性能設計與設計火源檢證研究-防火性能設計之火源燃燒特性研究

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(1)性能設計與設計火源檢證研究防火性能設計之火源燃燒特性研究. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 94 年 12 月.

(2) ＰＧ９４０２－００２００９４－３０１０７０００－Ｇ１００９. 性能設計與設計火源檢證研究防火性能設計之火源燃燒特性研究. 受委託者. ：財團法人中華建築中心. 研究主持人：林大惠研究助理：吳展維. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 94 年 12 月.

(3) 目次. 目次表次 ..........................................Ⅲ 圖次 .............................................Ⅴ 摘要 ..........................................Ⅸ 第一章緒論 .....................................1 第一節研究緣起與背景 ....................1 第二節區劃火災之成長與閃燃 .............4 第三節區劃火災閃燃估算文獻回顧..........9 第四節研究目的及任務分組 ................20 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃 ..............23 第一節實驗空間家具及儀器配置 ............23 第二節實驗設備 ..........................28 第三節熱釋放率分析 ......................35 第三章實尺寸辦公室火災實驗......................39 第一節木框架模擬實驗 ...................39 第二節雙開口部實驗 ....................49 第三節家具組延燒實驗 ....................62 第四節單開口部挑高空間實驗 ............68 第五節雙開口部挑高空間實驗 ............79 第六節閃燃時間比較 ....................87 第四章以經驗公式估算閃燃 .......................89 第五章結論與建議 ...............................93 I.

(4) 第一節結論 ..............................93 第二節建議 ..............................94 附錄 ...........................................95 參考書目 .........................................101. II.

(5) 表次. 表次表1-1 表1-2 表2-1 表2-2 表3-1-1 表3-1-2 表3-2-1 表3-2-2 表3-3-1 表3-4-1 表3-4-2 表3-5-1 表3-5-2 表3-5-3 表3-6-1. 性能式法規與規格式法規優缺點之比較 ........3 一般火災歷程 ..............................8 辦公室空間傢俱種類尺寸及數量 ..............25 辦公室空間傢俱種類及火載量 ................25 木框架實驗之儀器配置 ......................40 木框架實驗之火災歷程 ......................42 雙開口部辦公室火災實驗儀器配置 ............51 雙開口部辦公室火災實驗之火災歷程 ..........53 家具組延燒實驗之火災歷程 ..................63 單開口部挑高空間實驗之儀器配置 ............69 單開口部挑高空間實驗之火災歷程 ............70 實驗儀器配置情形 ..............................80 新增物品之火載量 ..........................80 火災歷程 ..................................81 閃燃時間之比較 ............................87. III.

(6) 表次. IV.

(7) 圖次. 圖次圖1-1 圖1-2 圖2-1 圖2-2 圖2-3 圖2-4 圖2-5 圖2-6 圖2-7 圖2-8 圖2-9 圖2-10 圖2-11. 居室內沙發之火災歷程..........................6 木框架之幾何尺寸..............................14 辦公室實驗儀器配置規劃........................24 辦公椅細部構造圖..............................26 屏風細部構造圖 ...............................26 屏風桌板細部構造圖............................27 擺設完成之屏風及桌板相片圖....................27 擺設完成之高矮櫃相片圖........................28 10MW大尺度燃燒試驗裝置示意圖..................30 集煙罩及各部分管路系統照相圖..................30. 廢氣處理系統整體照相圖........................31 燃燒排氣連續線上分析系統......................31 裡內可視（Lenox）之高溫爐火檢視遙控視景系統配置圖 .........................................33 圖2-12 裡內可視之高溫爐火檢視遙控視景系統各部分零件圖 ...........................................33 圖2-13 熱輻射計構造 .................................34 圖3-1-1(a) 木框架模擬實驗配置圖..........................39 圖3-1-1(b) 熱偶樹TC7、TC6、TC5(由左到右).................41 圖3-1-1(c) 木框架擺設位置照相圖..........................41 圖3-1-2 木框架實驗過程照片............................43 圖3-1-3(a) 木框架實驗之熱偶樹溫度變化圖(TC1~TC4) .........45 圖3-1-3(b) 木框架實驗之熱偶樹溫度變化圖(TC5~TC7) .........46 圖3-1-4 木框架實驗之熱輻射通量變化圖..................47 圖3-1-5 木框架實驗所抽煙氣之流場及濃度變化 ............48 圖3-1-6 木框架實驗之熱釋放率變化圖....................49 V.

(8) 圖次. 圖3-2-1(a) 雙開口部辦公室火災實驗配置圖..................50 圖3-2-1(b) 家具實際擺設及熱偶樹 TC6、TC5、TC4 位置圖 .......51 圖3-2-1(c) 北牆之木櫃 4 組、及東北部開口..................52 圖3-2-2 雙開口部辦公室火災過程照片....................54 圖3-2-3(a) 雙開口部辦公室火災熱偶樹溫度變化圖(TC1~TC4) ...55 圖3-2-3(b) 雙開口部辦公室火災熱偶樹溫度變化圖(TC5~TC7) ...56 圖3-2-4 雙開口部辦公室火災之房間4個角落熱電偶溫度變化情形 .........................................57 圖3-2-5 雙開口部辦公室火災之房間進出口溫度 ............57 圖3-2-6 雙開口部辦公室火災之內外牆溫度................59 圖3-2-7 雙開口部辦公室火災之實驗屋氣體濃度 ............59 圖3-2-8 雙開口部辦公室火災熱輻射通量變化圖 ............60 圖3-2-9 雙開口部辦公室火災所抽煙氣之流場及濃度變化 ....60 圖3-2-10 雙開口部辦公室火災熱釋放率變化圖..............61 圖3-3-1(a) 家具組延燒實驗配置............................62 圖3-3-1(b) 家具組配置情形 ...............................62 圖3-3-1(c) 燃燒器配置位置 ...............................62 圖3-3-2 家具組延燒實驗過程............................64 圖3-3-3 熱電偶溫度變化 ...............................65 圖3-3-4 家具組延燒實驗之家具質量消耗率變化情形 ........66 圖3-3-5 家具組延燒實驗所抽煙氣之流場及濃度變化 ........66 圖3-3-6 家具組延燒實驗之熱釋放率變化圖................67 圖3-4-1 單開口部挑高空間實驗配置圖....................68 圖3-4-2 單開口部挑開空間火災過程照片圖................71 圖3-4-3(a) 單開口部挑開空間火災熱偶樹溫度變化(TC1~TC4) ...74 圖3-4-3(b) 單開口部挑開空間火災熱偶樹溫度變化(TC5~TC7) ...75 圖3-4-4 單開口部挑高空間火災之房間 4 個角落溫度變化 ....76 圖3-4-5 單開口部挑高空間火災之房間進出口溫度 ..........76 VI.

(9) 圖次. 圖3-4-6 單開口部挑高空間火災內外牆溫度之變化 ..........77 圖3-4-7 單開口部挑高空間火災所抽煙氣之流場及濃度變化 ..77 圖3-4-8 單開口部挑高空間火災熱釋放率之變化 ............78 圖3-5-1(a) 雙口開部挑高空間實驗配置圖....................79 圖3-5-1(b) 電腦擺設圖 ...................................80 圖3-5-1(c) 垃圾筒示意圖 .................................80 圖3-5-2 雙口開部挑高空間火災過程照片圖................83 圖3-5-3(a) 雙開口部挑高空間火災熱偶樹溫度變化(TC1~TC4) ...84 圖3-5-3(b) 雙開口部挑高空間火災熱偶樹溫度變化(TC5~TC7) ...85 圖3-5-4 房間四個角落熱電偶溫度變化....................86 圖3-5-5 房間進出口溫度 ...............................86 圖3-5-6 內外牆溫度...........................................87. VII.

(10) 圖次. VIII.

(11) 摘要. 摘要關鍵詞: 實尺寸模型、實尺寸火災實驗、性能法規、熱釋放率、閃燃一、研究緣起由於建築設計、技術以及建築材料的日新月異，建築物防火設計所依據的規格化法規，顯得窒礙難行。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地加以驗證。二、研究方法及過程本實驗報告共完成五次實尺寸辦公室火災實驗，分別為：木框架模擬實驗、雙開口部實驗、家具組延燒實驗、單開口部挑高空間實驗以及雙開口部挑高空間實驗。三、重要發現由實尺寸實驗之數據顯示，閃燃發生時機確實如文獻所言為：上層煙氣溫度達到 600℃或是到達地面之熱輻射通量達 20kW/m2。從實驗亦可得知，閃燃之主控參數是熱釋放率，而熱釋放率則受火源及火源附近可燃物之延燒特性及熱釋放率影響。四、主要建議事項本研究根據各專家學者審查後提出以下建議。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. IX.

(12) 主辦機關:內政部建築研究所協辦機關:台北科技大學 0. 閃燃發生時間以文獻所述多以室內最高溫達 600 c 或地板熱通量值 2. 達 20kw/m 認定之，是否可探討如以熱釋放率 HRR 值在此狀況下如何對應。對於目前試驗所得閃燃試驗結果，建議應用以往已建立之經驗公式加以交叉比對。. 長期性建議主辦機關:內政部建築研究所協辦機關:台北科技大學對於居室與辦公室火災之燃燒特性本研究有充分之描述，對於本所剛研提之「建築物構造防火性能驗證技術手冊」中有所助益，請受委託單位於期末結案報告提出具體修改意見。. X.

(13) 摘要. ABSTRACT Keywords: full-scale fire test, heat release rate (HRR), flashover, performance-based code The purpose of the project is to verify the design requirements for the performance-based code by means of full-scale room and office fire experiments. From these experiments, the governing parameters for the performance-based fire protection can be found. In this year’s project, the following tasks have been accomplished: (1) Full-scale fire tests on the office room have been executed. The fire processes (ignition, flashover and burn-out process), temperature field, total heat release rate, have been analyzed. (2) From experimental data, it has been confirmed that the criteria for flashover to occur, namely, 600oC upper layer temperature and 20kW/m2 heat flux on the ground, are adequate.. The major controlling factor for flashover is the heat. release rate, which is influenced by the fire spread and heat release characteristics of the fire source and the flammable materials in its vicinity. (3) The flashover characteristics associated with our full-scale office room fire have been evaluated by the available flashover correlations in the literature. The calculation has been compared with the experiments. (4) FDS simulation of the full-scale office room fire is under way, the preliminary results showed correct trends observed in the fire tests.. XI.

