建築防煙技術及實驗研究（Ι）--排煙與撒水設備交互影響特性
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(2) 用，幫助消防人員行動，將損失減至最低。 撒 水 設 備 與 排 煙 設 備 雖 各 有 其 優 點，但 美 國 NFPA[3]對 於 在 已 經 裝 設 撒 水 設 備 的 建 築 物 中 再 裝 上 排 煙 設 備 仍 感 到 矛 盾 。這 是 因 為 在 一 些 大 尺 寸 的 實 驗 與 FMRC（ Factory Mutual Research Corporation）[4]所 作 的 一 系 列 小 尺 寸 實 驗 結 果 顯 示，當 開 啟 排 煙 口時，不僅有大量的物品被燒毀，而且所造成的水害也較大。 因 此 撒 水 設 備 與 排 煙 設 備 一 起 存 在 之 情 況 ，兩 種 消 防 設 備 之 交 互影響特性就特別值得關注，尤其在考慮消防人員行動的情 況。 在 最 近 的 論 文 中， 有 些 提 出 反 對 在 已 裝 設 撒 水 設 備 的 建 築 中 再 裝 設 自 動 排 煙 設 備 的 論 點 [5,6]。 這 些 論 點 通 常 都 低 估 消 防 人 員 介 入 的 重 要 性 並 且 忽 略 生 命 安 全， 此 點 也 是 本 研 究 計 劃 必 須進行探討的重點項目之一。 早期對於屋頂排煙設備中熱煙氣流動的研究並不包含排 煙 與 撒 水 設 備 的 相 互 作 用 [7,8]。 但 是 ， 假 設 排 煙 口 在 撒 水 頭 作 動 前就已 經開啟，則火 場附近 某些 撒水頭 的啟動就 會延遲，著 火 的區域 就會擴大。在 缺乏最 可靠 的資料 前，有部 分國外 學者 專家建議撒水頭應在排煙口開啟之前開啟。 但 排 煙 口 太 晚 開 啟 有 可 能 會 減 低 整 體 之 排 煙 效 率。 假 如 排 煙 口 早 點 開 啟 ，預 防 建 築 物 內 人 員 逃 生 路 徑 受 濃 煙 阻 斷 的 機 會 會 較大。清除 人員 逃生路 徑所產生 之濃煙，比 防止 它進入 還困 難 許多。有一 種替 代的對 策被提出，就 是盡可 能的 將建築 物的 換氣率降低，所提供的氧氣將因此減少，因而減低燃燒速度。 但 是在歐 洲許多國 家中，大部 分的 消防人 員卻不贊 成，而且也 不 合適台 灣之國情。因 此當排 煙被 考慮的 主要目的，是 為了讓 人 們 在 逃 生 避 難 中 可 以 不 受 到 煙 的 阻 礙 時 ，則 排 煙 設 備 必 須 被 優先考慮，而且排煙口必須在撒水頭作動前打開。 撒 水 設 備 是 公 認 抑 制 火 勢 擴 大 最 有 效 之 方 法， 而 排 煙 設 備. 2.
(3) 則 是 維 持 人 員 避 難 逃 生 動 線 不 受 濃 煙 侵 害 之 不 二 法 門， 但 從 上 述 國 外 之 各 種 研 究 報 告 中 得 知 ，兩 種 消 防 設 備 之 間 確 實 存 在 相 當程度之影響性，如何擷取兩者優點，避開其相互影響之缺點 則為本研究計劃之主要目的。. 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. 1.2. 研究方法 本 研 究 計 劃 將 針 對 下 列 三 個 主 要 目 標 進 行 研 究 評 估 ，提 出. 定性與定量的設計準則供各界參考。 （ 1） 當 撒 水 頭 作 動 時 對 於 排 煙 的 影 響 。 （ 2） 排 煙 對 於 撒 水 設 備 控 制 火 勢 與 滅 火 的 影 響 。 （ 3） 撒 水 設 備 對 於 排 煙 設 備 效 率 的 影 響 。 在研究這個問題時首先可以以數學模式預測撒水頭開啟. 3.
(4) 的 時 間 是 否 會 對 排 煙 造 成 不 利 的 影 響， 同 時 建 立 一 個 大 尺 寸 的 實 驗 來 驗 證 理 論 模 式 之 可 靠 性 。但 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，並輸 入以 前火災 經驗 的 資料。對於 不確 定或不 熟悉的區 域，必須在 它限 制的範 圍內 作 計算。而且 可經 由實際 測試，測 試系統 在不同條 件因素 下不 同 消 防 設 備 之 靈 敏 度， 並 且 可 以 指 出 排 煙 設 備 與 撒 水 設 備 共 同 使用的優點與缺點。 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 設 備 啟 動 之 影 響 ，同 時 將 排 煙 口 開 啟 效 應 放 入 模 式測試中，分別探討排煙口位置、排煙量、撒水頭位置、撒水 量、火 源大小 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， 希 望 藉 由 此 計 劃 之進行能提出撒水設備與排煙設備對於消防安全相互加分之 設 計準則，供 政府 相關單 位及民間 設計業 者參考。完整 的研究 流 程 如 圖 1-2 所 示 。. 4.
(5) 火場中撒水設備與排煙設備交互作用影響評估. 理論分析. Zone model. Field model. 撒水設備對排煙 設備效率的影響. 排煙對撒水設備控制 火勢與滅火的影響. 撒水設備作動時 對排煙的影響. 理論與實驗數據比較分析 模式參數修正 提出設計準則 專家座談 期末報告. 圖 1-2. 整體研究內容架構. 5. 實驗驗證.
(6) 1.3. 文獻回顧 對於撒水設備與排煙設備間的相互影響已經有許多的研. 究，其 中包括 實驗 研究與 電腦數值 模擬分 析，茲將 相關的 文獻 簡述如下： 1955 年 ， Busby 和 Pigman[9]對 排 煙 口 作 最 早 之 研 究 。 1956 年 ， FMRC[10]進 行 了 一 系 列 大 尺 寸 的 實 驗 ， 此 試 驗 為 研 究撒水 設備、排 煙設備 與防煙垂 壁間的 相互影響。試 驗結果 顯 示 撒 水 設 備 與 排 煙 設 備 都 能 有 效 降 低 火 場 溫 度， 而 且 排 煙 設 備能有效提高能見度。 1964 年 ， UL[11]進 行 了 一 系 列 大 尺 寸 的 實 驗 ， 此 試 驗 在 一 18m×18m×5m 的 房 間 進 行 。 試 驗 結 果 發 現 使 用 排 煙 設 備 可 以 有 效減少作動的撒水頭的數目。 1979 年，Morgan 和 Baines[12]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。 1983 年 ， Markatos 和 Pericleous[13]使 用 κ -ε 紊 流 模 式 模 擬 建 築 物 空 間 內 的 煙 流 動 分 布， 此 種 方 式 對 於 因 為 高 溫 所 引 起 的 浮力對紊流的影響有較正確的描述。 1998 年 ， NIST[14]進 行 了 一 系 列 的 大 尺 寸 實 驗 ， 研 究 撒 水 頭、排煙設備與防煙垂壁間之相互影響。其研究結果指出，當 火 源 不 是 在 排 煙 口 正 下 方 ，則 撒 水 頭 的 作 動 時 間 不 會 受 到 太 大 的 影響。但是 當火 源在排 煙口之正 下方，則撒 水頭 之作動 時間 會有所延遲。 1999 年 ， 鄧 治 東 [15]採 用 點 模 式 與 區 劃 模 式 的 混 和 體 ， 建 立 區 劃 空 間 內 火 勢 發 展、火 災 現 象 評 估 模 式，並 以 1/20 縮 尺 鹽. 6.
(7) 水模型進行煙流之模擬，以驗證煙流分析模式之適切性。 1999 年，羅 國 少 [16]利 用 PHOENICS 套 裝 軟 體，模 擬 單 一 室 內 空 間 火 災 時 之 物 理 現 象 ，並 對 撒 水 頭 作 動 之 火 場 使 用 雙 流 體 模 型 （ two fluid model）。 2000 年 ， Nam[17]提 出 利 用 CFD 的 方 式 ，以 BASA 發 展 的 軟 體 REDLEQS， 以 CO 2 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 CO 2 煙 霧 分 布 的 影 響 ， 並 探 討 撒水頭在不同位置對溫度作動的情況。 Bullen 1974[18]； Morgan 1979[19]； Alpert 1985[20]； Heskestas 1991[21]； Cooper 1991[22]； Chow and Fong 1991[23]； Forney and McGrattan 1995[24]等 人 則 使 用 數 值 模 式 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 式 通 常 都 有 考 慮熱煙層的對流冷卻影響。. 7.
