水系統火災控制技術之研究(I)水系統效應對性能式煙控設計之模式研究與實驗驗證

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(1)水系統火災控制技術之研究（I）水系統效應對性能式煙控設計之模式研究與實驗驗證. 內政部建築研究所委託研究報告. 56.

(2) ０９２－３０１０７００００－Ｇ１０１９（I）. 水系統火災控制技術之研究（I）水系統效應對性能式煙控設計之模式研究與實驗驗證. 受委託者：財團法人中華建築中心研究主持人：鍾基強. 教授. 協同主持人：簡賢文. 副教授. 研. 究. 員：董賢聲. 研究助理：薛朝鴻. 廖健成. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十二年十二月 57.

(3) 摘. 要. 關鍵詞：撒水系統、熱釋放率、反應時間指數（RTI）一、研究緣起替代設計或稱性能式設計這幾年來在內政部建築研究所的努力推動下已累積相當不錯的研究成果，且部份成果已逐漸成熟至法規層面，國內主管機關營建署已修訂完成建築技術規則 89 條之一，明確定出替代設計的法源，因此性能式之設計已成為未來國內建築防火安全設計相當重要發展項目之一，建研所去年的研究成果”建築物火災避難安全與煙控性能式設計研究”呈現完整的日本避難安全性能檢驗法做為國內實施階段性替代設計的驗證設計評估方法，而此部份並沒有考慮到撒水效應對煙層下降之影響，因此本研究今年將針對此現象進行分析以評估是否考慮在驗證法中加入撒水效應以正確反應人員避難逃生所需時間。二、研究方法及過程自動撒水系統是控制建築物火災最可靠的消防設施之一，它之所以被廣泛使用的原因是因為它可以有效率的自動探測到火源並熄滅火勢，而一般可知火災所產生的煙霧最主要是由熱釋放率所引起，也由於撒水系統的作動而使得熱釋放率受到抑制而降低，因此若能掌控整個火災過程在撒水系統作動後的熱釋放率變化，即可得知煙產生量和逃生時間之關係。當然在完成此過程之前必需先瞭解影響撒水系統作動的參數，如撒水頭與火源的相對位置、反應時間指數（RTI）的大小、熱釋放率以及密閉空間的大小等等，因此本研究針對上述影響撒水系統作動的參數來推導出撒水系統與煙控模式的關係，並透過實驗驗證來完成包含撒水系統的煙控簡算模式，以供逃生避難所需時間來確保人員安全。三、重要發現. 58.

(4) 經由本研究之實驗結果可以發現當撒水作動後，煙霧會大量產生，以致煙層迅速下降，這最主要是由於水碰觸到高溫的火源以致引發大量的蒸發所致；另外當撒水作動時間愈早，對於撒水後的煙控才能有顯著的效果，否則當煙層下降至一定高度時才撒水作動，可能會因為煙層迅速下降，反而不利於人們逃生；而當日本檢證公式應用在裝設有撒水系統之建築物中，所得之人員逃生時間相對於實際狀況將有相當程度的差異，若以本研究之案例而言，日本檢證公式應用在裝設有撒水系統之建築物，其人員相對逃生時間約較實際情況多 10~20%，也就是表示若建築物裝設有撒水設備其煙層下降速度遠比無撒水設備之建築物來的快，因此在使用性能檢證公式時必需了解其使用限制與實際狀況是否相符，如此一來才能將性能檢證公式發揮到最符合實際的狀況。四、主要建議事項根據本研究之結果得知，日本檢證公式並不適用於有裝設撒水系統之建築物，但依據”消防法規各類場所消防安全設備設置標準第 49 條” 所列之場所得免裝撒水設備外，其它場所應裝設撒水設備，所以應用範圍相當廣泛，因此使用該檢證公式之配套措施可採用減少使用人數、增加樓梯數目、增加排煙量及縮短步行距離等方式來解決現有問題，以俾使所用之性能檢證公式能符合實際的狀況。. 59.

(5) ABSTRACT keyword：sprinkler spray system, heat release rate, response time index 1. Research Origin: The performance-based code will be the very important trend in Taiwan’s future building design. For first safety design research of BRI, the building safety performance code of Japan was adopted to evaluate the first safety in Taiwan. However, no sprinkler spray function was provided in the code. Therefore, a research was conducted to develop a calculating model with sprinkler effect in this year. The modified model may reflect correct escape time for occupants in building. 2. Research Method and Process: Automatic sprinkler spray system may be the reliability fire-fighting equipments for control fire in the building. It had been used extensively because that can be effective to detect fire and put out it. Generally the smoke generate by fire was caused for heat release rate, and when sprinkler spray system activate that it can be suppression. Thus, if we can control the process for heat release rate in the fully fire when sprinkler spray system activated, then can know the relation for the smoke generate and evacuation time. Before finish these process must be know the parameter that caused for sprinkler spray system activated, such as the relative location for sprinkler head and fire, response time, heat release rate and the size of room etc. Thus, this research project investigates the relation for effect sprinkler spray system activated parameters and smoke control design. The goal of this project is to provide a smoke control design include sprinkler spray system which used experiment verify, that provide enough time to protect people safety. 3. Important Finds:. 60.

(6) Through this study, we found that the smoke will descend very quickly when sprinkler activated. This is because the water evaporated in high temperature. Therefore activated the sprinkler systems at early stage when fire occurred are very important. Otherwise the volume of water vaporized will increase with the temperature. If use the Japanese fire safety evaluation code to assess the fire safety in a sprinklered buildings, 10 to 20 % more egress time is needed comparison with no sprinklered buildings. Therefore, understand the limitations of how to apply Japanese evaluation code to assess fire safety of buildings are major purpose for this project. 4. Major Suggestions: The Japanese evaluation code only can apply to buildings without sprinkler systems. Therefore, some alternative options may provide to solve the existing problems, such as decreasing occupants, increasing stair numbers, increasing smoke exhaust volume and shortened walking distance.. 61.

(7) 目. 錄. 目錄 ........................................................................................................................... i 表目錄......................................................................................................................iii 圖目錄..................................................................................................................... iv 第一章緒論 1.1 背景緣起 ............................................................................................... 01 1.2 文獻探討 ............................................................................................... 03 1.3 研究目的 ............................................................................................... 04 1.4 研究步驟 ............................................................................................... 04 第二章現階段性能設計建議採用之相關計算法則 2.1 現階段性能設計法建議之概述 ....................................................... 08 2.2 居室避難安全驗證 ............................................................................. 13 2.3 樓層避難安全驗證 ............................................................................. 17 2.4 整棟建築物避難安全驗證 ................................................................ 21 第三章撒水系統之特性與理論基礎 3.1 撒水設備之功能與分類..................................................................... 26 3.2 撒水頭分類........................................................................................... 27 3.3 撒水頭作動之理論推導..................................................................... 28 3.4 撒水頭水滴尺寸的分佈..................................................................... 31 3.5 撒水器的水滴在空氣中的軌跡 ....................................................... 33 3.6 在一表面上水滴的輸送..................................................................... 34 3.7 水滴的質量與能量轉換..................................................................... 35 3.8 水對於火源的抑制 ............................................................................. 36 3.9 撒水設備滅火的有效性和滅火機制............................................... 38. i.

(8) 第四章撒水系統導入性能式煙控設計的推導 4.1 天花板噴流........................................................................................... 42 4.2 N-percent Rule.......................................................................................... 43 4.3 撒水系統導入性能式煙控設計的推導 .......................................... 44 第五章電腦火災數值模擬之模式架構簡介 5.1 FDS 的理論架構 ................................................................................... 48 5.2 FDS 的理論模式分析........................................................................... 50 第六章實驗規劃 6.1 實驗設備概述 ...................................................................................... 56 6.2 實驗規劃 ............................................................................................... 63 第七章實驗結果與討論 7.1 火源熱釋放率 ...................................................................................... 65 7.2 實驗溫度與模擬溫度比較................................................................. 65 7.3 光電式煙偵測器所量測之煙遮蔽情形........................................... 66 7.4 煙層高度變化....................................................................................... 66 7.5 實驗數值與日本檢證公式之煙沉降比較 ....................................... 67 第八章結論與未來展望 8.1 結論........................................................................................................ 81 8.2 未來展望 ............................................................................................... 82 參考文獻 ............................................................................................................... 84 附錄一期初審查回覆意見辦理情形................................................................ I 附錄二期中審查回覆意見辦理情形.............................................................. III 附錄三期末審查回覆意見辦理情形..............................................................IV 附錄四 FDS 電腦模擬相關設定參數資料....................................................VII. ii.

(9) 表. 目. 錄. 表 2-1. 適用避難安全驗證法之排除規定................................................... 11. 表 3-1. 撒水系統種類適用場所及動作順序 .......................................... 26. 表 6-1. 試驗中所使用的撒水頭種類 ........................................................ 59. 表 6-2. 實驗規劃編號 .................................................................................... 64. 表 7-1. 實驗與電腦模擬之撒水頭作動溫度及時間數據表 .................... 68. 表 8-1. 建築物有、無撒水設備適用之避難安全檢證模式分析 ........... 82. iii.