(14) 第一章緒論. 第一章緒. 論. 第一節研究緣起與背景由於現代建築設計、技術以及建築材料日新月異，過去建築物防火設計所依據之傳統規格化的法規（Prescriptive Code），格外顯得綁手綁腳，窒礙難行。世界各國近年來競相採用性能法規（Performance-Based Code），尤其是在防火工程領域方面，因為防火工程技術的漸趨成熟、防火實驗資料的大量建立，以及預測火災發展與災害危險度評估的電腦模擬程式逐漸被開發出來，採用性能法規已是世界的趨勢。規格式法規及性能式法規各有其有優缺點。規格式法規之優點主要為：簡單直接、易於執行。缺點為：法規繁複，創新彈性有限，限制新技術的開發。性能式法規優點則有：無繁複規定，設計考量成本、效率、彈性。缺點為：需要足夠之專業知識，及長期之教育工作，需用實驗或電腦來評估其性能。詳細之比較如表 1-1 所示。近年來各界大力推動性能法規，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。固然防火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，但其設計的防火性能仍需適當的加以驗證。我國在防火性能法規的研究尚在起步階段，所以本研究希望藉由實尺寸火災實驗，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。在建築物火災過程中，從起火至閃燃的期間，為防火工程上欲竭力避免人員傷亡及財物損失之重要階段。一旦發生閃燃，溫度會急劇上升、毒煙及燃燒氣體量激增、氧氣濃度急速減少、壓力變化亦甚大，人在室內已難以存活，所有人員應在閃燃發生之前逃避至安全之處。基於此點，. 1.

(15) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 在性能式法規架構中，起火至閃燃時間評估扮演非常重要的角色。以日本公布之「性能法規評估之架構」為例，其中五項主軸中，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，閃燃時間評估直接影響性能法規之適用性。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，我國亦已允許性能式設計，然而，在實際進行時仍有困難，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。另外，因為各國性能法規之架構、目標甚至評估方式均有差異，在閃燃時間評估上亦有不同，必須澄清其差異及適用性，貿然使用將有誤用之虞。因此，亦必須針對上述課題進行探討，使我國性能式法規能有效地實施。. 2.

(16) 第一章緒論. 表 1-1：性能式法規與規格式法規優缺點之比較法規類型. 優點 1. 評估方法簡便直接。. 規格法規. 缺點 1. 規定未述及明確目標。. 2. 不需要高層次的工程專 2. 法規結構繁複。業知識，一致的標準易於 3. 無法降低成本。讓地方建管人員執行。 4. 創新彈性極為有限。 5. 前提假設只有一種符合安全等級的方法。 6. 限制新工法新技術的開發。. 1. 有清楚的目標並將達成 1. 極難定義量化之安全等級（即性能基準）。這些目標的方法留待設計者選擇發揮。 2. 需專業知識，特別在開始應用的階段須進行教育 2. 提供可符合性能規定的工作。創新設計方案空間。 3. 難以評估是否符合其設 3. 沒有繁複的規定。定的目標。 4. 助長採用新知識、並促進 4. 需要用實驗或電腦模式性能法規新工法新技術之開發與來評估其性能。應用。 5. 若無足夠的檢測設備則 5. 使設計者能考量成本。無法證實所提之性能。 6. 清除技術性貿易障礙，促進商品流通。 7. 促進國際法規系統統一調和。. 3.

(17) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 第二節區劃火災之成長與閃燃一般建築物中區劃空間的火災，自火源點燃開始，其火勢成長速度之快慢，與其災害範圍之大小，受到眾多參數的影響。茲就建築物區劃空間火災進展的過程，描述如下，並藉以點明相關的參數。造成起火的原因非常廣泛，一般有電器用品所引起的電線走火、香菸引起的失火、來自鄰近建築物之延燒、或是人為縱火等等。火災通常必須經由可燃物本身之著火後發生燃燒，即稱為起火。此一時期稱為火災的醞釀階段，小火源本身如果自行熄滅或者不會引燃其他的可燃物體，那麼就不會引起火災。火源之延燒成長與否與以下因素有關： 1.材料曝火面大小。 2.材料受熱裂解的溫度與速率。 3.引燃溫度及引燃所需最低氧氣量。以一般房間中的沙發椅被引燃後（如圖 1-1a 所示）的火災歷程為例，沙發椅上的引火源會迅速的形成火柱（如圖 1-1b 所示），燃燒釋出的能量一部分（約 35%）以輻射熱方式傳遞到房間內可燃物、牆壁以及天花板，其餘的部分（約 65%）則隨著火柱往上流動。房間內的火災，初期並不會受到封閉空間的影響，其燃燒現象完全由燃料來主導。沙發之強烈火焰，藉由輻射、對流、傳導等方式使整個房間溫度上升，如此一來加速了其它部分材料的焦化裂解而助長燃燒，此時稱為火災發展期，而影響這一階段的因素包含： 1.材料的著火性及發熱性。 2.材料表面的燃燒特性與曝火面大小。 3.房間內可燃物之數量與尺寸。 4.房間內可燃物的間隙及可燃物堆積之高度。. 4.

(18) 第一章緒論. 5.點火源之大小與位置。 6.房間開口部之尺寸與位置。 7.風向及風速。 8.房間形狀與尺寸。接下來燃燒範圍由起火點向外延燒，溫度快速上升，往上流動的熱氣流吸入房間的冷空氣，少量的燃燒產物和大量的空氣混合，使得火柱下游的質量流率增加，但是氣流溫度和燃燒產物濃度卻反而下降。火柱上方具渦漩流動特性的煙柱，衝擊天花板而形成天花板噴流（如圖1-1c 所示）。若在建築物中，大量使用易燃裝修材料裝修天花板，此時火勢將迅速延燒天花板，甚至快速、大面積橫向延燒，燃燒的天花板產生大量的輻射熱向地面放射，促進地板可燃物燃燒速度，如此一來天花板、壁面、地板橫向與縱向的相互連鎖反應，使得火勢成長更快。反之，若室內天花板以不燃材料作為裝修材料，火焰前端衝擊天花板時，亦會向下產生輻射，不過天花板本身為不燃材料，不會產生燃燒現象，因此天花板不提供熱量，故輻射熱量不如易燃天花板來得大，但熱氣之累積仍然使得天花板之煙氣溫度及厚度逐漸上升。但溫度之上升比起可燃天花板，自然緩慢地多。接著水平四散的天花板噴流碰到房間壁面後，沿著壁面往下流動（如圖 1-1d 所示）；由於噴流溫度高於房間空氣溫度，而其密度則低於空氣密度，往下流動噴流受到向上浮力影響而趨緩。房間壁面也會對往下流動噴流產生阻力作用，並同時經由熱傳而將噴流冷卻。相較於連續流動的天花板噴流，浮力效應和壁面作用，最後使得房間上層氣流顯得遲滯不動。房間上方的天花板噴流和壁面噴流交互作用的結果，在天花板噴流下方，將形成一高溫而遲滯不動的均勻厚度煙氣層，與房間下方冷空氣存在一明顯交界面，其厚度不斷向下擴展，溫度和煙濃度也持續增高. 5.

(19) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. （如圖 1-1e 所示）。其下方之可燃物，受到由上而下的輻射熱也逐漸增加。材料因為熱分解產生的可燃性氣體在室內高處蓄積，一但此氣體與空氣混合，氣體濃度到達燃燒界限時，則會瞬間爆發讓整個室內頓時陷入火海中，使局部燃燒變為整體全面燃燒。或當輻射熱造成地面可燃物之溫度達到燃點時，就會產生全面性猛烈的燃燒，所有可燃物被瞬間引燃，釋出大量能量，此即「閃燃」現象。. 圖1-1 居室內沙發之火災歷程（a）. （b）. （d）. 6. （c）. （e）.

(20) 第一章緒論. 閃燃發生後會使溫度急速上昇而濃煙及炙熱氣體量也會激增。閃燃是室內火災從成長期進入全盛期的過渡階段，時間很短。火勢過了最盛期後，進入衰退期，此時可燃物幾乎燒盡。當閃燃發生，空間內溫度將遽增，而在如此環境中人員絕對不可能存活。因此從火勢形成後到閃燃發生之前，是介入滅火拯救人命的重要時段，若人員受困也只有在這段時期可能逃出該區域。一般建築物的火災歷程，依室內溫度（或熱釋放率）變化及火災現象之不同，可細分為引燃期、成長期、閃燃、全盛期和衰減期等時期，同時考慮火災歷程對於人員安全造成危害的影響因子，包括：氧氣耗盡、火焰、熱、毒性氣體、煙和結構強度衰減等六大效應，吾人可以針對不同時期及其可能產生的危害效應，提出適當對應的防火策略，如表1-2所示。防火對策包括三大基本策略，火災預防、火災控制和避難救助；其努力方向在於： 1.防止起火，預防失控燃燒狀況發生。 2.延緩或防止室內延燒及火場向外擴大。 3.減低煙毒氣體生成量。 4.確保火災時避難救助行動的安全性、有效性。其方式可分為以材料、構件、構造為主的自然式或被動式防火（Passive Fire Precaution），及以消防安全設備為主的積極式或主動式防火（Active Fire Precaution）。防止火災的延燒擴大，基本上有滅火、延遲、限制等三種方法。滅火法係使用滅火設備，在火災初期進行撲滅及壓制行動。延遲法利用室內裝修不燃化及減少可燃物量，來抑制急劇燃燒。至於限制法，則是藉劃定區間來阻止火災擴大至另一區間，如防火安全區劃（Fire Safety Compartment）。防火安全區劃的主要目的為限制火災危害範圍，隔離火. 7.