(8) 第二章 2.1. 火災模式之設計原理. 火災之特性 火 災的一 般定義是 指「火」違反正 常的用 途，因燃 燒作用. 而 生獨立 延燒之狀 態。換言之，火 災乃違 反人的意 思而發 生或 擴大之燃燒現象。火災在燃燒可以持續之狀況下，有向四周無 限 擴大之 特性。在 不受其 它因素之 影響下，通 常其 燃燒的 面積 與 經過時 間的平方 成正比。火 災可 視為燃 燒之異常 現象，無法 全 然 以 定 性 定 量 方 法 分 析 ，而 燃 燒 則 為 正 常 情 況 下 以 定 性 定 量 方法可加以分析之科學。 火 災具有 不斷發展、變 化與無 窮擴 大之特 性。只要 可燃物 綿 延不斷，又 無其 它足以 阻斷燃燒 之因素，則 其燃 燒之面 積與 經 過時間 之平方成 正比。任何 型態 的火災 均具有此 特性，惟不 同 類型的 火災各有 其不同 成長過程。此 外，如 就一 般有適 當防 火 區 劃 的 耐 火 建 築 物 火 災 為 例 ，火 災 應 不 至 於 不 斷 發 展 變 化 及 無 窮 擴 大 。火 災 的 經 過 時 間 與 火 災 溫 度 變 化 一 般 可 以 火 災 時 間 -溫 度 變 化 曲 線 表 示 ， 如 圖 2-1 所 示 。 各 時 期 火 災 的 成 長 特 性 如 下所述： （ 1） 初 期 （ initial period）： 耐 火 建 築 物 一 般 氣 密 性 較 佳 ， 若 窗 戶 開 口 緊 閉，當 建 築 物 內 之 可 燃 物 因 故 著 火 發 生 有 焰 燃 燒 （ flame）時，其 助 燃 氧 氣 量 因 燃 燒 而 銳 減，火 焰 短 時 間 內 即 熄 滅，形 成 悶 燒 狀 態，此 時 建 築 物 內 由 於 此 不 完 全 燃 燒 現象而濃煙密佈。 （ 2）成 長 期（ growth period）： 火 災 初 期 後 ， 由 於 對 流 窗 口 通 路 形 成 （ 助 燃 空 氣 供 應 無 虞 ）， 燃 燒 轉 趨 激 烈 ， 室 內 溫 度 由 於 輻 射 回 饋 效 應 亦 隨 時 間 快 速 上 升，於 是 火 勢 由 起 火 源 附 近 之 可 燃 性 地 毯 或 牆 面 快 速 擴 展，然 後 移 向 天 花 板，將 建 築 物 室 內 的 所 有 可 燃 物 溫 度 提 昇 至 燃 點，開 始 進 行 全 面 燃. 8.
(9) 燒，此 即 為 閃 燃 現 象（ flashover），此 時 室 內 溫 度 可 能 高 達 800℃ ∼ 1000℃ 。 （ 3）完 全 發 展 期（ fully developed period）：火 災 於 閃 燃 現 象 發 生 後，高 溫 促 使 燃 燒 反 應 速 度 加 快，並 且 釋 出 大 量 的 熱，於 是 火 災 達 於 鼎 盛。火 災 燃 燒 進 入 完 全 發 展 期 後，火 場 溫 度 由 於 冷 空 氣 進 入 及 大 量 釋 熱 的 結 果，其 溫 度 稍 微 下 降，並 且呈現小幅震盪變化現象。 （ 4） 衰 退 期 （ decay period）： 當 燃 料 逐 漸 耗 盡 ， 其 能 量 釋 出 銳 減，導 致 區 劃 內 氣 體 平 均 溫 度 陡 降。需 要 注 意 的 是 在 此 時 期 雖 然 溫 度 減 低，但 將 熄 的 濃 煙 以 及 前 幾 段 時 期 的 持 續 高 溫 將 導 致 房 屋 結 構 不 穩 定，因 此 火 災 所 引 起 的 潛 在 危 險 依 然存在。. 成長期. 初期. 完全發展期. 衰退期. 熱 釋 放 率 (KW). 開始衰退. 點 火. 閃燃 灑水頭作動. 時間(s). 圖 2-1. 火 災 溫 度 -時 間 變 化 曲 線 圖. 9.
(10) 2.2. 火源設計 火源的設計對於建築物的煙控系統來說佔有極大部份的. 影 響，火源的 大小 代表著 熱釋放率 的量，熱釋 放率 亦會影 響火 源 的 成 長 速 率，而 設 計 之 基 礎 在 於（ 1）穩 態 火 源（ Steady fire）、 （ 2） 非 穩 態 火 源 （ Unsteady fire）。 以 下 將 針 對 穩 態 火 源 與 非 穩 態火源作基本之說明。 2.2.1. 穩 態 火 源 （ Steady fire） 在 自 然 狀 態 下 火 源 是 非 穩 態 的 ，但 將 其 理 想 化 成 穩 態 的 火. 源 比 較 容 易 描 述 及 研 究 ，一 個 穩 態 的 火 源 在 熱 釋 放 率 的 定 義 上 是 為一定 值。在應 用上，通常 採用 穩態的 火源做為 明確且 保守 的 設 計 。 Morgan（ 1979） 建 議 將 商 業 、 住 宅 區 每 單 位 樓 層 面 積 之 熱 釋 放 率 視 為 500kW/m 2 （ 44Btu/s-ft 2 ）， 而 辦 公 室 建 築 每 單 位 面 積 之 熱 釋 放 率 視 為 225kW/m 2 （ 20Btu/s-ft 2 ）， 在 特 殊 大 空 間 建 築 中， 則 將 擁 有 可 燃 物 之 大 空 間 建 築 每 單 位 面 積 之 熱 釋 放 率 視 為 500kW/m 2 （ 44Btu/s.ft 2 ）， 而 可 燃 物 有 限 之 大 空 間 建 築 ， 每 單 位 面 積 之 熱 釋 放 率 則 視 為 225kW/m 2（ 20Btu/s.ft 2 ） 。表 2-1 為 特 殊 大型空間穩態火源設計的基準量。. 表 2-1. 特殊大型空間穩態火源設計的基準量 kW. （ Btu/s）. 在大型空間中可燃物有限的最小火源. 2000. （ 1900）. 在大型空間中具有可燃物的最小火源. 5000. （ 4700）. 大型火源. 25000. （ 24500）. 10.
(11) 2.2.2. 非 穩 態 火 源 （ Unsteady fire） 火 源 之 設 計 需 考 慮 隨 時 間 變 化 的 熱 輸 出 值 ，在 火 災 的 初 期. 階段，火源可充分地使氣流流動，此時其熱釋放率由燃燒物體 之 型 式 數 量 及 外 型 輪 廓 來 決 定 ，由 國 外 文 獻 所 收 集 可 得 不 同 物 質 之 最 大 熱 釋 放 率 與 所 需 時 間 如 表 2-2 所 示 。 由 於 火 源 的 蔓 延 非 常 快 ， 一 但 當 火 源 擴 大 至 屋 頂 時 ， 閃 燃 （ Flashover） 即 會 發 生，此時整個區域的火勢即發展完成，且煙會大量產生，此刻 的 煙 控 系 統 則 無 法 發 揮 效 用 了 ，但 是 如 果 火 源 發 生 在 大 空 間 鄰 接 的 小 區 域 內 ，適 當 的 煙 控 系 統 設 計 仍 可 將 閃 燃 後 經 由 門 或 窗 進入大空間的煙流控制下來以避免煙流無限制的擴大。因此， 火源開始燃燒到發生閃燃前的這段成長期則可說是消防工程 設計的關鍵時期，此時的偵煙感測器、灑水頭及其它煙控系統 必須能適時作動，人員的逃生避難也必須在此期間完成。因 此，又 將 火 源 的 設 計 分 為（ 1）閃 燃 前 的 火 源、（ 2）閃 燃 後 的 火 源。. 表 2-2 不 同 物 質 之 最 大 熱 釋 放 率 與 所 需 時 間 最 大 熱 釋 放 率 （ kW） 所 需 時 間 （ s）. 火源燃燒種類. 火源等級. 紙類. 慢. 18. 400. 電器類. 中. 290. 640. 棉織品. 中. 117. 240. 木材類. 大. 650. 70. （ 1） 閃 燃 前 的 火 源 火 源 在 潛 伏 期 內 燃 燒 的 熱 釋 放 率 非 常 低 ，當 火 源 成 長 至 一 臨 界點後，其 熱釋 放率會 與時間的 冪次方 成正比，所假 設的火. 11.
(12) 源熱釋放率如下列方程式所示： Q = α (t − t e ). 其中. （ 2.1）. n. Q ： 火 源 的 熱 釋 放 率 （ kW）. α ： 火 源 的 成 長 係 數 （ kW/s 2 ）. ： 開 始 燃 燒 之 時 間 （ s）. t. t e ： 有 效 的 著 火 時 間 （ s）. n ： 1,2,3,‥ ‥. 而 在 特 殊 大 空 間 建 築 之 煙 控 系 統 中 ，潛 伏 期 並 非 必 要 考 慮 之 因 素，且 大 多 數 的 燃 燒 火 源（ 除 了 可 燃 液 體 和 其 他 物 質 外 ）， 其 熱 釋 放 率 隨 時 間 變 化 的 關 係 ，可 利 用 理 想 化 的 拋 物 線 方 程 式 來 表 示 ， 也 就 是 將 式 （ 2.1） 中 的 n 取 2 並 且 加 入 不 同 火 源 成 長 時間的觀念成為如下列方程式所示： t Q = αt = 1000 ⋅ t g 2. 其中. t. . 2. （ 2.2）. ： 有 效 燃 燒 後 的 時 間 （ s）. t g ： 典 型 火 源 成 長 時 間 （ s）. 將 此 式 稱 為 "T-squared Fires"， NFPA92B（ 1991） 廣 泛 的 使 用 成 長 時 間 的 觀 念 ， 成 長 時 間 t g 定 義 為 有 效 燃 燒 成 長 至 1055kW （ 1000Btu/s） 以 後 之 時 間 。 特 殊 大 空 間 建 築 物 中 因 火 源 防 護 之 作 用 或 燃 燒 空 氣 之 缺 乏 ，其 熱 釋 放 率 便 會 至 一 臨 界 點 後 停 止 成 長，而 後其熱 釋放 率可視 為常數，不同 的熱釋 放率 之火源 成長 曲 線 如 圖 2-2 所 示。而 T-squared 的 火 源 依 火 源 成 長 速 率 又 可 區 分 成 Ultra-fast、 Fast、 Medium 及 Slow 四 種 成 長 曲 線 ， 各 種 型 式 的 火 源 成 長 係 數 與 成 長 時 間 如 表 2-3 所 示 ， 及 各 種 火 源 成 長 型. 12.
