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撒水設備集熱板設置探討及法規擬定研究

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(1)

撒水設備集熱板設置探討及法規擬定研究

內政部建築研究所研究報告

中華民國 101 年 12 月

(2)
(3)

計畫編號: 10161B001

撒水設備集熱板設置探討及法規擬定研究

研 究 主 持 人:陳 建 忠

協 同 主 持 人 :何 三 平

研 究 員:簡 賢 文

李 其 忠

研 究 助 理:林 典 叡

柯 佳 禎

內政部建築研究所研究報告

中華民國 101 年 12 月

(本報告內容及建議,純屬研究小組意見,不代表本機關意見)

(4)
(5)
(6)
(7)

I

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... IX

ABSTRACT ... XIII

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 研究流程與步驟 ... 3

第三節 進度說明... 5

第二章 文獻回顧 ... 9

第一節 國內外集熱板之材質、形式及配置情形蒐集 ... 9

第二節 國內外集熱板設計案例、法規蒐集 ... 12

第三節 國內外集熱板滅火試驗蒐集 ... 21

第三章 研究方法與設計 ... 25

第一節 FDS 電腦模擬 ... 26

第二節 實驗設置與實驗規劃 ... 33

第四章 研究發現與建議事項 ... 43

(8)

II

第一節 FDS 電腦模擬研究發現 ... 43

第二節 兩層式撒水頭實驗 ... 53

第三節 集熱板有效性實驗 ... 73

第四節 開放式滅火試驗 ... 78

第五章 結論與建議 ... 83

第一節 結論 ... 83

第二節 建議 ... 85

附錄一 第一次專家座談會議紀錄-專家意見及意見回覆一覽表 ... 87

附錄二 期中審查會議紀錄-專家意見及意見回覆一覽表... 97

附錄三 第二次專家座談會議紀錄-專家意見及意見回覆一覽表 ... 99

附錄四 期末審查會議紀錄-專家意見及意見回覆一覽表... 101

附錄五 各類場所消防安全設備設置標準修訂條文內容 ... 105

參考書目 ... 111

(9)

III

表次

表 1-1 研究進度說明表 ... 5

表 1-2 研究計畫進度甘特圖 ... 7

表 2-1 集熱板形式與材質分類 ... 9

表 2-2 國內設置集熱板相關案例 ... 12

表 2-3 國內法規場所分類 ... 15

表 2-4 國內法規撒水頭配置 ... 15

表 2-5 國內法規側面有樑時撒水頭配置 ... 16

表 2-6 各國法規設置集熱板比較 ... 21

表 3-1 場勘各條件分析 ... 28

表 3-2 場勘遮蔽率分析 ... 29

表 3-3 模擬條件 ... 31

表 4-1 貨架式撒水頭模擬情境 ... 49

表 4-2 貨架式撒水頭模擬情境一與情境二結果 ... 49

表 4-3 貨架式撒水頭模擬情境三到情境七結果 ... 51

表 4-4 撒水分佈於樓地板四分之一撒水頭高度 5.2 公尺放射壓力

1kgf/cm2 不同時間 ... 53

表 4-5 撒水分佈於樓地板四分之一撒水頭高度 5.2 公尺時間 3 分鐘不同

(10)

IV

放射壓力 ... 55

表 4-6 撒水分佈於樓地板中央撒水頭高度 5.2 公尺放射壓力 1kgf/cm2

不同時間 ... 56

表 4-7 撒水分佈於樓地板中央撒水頭高度 5.2 公尺放射時間 3 分鐘不同

放射壓力 ... 57

表 4-8 撒水分佈於樓地板四分之一撒水頭高度 4 公尺時間 5 分鐘放射壓

力 1kgf/cm2 ... 58

表 4-9 撒水分佈於樓地板中央撒水頭高度 4 公尺時間 5 分鐘放射壓力

1kgf/cm2 ... 59

表 4-10 兩層式撒水頭滅火試驗情境 ... 61

表 4-11 兩層式撒水頭滅火試驗情境一到情境五實驗結果 ... 62

表 4-12 兩層式撒水頭滅火試驗情境六到情境八實驗結果... 64

表 4-13 兩層式撒水頭滅火試驗情境九到情境十一實驗結果 ... 65

表 4-14 兩層式撒水頭滅火試驗情境十二到情境十四實驗結果 ... 68

表 4-15 集熱板有效性實驗情境 ... 73

表 4-16 集熱板有效性實驗結果總表 ... 77

表 4-17 四顆密閉式撒水頭撒水頭溫度曲線圖 ... 79

表 4-18 油盤水量蒐集測試結果總表 ... 80

表 4-19 集熱板形式與材質分類 ... 81

表 4-20 集熱板設計相關案例 ... 82

(11)