(10) 圖. 目. 錄. 圖 1-1 有/無自動撒水設備在焚燒實驗中時間-溫度變化情形與標準時間-溫度曲線的比較圖 ....................................................................... 06 圖 1-2. 有/無自動撒水設備之熱釋放率與時間的關係圖 ...................... 06. 圖 1-3. 整體研究內容架構 ............................................................................. 07. 圖 2-1. 避難安全驗證法之構成..................................................................... 09. 圖 2-2. 避難安全驗證方式 ............................................................................. 12. 圖 2-3. 居室避難安全驗證流程..................................................................... 13. 圖 2-4. 火災發生時之煙霧狀況..................................................................... 14. 圖 2-5. 居室煙層下降時間之計算順序 ....................................................... 15. 圖 2-6. 居室發煙量 Vs 之計算順序 ................................................................ 16. 圖 2-7. 樓層煙層下降時間之計算例............................................................ 18. 圖 2-8. 樓層煙層下降時間之計算順序 ....................................................... 19. 圖 2-9. 樓層各空間煙層下降時間之計算流程圖...................................... 20. 圖 2-10 整棟建築物避難安全驗證法之流程............................................... 21 圖 2-11 整棟建築物煙擴散之情形................................................................. 23 圖 2-12 整棟建築物煙層下降之計算流程 ................................................... 24 圖 2-13 整棟建築物各居室煙層下降時間之計算流程 ............................. 25 圖 3-1. 各種形式之撒水頭 ........................................................................... 28. 圖 3-2. 撒水頭與熱煙氣之熱傳示意圖 ................................................... 29. 圖 3-3. 典型灑水器的水滴尺寸函數圖 ............................................... 38. 圖 3-4. 水的相變化與熱能的改變量............................................................ 41. 圖 3-5. 水滴直徑之分析圖 ............................................................................. 41. 圖 4-1. 在天花板上方理想化之溫度與速度變化量 ................................. 43. 圖 4-2 N-percent method 示意圖 ............................................................. 44 圖 4-3. 單一空間煙產生量與煙沉降關係圖 ..................................... 45. iv.

(11) 圖 5-1 FDS 與 smokeview 之組織架構與工作流程圖 .................... 50 圖 6-1. 建研所實驗室平面圖......................................................................... 59. 圖 6-2. 實驗場內部........................................................................................... 60. 圖 6-3. 架設完成之熱電偶 ............................................................................. 60. 圖 6-4. 盛裝火載量之鋼製容器及 LOAD CELL ........................................... 60. 圖 6-5. 已裝上之撒水頭.................................................................................. 60. 圖 6-6. 數據收集系統 ...................................................................................... 60. 圖 6-7. 光電式煙偵測器.................................................................................. 60. 圖 6-8. 撒水設備圖........................................................................................... 61. 圖 6-9. 熱電偶樹示意圖.................................................................................. 61. 圖 6-10 光電式煙偵測器量測原理示意圖 ................................................... 62 圖 6-11 光電式煙偵測器配置圖 ..................................................................... 62 圖 6-12 實驗之火源位置及熱電偶配置圖 ................................................... 64 圖 7-1. 編號 1-1 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-2. 編號 1-2 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-3. 編號 1-3 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-4. 編號 1-4 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-5. 編號 1-5 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-6. 編號 1-6 之熱釋放率與時間關係圖................................................ 69. 圖 7-7. 實驗編號 1-1 之 T1 各高度溫度....................................................... 70. 圖 7-8. 電腦模擬 1-1 之 T1 各高度溫度....................................................... 70. 圖 7-9. 實驗編號 1-1 之 T2 各高度溫度....................................................... 70. 圖 7-10 電腦模擬 1-1 之 T2 各高度溫度....................................................... 70 圖 7-11 實驗編號 1-1 之 T3 各高度溫度 ....................................................... 70 圖 7-12 電腦模擬 1-1 之 T3 各高度溫度....................................................... 70 圖 7-13 實驗編號 1-1 之 T4 各高度溫度....................................................... 70 圖 7-14 電腦模擬 1-1 之 T4 各高度溫度....................................................... 70. v.

(12) 圖 7-15 實驗編號 1-2 之 T1 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-16 電腦模擬 1-2 之 T1 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-17 實驗編號 1-2 之 T2 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-18 電腦模擬 1-2 之 T2 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-19 實驗編號 1-2 之 T3 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-20 電腦模擬 1-2 之 T3 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-21 實驗編號 1-2 之 T4 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-22 電腦模擬 1-2 之 T4 各高度溫度....................................................... 71 圖 7-23 實驗編號 1-1 之第一組煙偵測數據 ................................................ 72 圖 7-24 實驗編號 1-1 之第二組煙偵測數據 ................................................ 72 圖 7-25 實驗編號 1-1 之第三組煙偵測數據 ................................................ 73 圖 7-26 實驗編號 1-1 之第四組煙偵測數據 ................................................ 73 圖 7-27 實驗編號 1-2 之第一組煙偵測數據 ................................................ 74 圖 7-28 實驗編號 1-2 之第二組煙偵測數據 ................................................ 74 圖 7-29 實驗編號 1-2 之第三組煙偵測數據 ................................................ 75 圖 7-30 實驗編號 1-2 之第四組煙偵測數據 ................................................ 75 圖 7-31 實驗編號 1-3 之第一組煙偵測數據 ................................................ 76 圖 7-32 實驗編號 1-3 之第二組煙偵測數據 ................................................ 76 圖 7-33 實驗編號 1-3 之第三組煙偵測數據 ................................................ 77 圖 7-34 實驗編號 1-3 之第四組煙偵測數據 ................................................ 77 圖 7-35 實驗編號 1-1 之煙層高度與時間關係............................................ 78 圖 7-36 實驗編號 1-2 之煙層高度與時間關係............................................ 78 圖 7-37 實驗編號 1-3 之煙層高度與時間關係............................................ 79 圖 7-38 實驗編號 1-4 之煙層高度與時間關係............................................ 79 圖 7-39 實驗編號 1-5 之煙層高度與時間關係............................................ 80 圖 7-40 實驗編號 1-1 與日本檢證公式之煙沉降比較................................ 80. vi.

(13) 第一章緒論 1.1 背景緣起全世界每年都因不可控制的火災而導致了生命與財產的損失，類似這樣的災害不勝枚舉，欲減少這些災害的方法，其比較顯著的方式就是儘可能降低爆炸與抑制火勢的蔓延。根據香港 1996 年的年報指出，香港地區的消防部門於 1995 年期間，共接獲了 31,014 的火警電話，也就是每天平均有 85 通的報案電話。在所有的火警案件中，可分成 43 類大型的火災事故。因為警報器失靈或是安裝在不適當的地方而造成的火警，共占了所有火警案件的 46﹪。對易燃物的不小心處理或是任意放置乃是造成火災的主要原因，此類型的火災共占了全部火災案件的 5,035 案例，其次發生的原因為在烹飪食物及電器用品的錯誤使用，分別占了 2,558 與 1,608 個案例。火災共奪走了 23 條人命並造成了 594 個人受傷，其中包括 64 名消防人員因公殉職或傷害，並且有 1,954 人被救起。儘管這些年來因意外事故而造成人命的損失是很低的，但仍需要不斷的修訂與火災相關的法律條文以配合時勢的需求，除此之外，為了防止不可預期的火災事故，必須以現代的科技改善已過時或者不適用的消防安全設施。自動撒水系統也許是控制建築物火災最可靠的消防設施，它之所以被廣泛使用的原因是因為它可以有效率的自動探測到火源並熄滅火勢。當建築物中都安裝了自動撒水器系統時，將會大量的降低因可怕的火災所造成的生命財產損失。美國能源部於 1980 年開始針對從 1952 到 1980 年期間的 600 個自動撒水系統作了完整的分析。根據此項報告指出安裝了自動撒水系統的建築物，在火場中的損失是沒有安裝此項消防設備建築物的五分之一。有安裝自動撒水系統的建築物中，至今還沒有造成任何人員的死亡。事實上，撒水器可以成功的控制或是撲滅火勢的機率高達 98﹪，由於這樣高的成功率，使得大部分的保險公司都以低保險費來鼓勵建築物安裝自動撒水系統。而撒水系統往往是抑制火源成長擴大有效滅火之最佳方式之一，撒. 1.

