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖 圖 圖 31 FDS 模擬火源在南方牆角之冷氣下吹模擬火源在南方牆角之冷氣下吹模擬火源在南方牆角之冷氣下吹模擬火源在南方牆角之冷氣下吹 H=2.3m 等溫線圖等溫線圖等溫線圖等溫線圖 (4) 火源火源火源火源在中央在中央在中央在中央 最後，FDS 模擬火源位於正中央情況，詳細火災觀測如圖 32~圖 34， 圖 32 為空屋環境之平面溫度圖，熱空氣垂直上升並往房間四周擴散，故 S1~S4各點的作動時間皆為點燃後 3~5 秒左右。 圖 33 為冷氣平吹之平面溫度圖，開啟冷氣並調整為平吹環境，熱空 氣上升至天花板時會較容易往東方擴散，故 S2與 S3的作動時間會比 S1 與 S4的作動時間來的快，雖然 S2與 S3有因冷氣平吹延遲了約 1 秒，但 S1延遲時間更長達 3 秒。 圖 34 為冷氣下吹之平面溫度圖，根據前幾次的模擬結果，冷氣下吹 會造成熱空氣略為加速上升，但冷氣出風口的出風量比火源所產生的熱 空氣量小，卻並不一定會造成影響。由結果可知，S1~S4的作動時間皆為點燃後 3 秒左右，跟空屋環境結果差異並不大，換句話說，冷氣下吹對 火源在正中央環境並無太大的改變。
t=301s
t=306s
t=312s
t=320s
圖 圖 圖 圖 32 FDS 模擬火源在正中央之空屋環境模擬火源在正中央之空屋環境模擬火源在正中央之空屋環境 H=2.3m 等溫線圖模擬火源在正中央之空屋環境 等溫線圖等溫線圖等溫線圖第四章 FDS 火災模擬結果與討論