V

圖次

圖 1-1 研究流程圖 ... 4

圖 2-1 大陸法規集熱板示意圖 ... 17

圖 2-2 大陸法規集熱板設置示意圖 ... 19

圖 2-3 我國法規貨架倉儲撒水頭配置圖 ... 20

圖 2-4 NFPA 中高架倉儲水平隔板或排面隔板示意圖 ... 20

圖 3-1 集熱板模擬建置圖 ... 27

圖 3-2 模擬遮蔽率百分比之示意圖 ... 30

圖 3-3 貨架式模擬示意圖 ... 31

圖 3-4 撒水頭與樑模擬示意圖 ... 32

圖 3-5 實驗空間 ... 33

圖 3-6 實驗架設鳥瞰圖 ... 34

圖 3-7 熱電偶架設上視圖與剖面圖 ... 34

圖 3-8 實驗空間架設示意圖 ... 35

圖 3-9 遮蔽物架設示意圖 ... 35

圖 3-10 遮蔽率 35%架設情形 ... 36

圖 3-11 遮蔽率 70%架設情形 ... 36

圖 3-12 遮蔽率 80%架設情形 ... 36

(12)

VI

圖 3-13 兩層式撒水頭火源架設情形 ... 37

圖 3-14 集熱板有效性火源架設情形 ... 38

圖 3-15 密閉式撒水頭與天花板距離示意圖 ... 38

圖 3-16 有無集熱板撒水頭裝設示意圖 ... 39

圖 3-17 集水盤與磅秤量測圖 ... 39

圖 3-18 撒水分佈位置鳥瞰圖 ... 40

圖 3-19 資料擷取系統示意圖 ... 40

圖 3-20 熱電偶配置示意圖 ... 41

圖 4-1 有無集熱板對於撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 44

圖 4-2 有無集熱板對於撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 44

圖 4-3 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 45

圖 4-4 有無集熱板於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 46

圖 4-5 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 47

圖 4-6 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果 ... 47

圖 4-7 貨架式模擬風速風向剖面圖 ... 51

圖 4-8 樑異側火源位置剖面圖 ... 52

圖 4-9 樑異側火源位置剖面圖 ... 52

圖 4-10 樑側之撒水頭裝設集熱板於不同高度不同火源位置 ... 52

圖 4-11 兩層式撒水頭情境一火源溫度曲線圖 ... 63

(13)

VII

圖 4-12 兩層式撒水頭情境五火源溫度曲線圖 ... 63

圖 4-13 兩層式撒水頭情境六火源溫度曲線圖 ... 64

圖 4-14 兩層式撒水頭情境九火源溫度曲線圖 ... 66

圖 4-15 快速反應型撒水頭 ... 66

圖 4-16 情境十與情境十一撒水頭溫度與撒水頭上方天花板溫度 ... 67

圖 4-17 改變天花板高度與撒水頭高度 ... 68

圖 4-18 不同天花板高度與撒水頭高度其撒水頭溫度與撒水頭上方天花

板溫度 ... 69

圖 4-19 情境十二火源溫度曲線圖 ... 69

圖 4-20 情境十三撒水頭溫度與撒水頭上方天花板溫度曲線圖 ... 70

圖 4-21 情境十三撒水頭作動時間與撒水頭作動五分鐘 ... 70

圖 4-22 情境十三撒水頭作動十分鐘與火源最後情形 ... 70

圖 4-23 情境十三撒水頭作動十分鐘與火源最後情形 ... 71

圖 4-24 遮蔽率 70%亂流示意圖 ... 71

圖 4-25 遮蔽率 70%無集熱板情境一與情境二撒水頭溫度... 74

圖 4-26 遮蔽率 70%有集熱板情境三撒水頭溫度 ... 74

圖 4-27 遮蔽率 70%有集熱板情境三與情境四撒水頭溫度... 75

圖 4-28 情境四加大火源熱釋放率 ... 75

圖 4-29 遮蔽率 0%有無集熱板情境五與情境六撒水頭溫度 ... 76

(14)