(14) 水設備的滅火效果是在整個燃燒過程中，藉著水的冷卻效果來減低溫度，如果能把其冷卻效果和減低燃燒速度兩者結合起來，就能使火焰上方的溫度大大的降低。Hankins[1]在 F.M.所進行的實驗結果很清楚的說明此現象，其結果如圖 1-1 所示。因此在一般公共建築物上消防相關法令也強制要求加裝撒水設備。然而，撒水系統並無法完全的發揮功效，因為來自撒水系統的噴流量會影響煙霧，且也會阻礙排煙系統的功能，這些作用會造成一個由水構成的幕狀物，它會抑制煙的流動並將煙吸向較低的位置，這也許會阻礙人員的逃生，而藉由冷卻煙霧也會降低其浮力，且當煙霧通過屋頂的排煙孔時的流動速度會降低。煙霧的浮力其造成的因素主要依據排煙設備的位置，它們一般裝置在天花板的高度。縱然撒水系統與煙霧排放系統的作用相互交雜，但其目標都在抑制火勢的蔓延。撒水系統若能快速的抑制火勢，可使得煙霧排放系統的體積減小，撒水頭與煙霧的交互作用就會較小。而在很多的火災實驗中，並沒有很清晰的模擬可以揭露這些作用的影響。另外；撒水器可以減少因燃燒物質所產生的煙霧。相對的，其它的專家稍早曾建議將燃燒的木頭擺放在低的位置則會促使撒水器啟動。這項實驗是在火災實驗室完成，地點是在英國。該項實驗記載了在某些狀況下，雖然撒水器可使煙霧往下移動，但稍後有可被進入火焰的氣體拉回。在天花板下的熱煙霧與蔓延的火焰當其通過撒水器時，並沒有很明顯的冷卻下來。這會導致撒水器的作用方向遠離著火的面積，但屋頂排氣孔的設置會限制住煙霧與火焰的蔓延，且可以防止不需要啟動的撒水器而產生運作。屋頂排氣孔的使用將使的撒水頭更迅速產生作用，但屋頂排氣孔的打開，並不能降低天花板下的溫度，因而延遲了撒水頭的開啟速度。為了此項原因，一般建議在建築物中的撒水頭與自動排氣系統共同使用，而撒水系統必須被設計成在屋頂排氣孔打開之前就得運作。. 2.

(15) 1.2 文獻探討在最近的論文中，有相當多的研究以藉由火的條件變化來完成撒水頭的特性，也有許多研究者製造出可壓抑火的模型，例如在一個例子中用兩個不同的方法（經驗式和基本原則）來發展處理各種火與撒水頭的相互影響。根據 Bullen[2]的研究報告指出，當煙層厚度超過 1 公尺時，已具有足夠的熱量可以引發撒水頭產生作用而使得足夠的浮力足以維持煙層結構，即使撒水頭已經在作動中。 Gardiner[3]研究發明了一個能夠利用熱浮力的氣體引發撒水頭的啟動，這是一個運用三度空間的穩態模型，能夠考慮隔間的幾何關係及撒水頭的位置，當火距離撒水頭的遠處時，這個模型可利用三個不同的方法來計算產生煙的流動。 1979 年，Morgan 和 Baines[4]進行一個大尺寸的試驗，此試驗為模擬購物中心的一部份區域，並且有裝設撒水設備。這個試驗是用來測定撒水頭所噴撒出來的水與熱煙氣的熱交換。結果指出撒水頭能從熱煙氣層中移除相當大量的熱並使其浮力降低。 Morgan 1979[5]；Heskestas 1991[6]；Cooper 1991[7]；Chow and Fong 1991[8]；Forney and McGrattan 1995[9]等人則使用數值模型，來研究撒水頭所噴灑出的水和煙層與火柱中的熱煙氣的相互影響，這些模型通常都有考慮熱煙層的對流冷卻影響。 Alpert[10]使用微粒軌跡理論實現於撒水頭中，Teach-T 延伸的版本，被利用於有關兩相流液滴噴灑在穩態火的二維軸對稱的範圍，考慮將三個模式結合在一起，在完成了連續的調查中，學者研究了撒水頭特性的影響，如同質流率、進口速度、液滴直徑。 2000 年，Nam[11]提出利用 CFD 的方式，以 BASA 發展的軟體 REDLEQS，以 CO2 的濃度變化作指標，研究在不同的送風速度、火源大小及火災位置，對於 CO2 煙霧分布的影響，並探討撒水頭在不同位置對. 3.

(16) 溫度作動的情況。在後幾年當中，顯而易見的是撒水動作的過程，包括流率在煙層的影響，液滴特性的結果，和火在大氣中冷卻的影響，這些大家並不知道。然而，廣泛的研究焦點都集中在英國和美國，研究的觀點在撒水過程的一部份，就如同數學模型延續著發展，或跟隨全尺寸火的實驗，撒水器作動模式以及火和撒水器的相互影響，變成現下發展可利用的資料。. 1.3 研究目的替代設計或稱性能式設計這幾年來在內政部建築研究所的努力推動下已累積相當不錯的研究成果，且部份成果已逐漸成熟至法規層面，國內主管機關營建署已修訂完成建築技術規則 89 條之一，明確定出替代設計的法源，因此性能式之設計已成為未來國內建築防火安全設計相當重要發展項目之一，建研所去年的研究成果”建築物火災避難安全與煙控性能式設計研究”呈現完整的日本避難安全性能檢驗法做為國內實施階段性替代設計的驗證設計評估方法，而此部份並沒有考慮到撒水效應對煙層下降之影響，因此本研究今年將針對此現象進行分析以評估是否考慮在驗證法中加入撒水效應以正確反應人員避難逃生所需時間。. 1.4 研究步驟撒水系統是公認抑制火勢擴大最有效之方法，而如何有效的將撒水效應導入性能式煙控的設計則是本研究的目的，若能經由此一研究來發展出有效的煙控簡算模式，不論對於政府、業者乃至消費者都有一定程度上的幫助，除了做為性能式設計的參考計算準則，並能做為逃生避難所需時間的依據。因此本研究計劃將針對下列三個主要目標進行研究評估，提出合適的設計準則供各界參考。（1）影響撒水系統作動參數探討。（2）撒水系統抑制火勢與滅火的效果。. 4.

(17) （3）將撒水效應導入性能式煙控設計的簡算模式中。在研究這個問題時首先以影響撒水系統作動的相關參數做為探討重點，同時建立一個大尺寸的實驗來驗證理論模式之可靠性。且理論模式應結合現今的火災工程知識，以工程上的關係為主要基礎，推導並印證理論與實驗值之差異，再從中修正其相關參數，使其成為最合乎實際的情境。本研究將從理論出發，嘗試以火災模式計算天花板下煙流之煙溫對撒水系統啟動之影響，同時探討撒水系統抑制火源成長的效果（如圖 1-2），並分別探討撒水頭與火源相對位置、熱釋放率大小、撒水作動時間（RTI）及密閉空間大小等不同參數之影響性，同時輔以現場實驗以瞭解理論模式之可靠度作為修正模式參數之依據，其研究流程如圖 1-3 所示，希望藉由此計劃之進行能提出含撒水效應之性能式煙控簡算模式，供政府相關單位及民間設計業者參考。. 5.

(18) 圖 1-1 有/無自動撒水設備在焚燒實驗中時間-溫度變化情形與標準時間-溫度曲線的比較圖. 無自動灑水系統熱釋放率 (kW). 灑水器作動. 灑水系統有效抑制灑水系統有效撲滅火勢時. 間(s). 圖 1-2 有/無自動撒水設備之熱釋放率與時間的關係圖. 6.

(19) 撒水系統效應對性能式煙控設計之研究與實驗驗證. 實. 密熱. 閉釋. 驗. 空放. 間率. 驗. 探. 大大. 證. 小小. R T︶ I 大小. 討. 7. 撒水頭反應時間︵. 撒水頭與火源的相對位置. 水系統效應導入性能式煙控設計之推導. 撒水系統作動後熱釋放率的變化. 獻. 撒水系統作動時間的推導. 文. 圖 1-3 整體研究內容架構. 式. 模. 算. 控. 出. 可. 行. 之. 煙. 簡. 正. 修. 的. 提. 析分例案. 數. 參. 關. 相. 電腦模式模擬理論分析與推導. 理論、模擬與實驗數據的比較.

(20) 第二章現階段性能設計建議採用之相關計算法則 2.1 現階段性能設計法建議之概述我國目前建築物避難安全設計主要是依照建築技術規則及各類場所消防安全設備設置標準的規定辦理。對於大多數的建築物而言，依法所執行之避難安全設計應能提供一定程度的安全性；但是不可諱言的，對於特殊建築物，這兩種條例式法規亦存在適用上困難等諸問題。尤其當前國內各類型複合建築物日益增加，及含有挑高中庭設計之大型購物商場等含有潛在高度生命財產損失危害之場所等，對於性能設計方式的採用應給予較為明確的指示，方能確保建築物避難安全且避免不必要的避難安全設施投資浪費。再者，一般常見建築物（如集合住宅、辦公大樓等）在設計之初或興建完成後，因使用變更或適用新法規時，可能出現部分不適用現行法令規定之情形，如何透過避難安全性能之驗證，而得以排除現行有關最大步行距離、出口寬度、內裝限制、排煙設備構造，甚至防煙、防火區劃之規定內容，而使得防火避難安全法規也可因工學技術評估驗證方法之採用，而具有彈性設計展現之契機。而現階段之建築物避難安全性能的建議採用之驗證項目包括居室、樓層及整棟建築物之避難安全評估。居室及樓層之避難安全評估為建築之其中任一居室或樓層發生火災，該樓層之避難人員從避難開始至避難結束之避難逃生時間，與居室到走廊、樓梯因火災造成煙層下降之危險時間相比對，驗證是否可於安全時間內完成避難行動。至於整棟建築物之避難安全性能，則為其中一居室發生火災時，建築物內全部避難人員完成避難時間是否低於煙流入樓梯時間之避難安全驗算。有關其驗證方法之構成、適用範圍及限制條件簡述如下：（一）避難安全驗證方法之構成對於符合建築防火法規之避難通道及樓梯部分（具充分抗火防煙能力者），因直接運算整棟建築物之人員避難安全驗. 8.