(21) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 災有害因子，並提供人員避難行動之安全空間。其功能要求包括：在火災持續燃燒時間內，限制向鄰近空間及上、下樓層擴大延燒；從火災發生起，在避難通道（走廊、樓梯、排煙室）不得有煙、熱氣、火焰、輻射熱等火災危害，直到室內人員完成避難為止。. 表 1-2 一般火災歷程. 8.

(22) 第一章緒論. 第三節區劃火災閃燃估算文獻回顧所謂閃燃，就是在一區劃空間內，可燃材料的全部表面，突然轉變成著火狀況。或是室內起火後，火勢逐漸擴大過程中，因燃燒所生之可燃性氣體，蓄積於天花板附近，此種氣體與空氣混合，一舉引火形成鉅大之火苗，使室內頓時成為火海之狀態。火災發生後至閃燃發生之時間，稱為閃燃時間，簡稱為 F.O.T.。閃燃時間越長，人員逃生之時間也越充裕，由此可知閃燃時間在建築防火中是一個逃生的準則。一旦發生閃燃火勢瞬間擴散，在屋內的人員將無法倖存。Peacock 【1】經由實尺寸火場實驗結果，利用可量測物理性質之近似法以及電腦模擬（computer-modeling methods）等方式分析閃燃發生機制。儘管目前閃燃時間的估測方法尚未有所定論，但在大量的實驗數據的佐證之下，對於引發閃燃的條件各方看法已趨一致：當 2. 上層氣體溫度為 600℃，或是到達地板的輻射熱通量為 20 kW/m ，即預估閃燃會發生。一般火災中火勢從成長至產生閃燃所需之時間到底有多久，根據美國國家標準局（NIST）以一般建築物地下室房間作實體火災（這房間可能做為客廳、機械房、休憩室、辦公室等）實驗發現，火勢不到 4 分鐘就達猛烈階段且達到空間整個高度，到 6 分鐘後，空間內平均氣體溫度經量測為 600℃。至於獨棟式住宅之客廳火災試驗中發現，從開始起火後，到 3 分 41 秒時閃燃形成。而一般住宅之臥房從第一起火源引燃後到 2 分 12 秒即發生閃燃。由以上實驗可以歸納出閃燃之發生時間主要受到下列各種因素的影響： 1.室內可燃物之種類、形狀、數量及分佈狀況（內部裝潢材料）。 2.供應室內空氣量大小（開口部大小與位置）。 3.火災室內構造材料的耐燃性能。. 9.

(23) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 4.點燃火源的大小與位置。所以在室內裝潢時，儘可能在天花板面及牆壁上部，使用難燃、厚度大且熱傳導率高之材料；當遇到火警時，不要隨意破壞開口部分，以致於引進大量空氣，如此則可預防閃燃現象之發生。要知道一個區劃空間火災會不會形成閃燃，可利用若干種方法來進行預測。第一種方法較為粗略，是以熱釋放率及房間尺寸等參數，直接以經驗公式預測是否會閃燃或閃燃何時會出現。根據文獻【1】指出，當區劃空間上方的煙氣層（upper gas layer）溫度≧600℃或是地板受到 2. 的熱通量（heat flux）大於 20 kw/m 時，便會形成閃燃。 Babrauskas【2】利用區劃空間上方煙氣層的熱平衡關係推導出發生閃燃所需的最小熱釋放率，其熱平衡關係為：熱釋放率＝燃料的消耗率 × 有效熱值＝空氣流率 × 比熱 × 溫差＋熱損失率其中熱損失的部分主要是以熱輻射形式傳遞，空氣流率則與通風因子（ventilation factor） A h 有關（A 為開口部面積，h 為開口部高度）。經由推導，發生閃燃所需的最小熱釋放率（kW）為： Q& = 750 A h ，. （1）. 若是區劃空間內的壁面面積 Aw＞ 500A h ，則（1）式必須修正為：. A ⎞ ⎛ Q& = 650 ⎜ 1 + 0.005 w ⎟ ⋅ A h， A h⎠ ⎝. （2）. McCaffrey 【 3 】等人利用 100 多次的單一區劃空間（ single compartment）火災實驗迴歸出一經驗公式，用來預測蓄積在區劃空間上方的煙氣層溫度，該公式如下所示：. ⎛ ⎞ Q& ΔTg = 480 ⎜ ⎟ ⎜ gC ρ T A h ⎟ p 0 0 ⎝ ⎠. 10. 23. −1 3. ⎛ ⎞ hk AT ⎜ ⎟ ， ⎜ gC ρ A h ⎟ p 0 ⎝ ⎠. （3）.

(24) 第一章緒論. 其中： 2. A：開口部面積（m ） 2. AT：區劃空間的有效熱傳面積（不包含開口部的壁面面積,m ） Cp：氣體比熱（kJ/kg ⋅K） 2. g ：重力加速度（9.8m/s ） h：開口部的高度（m） hk：天花板以及牆壁的有效熱傳係數（kW/m ⋅K） 2. Q& ：火源的熱釋放率（kW）. T0：大氣溫度（K） ΔTg ：區劃空間上方的煙氣層與大氣的溫差（℃）. ρ 0 ：大氣密度（kg/m ） 3. 上式中hk必須由火災的燃燒時間tc和熱穿透時間tp（thermal penetration time，熱傳至裝修物背面所需的時間）的關係決定，tp的定義如下： 2. ⎛ ρC ⎞⎛ δ ⎞ t p = ⎜ w ⎟⎜ ⎟ ， ⎝ k ⎠⎝ 2 ⎠. （4）. 其中 ρ 、CW及k分別為天花板或牆壁的密度（kg/m ）、比熱（kJ/kg ⋅K）和熱傳導係數（kW/m ⋅K）， δ 為天花板或牆壁厚度（m）。當tp<tc時，可利用穩定的一維熱傳導分析來定義hk，即 3. k hk = ，. （5）. δ. 而當tp>tc時，hk則必須利用暫態熱傳導分析來定義：. hk =. ρCw k tc. 。. （6）. 在使用（3）式來估算區劃空間上方的煙氣層溫度時，需符合無通風控制、天花板及牆壁面皆為不可燃以及引燃源是位於區劃空間中央等條. 11.

(25) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 件。另外，（3）式也可以用來估算區劃空間內避免閃燃發生的最大熱釋放率，而一般閃燃約發生在區劃空間上方的煙氣層溫度達到600℃時，因此，為了避免發生閃燃，McCaffrey令（3）式中 ΔTg =500℃，整理之後可得到下式. Q& = 620(hk AT A h )1/ 2。. （7）. 對於引燃源在區劃空間的角落或是牆壁邊等情況，並不適合利用（3）式進行估算，因此，為了修正（3）式，Mowrer【4】等人將引燃源放置在區劃空間的角落或牆壁邊來進行區劃空間火災實驗。實驗結果發現，當引燃源在區劃空間的角落或牆壁邊時，其區劃空間上層的煙氣溫度分別為（3）式所估算的 1.7 倍以及 1.3 倍，即形成閃燃所需的熱釋放率分別約只需要引燃源在區劃空間中央的 50%以及 70%。第二種預測閃燃的方法是從點燃開始（ignition），逐步依各階段之經驗公式來計算火災之發展過程，若火災之發展到達閃燃之標準，則預測閃燃會發生。在火源的熱釋放率方面，可先利用油盤或木框架等經驗公式來估算。由 Babrauskas【5】之研究得知，油盤火焰之熱釋放率與油盤表面積有關，而熱釋放率之大小可利用燃料之質量損失率直接表示，質量損失率與油盤之有效直徑之關係式如下所示：. m& '' = m& ∞'' (1 − e − k β D )，. （8）. 2 上式中 m& '' 及 m& ∞'' （汽油為 0.055kg/m ⋅s）分別代表實際油盤及無限. 大油盤的單位面積之質量損失率，對於不同燃料而言，其質量損失率亦不相同，D 為油盤之有效直徑（若油盤不為圓形，則可利用其油盤表面積換算成對應之直徑），而 k （extinction-absorption coefficient）與 β （mean-beam-length corrector）則與燃料之燃燒特性有關，一般而言在液態有機燃料中此兩參數之乘積為一固定值，不需要將兩參數分開納入計算式中，汽油之. 12. k β =2.1m 。 -1.

(26) 第一章緒論. 將求得之 m& '' 乘上油盤表面積 A 及每單位質量燃料之燃燒熱 ΔH 後，可得到油盤火焰之熱釋放率 Q& 為：. Q& = m& " AΔH 。. （9）. 另外，Babrauskas【6】依木框架底部整體點燃以及中間點燃方式的不同，提供了質量損失率的經驗公式。一般木框架堆疊之幾何參數如圖 1-2 所示。Babrauskas 指出，對於整體點燃之寬鬆結構，質量損失率受燃料表面控制（fuel surface control），其質量損失率為： 2v t 4 m& = m0v p (1 − p )， D D. （10）. 其中：. m& ：質量損失率（kg/s）. m0 ：木框架初始質量（kg） D：木條寬度（m）. v p ：燃料表面消耗率（fuel surface regression rate ,m/s），對於木料而言，. −6. v p = 2.2 × 10 D. −0.6. t：從木框架完全引燃起算之時間（s）而密集結構之質量損失率則受木框架多孔性控制（crib porosity control），其質量損失率為： −4 ⎛ S m& = 4.4 × 10 ⎜ ⎝ hc. ⎞⎛ m ⎞ ⎟⎜ ⎟ ， ⎠⎝ D ⎠. （11）. 其中： S：木條間距（m） hc：木框架高度（m） m：燃燒時的質量（kg）. 13.

(27) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 對於中間引燃方式而言，定義火焰延燒至木框架邊緣時間為 t0。t0 與每層木條支數 n 呈線性關係，即： t0=15.7n，. （12）. 在燃燒時間未達t0前，質量損失率為： m& = 0.0254m0 (. Dt 2. 2. n vp. )，. （13）. 在燃燒時間超過t0之後，其質量損失率則與整體點燃方式相同。圖 1-2 木框架之幾何尺寸. 一般而言，除了油盤以及木框架有經驗公式可估算燃燒速率外，尚未有其它經驗公式可供利用，對於各式各樣的傢俱，必須個別地以量熱儀測試其熱釋放率，在文獻【6】中有衣櫃、電視、聖誕樹、窗簾以及枕. 14.