(13) 式 的 各 類 替 代 物 質 如 圖 2-3 所 示 。. 表 2-3. 火源成長模式之係數 成長係數. 成長時間. T-squared Fires 緩 慢 (Slow). α(kW/s 2 ). α(Btu/s 2 ). T g (s). 0.002931. 0.002778. 600. 普 通 (Medium). 0.01127. 0.01111. 300. 快 速 (Fast). 0.04689. 0.04444. 150. 極 快 速 (Ultra Fast). 0.1878. 0.1778. 75. 13.
(14) 25MW 熱 釋 放 率. 時間平方曲線. (MW). 5MW 2MW 時間(t). 衣櫃(薄夾板) 各型紙箱(高 4.6m) 池型甲醇 快速燃燒的大型傢俱 木板床墊(高 1.5m). 堆疊草堆(高 1m). 棉製/聚酯 彈簧床墊. 6000. 熱 釋 放 率 (KW). 5000 4000 Ultra Fast. 3000. Fast. Medium. 2000 1000. Slow. 0. 200. 400. 600. 800. 時間(sec). 圖 2-2 圖 2-3. 不同的熱釋放率之火源成長曲線 各種火源成長型式的各類替代物質. （ 2） 閃 燃 後 的 火 源 此種情況的熱釋放率為. 14.
(15) （ 2.3）. Q = HcR. 其中. H c ： 單 位 質 量 燃 燒 熱 (kJ/kg) R ： 單 位 時 間 燃 燒 質 量 (kg/s). 上述中的 R 可定義為 1. 1 w 2 R = 0.02 ⋅ A0 ⋅ (h0 ) 2 ⋅ ( Ar − A0 ) ⋅ d . 其中. （ 2.4）. A0 ： 空 間 中 空 氣 可 流 入 之 開 口 （ 窗 或 門 ）（ m 2 ） h0 ： 開 口 之 高 度 （ m） Ar ：空 間 中 所 涵 蓋 的 面 積（ 牆、地 板、天 花 板 ） （ m2） w ： 開 口 部 之 牆 寬 度 （ m） d ： 開 口 部 之 牆 深 度 （ m）. 上 述 公 式 從 實 際 實 驗 木 屋 而 得 ，不 過 該 式 仍 可 運 用 於 大 部 份 型 態 的 火 源 負 載 (Fire load)。 通 常 火 源 負 載 一 般 可 換 算 成 等 重 量 之 木 材 ， 火 源 負 載 可 以 以 MJ 或 MJ/m 2 表 示 ， 也 可 以 用 kg 或 kg/m 2 之 木 材 來 表 示 。 當 火 源 負 載 過 小 時 ， 方 程 式 （ 2.4） 可 能 導 致 R 值 之 高 估 ， 因 此 在 典 型 裝 潢 之 居 室 、辦 公 室 及 購 物 中 心 我 們 可 假 設 一 般 火 源 可 在 20 分 鐘 內 控 制 住 時 ， R 可 以 以 下 式 來 加 以 修 正 ： R=. 其中. 2.3. L 1200. （ 2.5）. L ： 為 總 火 源 負 載 （ kg）. 煙層流動特性. 15.
(16) 當 建築物 發生火災，在 火災區 域形 成一高 溫煙氣火 場，若 氧氣供給不充分，物質燃燒不完全，必產生大量的固體微粒， 而熱空氣之比重較周圍冷空氣低，所以形成一明顯的上升氣 流，尤其在建築物之垂直通道內，隨著氣流移動，使高溫高熱 之煙流快速擴散到建築物內每一角落。 於建築物火災中產生的煙和高溫氣體流動有兩個主要因 素： （ 1） 煙 層 本 身 的 流 動 性 ： 這 是 因 為 所 包 含 的 高 溫 氣 體 比 周 圍 空氣的密度低。 （ 2） 建 築 物 內 空 氣 流 動 ： 雖 然 與 火 完 全 無 關 ， 但 因 空 氣 的 流 動，而會將煙送至建築物內各處。 這兩個因素作用的相對大小，取決於建築物中不同的情 況，通常靠近火場的地方，煙層本身的流動性將處於支配地 位，而相反的，距離火場較遠的地方，建築物內空氣流動就變 得相當重要。 由 以 上 兩 主 要 因 素 ，可 得 知 建 築 物 內 造 成 煙 層 流 動 的 驅 動 力，可分為以下六種： （ 1） 煙 囪 效 應 ： 因 建 築 物 內 部 空 氣 與 室 外 空 氣 溫 度 不 同 產 生 壓 力 差 所 造 成。在 建 築 物 內 部 垂 直 通 路 之 空 氣 產 生 上 升 稱 之 為 正 煙 囪 效 應（ Normal stack effect）， 若 產 生 下 降 的 流 動 則 稱 為 反 煙 囪 效 應 （ Reverse stack effect）， 這 因 素 取 決 於 建築物內部空氣與室外空氣的溫度差異高低。 （ 2） 煙 的 熱 浮 力 效 應 ： 因 火 焰 上 方 的 高 溫 氣 體 與 周 圍 冷 空 氣 之 間 的 密 度 不 同，由 於 煙 的 密 度 較 低，因 此 會 產 生 向 上 之 浮力。 （ 3） 氣 體 熱 膨 脹 效 應 ： 由 於 燃 燒 所 產 生 的 高 溫 使 氣 體 膨 脹 ， 若 常 溫 300K 時 體 積 為 1 倍，則 在 600K 時 體 積 即 變 成 2 倍， 在 900K 時 體 積 即 變 成 3 倍 ， 以 此 類 推 。. 16.
(17) （ 4） 風 的 影 響 效 應 ： 在 建 築 物 不 同 方 位 之 開 口 ， 因 風 向 的 關 係，便 有 不 同 的 壓 力。當 建 築 物 所 有 門 窗 或 開 口 部 都 緊 閉 時，風 的 影 響 便 極 輕 微，但 所 有 建 築 物 都 有 或 大 或 小 的 孔 隙 ，如 ： 門 縫 ，窗 縫 等 ，這 些 孔 隙 將 因 風 的 影 響 ， 使 建 築 物內部的空氣產生流動。 （ 5） 機 械 通 風 系 統 ： 由 於 現 有 建 築 物 以 密 閉 空 間 居 多 ， 大 都 採 用 空 調 通 風 系 統，尤 其 是 中 央 空 調 系 統 通 達 各 樓 層，一 但 某 一 樓 層 發 生 火 災，所 產 生 之 煙 霧，便 利 用 回 風 與 送 風 風 管，將 煙 傳 送 到 很 遠 的 地 方。另 一 方 面，空 調 系 統 也 正 被 設 計 成 為 煙 控 的 管 道 ， 利 用 防 火 、 防 煙 閘 門 （ Damper） 控 制 煙 之 流 動，或 利 用 空 調 風 管 進 行 排 煙，使 空 調 系 統 發 揮更大的功用。 （ 6） 電 梯 活 塞 效 應 ： 把 電 梯 看 成 是 一 個 活 塞 ， 在 昇 降 機 間 移 動，將 空 氣 吸 入 與 排 出 而 產 生 氣 流，當 電 梯 上 下 移 動 時 ， 所形成之壓力差，很容易將起火樓層之煙流吸入昇降機 間，而將煙擠壓至非起火樓層。 在 這 六 項 影 響 煙 層 流 動 的 因 素 當 中 ，熱 浮 力 效 應 與 氣 體 熱 膨 脹 效 應 為 煙 流 之 高 溫 所 引 起 的， 煙 囪 效 應 與 自 然 風 則 受 外 界 的 環境影 響，另外，空 調系統 與電 梯活塞 效應則為 建築物 內部 設施所引起。. 2.4. 煙沉降率與煙沉降高度 由 於 實 驗 中 無 法 直 接 取 得 煙 層 的 變 化 高 度，依 據 Cooper [25]. 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， 17.
(18) ∆Tref (t ) = max[T ( z all , t )] − Tamb ( z all ). 其中. （ 2.6）. ∆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還境 溫 度 ， 則 （ 2.6） 式 可 改 寫 為 ： ∆Tref (t ) = max[T ( z all , t )] − T ( z all , t = 0 ). （ 2.7）. 依 據 N-percent method 的 理 論 ， 在 時 間 t 下 熱 電 偶 中 有 一 溫 度升高. N ∆Tref (t ) 即 ： 100. N T ( z i , t ) − Tamb ( z i ) ≥ ∆Tref (t ) 100 . （ 2.8）. 則 此 時 即 可 判 定 煙 流 已 沉 降 至 該 熱 電 偶 高 度 位 置，如 圖 2-4 所示。 N 的 假 設 值 （ N=10、 15、 20） 在 國 內 外 的 期 刊 與 論 文 中 都 有相當詳細的說明，一般而言，N 取的越小則對煙控設計較為 保守與安全。. 18.