(21) 證，所需數據及運算資料必然龐大，可直接針對不適法或欲驗證之樓層部分，進行自居室至直通樓梯為止之避難安全驗證工作（參見圖 2-1）。至於欲驗證整棟建物之安全驗證，則必須是煙未進入樓梯前，避難人員已全數通過避難層出口。. 由此居室進行避難. 由此樓層進行避難. 避難樓梯. 避難路線(走廊). 圖 2-1 避難安全驗證法之構成（資料來源：荻原一郎、林廣明，2001）. （二）應用避難安全驗證法之排除法規適用限制依表 2-1 所示項目，如運用避難安全驗證法確認具有避難安全性能者，得不受建築防火法規部分內容之規範。如能獲得樓層避難安全性能之驗證，有關至直通樓梯之步行距離、走廊寬度、排煙設備構造及內部裝修限制之規定，可被部分排除適法性；如因不符樓層及區劃之相關規定，則需進行全館避難安全性能驗證。但是，有關消防搶救活動之確保，由於即使根據各避難安全驗證法也不能完全確保其性能的相關規定，故不能據以排除其法定要求內容。避難安全性能驗證是假設在發生火災下，全部人員逃離居室，進入直通樓梯，在火煙未波及前避難至安全處所，方屬安全；此驗證之先決條件為確保直通樓梯等避難設施可避免火煙直接侵襲，因此本驗證法僅適用於建築物主要結構為. 9.

(22) 耐燃材料建構者。另本驗證法相關經驗公式及參數之資料，係針對具有自力行動避難人員進行觀察及實驗調查所得，因此本驗證法不適用於無法自力避難人員，如醫院、療養院等場所。基於表 2-1 所示項目，整理避難安全驗證法使用條件限制如下﹕ 1、建築空間建築結構為防火構造或不燃材料。 2、人員屬性人員應具有自力行動能力（醫院、療養院不適用）。 3、火災模式（1）火災假設僅指起火到擴大延燒之初期火災，火災僅限定發生於起火室內。（2）t fire growth model。 2. （3）Zone model。 4、每一防煙區劃面積≦1500m2。 5、天花板高度限制＜20m。. 10.

(23) 表 2-1 適用避難安全驗證法之排除規定驗證法之排除規定項目. 條文. 項. 規定概要. 5 112 9 防火區劃（83、86） 12 13 119 （92）. 11 樓以上為 100m2 區劃垂直管道區劃其他用途之區劃其他用途之區劃走廊寬度. 120 （93）. 到達直通樓梯之步行距離. 1. 避難設施. 123 （97）. 2. 3. 124 （98） 126 之 2 （消防排煙 189、190）設備 126 之 3 （消防 189、190）內裝限制. 129 （88）. 樓層避難全館避難安全驗證安全驗證－ ○ － ○ － ○ － ○. 1. 安全梯之構造第 1 款防火牆第 6 款防火設備室外安全梯之構造第 2 款防火設備特別安全梯之構造第 1 款梯間之設置第 11 款梯間之面積第 9 款防火設備第 2 款防火牆營業店舖之避難樓梯等寬度第 2 款往樓梯之出口寬度第 1 款避難樓梯等寬度排煙設備之設置. ○. ○. ○. ○. －. ○. －. ○. ○. ○. ○＊－. ○ ○. ○. ○. －. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. 排煙構造. 特殊內裝之建築物(第 2、6、7 項之樓梯相關規定除外) 車庫、調理室等. ＊室內至陽台附室出入口部分之相關限制（）表示我國建築技術規則相對應條文（資料來源﹕簡賢文研究整理）. 11.

(24) （三）政府單位之審核認可鑑於公告中所規定之具體計算方法為一般性之驗證法，對於其中不確定部份則需考量進一步的安全面，並利用被認可的工程技術進行詳細狀態（境況）預測。因此，除以往之法定規格式基準（方式 A）及公告中所適用之一般性驗證法（方式 B）外，也可採用政府單位所認定之性能設計進行指定性能之評估（方式 C），如圖 2-2 所示之避難安全驗證方式分析。. 確保避難安全法定基準. 方式 A 〈性能驗證〉. 避難設施、排煙設備、內部裝潢、防火區劃之規範基準. + 〈規範基準〉. 方式 C. 性能設計. 規範基準. +. 一般驗證法. +. 方式 B. 規範基準. 圖 2-2 避難安全驗證方式（資料來源：荻原一郎、林廣明，2001.）. 12.

(25) 2.2 居室避難安全驗證（一）居室避難安全驗證流程. 驗證對象﹕. 火災. 圖 2-3 居室避難安全驗證流程. 13.

(26) （二）居室之煙層下降時間一般而言火災所產生之煙會隨著浮力往上昇，並會慢慢地蓄積於天花板下方，居室上層之高溫層（煙層）與下層的室溫空氣層呈現層化的狀態（zone model），並隨著火災的成長，煙層會慢慢地往下沉降。以往為確保火災避難安全，加強內部裝修的不燃化及設置排煙設備為其必要的對策。. 圖 2-4 火災發生時之煙霧狀況. 火災所產生之濃煙氣體會隨著時間（以下簡稱煙層下降時間）而下降，並造成避難上的障礙。圖 2-5 為依據其空間形狀、可燃物發熱量、排煙的方式等複雜的影響因素計算其煙層下降時間，所以在計算前先以圖解分析下列項目是需要的。 a.居室的形狀. 樓地板面積、天花板高度、地板的高低. b.防煙區劃. 防煙區劃面積、防煙垂壁高度. c.排煙方式. 排煙口高度、位置及排煙量. d.其它. 居室用途、內裝材料之設計. 14.

(27) 居室條件. 發熱量. 防煙區劃排煙方式. 火災成長率 α f 、 α m. 排煙有效係數 A∗ 排煙量 E. 發煙量 VS. 有效排煙量 Ve. 空間形狀樓地板面積 Aroom 平均天花板高度 H room 最低點至平均天花板高度 H low. 煙層下降時間 t s. ts =. Aroom (H room − 1.8) max(Vs − Ve ,0.01). 圖 2-5 煙層下降時間之計算順序. 煙層下降時間 t s 為容許煙層蓄積的體積除以煙霧產生量所得之值，而煙霧產生量為火災的發煙量（ V s ）減去排煙設備的有效排煙量（ Ve ）。因實際上有些場所之 Vs − Ve 為負值，所以在計算 Vs − Ve 設定最小值為 0.01（m3/min）。. ts =. Aroom × ( H room − 1.8) max(Vs − Ve ,0.01). （2.1）. t s ：該居室火災產生的煙層下降達到避難障礙高度的時間（分） Aroom ：該居室樓地板面積（m2） H room ：該居室之平均天花板高度（m） V s ：煙霧產生量（m3/分）. 15.

(28) Ve ：有效排煙量（m3/分）. （三）煙的發生量 Vs 火災發生時，單位時間所產生之發煙量必須考量其居室的形狀、用途（可燃物的發熱量）及內部裝修材料等因素，而其計算式如下所列。 Vs = 9((α f + α m ) Aroom )1 / 3 ( H low. 5/3. + ( H low − H room + 1.8) 5 / 3 ). （2.2）. α f , α m ：根據堆積可燃物與內部裝修材料燃燒特性而選定之火. 災成長率 2. Aroom ：該居室之樓地板面積（m ） H low ：從該居室樓地板面最低點起算之平均天花板高度（m） H room ：從該居室之基準點起算之平均天花板高度（m）. 居室條件. 形狀. 用途. 內裝樣式. 樓地板面積 Aroom 平均天花板高度 H room 最低點至平均天花板高度 H low. 堆積可燃物之發熱量 q1. 任意選擇. 堆積可燃物之火災成長率 Lf. 內裝材料之火災成長率αm. 發煙量 Vs. Vs = 9((α f + α m )Aroom ). 1/ 3. {H. 5/3 low. + (H low − H room + 1.8). 圖 2-6 發煙量 Vs 之計算順序. 16. 5/3. }.