(28) 第一章緒論. 頭等物品之測試數據可供參考。另外，對於火災在成長階段之熱釋放率，為了計算上的方便，儘可 2. 能將其曲線用函數來表示，較為常用的函數為 t 函數，可以利用下式計算【7】：. Q& = at 2，. （14）. 其中：. Q& ：總熱釋放率（kW）. a ：為一常數，表示熱釋放率成長的速度快慢（kW/s） t：火災發生後所經過之時間（s）由公式（14）中， a 之數值若等於 0.00293 則表示熱釋放率之成長速度為「慢」（ slow ）； a = 0.01172 表示熱釋放率之成長速度為「中」（medium）； a = 0.0469 表示熱釋放率之成長速度為「快」（fast）；而. a = 0.1876 則表示熱釋放率之成長速度為「極快」（ultra fast）。而在火災形成之後，火焰高度是判斷區劃空間內是否會形成火羽流（fire plume）的重要因素，當火焰高度低於天花板時，區劃空間內才會有火羽流產生。火焰高度可利用下式估算【8】：. Zf = −1.02D + 0.235Q& 2 / 5 ，. （15）. 其中： Zf：火焰高度（m） D：火焰基部有效直徑（m）. Q& ：總熱釋放率（kW） * 4 * （15）式之限制條件為 0.12 < Q& D < 1.2 × 10 ，此處之 Q& D 為熱釋放率之無因. 次參數，其定義如下所示：. 15.

(29) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. QD* =. Q& ， ρ0CP 0T0g 1/ 2D 5 / 2. （16）. 其中分母之變數 ρ 0 、Cp0、T0 等性質是以環境之空氣作為基準。當火羽流產生時，火災所產生的產物藉由浮力上升，在上升過程中，燃燒產物會被吸入空氣（entrained air）稀釋，最後蓄積在天花板下方而形成所謂的上層煙氣層（upper gas layer），其厚度以及溫度和時間成正比，而影響煙氣層溫度和濃度的主要因素則和吸入空氣量的多寡有關。因為一般火災的火源為面源（area source），所以在計算火羽流的溫度、速度以及吸入空氣量前，必須先求得火羽流的虛擬原點（virtual origion）。 Heskestad【9】提出當火災的火源僅有在燃燒物體的表面燃燒且沒有深入物體（in-depth combustion）內燃燒時，虛擬原點與燃燒物體表面的距離 Z0（m）可以下式計算：. Z0 Q& 2 / 5 = −1.02 + 0.083 ， D D. （17）. 上式中若是 Z0<0，則表示虛擬原點位於燃燒物體表面下方。 Cetegen【10】等人利用直徑為 0.1、0.19 和 0.5m 的天然氣燃燒器來進行區劃火災實驗，以量測在不同熱釋放率（10~200kW）以及不同高度下其吸入空氣量的變化情形，並利用實驗結果迴歸出一經驗式來計算虛擬原點，即： Z0 Q& 2 / 5 = C + 0.0659 , D D. Q& 2 / 5 > 16.5， D 5/3. ⎛ Q& 2 / 5 ⎞ Z0 = C + 0.01015 ⎜ ⎟ , D D ⎝ ⎠. Q& 2 / 5 ≤ 16.5， D. （18）. （19）. 其中 C=-0.5（當燃燒器表面和地板嵌合在一起時）或 C=-0.8（當燃燒器表面沒有和地板嵌合在一起時）。. 16.

(30) 第一章緒論. 而火羽流的溫度及速度則可以利用下列各式計算【9】： 1/ 3. ⎛ T ⎞ −5 / 3 ΔTc = 9.1⎜ 20 2 ⎟ Q& c2 / 3 ( Z − Z0 ) ， ⎜ gC ρ ⎟ ⎝ p0 0 ⎠. （20）. 1/ 3. ⎛ g ⎞ & 1/ 3 u0 = 3.4 ⎜ Q (Z − Z0 ) −1/ 3， ⎟ ⎜C ρ T ⎟ ⎝ p0 0 0 ⎠. （21）. 其中：. ΔTc ：沿著火羽流中心線的溫度變化（K） Q& c ：對流熱釋放率，一般設定為 70% Q& （kW） u0 ：沿著火羽流中心線的平均速度（m/s） Z：為距離燃燒物表面的高度（m） Cetegen【10】等人經由實驗結果發現，靠近燃燒器表面的區域，吸入空氣量幾乎和燃燒器的直徑成正比，而和燃燒器的熱釋放率無關。在紊流火焰（turbulent flame）區域，吸入空氣量和燃燒器的熱釋放率以及距離燃燒器的高度有關。而在高於燃燒器火焰頂端的部分，吸入空氣量則可以用下式計算：. m& ent. ⎛ g ρ 02 ⎞ & 1/ 3 5/3 Qc ( Z − Z0 ) ， = 0.21⎜ ⎟ ⎜C T ⎟ ⎝ p0 0 ⎠. （22）. 其中 Z 為距離燃燒器表面的高度（m）。另外，Hinkley【11】利用實驗結果分析得到吸入空氣量的估算式為：. m& ent = 0.188Wf y 3 / 2，. （23）. ，y 為煙氣層底部與地板之間的高度（m）。因上式中 Wf 為火源的周長（m）此，經由（8）~（23）式計算後，我們可以進一步利用熱傳分析，推算出蓄積在天花板下方煙氣的流場變化和煙氣與天花板及牆壁間的熱傳情形。火焰所提供的熱量大於煙氣與天花板及牆壁間的熱傳時，煙氣溫度會持續上升，而在煙氣溫度≧600℃時，則會發生閃燃。因為利用各階段. 17.

(31) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 之經驗公式來計算火災之發展過程較為複雜，所以此種方式大多使用在數值模擬上。除了利用（8）~（23）式來推算出蓄積在天花板下方煙氣特性外，還可以利用天花板噴流（ceiling jet flow）的經驗公式來計算。當火羽流接觸到天花板表面時，煙氣會沿著天花板表面流動且呈徑向擴散，而流動所需的驅動力來源則是由浮力所提供，這種現象即稱為天花板噴流。 Alpert【12】針對水平且無阻礙（unobstructed）的天花板，利用實驗結果迴歸出天花板噴流氣體的最大溫度為：. 16.9Q& 2 / 3 Tmax − T0 = ， H 5/3. r ≤ 0.18， H. 2/3 ⎛ Q& ⎞ 5.38 ⎜ ⎟ ⎝r ⎠ ， Tmax − T0 = H. r > 0.18， H. （24）. （25）. 其中： Tmax：天花板噴流氣體的最高溫度（℃）. Q& ：火源所產生的總熱釋放率（kW） H：燃燒物頂端與天花板的距離（m） r：距離火源中心的徑向距離（m）而天花板噴流氣體的最大速度，U（m/s），則為： 1/ 3 ⎛ Q& ⎞ r U = 0.946 ⎜ ⎟ ， ≤ 0.15， H ⎝H ⎠. （26）. Q& 1/ 3H 1/ 2 r U = 0.195 5 / 6 ， > 0.15， r H. （27）. 而在天花板有橫樑且天花板噴流的煙氣沒有洩漏到橫樑外面的狀況下， Delichatsios【13】藉由改變樑的深度、樑之間的間距以及燃燒物頂端. 18.

(32) 第一章緒論. 與天花板間的距離等參數來進行實驗，進而迴歸出天花板噴流溫度的關係式為： 1/ 3. 1/ 3 ⎡ ⎛H ⎞ ΔT ⎛ Y ⎞⎛ l b ⎞ ⎤ = 0.29 ⎜ ⎟ exp ⎢ −0.20 ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎥ ， Y>lb ， ΔTimp ⎝ H ⎠⎝ H ⎠ ⎦⎥ ⎝ lb ⎠ ⎣⎢. （28）. 其中：. ΔT ：煙氣與大氣的溫差（K） ΔTimp ：煙氣與火源的溫差（K） lb：橫樑之間距離的一半（m） Y：與火源的距離（與樑平行，m）因此，我們可利用（24）~（28）式以及熱傳分析，推算出蓄積在天花板下方煙氣的流場變化和煙氣與天花板及牆壁間的熱傳情形，進而判斷是否會發生閃燃。除了上述文獻提供計算火災發展各階段特性之經驗公式外，日本建築學會所出版的「運用函數計算機預測計算火災特性」【14】一書中，亦有相當多日本研究的經驗公式可供參考，例如火災室內的熱對流傳導係數可利用下式計算：. ⎧ 5 × 10−3 ⎪ h = ⎨( 0.02Th − 1) × 10−3 ⎪ 15 × 10−3 ⎩. (Th ≤ 300) ( 300 < Th ≤ 800 ) ， ( 800 < Th ). （29）. 其中： h：熱對流傳導係數（kW/m ⋅K） 2. Th：為火災室內氣體溫度以及週圍牆壁溫度的平均值（K）. 19.

(33) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 第四節研究目的及任務分組內政部建築研究所建立完成 10MW 大尺度燃燒分析裝置和燃燒氣體排放連續線上分析系統，可用於量測分析大型物件或結構體於開放空間燃燒過程之引燃特性、熱釋放率、質量損失率、有效發熱量、發煙特性、及毒氣分析等。過去研究曾利用此設備進行油盤、木框架、摩托車、沙發椅、座椅和居室等實尺寸火災實驗。本研究擬利用此一設備執行下列工作： 1. 針對辦公室空間，進行可燃物單元熱釋放率分析，並執行實尺寸火災實驗，考慮不同火源、可燃物配置、及空間設計等控制參數。由實驗觀察及量測結果，分析火災（引燃、延燒、閃燃、熄滅）歷程，探討火場溫度、熱釋放率（對流、輻射及總熱釋放率）、發煙特性之變化。 2. 而後經由實尺寸火災實驗結果，探討並界定性能法規的防火性能的主控參數，評估性能法規防火設計的防火性能，並與傳統法規設計進行比較。. 由於性能法規必須結合各方面之相關資料才能訂定，因此為了能更順利達成訂定性能法規之目標，上述各研究計畫之主持人共同成立了防火性能設計研究群，以統合整個實驗規劃與進行，整體工作分配如下： (a) 標準實驗組：針對過去油盤燃燒實驗數據以及標準木框架燃燒實驗，進行更進一步之分析，以了解整個引火源之發展過程趨勢並建立性能比較基準。 (b) 火載量分析組：建立火載量先期評估技術以及移動式可燃物火載量之資料庫。 (c) 單元實驗組：主要進行單元辦公空間火災特性研究，並探討各樣參數對火災成長影響（開口、送排風量、火源密度和分布、火載量、房間. 20.