(19) 高 度. 煙層高度. 溫度. ∆Tref ∆ Tref × N %. Tmax. Tmin. 圖 2-4. N-percent method 示 意 圖. 19.
(20) 第三章 3.1. 撒水設備之特性. 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。. 20.
(21) 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 開放式系統. 3.2. 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 探測器感知→水泵水閥打開→撒 水. 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(怕水物品之場所) 影劇舞台、飛機棚廠、易 燃液體置放場. 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。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。 向上型撒水頭 迴水板安裝於上方，向下方撒水。 向下型撒水頭 迴水板安裝於下方，向下方撒水。 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。 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。 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. 21.
(22) 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 祥 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 。 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 方式開啟一齊開放閥，而使全部撒水頭一齊噴出大量的水。. 向下型撒水頭. 向上型撒水頭. 圖 3-1. 側壁型撒水頭. 各種形式之撒水頭. 22. 上下兩用型撒水頭.
(23) 3.3. 撒水頭的作動 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版，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，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 （ ℃ ）. 23.
(24) 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。 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） 的 研 究 ， 熱 傳 導 的 影響可 視為定量，但 是熱傳 導相 對於熱 對流又可 省略，因此 （ 3.1） 式 可 簡 化 成 ： ml c p. d (Tl ) = q conv = hA(Tg − Tl ) dt. （3.2）. 下 標〝 g〞代 表 熱 煙 氣， 〝 h〞為 對 流 熱 傳 係 數（ kw / m 2 .K ）。 qcond. qconv gasflow. qrad 圖 3-2. 撒水頭與熱煙氣之熱傳示意圖. 將 熱 感 測 元 件 之 圓 柱 直 徑 D、 長 度 L 以 及 Nusselt number （ Nu = hD / k g ） 帶 入 方 程 式 （ 3.2） 中 ， 可 以 得 到 ： dTl 4 k g α s Nu (Tg − Tl ) = dt π k l D 2. （3.3）. 熱感測元件與熱氣流間的相互作用可以視為圓柱在 cross-flow 的 情 況 ， 因 此 對 流 熱 傳 的 作 用 可 以 將 Nusselt number. 24.
(25) 以 Reynold number 和 Prandtl number 表 示 ， Nu = C1 Re 0.5 Pr 0.4. （3.4）. Re 和 Pr 分 別 為 ， Re = Pr =. UD vg vg. （3.5） （3.6）. αg. U 為 氣 流 速 度，在 cross-flow 中 C 1 大 約 為 0.52，因 為 實 際 情 況 與 cross-flow 的 邊 界 條 件 不 同，因 此 不 採 用 此 數 值，而 選 擇 使 用實驗數據來計算此常數值。 將 方 程 式（ 3.4,3.5,3.6）帶 入 方 程 式（ 3.3）中 可 以 得 到 下 式 ： dTl k g α l −0.5 −0.6 −3 / 2 = C 2 ν g Pr D U (Tg − Tl ) dt k l α g . （3.7）. C 2 =（ 4/π ） C 1 。 中 括 弧 內 的 數 值 為 熱 感 測 元 件 幾 何 形 狀 和 熱感測元件、流體之熱力性質的函數。對於同一個撒水頭，在 一 定的溫 度範圍內，此 項可以 視為 常數。此項 的倒 數為撒 水頭 之 RTI 值 ： RTI = C 3. k l α g −0.5 0.6 3 / 2 ν g Pr D kg αl. （3.8）. 因此熱感測元件之暫態能量平衡可以表示為： U (Tg − Tl ) dTl = dt RTI. （3.9）. 將 上 式 積 分 並 帶 入 初 始 條 件 T l (t=0)=T l , 0 ， 可 以 得 到 下 式 ：. 25.
(26) U Tg − Tl (t ) = (Tg − Tl , 0 )exp − t RTI . （3.10）. RTI 之 單 位 為（ ms） 1 / 2。當 撒 水 頭 的 RTI 值 很 高，則 對 周 圍 熱 煙 氣 的 反 應 較 慢 ，因 此 從 起 火 到 撒 水 頭 開 始 作 動 需 要 較 長 的 時 間 。 相 反 的 ， 假 如 撒 水 頭 的 RTI 值 很 小 ， 可 能 微 小 的 熱 源 就 會 啟動撒 水頭，這 種結果 也是相當 不好的，因 為這 樣可能 會造 成 不 必 要 的 水 害 。 一 般 撒 水 頭 的 RTI 值 範 圍 約 在 100 ∼ 400[m 1 / 2 sec 1 / 2 ]。. 3.4. 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。 相 對 於 其 它 我 們 所 認 識 用 來 滅 火 的 液 體 水 是 較 有 效 的， 水 能 夠 有 效 的 滅 火 主 要 是 因 為 水 具 有 相 當 高 的 蒸 發 潛 熱，如 圖 3-3 所 示。 將 一 公 升 的 水 由 0℃ 加 熱 到 100℃ ， 需 要 提 供 418kJ 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. 26.
(27) 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。 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 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。. 27.
(28) 火焰溫度(1227℃) 1200. 起火區劃平均溫度上限(1227℃). 1100. 溫度 ℃. 1000 900 800. (. 700. 333 418. ). 500 400. 液體熱能. 溶解熱. 600. 2257. 2705. 蒸發熱. 蒸氣熱能. 300 200 100 0 0. 500. 1000 1500 2000. 2500 3000. 3500. 4000. 4500 5000. 熱能(kJ) 圖 3-3. 水 的 相 變 化 與 熱 能 的 改 變 量 (容 量 為 1 l ). 28.
(29) 第四章. 電腦火災數值模擬之模式架構簡介. 利用數值方法來研究火災動力學的構想可以追溯到電腦 剛開始發展的時候，當然，流體動力、熱傳及燃燒等基本的守 恆方程式在上一世紀就已推導出來。但由於一些複雜的問題， 使得實際的火災數值模式一直到近代才有所發展。 這 些 困 難 點 有 三 ：（ 1） 由 於 火 災 大 都 是 偶 發 事 件 ， 因 此 必 須 考 量 大 量 的 火 場 情 境 。（ 2） 由 於 要 觀 察 火 災 時 其 物 理 現 象 的 變 化，包 括 空 氣 動 力 學、多 相 流、紊 流、燃 燒、輻 射 與 熱 傳 等 ， 因 而 需 要 功 能 相 當 強 大 的 電 腦 ，而 在 早 期 電 腦 的 計 算 能 力 較 不 足 ， 因 此 大 部 分 的 火 災 情 境 都 會 有 所 限 制 。（ 3） 在 大 多 數 的 火 災 中 ，〝 燃 料 〞 是 無 法 預 期 的 。 因 此 在 進 行 數 值 模 擬 時 輸 入 的 資料只能對燃料作大約的描述。 為了更進一步發展，提出的問題必須要單純化。首先，必 須 要 先 尋 找 出 一 個 可 以 應 用 在 所 有 火 場 問 題 方 法， 然 後 開 始 尋 找一些易於分析的情境。希望經由發展這些較簡易問題的研 究，使得更多的複雜情況可以被分析。再來，我們必須學習度 過 這 些 火 場 的 理 想 化 敘 述 及 接 近 理 想 化 方 程 式 的 解 決 方 法 。最 後，這 些方法 應該 是可已 有系統的 改善，隨著 我們 對物理 現象 的 理 解 與 電 腦 計 算 能 力 的 增 強 ，數 值 分 析 方 法 也 可 以 變 的 更 加 完善。 至 今，已發展 出三 個不同 的火場模 擬模式，都 是三 維空間 的火場隨時間變化的模式。最早發展成熟的是所謂的〝區域 （ Zone）〞模 式，它 將 火 場 中 的 每 一 個 部 份 均 勻 分 成 上 下 兩 個 區 劃空間，一個是上半部的熱煙層，一個是下半部的冷空氣層， 在 每 一 個 區 劃 空 間 中 的 質 量 與 能 量 達 到 平 衡， 另 外 使 用 微 分 與 代 數方程 式來描述 其它的 物理現象，這 些現象 包括 火柱、孔道 間的氣流流動與輻射對流熱傳等。 由 於 區 域 模 式 較 簡 單 的 物 理 現 象 與 電 腦 計 算， 使 得 區 域 模. 29.