(29) 2.3 樓層避難安全驗證樓層發生火災時，起火室以外的人們開始進行避難所需的時間，包含了發現火災所需時間及從發現到避難開始所需時間之合計；此時起火室以外的人們在發現火災所需的時間上，也將受到火災資訊所左右。火災情報傳達的方法，可透過看到起火室所流出的煙層、火警警報系統動作所發出之緊急鳴響與透過起火室避難者之傳達等各式資訊為之；另外，有關情報接收後立刻採取避難判斷的過程中，將因複雜的影響因子而造成個人對避難行動的差異。由過去的災例及實驗研究發現，建築物使用者在就寢狀態下對於火災所採取的避難因應行動有遲緩的傾向；因此，起火室以外的人們之避難開始時間欲利用工學方法來進行預測是具困難性的。樓層避難開始時間與居室避難開始時間相同，有關樓層避難開始時間之計算可根據建築物用途及樓地板面積來進行計算，其計算式如下所示：（1）集合住宅、旅館及其他類似用途（不包含醫院、診所及兒童福利設施等） t start =. Afloor 30. +5. （2.3）. （2）其他用途（不包含醫院、診所及兒童福利設施等） tstart =. A floor 30. +3. （2.4）. t start ：火災時，該樓層人員開始進行避難所需時間（分） A floor ：該樓層各居室與必須通過該樓層所設置之直通樓梯等建. 築物各部分之總樓地板面積（m2）樓層避難開始時間之計算式，將居室避難開始時間中「該居室」換為「該樓層之各居室」，基本上意義是相同的。但是，在起火室以外部份之情報資訊傳遞上，考量情報資訊的延遲時間另需加上就寢用途的 5 分鐘或該用途以外的 3 分鐘。. 17.

(30) （一）樓層煙層下降時間所謂樓層煙層下降時間，即起火室所產生的煙層或氣體在該樓層具有出口可通往直通樓梯之各居室避難動線上，煙層下降至避難障礙高度所需之時間。通常該樓層發生火災時，具危險的不只是起火居室而已，且因具出口可通往直通樓梯的居室為複數，因此，有關起火室通往直通樓梯出口之路線中，該煙層下降時間計算思考方式與前述居室煙層下降時間之計算方式相同。將所算定之各居室動線煙層下降時間合計之，取其最小值則為該樓層之煙層下降時間。「自居室通往直通樓梯出口避難動線上的各空間」，就如下圖所示有起火室、居室 B 及走廊；此時有關煙層下降時間為計算各居室自煙霧流入開始至從鄰接居室流出所需之時間。居室 i 及所謂 t si ，即可由動線上各居室空間煙層下降時間之合計而求出 t s 值。 t s = t s1 + t s 2 + t s 3. 「通往直通樓梯出口之居室避難動線」為複數時，則循上述步驟重複計算各居室避難動線煙層下降時間，再取其最小值，設定為樓層煙層下降時間。. 圖 2-7 樓層煙層下降時間之計算例. 18.

(31) 針對該樓層所有起火室進行計算. 起火室之設定. 通往直通樓梯出口之路線設定居室設定. 針對所有煙霧傳播路線進行計算. 各居室煙層下降時間之計算 A (H − H lim ) t s = room room max (Vs − Ve ,0.01) 各居室避難動線煙層下降時間之合計. ∑t. s. 各起火室、路線中煙層下降時間合計之最小值. 煙層下降時間 t s. 圖 2-8 樓層煙層下降時間之計算順序. （二）各室之煙層下降時間各室煙層下降時間 t s 之計算方法基本上與居室的煙層下降時間之計算相同；但在居室避難中此安全評估時間為該煙層下降至避難障礙高度 1.8m 之所需時間；在樓層避難中，煙霧往鄰接空間流入開始的煙層高度即所謂「煙層界限高度 H lim 」，故所計算的是煙層下降至該高度所需. 19.

(32) 要的時間。各室煙霧及氣體下降至界限高度所需時間之計算公式如下： ts =. Aroom × (H room − H lim ) max(Vs − Ve ,0.01). （2.5）. Aroom ：該居室空間之樓地板面積（m2） H room ：該居室空間基準點至平均天花板高度（m） H lim ：煙層界限高度（m）. Vs ：發煙量（m3/分） Ve ：有效排煙量（m3/分）. 空間條件設定. 居室形狀樓地板面積 Aroom 平均天花板高度 H room. 最低點開始之平均天花板高度 H low. 發熱量. 牆壁、開口部之構造. 火災成長率 α f 、αm. 任意選擇. 煙霧發生量 Vs. 煙層界限高度 H lim. 煙層下降時間 t s t =. Aroom (H room − H lim ) max(Vs − Ve ,0.01). 圖 2-9 各空間煙層下降時間之計算流程圖. 20. 防煙區劃排煙方式排煙有效係數 ∗ A. 排煙量 E. 有效排煙量 Ve.

(33) 2.4 整棟建築物避難安全驗證（一）整棟建築物避難安全驗證流程. 全棟避難安全性能驗證. 計算全棟避難完成時間(tescape). 計算全棟煙霧下降時間. 確認全棟避難安全性能. 圖 2-10 整棟建築物避難安全驗證法之流程. 21.

(34) （二）整棟建築物避難開始時間發生火災之建築物，對於起火居室以外之場所，其所需之避難開始時間包括火災覺知所需之時間及覺知以後開始避難行動之反應時間的合計。至於起火居室以外場所之火災覺知時間，受到火災訊息傳遞的影響，加上一般人員面對火災時，其判斷決策是否開始進行避難行動的過程非常複雜，且會因人而異，因此，起火居室以外場所之避難開始時間要以火災工學方法加以計算及預測非常困難。所以整棟建築物避難開始時間之計算方法則和樓層避難開始時間的計算方法相同，係依據建築物之用途及樓地板面積加以計算，所以整棟建築物避難開始時間之計算公式如下所示。（1）集合住宅、飯店等其他用途之場所（不包括醫院、療養院及兒童福利措施等場所） t start =. 2 A floor 15. +5. （2）其他用途（不包括醫院、療養院及兒童福利措施等場所） t start = t start. 2 A floor 15. +3. 從火災開始發生至建築物收容人員開始避難行動避難之時間（分）. A floor. 該樓層各居室及必須經過該樓層所設置之直通樓梯等建 2. 築物各部分之總樓地板面積（m ）整棟建築物避難開始時間之計算式與第三章樓層避難開始時間的基本考量要件相同，起火居室以外場所之避難開始時間會較長，所以對於可能存在睡眠場所用途之時間採五分鐘，其他以外場所則採三分鐘作為訊息傳遞延長所需之時間，並在於 A floor 之計算項採比樓層避難開始所需時間多了四倍。（三）整棟建築物煙層下降時間火災所產生的濃煙會水平蔓延擴散至各居室，並透過樓梯及電梯等管道間往其他樓層垂直蔓延，一旦濃煙進入垂直管道空間，整棟建築物. 22.

(35) 會迅速被濃煙充斥（如圖 2-11）。因此，起火層以外樓層人員避難安全之確保，必須防止濃煙進入其逃生所需使用之直通樓梯，或防止其他垂直管道煙的蔓延擴散。整棟建築物之避難安全乃為驗證避難逃生所需時間應小於煙層下降之時間。至於起火居室因發生火災而產生濃煙氣體，蔓延擴散至樓梯部分或該樓層之直上層或以上之樓層所需時間，係從濃煙蔓延擴散路徑的思考方式，考量濃煙先從起火居室出口以水平擴散，再經樓梯出口或管道間垂直蔓延至避難逃生路徑。. 圖 2-11 整棟建築物煙擴散之情形. 若濃煙一旦進入樓梯間，其蔓延速度非常迅速，且流動方式是複雜多變，所以煙一旦進入樓梯間，則幾乎就可隨即竄升至其他樓層，因此驗證方法考量該起火居室樓層之直通樓梯出口為濃煙蔓延至其他樓層之主要管道，因此這從火災開始發生產生濃煙，至濃煙經樓層出口進入樓梯間的時間，乃為所計算整棟建築物的煙層下降時間。煙層下降時間的計算，是應用下列兩項數值相除，基本原理與樓層煙層下降時間的計算方式相同。首先是先應用樓層煙層下降時間之計算方式，計算從起火居室至直通樓梯出口的居室等避難路徑之煙層蔓延擴散而影響避難安全的濃煙量，進而計算整棟建築物從居室間之出口至直通樓梯間影響人員避難安全所產生之濃煙量。第二項煙層下降時間相對的也是先採用樓層煙層下降至直通樓梯出口的煙層下降時間計算方. 23.

(36) 式，續而計算整棟建築物煙層侵入樓梯間之安全極限時間。所以樓層煙層下降時間與整棟建築物煙層下降時間的前半段計算方式相同。計算該建築物所有起火室. 起火室設定. 計算所有煙霧傳播路線居室出口通往樓梯之路線設定. 垂直區劃之路線設定. 各居室路線設定. 各居室路線設定. 計算各居室煙層下降時間. 計算各居室煙層下降時間. ts =. Aroom ( H room − H lim ) max(Vs − Ve ,0.01). ts =. 合計各居室煙層下降時間 ∑ ts. Aroom ( H room − H lim ) max(Vs − Ve ,0.01). 合計各居室煙層下降時間. ∑t. s. 合計起火室、各路線之煙層下降時間，並取其最小值 min(∑ t s ). 全棟煙層下降時間圖 2-12 整棟建築物煙層下降之計算流程. 24.