VIII

圖 4-30 遮蔽率 80%有無集熱板情境七與情境八撒水頭溫度 ... 76

圖 4-31 四顆密閉式撒水頭撒水頭位置示意圖 ... 78

圖 4-32 四顆開放式撒水頭火源溫度曲線 ... 79

(15)

IX

摘要

關鍵詞:集熱板、撒水設備、兩層式撒水頭、FDS、障礙物 一、研究緣起 近年來台灣經濟發展蓬勃,建築物也越蓋越高,人們更懂得享受大空間或挑高空 間的設計,這些建築物不外乎是大賣場、機場、車站、捷運站等。而這些場所因根據 法規規定當撒水頭迴水板離天花板超過 30cm 時,必須設置集熱板之規定。但其設置 集熱板之情形皆有不同之情況,其集熱板對於撒水設備之有效性是值得進行探討。 二、研究流程與步驟 首先本研究將蒐集國內、外撒水頭集熱板之材質、形式及配置情形,作為此研究 進行相關比較之依據,目前蒐集之資料顯示歐美並無集熱板之相關法規要求,而其他 國家則將於研究時蒐集分析及討論。同時亦將蒐集國內、外撒水頭設置集熱板之相關 設計案例、法規規範,作為此研究之參考,並將其進行整合比較及分析。 依據蒐集之資料,了解國內外目前撒水頭設置集熱板實況,建置 FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬空間進行電腦模擬,分析集熱板設置之高度、距離、形狀、 材質等來求得其撒水頭作動之情境。根據其模擬結果設計實驗之情況據以觀察影響探 測器作動時間之因子。 首先對於國內實務上多有於「各類場所消防安全設備設置標準」第四十七條規範 以外之其他處所設置集熱板之情形,將至現場勘查以規納目前集熱板使用之現況,作 為實驗設計之參考。爾後針對該分類場所設置及未設置集熱板實驗,比較其是否影響 撒水頭動作之有效性。最後,考量撒水頭下方有冲孔天花板等是否會有整流效果,導 致因撒水無法充分擴散之撒水障礙,本研究將量測有無冲孔天花板所造成之撒水分佈 差異及水滴到達地面之速度情況以比較其滅火之特性差異為何? 另針對是否設置兩層 撒水頭及搭配集熱板之比較亦將進行探討以進行其可行性分析。綜合上述實驗之結果 進行探討與分析以得到對於集熱板之設置的最佳化條件。 三、重要發現

(16)

X 於文獻之資料收集分析比較國內外法規及進行模擬與實驗結果有以下幾項重要發現: 1、 首先針對於國內、外設置集熱板現況本案蒐集了 22 件設置集熱板之現況,並加以 進行 FDS 模擬可得知,對於現今裝設集熱板之情形,其有效性只位於火源火羽區 內(fire plume)範圍內,才能使其達到有效蓄熱之效果。且根據先前所蒐集相關美國 集熱板滅火試驗所得到的結果相同,因此,對於現今裝設集熱板與未設集熱板之 情境皆須位於火源之火羽區內(fire plume)才能使其達到作動之基準。 2、 目前美國及日本已經皆未出現集熱板相關法規及設計,且對於美國相關集熱板滅 火試驗也可得知集熱板已經於 1990 年證實為無效之設計。而根據設計案例所蒐集 之資料顯示目前僅我國與大陸目前還有集熱板之設置與法規規範,但皆未有相關 實驗去證實其集熱板之有效性。因此,本案對於集熱板之有效性於模擬及實驗部 分,已經證實裝設集熱板並未能增加撒水頭蓄熱之效果。 3、 因實驗空間限制,其集熱板實質效果及有效性實驗可能與模擬空間與架設之情 境無法達到相同之設置。但針對實驗結果,針對於本案所蒐集之國內設計案例, 可發現其目前設置集熱板之情形皆為無效。 4、 對於上方有障礙物時裝設兩層式撒水頭作動較為不穩定,且容易造成撒水障礙, 而須考量到設置高度才能使目前裝設一般反應型之撒水系統的有效性顯現出來。 若設置兩層式撒水頭可建議消防主管機關仍可要求設置上層撒水頭以控制上層 火災之部分。但因下層會造成撒水障礙,因此仍須設置撒水頭於下層部分,且 將自動撒水設備改採取探測器連動開放式撒水頭,並能有效的達到下層防護機 制。 四、主要建議 根據研究發現,本研究針對撒水設備集熱板設置探討及法規擬定研究,及各專家學者審查 後提出下列具體建議,分別從立即可行之建議及中長期建議加以列舉。 建議一 修訂集熱板相關條文:立即可行之建議