(34) 第一章緒論. 高度）以及移動式可燃物對火災成長影響評估。 (d) 計算模擬組：經驗公式計算和 FDS/NIST 進行區劃火災之數值模擬。 (e) 法規設計組：擬定設計因子並進行性能設計和規格法規之比較。 (f) 機車防火組：促進機車防火性能之產學合作。 (g) 消防設備組：建立消防安全設備品目檢測設備。. 21.

(35) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 22.

(36) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃本章內容為全尺寸火災實驗的執行規劃，以內政部建築研究所台南歸仁防火實驗室一樓辦公室之空間擺設，做一實際火災模擬，來探討整個火災引燃、成長、完全發展以及衰退整個歷程之實際變化，同時和經驗公式所估算得到之結果相比對。. 第一節實驗空間家具及儀器配置圖 2-1 為辦公室實驗儀器配置之規劃圖，在實際實驗中，有更詳細或不同的規劃會個別再加以說明。辦公室空間尺寸為一 6m×5m 之平面，高度為 2.4m，牆壁由厚度 0.2m 不可燃之 ALC (Aerated Lightweight Concrete)板所構成。整個配置主要依照實際辦公室內容為主，如表 2-1~ 表 2-2 及圖 2-1~圖 2-6 所示，包含辦公椅（六張）、屏風（六組）、桌板（六組）、高木櫃（三組、辦公室北邊）以及矮活動鐵櫃（三組、辦公室東邊）。在進行實驗之前，則會根據表 2-1 之內容進行各個單元元件之火載量實驗分析，此項目則另外由蔡匡忠教授（本研究計畫之子計畫二）進行。辦公室東北邊及東南邊各有一個門，門的尺寸為 1.8m×0.6m；東北邊的開口主要作為新鮮空氣之供應，東南邊開口則是作為廢氣排放。辦公室南邊上方為 10MW 大尺度燃燒分析裝置之大型抽煙罩，主要用來吸引廢氣，並由氣體分析儀分析廢氣組成，同時估算熱釋放率。兩組開口分別配置三組雙向速度儀以及熱電偶(BDP/TC)，其裝設位置分別位於門框上下各 20cm 以及門之中間位置，用來測量吸入空氣以及排出廢氣之溫度和質量流率。圖上虛線之圓形符號代表引火源的位置，引火源以標準天然氣燃燒器提供 50kW 之熱源加熱 200 秒為主，其安裝位置有兩個不同地方，主要比較不同引火源之引燃情形。TC 代表熱電偶位置，整個辦公室空間裝置. 23.

(37) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 六組熱電偶樹，由地面算起至天花板處，平均每 30cm 放置一點，熱電偶之種類為 K-type 形式。R1~R5 皆為熱輻射計，R1 面向東方、R2 面向南方、R3 置於地面面向上方，用來量測辦公室內部上層煙氣之輻射熱通量； R4 和 R5 主要面向西方，用來量測整個火場之輻射熱通量為主。V 則是表示含內視鏡之氣冷式攝影機位置，用來觀看整個火災歷程。. 圖 2-1 辦公室實驗儀器配置規劃. 3 T2. T7. 4. R1. T1. T6 R2. G-2 5. 3. 4 6. 1. 7. Outlet 2 T3. G-1. R5. Inlet. R3 T5. T4 R4. 24. T0 1.

(38) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 表 2-1 辦公室空間傢俱種類尺寸及數量. 表 2-2 辦公室空間傢俱種類及火載量傢俱單元高木櫃 A 高木櫃 B 矮木櫃 C 桌板. 椅子. 隔屏. 單位重(kg) 52 48 22 17.61 4.8 1.6 0.5 3.2 7.1 0.6. 椅面曲板泡棉布扶手腳架布蜂巢板(紙 1 質) 鐵件 12.6. 數量 1 1 1 1.39 1 1 1 1 1 7.17. 合計(kg) 52 48 22 24.4 4.8 1.6 0.5 3.2 7.1 4.3. 燃燒熱(MJ/kg) 12.95 12.95 12.95 12.95 12.95 23 16.9 16.9 16.9 16.9. 發熱量(MJ) 606 559.4 256.4 285.2 55.9 36.8 8.45 54.08 119.9 72.7. 7.17. 7.17. 12.95. 92.8. 7.17. 90.3. 0. 0. 25.

(39) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 2-2 辦公椅細部構造圖. 圖 2-3 屏風細部構造圖. 26.

(40) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 圖 2-4 屏風桌板細部構造圖. 圖 2-5 擺設完成之屏風及桌板相片圖. 27.

(41) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 2-6 擺設完成之高矮櫃相片圖. 第二節實驗設備本研究主要利用 10MW 大尺度燃燒分析裝置進行研究，其示意圖、集煙罩和管路系統照片圖則如圖 2-7 及圖 2-8 所示。本系統必須同時搭配廢氣處理系統以及氣體排放連續線上分析系統一起使用，如圖 2-9 和圖 2-10 所示。根據圖 2-7 至圖 2-10 所示，整體設備由集煙罩、集煙彎管、混合管、量測段、排氣彎管、排氣管及升降平台所構成。集煙罩為兩截式方錐集煙罩，上截煙罩上緣焊接一小段內徑 1.524m 直管，用來與集煙彎管相接；上截煙罩底部尺寸為 4.572m×4.572m 四方形，下截煙罩底部尺寸為 7.62m×7.62m 之四方形，上下截煙罩利用 6mm 厚 SUS304 鋼板所製之銜接法蘭相接。. 28.

(42) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 所有管路以 2mm 厚之 SUS304 鋼板所組裝，所有銜接法蘭皆採用 6mm 厚、90mm 寬之 SUS304 鋼板，並以角板補強；法蘭銜接方式採用 24 根 M12 螺栓固定，法蘭間填置耐熱氣密墊片。集煙彎管為 90 度彎曲流道結構，內置導流片，目的為降低氣體進入彎管中之離心作用。混合管內徑為 1.524m，和集煙彎管相接處則安置一 3mm 厚、0.896m 內徑之孔口板 (Orifice Plate)，主要作為流場整流使用。廢氣處理系統可以將抽取之燃燒廢氣經過處理後再排放至大氣。本系統主要包含一大型抽風機設備同時搭配集塵等後處理設備。系統之總抽氣量主要由變頻器來控制，其操作頻率最大可達 55Hz，對應之最大煙 3. 氣流率為 30m /s。至於氣體排放連續線上分析系統主要作為燃燒後之下游產物分析所使用，則置於圖 2-7 截面 A 量測段部分。截面 A 處之管壁上設置 12 個直徑 75mm 開口（間隔 30 度擺置），用來安裝氣體採樣管、皮托管、熱電偶等量測設備，以量測火災模擬之廢氣濃度、溫度以及煙氣流率和速度。使用之量測儀器主要包含(1)氣體分析系統、(2)光學密度分析儀、(3)流率∕溫度監測儀以及(4)數據處理系統等。氣體分析系統包含 O2、CO、CO2、NOx、HC 五個獨立氣體分析儀、氣體分析儀連線與排放氣體採樣所需之氣體採樣∕校正系統，以及校正用氣體鋼瓶等。光學密度分析儀需符合 ISO 9705 標準（或 ISO/TR 5924 標準），煙灰層積(soot deposits)降低光束傳輸強度需小於 5%，具單光源雙光束，可執行自動校正功能；數據處理系統主要作為線上數據處理使用，每秒鐘記錄一次。量測段後方有設置人孔，操作人員可以進入管中進行安裝作業。升降平台置於集煙罩正下方地面，用以安置試驗用之大型物件或結構體。. 29.

(43) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 2-7 10MW 大尺度燃燒試驗裝置示意圖. 105. o. 45. o. o. 165. θ. ro. 345 225. o. 285. o. 圖 2-8 集煙罩及各部分管路系統照相圖. 30.

(44) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 圖 2-9 廢氣處理系統整體照相圖. 圖 2-10 燃燒排氣連續線上分析系統. 31.

(45) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 本實驗另一重要設備則是裡內可視(Lenox)之高溫爐火檢視遙控視景系統（FireSight System），本研究利用其可伸入高溫環境之功能來觀測整個火災變化，整體配置圖和細部組件圖如圖 2-11 和圖 2-12 所示。此裝置主要分為七大項目，分別由下面幾項加以說明： (1) 爐壁組裝箱（Wall Box）：它是整個系統的安裝媒介，本身有一個保護套管，也是最基本的冷卻遮蔽物件。 (2) 爐內觀視鏡頭及套管（Furnace Lens）：長度從可 12 英吋伸展至 12 英呎，它是一個氣冷式潛望鏡直接穿過爐壁的預留口，可以耐高溫達 1930℃，不只是整個視訊傳遞的心臟，同時也被利用來直接觀看爐內多樣變化的實景。 (3) 高溫、氣冷式閉路電視套件（High Temperature, Air-Cooled CCTV Housing）：主要由內部壓縮空氣不斷地交換而達到冷卻效果，為了容易維護保養，因此可以很迅速地從爐內作分解拆卸。 (4) 亮光度控制器（Light Volume Control）：主要特色是利用電動遙控彩虹色之獨特組件，同時有去除觀視鏡頭污染塵的過濾器，本設備可輕易地由操作人員調整；控制攝影機的光亮度，已達到高品質的影像畫面。 (5) 相容性晶體閉路電視攝影機（Compact CCD Camera）：本設備為一耐用、可信度高的工業監視閉路式影像監視攝影機，通常被安裝使用於彩色攝影機，黑白攝影機也可使用。 (6) 影像顯示器（Video Monitor）：具有高度解析度的彩色或黑白影像顯示器，各種尺寸皆可供應。 (7) 高效能壓力空氣過濾組件（ High Efficiency Compressed Air Filter）：本組件可以去除空氣中的油氣、水氣以及灰塵，並能提供清潔空氣給爐內觀視鏡使用，藉以達到無障礙的操作及清晰的燃燒影像。它能自行排除雜物及塵粒，同時結合過濾器、差壓計及警告器，適時地讓使用操作人員得知何時需要更換及清潔零件。. 32.