(37) （四）各室之煙層下降時間各居室煙層下降時間的計算方法，其基本原理與前述樓層居室煙層下降時間之計算方法相同，但是起火室相鄰居室之煙層下降高度與前述之煙層的安全臨界高度值則有所差異。各居室煙層下降時間的計算方式如下所示： ts =. Aroom × (Hroom − H lim ) max(Vs − Ve,0.01). t s ：樓層煙層下降時間（分） Aroom ：該居室的樓地板面積（m2） H room ：該居室自地面最高的位置至天花板間的平均高度（m） H lim ：煙層界限高度（m）. Vs ：發煙量（m3/分）. m3/分）. Ve ：有效排煙量（單位. 居室條件. 居室形狀樓地板面積 Aroom 平均天花板高度 H room 最低平均天花板高度 H low. 牆壁、開口. 發熱量. 任意選擇. 火災成長率 α f 、. αm. 發煙量 V s. 煙層界限高度 H lim. 煙層下降時間 t s ts =. Aroom ( H room − H lim ) max(Vs − Ve ,0.01). 圖 2-13 各居室煙層下降時間之計算流程. 25. 防煙區劃排煙有效係數 A∗ 有效排煙量 Ve.

(38) 第三章撒水系統之特性與理論基礎 3.1 撒水設備之功能與分類事實上，撒水頭種類繁多，其撒水量、反應時間、撒水範圍皆不相同，須視空間規模、室內火災發生型態、熱釋放率，以及逃生可用時間來選設。一般而言，依撒水作動系統方式可分為：（1）密閉濕式系統、（2）密閉乾式系統、（3）預動式系統、（4）開放式系統。其原理分別如下：（1）密閉型濕式撒水系統：平時管內貯滿高壓水，作用時即撒水。（2）密閉型乾式撒水系統：平時管內貯滿高壓空氣，作用時先排空氣，繼即撒水。適用於寒冷地區管線內之貯水有結冰之虞時。（3）密閉型預動式撒水系統：平時管內貯滿低壓空氣，以感知裝置（火警探測器）啟動一齊開放閥，讓水流入二次側配管待命，俟撒水頭動作時，立即撒水。由於採雙層確認知撒水方式，可有效防止水損，故可適用於電腦等精密電器室。（4）開放式撒水系統：平時管內無水，作用時由火警探測器或感知撒水頭自動或手動啟動控制閥，使水流入管系，繼即撒水。撒水時係整個放水區域同時開放。適用於密閉式撒水設備無法有效滅火或有火勢會迅速擴大之虞之場所，如戲院、戲劇場挑高的舞台部分。各系統之作動順序，以及其適用建築物類型如表 3-1 所列。表 3-1 系統種類密閉濕式系統密閉乾式系統密閉預動式系統. 撒水系統種類適用場所及動作順序. 動作順序撒水頭熱感測元件熔開→撒水撒水頭熱感測元件熔開→釋氣 →水泵水閥打開→撒水探測器感知→水泵水閥打開→ 撒水頭熱感測元件熔開→撒水. 26. 適用場所不結冰地區建築物小規模建築物電腦機房、售物商店、電信機房(怕水物品之.

(39) 開放式系統. 探測器感知→水泵水閥打開→ 撒水. 場所) 影劇舞台、飛機棚廠、易燃液體置放場. 3.2 撒水頭的分類自動撒水設備撒水頭，其噴出的水首先撞擊到迴水板後，才向四面八方噴撒出去。撒水頭依感熱元件的有無可分為密閉式與開放式兩種。（1）密閉型撒水頭於發生火警時，溫度上升達某一設定溫度時感熱元件會作動並自動撒水。通常略稱為撒水頭者即係表示〝密閉型撒水頭〞，它係構成〝密閉型撒水設備〞的重要部分。密閉型撒水頭只要達設定溫度，即能自動撒水的主要方式有兩種。第一種是採用眾人耳熟能詳的〝熔絲〞，設定於某一高溫即能自動熔化的方式。於撒水頭裝設熔絲，因火災產生的高熱而使熔絲熔化掉，牽動平衡桿來開啟噴水口，噴出的加壓水衝擊到迴水板，就會似下大雨般的撒下大量的水。第二種是採用〝玻璃球〞作為感熱元件，球體中封入酒精或乙醚，利用酒精受高熱影響等會急速膨脹，造成玻璃球破裂而撒水的一種系統。總之，密閉型撒水頭是隨溫度而動作，所以需預先設定此撒水頭作動的標定溫度（感熱而撒水）。〝熔絲〞方式的撒水頭，其標定溫度之公差為±3℃的程度。而〝玻璃球〞方式者，則在－5℃∼＋ 15℃範圍內或作動的程度。（2）開放型撒水頭不具有感熱元件，其噴水口經常保持開放狀態。它係由火警探測器等動作來連動一齊開放閥的開啟，或是火警時以手動方式開啟. 27.

(40) 一齊開放閥，而使全部撒水頭一齊噴出大量的水。另依設置方向之不同又可分為向下型、向上型、上下兩用型及側壁型等四種。（a）向上型撒水頭：迴水板安裝於上方，向下方撒水。（b）向下型撒水頭：迴水板安裝於下方，向下方撒水。（c）上下兩用型撒水頭：迴水板可安裝於上方、下方，向上下兩方撒水。（d）側壁型撒水頭：只向水平方向某一邊撒水，主要係作為防止開口部如門扉的延燒。. 向下型撒水頭. 向上型撒水頭圖 3-1. 側壁型撒水頭. 上下兩用型撒水頭. 各種形式之撒水頭. 3.3 撒水頭作動之理論推導撒水頭的作動主要受到火場溫度與熱煙氣柱的影響。在火場中，熱煙氣產生之後會往上竄升至天花板，並且很快的擴散，而這些裝置在天花板的撒水頭也會很快的被熱煙氣所包圍。撒水頭含有一個熱感測元件（link），此熱感測元件以對溫度變化反應較靈敏之材質製作，當熱煙氣到達撒水頭位置時，熱感測元件會被迅速的加熱直到損壞。當熱感測元件損壞之後，撒水頭就會作動，將加壓水噴灑到火場空間中，並將火勢撲滅。從起火到撒水頭開始作動這段延遲的時間取決於下列幾個參數，包含撒水頭相對於火源的位置，空間的尺寸，燃燒物的熱釋放率，. 28.

(41) 以及撒水頭的靈敏度。而撒水頭的靈敏度取決於熱感測元件的材質與尺寸，假設其它的條件皆相等，則撒水頭的靈敏度與熱感測元件損壞所需的時間成反比。因此撒水頭一般以 FMRC(Factory Mutual Research Corporation)所提出之感應時間指數 RTI(Response Time Index) 作為分類標準，用來判斷撒水頭對於火災反應的快慢程度。如圖 3-2 所示，將撒水頭的熱感測元件假設為一個圓柱，並垂直放置在天花板下幾公分處，這些元件的尺寸都很小（直徑約 6-10mm，長度約 20mm）但具有相當高的熱傳導性。因此，熱感測元件的能量平衡可以以下式表示： ml c p. 其中. d (Tl ) = q conv + q cond + q rad dt. （3.1）. ml ：熱感測元件之質量（kg） C p ：熱感測元件之比熱（kJ/kg.K） Tl ：熱感測元件之溫度（℃）. 下標〝l〞代表撒水頭之熱感測元件， qconv 、 qcond 和 qcad 分別代表對流、傳導與輻射熱傳。 qcond. Gas flow. qconv. qrad 圖 3-2. 撒水頭與熱煙氣之熱傳示意圖. 29.

(42) 另外由 Heskestad 和 Smith[12]於 1980 年定義 RTI 為： RTI =. 其中. mc p. u =τ u. hA. （3.2）. u ：氣流速度（m/s） τ ：時間常數（s）. 一般而言，在火災發生初期火勢不會很大，所以輻射熱可以忽略不計。而根據 Heskestad 和 Bill（1998）[13]的研究，熱傳導的影響可視為定量，因此（3 .1）式可簡化成： dTl u (Tg − Tl ) − C (Tl − Tm ) = RTI RTI dt. 其中. Tl. （3.3）. ：熱感測元件之溫度（K）. Tg ：熱感測元件周遭氣流之溫度（ K ） Tm ：環境之溫度（K） u. ：氣流速度（m/s）. RT I ：撒水頭反應時間（m 1/2 s 1/2 ） C. ：熱傳導因子（m/s） 1/2. 通常可以經由熱風動實驗來決定氣流速度與溫度，因此這些參數就可視為常數；接下來即是求取傳導因子 C，以下有提供兩種方法[14]來完成測試，這兩種方法都是被用來設計針對結合氣流速度及溫度以利用能量守恆方式來完成熱感測元件的熱損失及獲熱來源，所以方程式（3.3）的等式右邊為零，因此  T g − Tm  C =  − 1 u  Tl − Tm . （3.4）. 由上式可以決定傳導因子，再來我們可以利用方程式（3.2）來決定撒水頭反應時間 RTI 的值（在此通常假設 Tg 、 Tm 及 u 為常數）： Tl (t ) = Tm +. (. T g − Tm   − 1+ C / u 1 − exp RTI 1 + C / u  . 30. ). u  t  . （3.5）.