(17)

XI 主辦機關:內政部消防署 協辦機關:內政部建築研究所 在本研究實驗與電腦模擬於集熱板相關有效性實驗結果發現,不管其有無裝設集熱板僅火 源位於火羽流範圍內才能達到有效啟動滅火之情形。且針對於裝設集熱板,並未能有效增加撒 水頭溫度,而現今美國、日本已經無相關集熱板之設置與法規規範。且根據實驗與模擬結果可 與美國對於集熱板有效性得到相似之成果。因此,建議消防署以本案成果為修訂法規之草案依 據,將各類場所消防安全設備設置標準第四十六條第二項第一款第四目以及第四十七條第二項 進行修訂,其相關條文修訂請參閱附錄六。 建議二: 不同天花板高度及遮蔽條件下探測器及撒水頭有效作動與滅火效能測試之研究:中長期建 議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:內政部建築研究所 針對不同天花板高度及遮蔽條件下探測器及灑水頭有效作動與滅火效能之掌握,將隨著 集熱板 之廢止使用而成為重要之議題,唯有進行全面性的探討與研究,方能提供如具風管等 障礙物所造成撒水障礙之問題的解決。

(18)
(19)

XIII

ABSTRACT

Keywords: Heat Absorbing Plate, Sprinkler System, Two Layer Sprinkler, FDS, Obstruction Research Introduction

The buildings are built taller and taller because the economy of Taiwan grows quiet quickly. The shopping malls, airports, train stations, subway were all built with very tall atrium and large spaces. The heat absorbing plates were used quite often, however their misuses increase the fire risk of these buildings. Therefore, the applications should be explored to make sure the safety of the buildings.

Research Procedure

The applications and requirements of the heat absorbing plates should be collected and discussed to find their reasons of installation in Taiwan and other countries in order to modify the code of NFA.

FDS is also used to simulate the actuation time of sprinklers under different conditions, such as height, configuration, or space of the sprinkler installation, to find the appropriate conditions in order to set up the experiments of the tests.

The fire experiments consider two-layer ceiling tests in order to make sure if the water can suppress the fire or not during the secondary ceiling layer block.

Important Discovery

By using FDS simulation, it is found that the heat absorbing plates are only available inside the fire plume area.

The heat absorbing plates are only used in Taiwan and China from the literature review and it is found they were installed at inappropriate locations.

The fire tests also prove that the heat absorbing plates are not a useful design.

From the fire tests under two-layer ceiling, it was found that the fire could not be extinguished when the sprinkler was actuated on the upper ceiling layer because the water was blocked and could not reach the fire effectively.

(20)

XIV

Recommendations Recommendation 1:

To modify the article of the heat absorbing plate in the code of NFA: immediately feasible recommendation

In Charge Organization: NFA Assistant Organization: ABRI

Recommendation 2:

The performance tests of detectors and sprinklers under different ceiling height and shield conditions: long term recommendation

In Charge Organization: ABRI Assistant Organization: ABRI

(21)