(46) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 圖 2-11 裡內可視（Lenox）之高溫爐火檢視遙控視景系統配置圖. 圖 2-12 裡內可視之高溫爐火檢視遙控視景系統各部分零件圖 (1)爐壁組裝箱. (2)爐內觀視鏡頭及套管. (3)高溫、氣冷式閉路電視套件. (4)亮光度控制器. (5)相容性晶體閉路電視攝影器. (6)影像顯示器. (7)高效能壓力空氣過濾組件. 33.

(47) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 熱輻射計方面，本所熱輻射計自有數目共有三支，編號分別為 No.93693、No.90751 以及 No.90753。熱輻射計前端為一藍寶石視窗(視角為 90°)，因此只單純量測熱輻射而將熱對流降至最低，熱輻射計內部採熱電偶方式將熱輻射通量大小以線性電壓値輸出，而輸出電壓與進入熱輻射計之熱輻射通量之關係式分別如下所示： No.93693：. q&r = 1.639 × V. 熱通量範圍輸出信號範圍輻射計本體容許溫度精確度. No.90751：. q&r = 1.613 × V. 10 W/cm2 10~15 mV 204 ℃ ±3%. No.90753：. q&r = 1.443 × V 2. 其中 q& r 為輻射熱通量(W/cm )，V 為熱輻射計輸出之電壓値(mV)。此型熱輻射計配有清潔空氣管線及冷卻水管路。由於實驗時並無大量灰塵在熱輻射計前，所以並沒有使用清潔空氣管線，而冷卻水之流率需在 7.6~15.2 ml/s，水溫範圍為 12~65.6℃。熱輻射計之外觀以及其餘之規格分別如圖 2-13 所示。. 圖 2-13 熱輻射計構造. 34.

(48) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 第三節熱釋放率分析火場本身之熱釋放率大小，主要用來描述火災的程度。本研究所使用之熱釋放率計算方面，主要利用燃燒產物分析方式，其中氧氣消耗法 (Oxygen Consumption, OC)以及熱對流升溫法( Gas Temperature Rise, GTR)為主。其中氧氣消耗法是利用測量燃燒前後煙氣中氧氣體積濃度之消耗，藉由其單位質量變化產生之固定燃燒熱求得熱釋放率；熱對流升溫法則是利用燃燒後煙氣之熱對流效應，藉由量測混合氣前後焓差來求取其熱釋放率。 (1) 氧氣消耗法：氧氣消耗法係藉由量測大氣與煙氣中氧氣濃度之差值，利用每單位質量氧氣產生固定熱量之原理來計算整體燃燒形成的熱釋放率，其整體熱釋放率表示式如下：. Q&O = ΔHO2 (m& Oo 2 − m& O2 ) ，. (1). 根據 Thornton【15】及 Huggett【16】研究中指出，有機物在完全燃燒後，每單位質量氧氣的熱釋放趨近一個定值，約為 13.1MJ/kg，同時後者也指出，烷類、烯類、炔類或含有苯環之碳氫化合物中，其同類之單位質量氧氣燃燒熱趨近於某固定值。由於氣體分析儀量測得到的數據為體積分率，且受限於分析儀偵測原理上的限制，必須將燃燒後產物中含有的水氣濾除，且燃燒反應後引起的氣體膨脹效應也勢必改變燃燒前後儀器量測之體積分率，為了對熱釋放率有較精確之預估，吾人以 Parker【17】及 Janssens 【18】在文獻中提到的氣體濃度與實際濃度間之修正方程式作為本實驗氣體濃度修正之計算式：. 35.

(49) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. Q&O = ΔHO2. MO φ 1 − X Ho O ) X Oo ， m&e ( 1 + φ ( γ − 1) Ma 2. 2. 2. (2). ΔH O2 ：為消耗每單位質量氧氣之燃燒熱，約為 13.1MJ/kg； m&Oo 2 − m&O2 φ ：氧氣消耗係數, φ = ； m&Oo 2 m&Oo 2 ：燃燒前進入量測段之氧氣質量流率； m&O2 ：燃燒後進入量測段之氧氣質量流率； m&e ：燃燒後進入量測段之煙氣總質量流率； M O2 ：氧氣分子量 (~32kg/kmol) ；. M a ：燃燒前空氣分子量 (~28.9kg/kmol) ；. γ. ：體積膨脹係數，碳在乾空氣中完全燃燒體積膨脹係數為 1，純氫氣燃燒後體積膨脹係數為 1.21，若對一般成分未明之可燃物燃燒來說，通常體積膨脹係數以固定值 γ ＝1.105；. X Ho 2O ：表示燃燒前進入燃燒區之大氣中所含水氣之體積分率；. X Oo2 ：氣體分析儀量測到之燃燒前氧氣之體積分率。而上面第(2)式亦與 ISO 9705 所規定之氧氣消耗法熱釋放率之計算方法相同，ISO 之計算式主要是將質量流率( m&e )換算成一般狀態下 T=298K 之體積流率( V& )，而 E 則表示 298K 下單位體積氧氣消耗所生成之熱量， 298. O2. 3. 若成分未明之可燃物燃燒則以 17.1MJ/m 來計算，其式子如下：. Q&O = EO2V& 298. φ 1 − X Ho O ) X Oo 。 ( 1 + φ (γ − 1) 2. 2. (3). (2) 熱對流升溫法：. Q&T = m& eCp (Te − To )，. (4). 對熱釋放率在 1MW 以下之大型黃色火焰而言，本式只能代表約 50~ 60% 之熱釋放率，尚有約 30~40%熱輻射及 1~5%熱傳導必須經由其他儀器測. 36.

(50) 第二章辦公室火災實驗儀器及火場規劃. 得，因此在大尺度火災分析時，必須加入熱輻射計測量才會準確。在本實驗中量測到的溫度值數據為量測段截面上之狀態，因此計算得到之對流熱釋放率 Q&T ，經過四周實驗設備與外在環境不同之熱傳行為，會比實際熱對流釋放率稍低，但由之前的油盤實驗可知，其誤差不大。(4)式中之 m& e 為進入量測段之煙氣總質量流率， C p 值則取空氣 300K 時之比熱 1.0035KJ/(kg-K)， Te 為熱電偶量得之燃燒反應後經過量測段煙氣溫度， To 則為未燃燒前所測得之大氣平均溫度。. 37.

(51) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 38.

(52) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 第三章實尺寸辦公室火災實驗本計畫所執行之辦公室火災實驗共有五次,分別為木框架模擬實驗 (ORT0) 、雙開口部實驗(ORT1) 、家具組延燒實驗(ORT2) 、單開口部挑高空間實驗(ORT3) 以及雙開口部挑高空間實驗(ORT4) 。除了火場觀察之外，另量測項目有：溫度、氣體、熱輻射、壓差，以下針對各實驗，做詳細說明與討論。. 第一節木框架模擬實驗本次實驗之目的在以木框架為火源，模擬辦公室空間火災。. 實驗儀器配置位置本次實驗實施時間為 94 年 7 月 25 日，圖 3-1-1(a)為辦公室內木框架燃燒測試儀器配置之規劃圖，辦公室為一 6m×5m 之平面，高度為 2.4m，牆壁由厚度 0.2m 不可燃之 ALC (Aerated Lightweight Concrete)板所構成。整個配置以 2 堆木框架為主，如圖 3-1-1(a)所示，目的在測試實驗場有何缺點，並檢查儀器之可靠性。圖 3-1-1(a)木框架模擬實驗配置圖 V2. R1 TC5. R2. TC3. TC4. TC2. TC6. TC1. TC7 R5. V1. R3. R4. 39.

(53) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 辦公室東北邊及東南邊各有一個開口，尺寸為 1.8m×0.6m；東北邊的開口主要作為新鮮空氣之供應，東南邊開口則是作為廢氣排放。開口均為半開狀態，東北邊的開口開下半部，東南邊開口開上半部。辦公室南邊上方為 10MW 大尺度燃燒分析裝置之大型抽煙罩，主要用來吸引廢氣，並由氣體分析儀分析廢氣組成，同時估算熱釋放率。兩組開口分別配置一組雙向速度儀以及熱電偶（BDP/TC），用來測量經開口部吸入或排出之氣流之溫度和質量流率，其裝設位置分別位於門框上下各 20cm 處以及門之中間位置。圖 3-1-1(a)中 TC 代表熱電偶位置，整個辦公室空間規劃七組熱電偶樹.，熱電偶之種類為 K-type 形式，另為量測輻射熱，共裝設 5 組熱輻射計，其數量、位置及高度如表 3-1-1 所述：此次實驗一共使用 2 堆木框架其位置如圖 3-1-1（a）圖中方塊所示，其間距約 5cm，每堆有 15 層，每層有 6 支，2 堆一共 180 支，每支木材的重量為 0.52kg。木框架由角鋼拼裝的支架支撐，如圖 3-1-1(c)所示，實驗所用之引火源為 18cm*17.5cm 的矩形燃燒器，燃料為丙烷，功率為 50kw，引火時間為 200 秒，引火源的位置如圖 3-1-1(a)圓圈所示。表 3-1-1 木框架實驗之儀器配置儀器名稱. 數量. 熱偶樹. 7個. 位置及代號距地高度 TC1、TC2、TC3、TC4、註1 TC5、TC6、TC7. 熱輻射計. 5個. R1、R2、R3、R4、R5. 內視鏡. 2個. V1、V2. 方向. R1 面向東方 R1、R4：150cm R2 面向南方 R2、R5：180cm R3 面向上方 R3：置於地面 R4、R5 向西方 V1 面向東南方 150cm V2 面向東北方. 註 1：每組熱電偶樹由天花板算起至地面，共分 10 個點。以 TC1 為例，天花板為第一點（編號為 TC1,0），從天花板算起到第 2 點相差 10cm（編號為 TC1,1）；皆下來各點皆相距 30cm，依序編號（TC1,2 到 TC1,9）。. 40.