(43) 最後 RTI 可以整理成下式：. RTI =. 其中.  C   − t 0 × u × 1 + u     C   1    × Ln 1 − (Tl − Tm ) × 1 +  u   T g − Tm      Tl. ：熱感測元件之溫度（ K ）. Tg. ：熱感測元件周遭氣流之溫度（K）. Tm. ：環境之溫度（K）. u. ：氣流速度（m/s）. t0. ：撒水頭的作動時間（s）. （3.6）. RTI ：撒水頭反應時間（m 1/2 s 1/2 ） C. ：傳導因子（m/s）1/2. 3.4 撒水器水滴尺寸的分佈一旦預期灑水器作動，球狀的水滴從灑水器流經其他樓層或燃燒物的範例，為了計算水滴的軌跡，必須描述每一個水滴的初始尺寸與速度，這是在隨機分佈中完成的，灑水器噴灑的水滴初始尺寸分佈表示成累積體積百分比（ CVF ）的集合， Factory Mutual 的研究人員建議工業用灑水器的 CVF 由自然對數與 R osin-Ram mler[15]分佈的集合來表示。  1 d 1 − [ln (d′ d2m )] 2σ  dd ′  2π ∫0 σd ′ e F (d ) =  γ  d    − 0.693   dm   1− e 2. 其中. (d ≤ d m ) (d m < d ). dm ：水滴的中線直徑. γ. ：經驗常數（大約等於 2.4）. 31. （ 3.7）.

(44) σ ：經驗常數（大約等於 0.6）. 水滴的中線直徑為灑水器孔洞直徑、運作壓力與幾何的函數，在 Factory Mutual 的研究有一個水滴中線直徑的關係式： 1. dm ∝ We 3 D. 其中. （ 3.8）. ：灑水器孔洞直徑. D. We ： Weber number. 內力與表面張力的比率（ We ）如下： ρ wU 2 D We = σw. 其中. （ 3.9）. ρw ：水的密度 U ：水的噴射速度. σ w ：水的表面張力（ 72.8×10 - 3 N/m at 20 ℃）. 噴射速度是灑水器運作壓力和 K-factor 的函數，它可以由質量流率來計算，Factory Mutual 表示在（ 3.8）式中的比例常數，獨立於流率與運作壓力。在數值方法中，灑水器水滴的尺寸是由 R os in-Ramm ler/log-normal 分佈來選擇，水滴直徑的機率密度函數（ PD F）由以下方程式定義： f (d ) =. F ′(d ) d3. ∫. ∞. 0. F ′(d ′) dd ′ d ′3. （ 3.10）. 水滴的直徑用水滴分佈中累積數量函數的均勻分佈隨機變數 U 來隨機選擇。 U (d ) = ∫ f (d ′)dd ′ d. （ 3.11）. 0. 圖 3-3 顯示典型累積體積百分比與累積數量函數的函數關係。每一個從灑水器出來的水滴都沒有被追蹤記錄，反而是水. 32.

(45) 滴的樣本有，通常每個灑水器每秒追蹤記錄 1,000 滴（每 0.05 秒 50 滴，隨使用者喜好），如果隨機選擇水滴直徑，則有太多的 CPU 時間花在追蹤記錄較小的水滴，而在整體樣本中，較大且帶著多數水量的水滴，則會低於適當的比例，為了補救這個問題，均勻分佈隨機變數 U 變換成函數 g的型式： g (U ) = U 1 n. (n > 1). （ 3.12）. 現在整體樣本中會包含較大多數的大水滴，但是那些重量因子會因為因子而減小。 1. 1 −1 g ′(U ) = U n n. （ 3.13）. 選擇水滴尺寸的步驟如下： 1.假設水離開灑水器的質量流率， m& 。 2.假設在數值模擬中的內部插入時間， δ t 。 3.假設水滴插入時間內部的數量， N 。 4.在 0 到 1 之間選擇 N 個均勻分佈的隨機數目，令為 U i 。 5.變換成（ 3.12）式的型式，隨機數目偏向較大尺寸的水滴。 6.基於（ 3.11）式得到 N 個水滴直徑， d i 。 7.由質量平衡計算重量常數， C 。 4 d  m& δt = C ∑ g ′(U i ) πρ w  i  3 i =1  2 N. 3. （ 3.14）. 從每一個水滴的質傳與熱傳會因為重量因子 Cg ′(U i ) 變成複數。. 3.5 撒水器的水滴在空氣中的軌跡對於灑水器的噴灑，在動量守恆方程式中的外力項 f ，表示從水滴到空氣的動量轉換，它表示在格點內每一個水滴中外. 33.

(46) 力轉換與格點體積散度的總和。 f=. 2 1 ∑ ρC Dπrd (u d − u ) u d − u 2 δ xδ y δ z. 其中. CD. ：拖曳係數. rd. ：水滴半徑. ud. ：水滴速度. u. ：氣體速度. ρ. ：氣體密度. （ 3.15）. δ xδ y δ z ：網格點的體積. 個別水滴軌跡的統御方程式為： d (md u d ) = md g − 1 ρC Dπrd2 (u d − u ) u d − u dt 2. 其中. （ 3.16）. md ：水滴質量. 拖曳係數為當時 Re ynolds number 的函數 24 Re Re < 1   0.687 Re 1 < Re < 1000 C D = 24 1 + 0.15 Re  0.44 1000 < Re . (. Re =. ). ρ u d − u 2rd µ. （ 3.17）. （ 3.18）. 其中 µ ：氣體的動力黏度. 3.6 在一表面上水滴的輸送當水滴撞擊到固體的水平表面時，它會被隨機的分配到一個水平的方向，以固定的速度移動直到它到達物體的邊緣，然後在那點同樣會以固定的速度筆直掉落，當水穿透多孔性材料時，水滴的百分比被分配的相當粗糙，而當它碰觸到一個固體. 34.

(47) 的水平表面時，它會以低速筆直的通過固體。. 3.7 水滴的質量與能量轉換水滴蒸發的掌控是半經驗式的，當一個水滴被懸掛在空氣中時，會依水滴的蒸發質量損失平衡方程式、局部的氣相蒸氣質量損失、到水滴上的熱傳及水滴與氣體的運動關係等來蒸發，水滴的質量損失關係式包含下列等項參數 [16]： dmd = −2πrd ShρD (Yd − Yg ) dt. 其中. （ 3.19）. md ：水滴的質量 D ：水蒸氣進入空氣的擴散係數 Y. ：水蒸氣質量百分比. Sh ： Sherwood number. 下標 d, g 分別代表水滴與氣體 Sherwood number（ Sh）由 Reynolds number（ Re）與 Schmidt number（ Sc）的關係式決定： 1. 1. （ 3.20）. Sh = 2 + 0.6 ⋅ Re 2 ⋅ Sc 3. Yg 與 Yd 是由質量守恆方程式與 Clausius-Clapeuron 方程式得. 到： h M X d = exp  v w  R. 其中. 1 Xd 1   −  ； Yd = X d (1 − M a M w ) + M a M w  Tb Td . Xd ：水滴水蒸氣的體積百分比 hv. ：蒸發潛熱. Mw ：水的莫耳重量 Ma ：空氣的莫耳重量. 35. （ 3.21）.

(48) R. ：氣體常數. Tb. ：水的沸點. Td. ：水滴的溫度. 除了計算因為蒸發的質量轉換以外，還要計算能量的轉換，水滴因為對流熱傳通過表面而加的熱量，必須等於水蒸氣所減少的能量： md c p ,w. 其中. dmd dTd = Ad hd (Tg − Td ) − hv dt dt. c p,w ：水的比熱 Ad. ：水滴的表面積（ 4πrd2 ）. hd. ：熱傳係數 1. hd. 其中. （ 3.22）. 1. Nuk ； Nu = 2 + 0.6 ⋅ Re 2 ⋅ Pr 3 2rd. （ 3.23）. Nu ： Nusselt number. k. ：熱傳導係數. Pr ： Prandtl number（ 0.7 for air）. 最後，因為水滴與氣體之間的質量與能量轉換在速度場的散度 ∇ ⋅u 中必須加入展開式變成： ∇ ⋅u = L+. 其中. m& ′w′′. R γp 0.   ∂T T  ρ ∑ (Yi M i ) + m& ′w′  ∂t M w  . （ 3.24）. ：每單位體積的水蒸發率. 液體水滴被假設為不佔體積可以簡化分析。. 3.8 水對於火源的抑制上面兩個小節說明了水對於熱空氣或熱固體的熱傳，雖然. 36.