1

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

近年來台灣經濟發展蓬勃,建築物也越蓋越高,人們更懂得享受大空間或挑高空 間的設計,這些建築物不外乎是大賣場、機場、車站、捷運站等;而這些場所更是民 眾眾多的場所,若火災發生時,更顯得消防的重要性。而自動撒水系統可以延遲或避 免火場的閃燃發生,於火場中有效控制火勢延燒及避免結構物破壞的消防設備之一(蘇 崇輝等,2011)。依「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十 七條撒水頭側面有樑時,當撒水頭與天花板距離超過三十公分以上,應有設置集熱板 之法規規範,而目前集熱板應用於實務上時其撒水頭與天花板之距離可能五十公分或 甚至距離一百八十公分以上或非位於樑之旁邊時亦已設置集熱板之方式為之,而其是 否能夠有效幫助撒水頭作動,其集熱板之設置實質性是需要進行探討的。 根據「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第 47 條撒水頭側 面有樑,係考量撒水頭要符合設於裝置面下方 30 公分內,迴水板又要與樑底保持在一 定距離以下,因可能無法兼顧二者之規定,故有設集熱板之規定且當撒水頭其迴水板 與天花板或樓板之距離超過三十公分時,依下列規定設置集熱板: 1. 集熱板應使用金屬材料,且直徑在三十公分以上 2. 集熱板與迴水板之距離,在三十公分內以下。 根據國內法規「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十 六條高架儲存倉庫貨架撒水頭設置集熱板,係為避免感熱元件遭上方撒水頭淋濕,影 響作動時間,而此標準並無施工規範,而第四十七條第二項當撒水頭迴水板下方四十 五公分內及水平方向三十公分內,應保持淨空間,不得有障礙物,而當其迴水板與天 花板或樓板之距離超過三十公分時,應依規定設置集熱板。 而觀察現今大型空間與挑高空間建築物,撒水頭的安裝位置不一定都能位於上方 的蓄熱空間。目前均設置集熱板以幫助撒水頭作動,並且廣泛應用於上方有阻礙物之 場所,然而當撒水頭的迴水板與天花板的距離太大時,熱的蓄積效果不佳,不容易使

(22)

2

撒水頭作動。因此本研究將針對其設置位置之適當性進行探討與分析。另外撒水頭下 方經常出現之整流天花板是否會出現滅火性能阻礙亦是本研究希冀探討之問題。

(23)

3

第二節 研究流程與步驟

首先本研究將蒐集國內、外撒水頭集熱板之材質、形式及配置情形,作為此研究 進行相關比較之依據,目前蒐集之資料顯示歐美並無集熱板之相關法規要求,而其他 國家則將於研究時蒐集分析及討論。同時亦將蒐集國內、外撒水頭設置集熱板之相關 設計案例、法規規範,作為此研究之參考,並將其進行整合比較及分析。 依據蒐集之資料,了解國內外目前撒水頭設置集熱板實況,建置 FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬空間進行電腦模擬,分析集熱板設置之高度、距離、形狀、 材質等來求得其撒水頭作動之情境。根據其模擬結果設計實驗之情況據以觀察影響探 測器作動時間之因子。首先針對貨架撒水頭設置集熱板之施工規範芻議,實驗其動作 及防護情形,分析其實驗結果並作為撰寫施工規範之參考。 其次,對於國內實務上多有於「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署, 2012)第四十七條規範以外之其他處所設置集熱板之情形,將至現場勘查以規納目前集 熱板使用之現況,作為實驗設計之參考。爾後針對該分類場所設置及未設置集熱板實 驗,比較其是否影響撒水頭動作之有效性。最後,考量撒水頭下方有冲孔天花板等是 否會有整流效果,導致因撒水無法充分擴散之撒水障礙,本研究將量測有無冲孔天花 板所造成之撒水分佈差異及水滴到達地面之速度情況以比較其滅火之特性差異為何? 另針對是否設置兩層撒水頭及搭配集熱板之比較亦將進行探討其可行性分析。綜合上 述實驗之結果進行探討與分析以得到對於集熱板之設置的最佳化條件。 最後將統整後之資料與結果,針對撒水頭設置集熱板設置規範細節芻議之相關研 究提出建議以作為各類場所消防安全設備設置標準修訂之參考。

(24)

4

圖 1-1 研究流程圖

(資料來源:本研究自行整理)

(25)

5

第三節 進度說明

本案目前已完成之進度說明如下表 1-1 所示,並以表 1-2 計畫進度甘特圖說已完 成之進度與預期完成之時間。

表 1-1 研究進度說明表

工作項目 完成進度 說明 國內外集熱板之材質、形式及 配置情形蒐集 已蒐集台灣、大陸相關之形式情 形。 國內外集熱板設計案例、法規 蒐集 已蒐集台灣、大陸之相關設計案 例,已蒐集台灣、大陸等地法規文 獻。 國內外集熱板滅火試驗蒐集 已蒐集台灣、美國之相關研究文 獻。 FDS 架構建置 已完成。 FDS 模擬 已完成。 第一次專家座談會 已完成。 會議內容如附錄 1 所示。 期中報告 已完成。 已提出期中報告書面資料。 會議內容如附錄 2 所示。 撒水設備有無集熱板之實質性 探討及測試 已完成。 針對沖孔性天花板之撒水設備 集熱板設置之探討及測試 已完成。 設置兩層撒水頭搭配集熱板之 實質性探討 已完成