(54) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-1-1(b) 熱偶樹 TC7、TC6、TC5(由左到右). 圖 3-1-1(c) 木框架擺設位置照相圖. 41.

(55) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 火災過程本次實驗，從引火到熄滅整個火災歷時約 1360 秒。火勢最劇烈約在 750 秒時。其詳細過程如表 3-1-2 所示：火場溫度圖 3-1-3(a)和圖 3-1-3(b)分別代表火場中熱偶樹 TC1 到 TC7 的溫度隨時間變化過程。為方便觀察，我們將每一熱偶樹之數據，分為上層（天花板下五點）及下層（地面上五點），繪成兩個小圖。. 表 3-1-2 木框架實驗之火災歷程時間歷程發生現象. 參考相片. 0秒. 引燃引火源. 5秒. 點火初期，這時主要依靠燃燒氣體供給能量圖 3-1-2(a). 200 秒. 燃燒氣體關閉. 270 秒. 火焰只在點火源的木框架上燃燒. 圖 3-1-2(b). 330 秒. 火焰開始延燒到第二堆木框架. 圖 3-1-2(c). 640 秒. 可以從實驗屋外清楚的看見，點火源木框架圖 3-1-2(d) 已完全燃燒. 740 秒. 點火源木框架開始有坍塌的現象. 750 秒. 從數據資料及攝影圖像，可以知道此時期為圖 3-1-2(e) 燃燒最劇烈的階段. 803 秒. 點火源木框架完全坍塌. 圖 3-1-2(f). 1092 秒. 第二堆木框架完全坍塌. 圖 3-1-2(g). 1363 秒. 火源漸漸變小、消失. 圖 3-1-2(h). 42.

(56) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-1-2 木框架實驗過程照片 (a)內視鏡 V1(5 秒). (b)內視鏡 V1 (270 秒). (c)內視鏡 V1(330 秒). (d)東北開口部(640 秒). (e)東南向攝影機(750 秒). (f)內視鏡 V1 (803 秒). (g)東南開口部(1092 秒). (h)內視鏡 V1(1363 秒). 43.

(57) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 在此實驗中因室內沒有傢俱，牆壁亦無裝修任何可燃材料，故只有兩個木框架可燃。另外沒有擺放傢俱故熱氣流可以很順暢地流動，因為這兩個原因，我們可以發現除了 TC4(很靠近木框架)之外，其餘的各熱偶樹之溫度上升皆相當平順，且上層之溫度皆依序高於下層溫度。溫度上升最快依序是 TC5、TC6、TC7，最高可達 800℃，因為這三個點是在氣流流動之下游區。而 TC3、TC2、TC1 則溫度上升較慢，因為是在氣流上游。尤其是 TC1 溫度上升最慢且最高溫僅有 600℃，是因為它處於開口部氣流進入處。除了 TC2 之外，我們可發現距天花板 10 ㎝之溫度，約在 400 秒可達到 600℃(其中 TC3,1 是故障 )。可說閃燃發生在約 400 秒。火勢之降低則在 900 秒之後。而 TC4 因為緊鄰木框架，量測到木框架之點燃及延燒，故溫度曲線跳動劇烈。TC4,0 到 TC4,4 一開始即急劇上升，乃因木框架第一堆之引燃及延燒，第二堆在 330 秒點燃，而在 600 秒 TC4 上層溫度達到最高值 950℃。在 800~1100 秒間木框架倒下，火勢漸弱，而 TC4,9 溫度跳高乃是木框架倒塌時，貼近熱電偶所致。圖 3-1-4 是熱輻射計所量測熱輻射通量隨時間變化圖 R1、R2、R4、 R5 其本上是以不同方向，在不同距離觀測火勢。由各曲線可明白，約在 800 秒火勢達到最大值，R1 與 R2 上升趨勢類似是因為距火源約同距在 800 2. 秒時，約可達 40kW/m 。R4 較小因為距火源最遠且在氣流進口處。而 R5 最大是因為在氣流出口熱氣集中處。一般用以判定閃燃是否發生是 R3(面 2. 向天花板)，在 800 秒時達到 20kW/m ，故以熱幅射之閃燃基準而言，可判定在 800 秒達到閃燃。火場煙氣由東南向開口噴出後，由 10MW 大尺度燃燒分析裝置收集分析其流場和熱釋放率如圖 3-1-5 和圖 3-1-6 所示。而由圖上可知，在 600 秒左右，因抽氣量不足有漏氣，故將抽氣量由 20Hz(抽氣馬達變頻器)增 & 則代表氧氣消耗法所求得之總熱釋放加到 35Hz，另外由圖 3-1-6 上之 Q 0. & 對時間積分所得之總熱釋放量， Q & 代表以抽氣氣流溫率，THR 代表由 Q 0 T 度計算之顯熱所對應的對流熱釋放率。. 44.

(58) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-1-3(a) 木框架實驗之熱偶樹溫度變化(TC1~TC4). TC1. TC2. 1200 TC1,0 TC1,1 TC1,2 TC1,3 TC1,4. 1000. TC4. 1200 TC2,0 TC2,1 TC2,2 TC2,3 TC2,4. 1000 800. 1200. ORT0. ORT0. TC3,0 TC3,1 TC3,2 TC3,3 TC3,4. 1000 800. 800 600. 400. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 200. 0 TC1,5 TC1,6 TC1,7 TC1,8 TC1,9. 1000 800. 0 TC2,5 TC2,6 TC2,7 TC2,8 TC2,9. 1000 800. T(oC). 600. T(oC). 600. 12000 TC3,5 TC3,6 TC3,7 TC3,8 TC3,9. 1000 800. 0. 800. 600. 600. 600. 400. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 200. 0. 0. 300. 600. 900 t(s). 1200 1500. 0. 0 0. 300. 600. 900 t(s). 1200 1500. TC4,5 TC4,6 TC4,7 TC4,8 TC4,9. 1000. 600. 0. ORT0. TC4,0 TC4,1 TC4,2 TC4,3 TC4,4. 1000. 600. T(oC). T(oC). 800. ORT0. TC3. 1200. 0. 300. 600. 900 t(s). 1200. 1500. 0. 300. 600. 900. 1200 1500. t(s). 45.

(59) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 3-1-3(b) 木框架實驗之熱偶樹溫度變化(TC5~TC7). TC5. TC6. TC5,0 TC5,1 TC5,2 TC5,3 TC5,4. 1000. TC6,0 TC6,1 TC6,2 TC6,3 TC6,4. ORT0. 1000 800. ORT0. 1200. 800 600. 400. 400. 400. 200. 200. 200. TC5,5 TC5,6 TC5,7 TC5,8 TC5,9. 1000 800. T(oC). 600. 0. 0 TC6,5 TC6,6 TC6,7 TC6,8 TC6,9. 1000 800. 800 600. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 0 300. 600. 900 t(s). 1200 1500. TC7,5 TC7,6 TC7,7 TC7,8 TC7,9. 1000. 600. 0. ORT0. 0. 600. 0. TC7,0 TC7,1 TC7,2 TC7,3 TC7,4. 1000. 600. T(oC). T(oC). 800. 46. TC7. 1200. 1200. 0. 0. 300. 600. 900 t(s). 1200. 1500. 0. 300. 600. 900 t(s). 1200. 1500.

(60) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. & 在約 800 秒達到最高值為 2MW，而 Q & 對流熱釋放率約占總總熱釋放率 Q 0 T 熱釋放率之 35%，但這並不表示熱幅射占 65%，因為很多熱量已經在屋內 & 事實上已失去其代表對流熱之意義了。另因熱傳導及對流而損失了， Q T. 外 THR 在 1300 秒時，約累積 1300MJ，由 THR 除以時間來看，平均熱釋放率約為 1MW。由熱偶樹溫度曲線判定之閃燃時間為 400 秒，但由熱輻射通量判定則為 800 秒，故顯然存在相當差異，這可能是因為房間沒有任何傢俱擺設。而以木框架模擬火源太過集中之故，這個問題將在第二次實體辦公室火災實驗，加以驗證。圖 3-1-4 木框架實驗之熱輻射通量變化圖 60. R1. ORT0. 40 20. q"(kW/m2). 0. R2. R3. 60. 40. 40. 20. 20. 0. R4. R5. 0. 40. 40. 30. 30. 20. 20. 10. 10. 0. 0 0 200 400 600 800 0 200 400 600 8001000. t(s). 47.

(61) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 3-1-5 木框架實驗所抽煙氣之流場及廢氣濃度變化圖 (a) 流場變化 120. 100. 100. 60. 90. 40. 80. 20. 15. 30. 10. 20. T (oC). 80. m (kg/s). 110. V (m/s). Opacity (%). ORT0-20/35Hz. . 5. 10 20Hz 35Hz. 0. 0. 0. 300 600 900 1200 0. 300 600 900 1200. t (s) (b)廢氣濃度變化 20. 22. 15 21 10. O2 (%). HC (ppm). ORT0-20/35Hz. 20 5 20Hz 35Hz. 0. 19 0.8. 500 400. 0.6. 300. 0.4. 200 0.2. 100 0. 0.0. 0. 300 600 900 1200 0. t (s). 48. 300 600 900 1200 1500. CO2 (%). CO (ppm). 600.

(62) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-1-6 木框架實驗之熱釋放率變化圖 4. Oxygen Consumption. .. QO (MW). ORT0-20/35Hz. 3 2 1. THR(MJ). 20Hz 35Hz. 0 1400 1200 1000 800 600 400 200 0. ORT0-20/35Hz. Gas Temperature Rise ORT0-20/35Hz. .. QT (MW). 0.8 0.6 0.4 0.2 0. 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. t (s). 第二節雙開口部實驗本次實驗主要以內政部建築研究所台南歸仁防火實驗室一樓辦公，之空間擺設，做為本實際之火災模擬。. 實驗儀器配置位置本次實驗實施時間為 94 年 8 月 5 日，圖 3-2-1(a)為本次實驗燃燒儀器配置之規劃圖，空間尺寸為 6m×5m 之平面，高度為 2.4m，牆壁由厚度 0.2m 不可燃之 ALC (Aerated Lightweight Concrete)板所構成。整個配. 49.