(49) 在這些熱傳係數的值有些不確定，但是基礎的物理性質都已相當完整了，然而，當水滴碰到正在燃燒的表面時，簡單的熱傳關係就變得很難去應用，這是因為水不只是將表面與空氣冷卻，還改變了燃料的熱解率，如果燃料的表面是平面的，那就有可能在總熱回饋裡以函數關係來描述減少的熱解率，很可惜地，在大部分的火災應用裡比較重要的燃料是複雜的複型構件，我們無法以計算格點來解析它。至今，在 FM 裡已經完成大部分在這個區域裡的工作，在這個題目 1994 年 Yu et al. [17]作了一篇重要的論文，他考慮了許多不同幾何外形的重要火源、水的應用率與一些抑制率的重要參數特性，他們的分析產生一個在灑水器作動後火源熱釋放率的關係式： Q& = Q& 0 e − k (t −t0 ). 其中. （ 3.25）. Q& 0 ：在 t 0 時的總熱釋放率 k ：燃料相依常數. t0 ：應用時間. 對於 FMRC 標準塑性物體其 k 值為：（ 3.26）. k = 0.716m& ′w′ − 0.0131 s -1. 其中. m& ′w′ ：水碰撞到物件頂端時，碰撞表面（或邊緣）的水. 分離流率（ kg m 2 s ）對於 Class 物體其 k 值為：（ 3.27）. k = 0.536m& ′w′ − 0.0040 s -1. 這個分析是以水流率與燃燒率為基礎，（ 3.27）式不但說明無燃燒表面的冷卻，也說明了燃燒表面的熱釋放率的降低，在 FDS 的模式裡，非燃燒表面的冷卻與熱釋放率的降低是局部計算的，這是不便於使用整體的抑制定律，然而，水的抑制指數. 37.

(50) 是局部與整體的觀察，我們假設燃料的局部燃燒率可以下式表示： − k (t )dt m& ′f′ (t ) = m& ′f′ ,0 (t )e ∫. 其中. （ 3.28）. m& ′f′ , 0 (t ) ：當沒有水時每單位面積的燃燒率 k (t ). ：每單位面積局部水的質量 m′w′ 的函數. k (t ) = am′w′ (t ) s -1. 其中. （ 3.29）. a ：經驗常數. 1 0.8 0.6 0.4 0.2. Cumulative Number Fraction Rosin-Rammler/log Normal Distribution. 0 0. 1. 2. 3. 水滴直徑(mm). 圖 3-3 典型灑水器的水滴尺寸函數圖（平均直徑 d m 為 1 ㎜ , σ = 0.6 與. γ = 2.43 .）. 3 .9 撒水設備滅火的有效性和滅火機制自動撒水設備滅火的有效性取決於水滴是否能夠到達火源位置並將火撲滅。因此，從撒水頭所噴撒出的水滴的狀態，如水滴尺. 寸大小、噴撒角度等，對於滅火的有效性是相當重要的。水之所以能夠有效的滅火主要是因為水具有相當高的蒸發潛. 38.

(51) 熱，如圖 3-4 所示。將一公升的水由 0℃加熱到 100℃，需要提供 4 18kJ 的熱能；將水蒸發（溫度不變）則需要提供 2257kJ 的熱能。水的沸點遠低於固態易燃物的分解溫度(250℃到 450℃)，因此可以藉由蒸發有效的降低溫度。然而，水並不是一個絕對完美的滅火劑，因為水會在 0℃時結凍，會導電，而且並非所有的火災都能用水來滅火，例如：油類火災或者是會與水產生劇烈反應的金屬或化學藥品。水滅火的方式為，冷卻燃燒的物體與火焰，並產生蒸氣以阻止氧氣接近燃燒物並吸收輻射熱，而其中最重要的就是冷卻燃燒的物體，也就是直接撲滅火源。當一個固體在燃燒時，必處於高溫下並且有火焰的發生，假如具有高蒸發潛熱的水能夠到達燃燒的地方，當水蒸發時會帶走相當多的熱量，則會使燃燒速率減緩甚至熄滅。在許多的情況中，水的冷卻影響也是一重要的因素。為了能夠有效降低火場溫度，其水滴的尺寸必須相當微小，而且水量需要足夠使用於整個的火場中。當水被分離為微細的小水滴時，則每單位體積的水的表面積會顯著的增加，這對於火場溫度的冷卻是相當有利的。因為水的蒸發速率和冷卻效率是與表面積成正比的。但是在實際的情況中，其水滴的尺寸有最低的限制，如果水滴的尺寸都相當細小，只會被迅速的蒸發，再加上水滴本身所擁有的動能不足，因此無法穿過火焰到達燃燒物的表面，無法有效的滅火，而最有效的滅火方式就是將水滴直接噴撒在燃燒物體表面。而我們可將水滴依尺寸大小分成三種類型。熱氣會蒸發最小的水滴，熱煙氣的溫度會因此而降低，所以也限制了火的向外擴張蔓延；較中型的水滴能夠落在火源周圍未燃燒的區域，先澆濕了未燃燒的物體，這也再次的限制了火的擴張；只有較大的水滴能夠有足夠的能量去穿越煙層與火焰，而直接撒在真正燃燒的物體表面。圖 2-5 為水滴直徑之分析圖，當直徑在 100μm~1000μm 時有最好的滅火效果。撒水頭滅火降溫的程度，則視撒水量的大小及自動撒水頭反. 39.

(52) 應之靈敏度來決定。雖然撒水頭放水量的大小有法令規定(法規規定撒水頭之放水量為 80 l / min )，但在實際的火場中，撒水頭放水量的大小並不是最重要的，而是視有多少水進入火柱區，即我們所重視的是水的實際投射密度（Actual Delivered Density），此為水達到火源底部的密度，這是由於起火源之火柱區上方有一強大的浮力效應，使得水滴很難靠近，此將使撒水頭之滅火降溫的效果大打折扣。因此除了放水量外，撒水頭設置的位置也值得我們討論。. 40.

(53) 火焰溫度(1227℃) 1200. 起火區劃平均溫度上限(1227℃). 1100. 溫度 ℃. 1000 900 800 600. 溶解熱. ) (. 333 418. 500 400. 2257. 液體熱能. 700. 2705. 蒸發熱. 蒸氣熱能. 300 200 100 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. 熱能(kJ) 圖 3-4 水的相變化與熱能的改變量(容量為 1 l ). 圖 3-5 水滴直徑之分析圖. 41. 5000.

(54) 第四章撒水系統導入性能式煙控設計的推導由文獻 [18]得知煙產生量最主要是由熱釋放率所引起，又經由（ 3.25）式得知灑水器作動後火源熱釋放率的關係式，因此我們得以掌握了灑水器作動前後熱釋放率的變化，亦即我們可以掌握整個火災過程的煙產生量，再藉由掌握撒水系統作動時間，即可將撒水系統導入性能式煙控設計中，藉以求得煙沉降與時間的關係，以供逃生避難設計者有相當簡便的檢算公式，供業者及相關主管單位做參考。. 4.1 天花板噴流當煙柱上衝至天花板，熱氣體會向外散開形成天花板噴流（如圖 4-1 所示），因大多數的防火偵測器及撒水器皆安置於靠近天花板下的面上，天花板噴流的大小及溫度[19]將決定這些偵測器的反應時間：對於 r/H<0.18： Tmax − T∞ = 16.9Q& 2 / 3 / H 5 / 3. 對於. r/H>0.18：. (. Tmax − T∞ = 5.38 Q& / r. 其中. （4.1）. ). 2/3. /H. r. ：離火柱中心線的水平距離（ m）. h. ：火源上方至天花板的距離（ m）. （4.2）. T m a x ：煙流的溫度（ k） T ∞ ：週遭空氣溫度（ k） Q. ：總熱釋放率（ kw）. 對於 r/H<0.15：. (. u max = 0.96 Q& / H. 對於. r/H>0.15：. 42. ). 1/ 3. （4.3）.

(55) u max = 0.195Q& 1 / 3 H 1 / 2 / r 5 / 6. 其中. （4.4）. -1. U m a x ：噴流速度（ ms ） r Tw u max. Tmax T∞. H. 圖 4-1 在天花板上方理想化之溫度與速度變化量. 4.2 N-percent Rule 由於模擬或實驗中無法直接取得煙層的變化高度，依據 Cooper[20]所使用的 N-percent method 探討煙層與溫度的關係，可依火場中的溫度變化來推估煙層的沉降高度，其說明如下：當火源點燃後任一時間，每一組熱電偶中量得溫度最高者減去該熱電偶的環境溫度 ∆Tref (t ) = max[T ( z all , t )] − Tamb ( z all ). 其中. （4.5）. ∆Tref (t ) ：煙層下降至測點的溫度與環境溫度的溫差 T ( z all , t ) ：煙層至某測點的溫度（ ℃ ） Tamb ( z all ) ：當時所在的環境溫度（ ℃ ）. 假設 Tamb (z all ) = T (z all , t = 0) 如熱電偶所測得在時間 t =0時的溫度可假設為當時的環境溫度，則（ 4.5）式可改寫為：. 43.