(30) 式 廣 泛 使 用 在 火 災 情 境 分 析， 只 要 對 空 間 內 分 佈 的 細 部 物 理 性 質不要求，而且對於兩區劃的描述只要近似於真實情況即可， 則區劃模式算是相當可靠。然而，由於區劃模式非常簡單，因 此無法作有系統的改善。 由 於 電 腦 功 能 快 速 的 成 長 因 而 發 展 出 計 算 流 體 力 學 CFD （ Computer Fluid Dynamics）， 並 且 將 以 〝 場 域 （ Field）〞 模 式 為 基 礎 之 CFD 火 災 研 究 問 題 上。使 用 CFD 模 式 可 以 用 複 雜 的 幾 何 來 描述火 災，並將 變化大 的物理現 象加以 整合。它 的理論 運算 方式是將火場分割成無數的小格點，再以質量、動量、能量、 燃 燒 與 熱 傳 守 恆 等 統 御 方 程 式（ Governing equation）求 解 構 成 。 本 研 究 電 腦 模 擬 分 析 部 分 所 使 用 的 軟 體 即 是 由 NIST/BFRL （ 美 國 國 家 標 準 暨 技 術 協 會 火 災 實 驗 室 ）所 發 展 出 的 CFD 火 災 模 擬 軟 體 ， FDS（ Fire Dynamics Simulator）。 由 於本研 究是以實 驗為主，電 腦模 擬分析 為輔，實 驗所得 到 之 數 據 將 與 電 腦 模 擬 所 得 之 結 果 相 比 較 進 行 分 析 ，在 比 較 過 程 中，相關的 參數 與條件 設定皆須 一致，因此 有必 要先了 解在 FDS 中 有 關 撒 水 頭 的 參 數 設 定 與 分 析 方 法 。. 4.1. FDS 之 撒 水 模 式 分 析 FDS 主 要 是 以 LES（ Large Eddy Simulation） 為 基 礎 的 CFD. 火 災模擬 軟體，可 用於模 擬三維的 火災情 境，它將 建築物 空間 分 割 為 多 個 細 小 的 格 點 ，利 用 數 值 方 法 求 解 各 個 守 恆 之 統 御 方 程式，可較精確的預估火災發生時火場的壓力、溫度、速度與 煙 流 流 動 等 火 災 的 物 理 數 據， 因 此 也 更 適 合 於 形 狀 複 雜 的 建 築 空間或大型建築物的火災模擬。 當 使 用 FDS 模 擬 撒 水 頭 的 作 動 與 撒 水 後 對 火 場 所 造 成 的 影 響時，可針對下列各項進行討論。. 30.
(31) 4.1.1. 撒水頭的作動 當要估算撒水頭內部之熱感測元件的溫度時，可以利用. Heskestad 與 Bill[26]所 提 出 的 差 分 方 程 式 計 算。在 此 方 程 式 中 有 考 慮 輻 射 熱 傳 與 氣 流 中 的 細 小 水 滴（ 先 前 作 動 的 撒 水 頭 所 噴 撒 出的水滴）對熱感測元件的冷卻影響。 u dTl (Tg − Tl ) − C (Tl − Tm ) − C 2 β u = RTI RTI RTI dt. 其中. （ 4.1）. Tl. ：熱 感 測 元 件（ 金 屬 熔 絲 或 酒 精 玻 璃 球 ）的 溫 度（ ℃ ）. Tg. ：熱感測元件周圍的氣體溫度（℃）. Tm. ：撒水頭底座的溫度（℃）. β. ：水（液體）在氣流中所佔的體積百分比. RTI ： 撒 水 頭 的 感 應 時 間 指 數 (m / s )1 / 2. 4.1.2. C. ： C-Factor (m / s )1 / 2. C2. ： 經 驗 常 數 6 × 10 6 K / (m / s )1 / 2 [27]. 水滴尺寸的分佈 在撒水頭作動後，從撒水頭噴撒出的水滴可能會掉落在. 燃燒的物體或地板上。為了計算水滴的移動軌跡，則每一個 水滴的初始尺寸與速度都必須加以描述。水滴最初的尺寸分 佈 可 以 以 累 積 體 積 百 分 比（ Cumulative Volume Fraction,CVF）來 表示。一般而言累積體積百分比可以藉由組合自然對數 （ log-normal） 與 Rosin-Rammler 分 佈 [28]來 表 示 。 1 d 1 − [ln (d′ d2m )] e 2σ dd ′ 2π ∫0 σd ′ F (d ) = γ d − 0.693 d m 1− e 2. 其中. (d ≤ d m ) (d m < d ). d m ： 水 滴 的 中 線 直 徑 （ median droplet diameter）. 31. （ 4.2）.
(32) γ. ： 經 驗 常 數 （ 大 約 等 於 2.4）. σ ： 經 驗 常 數 （ 大 約 等 於 0.6）. 所 謂 中 線 直 徑 d m 是 指 由 撒 水 頭 所 噴 灑 出 的 水 滴 中 ，水 滴 直 徑 小 於 d m （ 或 等 於 ） 的 水 滴 的 質 量 總 合 佔 全 部 水 滴 質 量 的 50 ﹪ 。 dm 為 撒 水 頭 孔 口 直 徑 、 操 作 壓 力 與 幾 何 形 狀 的 函 數 。 在 Factory Mutual 所 作 的 研 究 中 有 得 到 一 個 與 d m 相 關 的 關 係 式 ： 1. dm ∝ We 3 D. 其中. D. （ 4.3）. ：撒水頭孔口直徑. We ： Weber number. Weber number 為 慣 性 力 與 表 面 張 力 之 比 ， ρ wu 2 D We = σw. 其中. （ 4.4）. ρ w ： 水 的 密 度 （ kg / m 3 ） u. ：水從撒水頭噴撒出的速度（ m/ s）. σ w ： 水 的 表 面 張 力 （ 72.8×10 - 3 N / m at 20℃ ） u 為 撒 水 頭 操 作 壓 力 和 K-factor 的 函 數 ， 它 可 以 由 質 量 流 率. 來計算。 在 數 值 演 算 法 中 ， 將 水 滴 的 尺 寸 分 布 視 為 Rosin–Rammler/ log -normal。水 滴 直 徑 的 或 然 率 密 度 函 數（ PDF,Probability Density Function） 可 以 由 下 列 方 程 式 定 義 ： f (d ) =. F ′(d ) d3. ∫. ∞. 0. F ′(d ′) dd ′ d ′3. （ 4.5）. 水 滴 的 直 徑 可 以 藉 由 累 積 數 目 百 分 比 （ Cumulative Number Fraction,CNF） 與 均 勻 分 布 隨 機 變 數 U 的 等 式 來 隨 機 選 擇 。. 32.
(33) U (d ) = ∫ f (d ′)dd ′ d. （ 4.6）. 0. 圖 4-1 顯 示 典 型 累 積 體 積 百 分 比 （ Cumulative Volume Fraction） 與 累 積 數 量 百 分 比 （ Cumulative Number Fraction） 的 函 數關係。 數 值 模 擬 時， 並 非 從 撒 水 頭 所 噴 灑 出 的 每 一 個 水 滴 都 會 被 追蹤紀錄，通常只有部分的水滴會被追蹤紀錄。一般而言，每 個 撒 水 頭 每 秒 可 噴 灑 出 1,000 個 水 滴 ， 如 果 水 滴 的 直 徑 為 隨 機 選 擇 ， 則 會 浪 費 太 多 的 CPU time 來 追 蹤 記 錄 較 小 的 水 滴 ，較 大 且 帶 著 大 多 數 水 量 的 大 水 滴， 在 整 體 樣 本 中 反 而 會 低 於 適 當 的 比 例。為 了 補 救 這 個 問 題，將 均 勻 分 布 隨 機 變 數 U 轉 換 成 函 數 g 的型式： g (U ) = U 1 n. (n > 1). （ 4.7）. 現 在整體 樣本數中，大 水滴會 佔較 大的數 目，但是 可藉由 一個係數來降低大水滴的重量因子， 1 g ′(U ) = U 1 / n −1 n. （ 4.8）. 選擇水滴尺寸的步驟如下： （ 1） 假 設 水 離 開 撒 水 頭 的 質 量 流 率 ， m& 。 （ 2） 假 設 數 值 模 擬 的 時 間 間 隔 δ t ， 與 每 個 時 間 間 隔 內 水 滴 射出的數量， N 。 （ 3） 在 0 到 1 之 間 選 擇 均 勻 分 佈 隨 機 數 目 ， 令 作 U i 。 （ 4） 依 照 （ 4.7） 式 作 轉 換 。 （ 5） 由 （ 4.6） 式 得 到 水 滴 的 直 徑 ， d i 。 （ 6） 由 質 量 平 衡 計 算 重 量 常 數 ， C 。. 33.
(34) N 4 d & mδ t = C ∑ g ′(U i ) πρ w i 3 2 i =1. 3. （ 4.9）. 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 4-1. 水 滴 尺 寸 分 布 之 CVF 與 CNF 函 數 圖 （ d m =1 ㎜ ,. σ = 0.6 與 γ = 2.43 .）. 4.1.3. 水滴在空氣中的移動軌跡 水滴與空氣間的動量轉換可以由動量守恆方程式中的外. 力項 f 來表示。它表示在格點內的每一個水滴中外力轉換與格 點體積散度的總和。 1 f= 2. 其中. ∑ ρC. D. πrd2 (u d − u g ) u d − u g. （ 4.10）. δ xδ yδ z. CD. ：拉曳力係數. rd. ：水滴半徑（ m）. ud. ：水滴速度（ m/ s）. ug. ：氣體速度（ m/ s）. ρ. ： 氣 體 密 度 （ kg / m 3 ）. δ xδ yδ z ： 網 格 點 的 體 積 （ m 3 ）. 單一水滴的軌跡可以由下列方程式求得：. 34.