(63) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 置依照實際辦公室內容為主，如圖 3-2-1(a)所示，包含辦公椅（六張）、屏風（六組）、桌板（六組）、高木櫃（三組、辦公室北邊）、中木櫃（三組、辦公室西邊）以及矮木櫃（三組、辦公室東邊），引火前辦公室內擺設照片，如圖 3-2-1(b)、3-2-1(c)所示。辦公室東北邊及東南邊各有一個開口，尺寸為 1.8m×0.6m；東北邊的開口主要作為新鮮空氣之供應，東南邊開口則是作為廢氣排放。辦公室南邊上方為 10MW 大尺度燃燒分析裝置之大型抽煙罩，主要用來吸引廢氣，並由氣體分析儀分析廢氣組成，同時估算熱釋放率。本次實驗東南開口部為上半開，東北開口部為下半開。圖 3-2-1(a)上虛線之圓形符號代表引火源的位置，引火源以丙烷燃燒器提供 30kW 之熱源加熱至完全引燃為止（1650 秒）。TC 代表熱電偶位置，整個辦公室空間規劃七組熱電偶樹，和七個熱電偶，熱電偶之種類為 K-type 形式。另有五組熱輻射計、壓差計、氣體分析儀、內視鏡，其數量、位置及高度如表 3-2-1 所述：圖 3-2-1(a)雙開口部辦公室火災實驗配置圖. 3 T2. T7. 4. R1. T1. T6 R2. G-2 5. 3. 4 6. 1. 7. Outlet 2 T3. G-1. R5. Inlet. R3 T5. T4 R4. 50. T0 1.

(64) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 表 3-2-1 雙開口部辦公室火災實驗儀器配置儀器名稱熱偶樹. 數量 7個. 熱輻射計. 5個. 位置及代號 TC1、TC2、TC3 TC4、TC5、TC6 TC7 R1、R2、R3、R4、R5. 距地高度註1. 方向. R1、R4：150cm R2、R5：180cm R3：置於地面. R1 面向東方 R2 面向南方 R3 面向上方 R4、R5 面向西方內視鏡 2 台 V1、V2 150cm V1 面向東南方 V2 面向東北方熱電偶 7 個 T0、T1、T2、T3 T0~T1：230cm T4：東南向 T4、T5、T6、T7 T4：150cm T5：東北向 T5：30cm T6：西南邊 T6、T7：180cm T7：西南邊壓差計 2 個 BODIn、BODOut BODIn：30cm BODIn：東北向 BODOut：150cm BODOut：東南向氣體分 2 組 G-1、G-2 G-1：180cm G-1：西北向析儀 G-2：180cm G-2：東南向註 1：每組熱電偶樹由地面算起至天花板，共分 10 個點，從天花板算起第 1 點到第 2 點相差 10cm，其餘 9 點間距各為 30cm，總長度為 250cm。. 圖 3-2-1(b) 家具實際擺設和熱偶樹 TC6、TC5、TC4 位置圖(由左到右). 51.

(65) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 3-2-1(c) 北牆之木櫃 4 組、及東北部開口. 火災過程本次實驗，由引火源到熄滅共歷時約 4000 秒。閃燃約在 1600 秒發生。而火勢最大是在約 3000 秒時，詳細的火災觀測如下表所示：火場溫度圖 3-2-3（a）及圖 3-2-3(b)分別代表熱偶樹 TC1 到 TC7 之溫度變化。以上層溫度而言，除 TC1 因位於氣流出口處，溫度較低之外，其餘各點 O. 溫度皆很類似。除 TC1 之外，TC2~7 皆可達 1000 C 以上。而 TC1 在 3500 O. 秒之後上升到 1000 C 是因為此時火亦由東北開口噴出之故。除 TC1,8、 TC1,9 及 TC2,9 因靠近氣流入口，溫度不上升，其餘下層溫度在 2000 秒 O. 後也都超過 1000 C。所有曲線在 t=1600 秒時皆有陡升且溫度皆超過 O. 600 C，代表閃燃於此刻發生。另外 TC5 下層各點溫度上升較慢，乃是這一區最晚點著之故。火場溫度在 3500 秒後開始降低。圖 3-2-4 代表房間四個角落之溫度，T1 最高乃因最早點燃且氣流較不流動。T2 最低乃因最. 52.

(66) 第三章實尺寸辦公室火災實驗 O. 晚點著，所有各點在 3000 秒達到最高值，皆大於 1000 C，其後溫度下降。表 3-2-2 雙開口部辦公室火災實驗之火災歷程時間歷程 0秒 162 秒 184 秒 235 秒 367 秒 404 秒 758 秒 759 秒 850 秒 1140 秒 1260 秒 1440 秒 1492 秒 1591 秒 1625 秒 2000 秒 3241 秒 3268 秒 4000 秒. 發生現象引燃引火源開始冒出陣陣的黑煙火勢轉大，可能是因為點火源正上方的桌板燃燒所導致的反應火勢變小呈悶燒狀態，黑煙由小轉大並大量的從出口部冒出火勢變大，點火源附近的桌椅開始燃燒火勢開始變小並冒出大量的黑煙，實驗場地處於悶燒的狀態，所有的監看設備此時都呈現漆黑的畫面，只有一些零星火光出現強烈的熱氣從出口部竄出，使得攝影機的畫面因受熱而鏡頭模糊火焰開始變大火勢非常的強烈，這時還是會有黑煙竄出火焰變得更大，黑煙逐漸變少，矮櫃邊的隔板開始燃燒火光逐漸增大，靠近進風口東邊的矮櫃開始燃燒北方壁面的矮櫃開始燃燒火焰跟黑煙從進風口竄了出來矮櫃的燃燒使得火勢增大，燃燒更劇烈整個實驗場地火勢瞬間加大，這時候南方的矮櫃也開始燃燒，發生閃燃現象不斷有火焰從出口部竄出火勢開始轉小開始沒有火焰從出風口竄出實驗結束. 參考相片. 圖 3-2-2(a). 圖 3-2-2(b). 圖 3-2-2(c) 圖 3-2-2(d) 圖 3-2-2(e) 圖 3-2-2(f) 圖 3-2-2(g) 圖 3-2-2(h). 53.

(67) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 3-2-2 雙開口部辦公室火災過程照片. 54. (a)東南開口部(184 秒). (e)東南開口部(1492 秒). (b)東南開口部(404 秒). (f)東南開口部(1625 秒). (c)東南開口部(1260 秒). (g)東南開口部(2000 秒). (d)東南開口部(1440 秒). (h)東南開口部(3268 秒).

(68) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-2-3(a) 雙開口部辦公室火災熱偶樹溫度變化圖(TC1~TC4). TC1. TC2. 1200. 800. TC3. TC2,0 TC2,1 TC2,2 TC2,3 TC2,4. 1000 800. TC4. 1200. ORT1. 1200 ORT1. TC3,0 TC3,1 TC3,2 TC3,3 TC3,4. 1000 800. 800 600. 400. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 200. 0 TC1,5 TC1,6 TC1,7 TC1,8 TC1,9. 1000 800. 0. TC2,5 TC2,6 TC2,7 TC2,8 TC2,9. 1000 800. T(oC). 600. T(oC). 600. 0 TC3,5 TC3,6 TC3,7 TC3,8 TC3,9. 1000 800. 0. 800. 600. 600. 600. 400. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 200. 0 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. 0 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. TC4,5 TC4,6 TC4,7 TC4,8 TC4,9. 1000. 600. 0. ORT1. TC4,0 TC4,1 TC4,2 TC4,3 TC4,4. 1000. 600. T(oC). T(oC). ORT1. TC1,0 TC1,1 TC1,2 TC1,3 TC1,4. 1000. 1200. 0 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. 55.

(69) 防火性能設計之火源燃燒特性研究. 圖 3-2-3(b) 雙開口部辦公室火災熱偶樹溫度變化圖(TC5~TC7). TC5. TC6. 1200 TC5,0 TC5,1 TC5,2 TC5,3 TC5,4. 1000. 1200. ORT1. TC6,0 TC6,1 TC6,2 TC6,3 TC6,4. 1000 800. 1000 800 600. 400. 400. 400. 200. 200. 200. TC5,5 TC5,6 TC5,7 TC5,8 TC5,9. 1000 800. T(oC). 600. 0. 0 TC6,5 TC6,6 TC6,7 TC6,8 TC6,9. 1000 800. 800 600. 400. 400. 400. 200. 200. 200. 0 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. TC7,5 TC7,6 TC7,7 TC7,8 TC7,9. 1000. 600. 0. ORT1. 0. 600. 0. TC7,0 TC7,1 TC7,2 TC7,3 TC7,4. ORT1. 600. T(oC). T(oC). 800. 56. TC7. 1200. 0 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000.

(70) 第三章實尺寸辦公室火災實驗. 圖 3-2-4 雙開口部辦公室火災之房間 4 個角落熱電偶溫度變化情形 1200. T0 T1 T2 T3. 1000. ORT1. T(oC). 800 600 400 200 0 0. 1000. 2000 t(s). 3000. 4000. 圖 3-2-5 代表東北及東南兩個開口部的氣流溫度，T4 及 T5 在 1600 秒開始才突然上升表示氣流此時才開始變大。T4 為氣流出口故溫度永遠高於氣流入口之 T5 溫度。T4 在 2000 秒左右陡升但 T5 並無此現象，其後 T4 漸降，但 T5 反而漸升，乃因氣體有部分轉由 T5 處噴出之故。圖 3-2-5 雙開口部辦公室火災房間進出口溫度 1200. T4 T5. ORT1. 1000. T(oC). 800. 600. 400. 200. 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. t(s). 57.