(35) d (m d u d ) = m d g − 1 ρC Dπrd2 (u d − u g )u d − u g 2 dt. 其中. （ 4.11）. md ： 水 滴 質 量 （ kg ）. 拉 曳 力 係 數 為 局 部 Reynolds number 的 函 數 ， 24 Re Re < 1 0.687 C D = 24 1 + 0.15 Re Re 1 < Re < 1000 0.44 1000 < Re . (. Re =. ). ρ u d − u g 2rd. （ 4.12）. （ 4.13）. µ. 其 中 µ ： 氣 體 的 動 黏 滯 係 數 （ kg / s ⋅ m ）。. 4.1.4. 水滴的質量與能量轉換 對 於 水 滴 蒸 發 的 處 理 為 採 用 半 經 驗 式。 當 一 個 水 滴 懸 浮 在. 空 氣 中 時 會 被 蒸 發 ，而 此 蒸 發 現 象 是 以 水 滴 平 衡 時 之 蒸 氣 質 量 百分比、局部氣相蒸氣質量百分比、傳送到水滴之熱傳量，以 及 水 滴 相 對 於 氣 體 之 運 動 為 函 數。 一 個 包 含 上 述 參 數 的 水 滴 質 量 損 失 關 係 式 [29]如 下 所 列 ： dm d = −2πrd ShρD f (Yd − Yg ) dt. 其中. （ 4.14）. md ： 水 滴 的 質 量 （ kg ） Df ：水蒸氣進入空氣時的擴散係數 Y. ：水與蒸氣之質量百分比. Sh ： 水 滴 的 Sherwood number. 35.
(36) 下 標 d, g 分 別 代 表 水 滴 與 氣 體 。 Sherwood number（ Sh） 可 以 由 Reynolds number（ Re） 與 Schmidt number（ Sc） 的 關 係 式 決 定 ： 1 2. Sh = 2 + 0.6 ⋅ Re ⋅ Sc. 1 3. （ 4.15）. Yg ： 氣 體 中 的 蒸 氣 質 量 百 分 比 Yg 可 以 由 質 量 守 恆 方 程 式 求 得 ， 而 Yd 可 以 由 Clausius-. Clapeyron 方 程 式 求 得 ： 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 . （ 4.16）. Xd ：水滴中水與水蒸氣之體積百分比 hv. ： 蒸 發 潛 熱 （ J / kg ）. M w ： 水 的 分 子 量 （ kg / kmol ） M a ： 空 氣 的 分 子 量 （ kg / kmol ） 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。對 流熱傳 會蒸 發水滴 表面的水 分，而部分 的熱 會穿過 水滴 的表面並將水滴加熱： md c p ,w. 其中. dTd dmd = Ad hd (Tg − Td ) − hv dt dt. （ 4.17）. c p , w ： 水 的 比 熱 （ kJ / kg ⋅ K ）. Ad. ： 水 滴 的 表 面 積 （ 4πrd2 ）（ m 2 ）. hd. ： 熱 傳 係 數 （ kW / m 2 ⋅ K ）. 36.
(37) hd =. 其中. 1 1 Nuk a ； Nu = 2 + 0.6 ⋅ Re 2 ⋅ Pr 3 2rd. （ 4.18）. Nu ： Nusselt number. k a ： 空 氣 之 熱 傳 導 係 數 （ kW / m 2 ⋅ K ） Pr ： Prandtl number（ 0.7 for air）. 4.1.5. 水對於火源的抑制 上 面 說 明 了 水 對 於 熱 空 氣 或 熱 固 體 的 熱 傳 ，雖 然 對 這 些 熱. 傳 係 數 的 值 還 是 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 料的熱分 解速率。如 果燃 料的表 面是平面 的，那就可 以 使用一 個函數來 描述熱 分解速率 降低的 特性。很 可惜地，大 部 分 使 用 的 燃 料 都 有 複 雜 的 幾 何 形 狀， 無 法 以 計 算 格 點 來 解 析 它。 至 今 ， 在 此 領 域 的 大 部 分 工 作 都 已 在 FM 完 成 。 1994 年 Yu et al.[30]對 此 主 題 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、 撒 水 的 速 率 與 一 些 抑 制 速 率 的 重 要 參 數 的 特 性。他 們經過 分析 之後，提出 一個 在撒水 頭作動後 火源總 熱釋 放率的關係式： Q& = Q& 0 e − k (t −t0 ). 其中. （ 4.19）. Q& 0 ： 在 t 0 時 的 總 熱 釋 放 率 （ kW / m 3 ） k ： 燃 料 相 依 常 數 （ fuel-dependent）. t0 ： 撒 水 頭 作 動 時 間 （ s ）. FMRC 對 於 標 準 塑 性 物 品 之 k 值 的 定 義 為 ：. 37.
(38) （ 4.20）. k = 0.716m& ′w′ − 0.0131 s -1. 其中. m& ′w′ ： 撞 擊 燃 燒 物 的 水 的 質 量 通 量 （ kg / s / m 2 ）. 對 於 ClassⅡ 物 品 其 k 值 為 ： （ 4.21）. k = 0.536m& ′w′ − 0.0040 s -1. 這 個 分 析 是 以 總 體 水 流 率 與 燃 燒 速 率 為 基 礎，（ 4.19）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。但 是 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，因 此 FDS 不 適 於 使 用 整 體 的 抑 制 定 律。然 而， 水 之 抑 制 自 然 指 數 可 觀 察 局 部 與 整 體， 因 此 假 設 燃 料 的 局 部 燃 燒速率可以以下式表示： − k (t )dt m& ′f′ (t ) = m& ′f′ ,0 (t )e ∫. 其中. （ 4.22）. m& ′f′ , 0 (t ) ： 當 沒 有 撒 水 時 每 單 位 面 積 的 水 的 質 量 通 量. （ kg / s / m 2 ） m′w′. ： 局 部 單 位 面 積 的 水 的 質 量 （ kg / m 2 ）. k (t ). ： 為 m′w′ 之 線 性 函 數. k (t ) = am′w′ (t ) s -1. 其中. （ 4.23）. a ：經驗常數. 38.
(39) 4.2. Smokeview Smokeview 為 結 合 FDS 的 一 個 數 據 後 處 理 軟 體 ， 可 將 FDS. 所 計 算 出 來 的 結 果 ， 利 用 Open GL 繪 圖 軟 體 以 圖 形 或 2D 與 3D 動 畫 的 效 果 呈 現 。 如 圖 4-2 所 示 為 FDS 與 Smokeview 之 組 織 架 構與工作流程圖。. 1. Naming the Job 2. Setting Time Limits 3. Setting Global Parameters 4. Defining the Computational Domain 5. Setting the Grid Size 6. Prescribing the Geometry and the Fire 7. Creating Obstructions 8. Designating Vents and Surfaces 9. Choose Output Files. Input (.data). FDS. Smokeview Input(.smv). Slice/Vect or slice (.sf). CONFIG (.ini). Boundary (.bf). Particle (.part). Iso-surface (.iso). PLOT3D (.q). Smokeview. Graphic. 圖 4-2. FDS 與 Smokeview 之 組 織 架 構 與 工 作 流 程 圖. 39.
(40) 第五章. 實驗計劃. 實 驗 在 本 研 究 中 佔 相 當 重 要 部 份， 藉 由 實 驗 可 實 際 瞭 解 在 火 場 中 撒 水 設 備 與 排 煙 設 備 間 的 相 互 影 響 情 形 。而 實 驗 所 量 測 到 之 數 據 將 與 電 腦 模 擬 之 模 擬 結 果 進 行 比 較 分 析， 以 瞭 解 理 論 模式之可靠度，並作為修正模式參數之依據。. 5.1. 實驗設備 本研究之實驗部分將借助內政部建築研究所位於台南歸. 仁 防 火 實 驗 群 之 實 驗 室 進 行，實 驗 場 現 場 圖 片 如 圖 5-1∼ 圖 5-11 所 示，實 驗 室 平 面 圖 如 圖 5-12 所 示。實 驗 中 將 以 油 盤 火 源 進 行 煙 層熱浮 力變化、撒水 頭作動 時間 之實測，同 時排 煙口之 排煙 效率也將進行測試。實驗設施規劃如下： （一）實驗空間 此 實 驗 空 間 的 尺 寸 為 12.0m×7.0m， 天 花 板 高 度 則 為 3.0m。 實 驗 空 間 使 用 可 耐 火 隔 熱 的 矽 酸 鈣 板 隔 間 ，地 板 與 矽 酸 鈣 板 間 的縫隙並使用耐火塗料加以密封，避免熱煙氣從縫隙中流出， 因 而影響 實驗的準 確性。而由 於當 撒水頭 作動後，噴灑 出的水 量 相 當 的 大，因 此 必 須 在 地 面 挖 設 排 水 管，將 噴 灑 出 的 水 排 出。 （二）撒水設備 在 此 試 驗 中 所 使 用 的 撒 水 頭 為 標 準 密 閉 式 撒 水 頭， 撒 水 頭 作 動 溫 度 為 68℃，RTI（ Response Time Index）為 80（ m 1 / 2 sec 1 / 2 ）， 而 撒 水 頭 將 裝 設 在 天 花 板 下 10cm 。 撒 水 頭 的 間 距 則 為 3.0m× 3.0m。 在 此實驗 區劃中，在各 個不同 位置 皆有預 設撒水口，可 依 照 實 驗 情 況 的 不 同 更 換 撒 水 頭 的 位 置，撒 水 設 備 圖 如 圖 5-13 所. 40.
(41) 示。而且由於撒水管路的流量與壓力對於撒水頭的撒水密度、 水 滴尺寸、滅 火效 果等都 有很大的 影響，因此 在撒 水管路 上也 必須裝設減壓閥，用來調整實驗過程中水流量與壓力。而出水 口水溫也需量測，一般來說，在實驗過程中水溫是保持固定 的，然而，若實驗進行的時間較長，則水溫還是會有變化。 在試驗的過程中，水量需求將相當大，假如有四個撒水頭 啟 動，每 個 撒 水 頭 的 水 量 為 80 l / min ，則 總 共 需 提 供 320 l / min 的 水量。為了確保水量能夠穩定的供給，因此在一樓設置一大型 儲水槽，並裝設一個加壓泵浦，提供撒水時所需的壓力。 （三）量測設備 （ a） 溫 度 量 測 設 備 ： 實驗空間內溫度的變化將使用熱電偶量測。熱電 偶 具 有 價 格 便 宜、結 構 簡 單、測 溫 範 圍 廣 及 準 確 度 高， 而且可以把溫度信號轉變成電信號進行遠距離傳送等 優點。 而為了量測區劃內各個高度的溫度，因此將數個 熱電偶共同綁在一條垂直的鐵線上成一樹狀，而稱此 為 熱 電 偶 樹 ， 熱 電 偶 樹 示 意 圖 如 圖 5-14 所 示 ， 分 別 在 距 離 地 面 2.9m、 2.6m、 2.3m、 2.0m 及 1.5m 等 五 個 不 同 高 度 架 設 熱 電 偶 ， 熱 電 偶 則 使 用 K-type， 最 高 溫 度 可 以 量 測 到 400℃ 。 為 避 免 熱 電 偶 之 訊 號 線 受 到 煙 流 溫 度影響而損毀，因此在熱電偶線的外部包覆一層耐熱 材料。而且為了防止撒水頭所噴灑出的水直接接觸到 熱電偶以致無法完全正確反應煙溫，因此在熱電偶上 方加設ㄇ字型之金屬遮蔽物，將撒水直接冷卻效應降 至最低，而期能真實反應火場撒水後之煙溫。 （ b） 流 量 計 與 壓 力 計 ：. 41.
(42) 流量計將裝設在支管入口處，用來量測撒水頭所 噴灑出的水量。壓力計將裝設在加壓泵浦的出口處與 支管的入口處，用來量測撒水頭的撒水壓力。 （ c） 熱 球 式 風 速 計 ： 為量測進氣口與排煙口之風量，因此在進氣與排 煙風管之中心位置架設熱球式風速計。 （ d） 數 據 擷 取 裝 置 ： 在此實驗中需量測實驗區劃內各點的溫度變化， 各點溫度經由熱電偶量測後，再由數據擷取裝置將數 據輸入至電腦中，以方便後續的數據處理。 （ e） 影 像 處 理 系 統 ： 在矽酸鈣板上將預先設置攝影口，並在攝影口外 側架設攝影機。在實驗進行時，可以錄下區劃空間內 火源燃燒的狀態、撒水頭的作動情形與煙層的流動。 （四）火源 在實驗中將使用酒精盤燃燒酒精，以產生所需的熱釋放 率 。 酒 精 盤 使 用 厚 度 為 1.5mm 的 鋼 板 彎 製 ， 避 免 因 燃 燒 時 的 高 溫 而 產 生 變 形 。 酒 精 盤 尺 寸 為 0.7m×0.7m， 高 度 為 0.15m。 （五）風機系統 為探討排煙設備與撒水設備交互作用之影響分析，因此在實驗區劃 當中將裝設排煙風機，同時以兩個排煙口銜接風管加以排煙。排煙口尺 寸為 0.6×0.8m，並且設置一 0.6×0.8m 進氣口，採用自然進氣。. 42.
(43) 圖 5-1. 圖 5-3. 實驗場外觀. 圖 5-2. 實驗場內部（已架設完成. 圖 5-4. 實驗場內部（未施工）. 實驗場內部（已架設完成. 之隔板）. 圖 5-5. 之隔板）. 架設中之撒水管路. 圖 5-6. 43. 預設之撒水口位置.
(44) 圖 5-7. 圖 5-9. 圖 5-11. 實驗用之加壓幫浦. 圖 5-8. 架設完成之熱電偶. 圖 5-10. 酒精盤實際燃燒情形. 44. 排煙設備. 已裝上之撒水頭.
(45) 7.0. 窗戶. 實驗區域 12.0. 圖 5-12. 建研所實驗室平面圖. 45.
(46) 12. 1.0. 1.0. 1.0. 1.0. 1.0. 2.0. P. F. P. F. P. F. P. F. P. F. P. F. P. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊. ＊ 支管 1〞. 主管 3〞 止回閥. 防震軟管. 1 樓儲水桶. P. Pump. 圖 5-13. 圖 5-14. 撒水設備圖. 熱電偶樹示意圖. 46. 7.0. 1.25. 1.0. 1.25 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75. F. 1.0. 1.0. 1.7.
(47) 5.2. 實驗規劃 在 本 實 驗 中 將 在 實 驗 區 劃 中 心 裝 設 一 撒 水 頭， 並 在 其 四 周. 圍架設熱電偶，用來量測火場溫度的變化。 在 此 實 驗 中 將 改 變 排 煙 設 備 的 操 作 方 式 ，依 照 排 煙 設 備 操 作方式的不同進行三個實驗。一為自然排煙，也就是排煙設備 不作動，熱煙氣僅靠本身之熱浮力效應排出；一為強制排煙， 排 煙設備 在酒精盤 點火後 立即開啟；另 一個亦 為強 制排煙，但 是 排 煙 設 備 在 撒 水 頭 作 動 後 才 開 啟 。在 實 驗 時 並 將 改 變 火 源 位 置，為 A、B 及 C，其 火 源 中 心 位 置 分 別 為 A（ 6,3.5） ，B（ 9,3.5）， C（ 3,3.5）。 本 次實驗 先只使用 一個酒 精盤，在 實驗時，會 在酒 精盤內 倒 入 約 5 公 升 之 酒 精 ， 而 最 大 熱 釋 放 率 約 為 190KW。 實 驗 各 項 參 數 設 定 如 表 5-1 所 示 ， 各 項 設 備 配 置 如 圖 5-15 所 示 。 表 5-1. 實驗之參數設定. 實驗編號. 火源位置. 火源熱釋放率 排煙設備操作方式. 1-1. A. 190KW. 自然排煙. 1-2. A. 190KW. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 1-3. A. 190KW. 撒水頭作動後開啟，排煙量 0.4m3/s. 2-1. B. 190KW. 自然排煙. 2-2. B. 190KW. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 2-3. B. 190KW. 撒水頭作動後開啟，排煙量 0.4m3/s. 3-1. C. 190KW. 自然排煙. 3-2. C. 190KW. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 3-3. C. 190KW. 撒水頭作動後開啟，排煙量 0.4m3/s. 47.
(48) 排煙口. 火源. C. A. 進氣口. 7.0. B. 3.5. 3.0. 3.0. 3.0 12.0. 圖 5-15. 各實驗之火源位置. 排煙口. T4. T6. 撒水頭. 1.5. T1 進氣口. T7 熱電偶. T3. 7.0 1.5. T5. T8. T2. 2.0. 3.0. 1.0. 2.0. 3.0 12.0. 圖 5-16. 實驗設備相關位置. 48.
(49) 5.3. 實驗結果與討論 在 此 次 的 實 驗 中， 將 經 由 改 變 火 源 位 置 與 排 煙 口 開 啟 時 間. 的不同，以比較當這兩個參數改變時，對於撒水頭的作動時 間、實驗區劃內溫度的變化以及煙層沉降的時間等。 為量測出撒水頭撒水後區劃內溫度的變化以及撒水之降 溫效果，必須知道當燃燒酒精盤時，火場所能夠達到的溫度， 以及火場內溫度的分佈情形。因此在一開始並不裝設撒水頭， 而 且排煙 風機也不 開啟，但是 進氣 閘門與 排煙閘門 皆打開，在 此 情 況 下 燃 燒 酒 精。酒 精 盤 放 置 位 置 為（ 6,3.5） ，並 且 在 酒 精 盤 內倒入約 3 公升之酒精。實際燃燒之後，經由熱電偶量測到個 區劃整個燃燒過程之溫度變化。在整個燃燒過程中，3 公升的 酒 精 約 可 持 續 燃 燒 5 分 鐘 ， 最 大 熱 釋 放 率 為 190KW。 圖 5-17 為 高 度 2.9m 處 之 熱 電 偶 所 量 測 到 之 煙 溫 ， 圖 5-18 ∼ 圖 5-25 則 為 各 熱 電 偶 樹 所 測 量 到 之 垂 直 煙 溫 變 化。由 圖 5-17 中 可 以 得 到 整 個 火 場 溫 度 最 高 可 達 180℃ ， 而 且 越 靠 近 火 源 溫 度 越 高，因 此 熱 電 偶 樹 T3、 T4、 T5、 T6 所 量 測 到 之 溫 度 較 高 。 而 在此實 驗中，雖 然排煙 風機未開 啟，但是進 氣口 與排煙 口皆 開 啟，因 此 煙 流 還 是 會 往 排 煙 口 方 向 流 動 ，所 以 熱 電 偶 樹 T1、 T2 所 量 測 到 之 溫 度 明 顯 低 於 其 它 熱 電 偶 樹 。 而由各熱電偶樹所量測到之垂直煙溫變化，當火源一點 燃，則天花板附近之溫度會迅速的升高，越靠近火源處，溫度 變化的越大。而隨著時間的增加，煙層的厚度也漸漸的累積增 加 。 使 用 N-percent method（ N=10﹪ ）， 火 場 最 高 溫 度 為 180℃ ， 火 場 之 初 溫 為 30℃，因 此 當 熱 電 偶 所 量 測 到 之 溫 度 升 高 15℃ ， 則 可 判 定 煙 層 以 沉 降 至 此 高 度。由 圖 5-18∼ 圖 5-25 可 看 出，當 時 間 到 達 100s 時 ， 高 度 1.5m 處 之 熱 電 偶 所 量 測 到 之 溫 度 皆 已 經 超 過 45℃ ， 表 示 100s 時 ， 煙 層 已 經 沉 降 至 1.5m 以 下 。 而 當 酒 精 盤 持 續 燃 燒 到 約 300 秒 時 ， 由 於 酒 精 已 經 快 消 耗. 49.
(50) 完，因此熱釋放率急速下降，造成火場溫度也跟著急速下降。. 50.
(51) 單獨火源 200. T1-1. 150 temperature(C). T2-1 T3-1 T4-1. 100. T5-1 T6-1 T7-1. 50. T8-1 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. time(s). 圖 5-17. 單 獨 火 源 時 之 火 場 溫 度 變 化 （ 高 度 2.9m）. 單獨火源 thermocouple tree T1 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. temperature(C). 圖 5-18. 熱 電 偶 樹 T1 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 51. 160.
(52) 單獨火源 thermocouple tree T2 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. temperature(C). 圖 5-19. 熱 電 偶 樹 T2 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 單獨火源 thermocouple tree T3 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. temperature(C). 圖 5-20. 熱 電 偶 樹 T3 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 52. 180.
(53) 單獨火源 thermocouple tree T4 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. temperature(C). 圖 5-21. 熱 電 偶 樹 T4 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 單獨火源 thermocouple tree T5 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. temperature(C). 圖 5-22. 熱 電 偶 樹 T5 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 53. 200.
(54) 單獨火源 thermocouple tree T6 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. temperature(C). 圖 5-23. 熱 電 偶 樹 T6 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 單獨火源 thermocouple tree T7 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. temperature(C). 圖 5-24. 熱 電 偶 樹 T7 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 54. 160.
(55) 單獨火源 thermocouple tree T8 3 2.8. 1(s) 50(s). height(m). 2.6. 100(s) 150(s). 2.4. 200(s). 2.2. 250(s) 300(s). 2. 350(s) 1.8. 400(s) 450(s). 1.6. 500(s) 1.4 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. temperature(C). 圖 5-25. 熱 電 偶 樹 T8 所 測 得 之 垂 直 溫 度 變 化. 55. 180.
(56) 表 5-2 則 為 各 實 驗 之 撒 水 頭 作 動 時 間 。 圖 A-1 到 圖 A-39 則 為 火 場 高 度 2.9m 之 溫 度 變 化 與 垂 直 溫 度 變 化 。 表 5-2. 實驗結果. 實驗編號 火源位置 排煙設備操作方式. 撒水頭作動時間. 1-1. A. 自然排煙. 77s. 1-2. A. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 81s. 1-3. A. 撒水頭作動後開啟，排煙量 0.4m3/s. 80s. 2-1. B. 自然排煙. 182s. 2-2. B. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 199s. 2-3. B. 撒水頭作動後開啟，排煙量 0.4m3/s. 172s. 3-1. C. 自然排煙. 188s. 3-2. C. 點火後立即開啟，排煙量 0.4m3/s. 3-3. C. 撒水頭作動後開啟，排煙量. 0.4m3/s. 202s 183s. 由 於 實 驗 規 劃 等 因 素， 再 加 上 每 一 次 的 實 驗 需 花 費 較 長 的 時 間，因此造 成所 有的實 驗無法在 同一天 完成，而 必須分 次進 行。實 驗 1-1、 1-2、 1-3 與 實 驗 2-1、 2-2、 2-3 因 為 進 行 實 驗 的 時 間 相距不 遠，所以 周圍環 境條件亦 相近，實驗 區劃 內之溫 度約 為 30℃。然 而 由 於 實 驗 3-1、3-2、3-3 是 在 期 末 成 果 報 告 後 才 進 行，所 以周圍 環境 條件有 些差異，在實 驗當時 實驗 區劃內 之溫 度 約 為 20℃ ， 水 溫 也 較 低 。 由 於 實 驗 條 件 的 差 異 ， 造 成 實 驗 3 無 法 與 實 驗 1、2 針 對 改 變 火 源 位 置 對 撒 水 頭 作 動 時 間 的 影 響 進 行比較，因此不對此部份進行討論。 而由實驗所得之結果可以得到以下的結論： （1）. 撒水設備與排煙設備的設置確實可以有效降低火場的溫度， 在未設置撒水設備時，火場最高溫度達到 180℃，但是當有設置撒 水設備，且撒水頭作動之後，火場最高溫度只到達約 140℃左右， 火場平均溫度也明顯的下降。. 56.
(57) （2）. 比較自然排煙與強制排煙時撒水頭的作動時間可以發現，當 採用強制排煙時，撒水頭作動的時間會比自然排煙時稍微延遲。 以實驗 2-1 與 2-2 相比較，當使用自然排煙時，撒水頭作動的時間 為 182s，但是若採用強制排煙，則撒水頭作動的時間延遲到 199s， 延遲了 17s。強制排煙會造成撒水頭延遲作動是因為強制排煙會將 熱煙氣排出，因而減緩熱煙氣層累積的速度，溫度升高也較緩慢， 而且強制排煙會擾亂火焰與煙的流動，造成煙層的不穩定，溫度 的變化也較大，採用自然排煙時，煙層的厚度很快的累積，溫度 也很快的升高，因此撒水頭會很快的作動。而實驗 2-3 由於一開始 也是採用自然排煙，因此撒水頭作動的時間也較強制排煙時快。 在實驗 1-1、1-2、1-3 中，由於火源位在撒水頭的正下方，因 此撒水頭會迅速的作動，實驗 1-2 中撒水頭之作動時間雖然還是有 受到排煙的影響，但是影響並不明顯，只比實驗 1-1 延遲 4s，實 驗 1-3 延遲 1s。. （3）. 排煙口作動時間、排煙口與火源相對位置對於撒水頭的作動 與滅火效果佔有相當大的影響。如圖 5-26 和圖 5-27 所示，當排煙 口開啟並開始排煙時，煙流會往排煙口方向流動，假若兩側皆有 裝設排煙口，則煙流會分別向兩側擴散，因此火源上方的撒水頭 皆會作動而滅火。但是若只有一側有排煙口，則煙流只會往排煙 口方向流動，此情況會造成只有煙流方向的撒水頭作動，但是火 源上方的撒水頭卻不會作動，因此火勢會往反方向不斷的擴大燃 燒而無法撲滅。. 57.
(58) 圖 5-26. 排煙口位置與撒水頭作動情形(a). 圖 5-27. 排煙口位置與撒水頭作動情形(b). 58.
(59) 第五章. 實驗計劃. 實 驗 在 本 研 究 中 佔 相 當 重 要 部 份， 藉 由 實 驗 可 實 際 瞭 解 在 火 場 中 撒 水 設 備 與 排 煙 設 備 間 的 相 互 影 響 情 形 。而 實 驗 所 量 測 到 之 數 據 將 與 電 腦 模 擬 之 模 擬 結 果 進 行 比 較 分 析， 以 瞭 解 理 論 模式之可靠度，並作為修正模式參數之依據。. 5.1. 實驗設備 本研究之實驗部分將借助內政部建築研究所位於台南歸. 仁 防 火 實 驗 群 之 實 驗 室 進 行，實 驗 場 現 場 圖 片 如 圖 5-1∼ 圖 5-11 所 示，實 驗 室 平 面 圖 如 圖 5-12 所 示。實 驗 中 將 以 油 盤 火 源 進 行 煙 層熱浮 力變化、撒水 頭作動 時間 之實測，同 時排 煙口之 排煙 效率也將進行測試。實驗設施規劃如下： （一）實驗空間 此 實 驗 空 間 的 尺 寸 為 12.0m×7.0m， 天 花 板 高 度 則 為 3.0m。 實 驗 空 間 使 用 可 耐 火 隔 熱 的 矽 酸 鈣 板 隔 間 ，地 板 與 矽 酸 鈣 板 間 的縫隙並使用耐火塗料加以密封，避免熱煙氣從縫隙中流出， 因 而影響 實驗的準 確性。而由 於當 撒水頭 作動後，噴灑 出的水 量 相 當 的 大，因 此 必 須 在 地 面 挖 設 排 水 管，將 噴 灑 出 的 水 排 出。 （二）撒水設備 在 此 試 驗 中 所 使 用 的 撒 水 頭 為 標 準 密 閉 式 撒 水 頭， 撒 水 頭 作 動 溫 度 為 68℃，RTI（ Response Time Index）為 80（ m 1 / 2 sec 1 / 2 ）， 而 撒 水 頭 將 裝 設 在 天 花 板 下 10cm 。 撒 水 頭 的 間 距 則 為 3.0m× 3.0m。 在 此實驗 區劃中，在各 個不同 位置 皆有預 設撒水口，可 依 照 實 驗 情 況 的 不 同 更 換 撒 水 頭 的 位 置，撒 水 設 備 圖 如 圖 5-13 所. 40.
數據
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