(26)

6 第二次專家座談會 已完成。 會議內容如附錄 3 所示。 期末報告 已完成。 已提出期中報告書面資 料。 研究成果提出 依計畫進度於期末報告修訂後提 出研究成果。 (資料來源:本研究自行整理)

(27)

7

表 1-2 研究計畫進度甘特圖

( 已完成進度、 預期完成進度) 月 工作項目 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 備 註 國內外集熱板之材 質、形式及配置情形 蒐集 國內外集熱板設計案 例、法規蒐集 國內外集熱板滅火試 驗蒐集 FDS 架構建置 FDS 模擬 第一次專家座談會 期中報告 撒水設備有無集熱板 之實質性探討及測試 針對沖孔性天花板之 撒水設備集熱板設置 之探討及測試 設置兩層撒水頭搭配 集熱板之實質性探討 第二次專家座談會 期末報告 研究成果提出 預定進度 (累積數) ﹪ 4 ﹪ 1 6 ﹪ 3 1 ﹪ 4 0 ﹪ 5 2 ﹪ 6 4 ﹪ 7 3 ﹪ 8 5 ﹪ 9 4 ﹪ 9 7 ﹪ 1 0 0 ﹪ (資料來源:本研究自行整理)

(28)
(29)

9

第二章 文獻回顧

第一節 國內外集熱板之材質、形式及配置情形蒐集

國內外集熱板之材質、形式: 依國內「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十六條、 第四十七條與大陸「自動噴水滅火系統設計規範」(大陸,2005)第 7.1.7 條、第 7.2.3 條等,依照標準規範須設置集熱板,以下整理為集熱板形式與材質分類如表 2-1 所示:

表 2-1 集熱板形式與材質分類

來源 形式 材質 規格 台灣 向上型集熱板 金屬 直徑三十公分 架腳高三十公分 台灣 向下型集熱板 金屬 直徑三十公分 台灣蘇崇輝 集熱加強型集熱板 金屬 開孔率為 5%,每個洞孔 直徑為十五公厘

(30)

10 大陸常熟市金龍消 防器材有限公司 直立型聚熱罩 0.3 公厘不鏽鋼板 0.3 公厘不銹鐵板 0.3 公厘冷軋鐵板 直徑二十公分、三十公 分、四十公分 下垂型聚熱罩 0.3 公厘不鏽鋼板 0.3 公厘不銹鐵板 0.3 公厘冷軋鐵板 直徑二十公分、 三十公分、 四十公分 邊牆測噴集熱罩 0.3 公厘不鏽鋼板 0.3 公厘不銹鐵板 0.3 公厘冷軋鐵板 長二十公分 寬十五公分 大陸北京消防器材 設備銷售中心 集熱罩 鏡面不鏽鋼 馬口鐵(鍍鋅鋼板) 直徑二十公分、 三十公分、

(31)

11 四十公分。 大陸福建省南安市 威達消防器材有限 公司 集熱罩 不鏽鋼集熱罩 直徑二十公分、 三十公分、 三十八公分、 四十公分。 (資料來源:本研究自行整理)

(32)

12

第二節 國內外集熱板設計案例、法規蒐集

國內設計案例與法規: 針對於國內設置集熱板相關場所設計案例,整理如表 2-2 所示。

表 2-2 國內設置集熱板相關案例

地點 照片 天花板高度 集熱板高度 相差高度 特力屋 7.2m 6.6m 0.6m 特力屋 7.2m 5.6m 1.6m 旺來鄉-食品原 料專業賣場 3.6m 3.3m 0.3m HOLA-特力和 樂 5.2m 4.3m 0.9m

(33)

13 家樂福 5.3m 4m 1.3m 家樂福 5.3m 4m 1.3m 大潤發 5.3m 4m 1.3m 台糖嘉年華購物 中心-Sugar Mall 6.6m 4m 2.6m 台灣高鐵台南站 6.3m 5.4m 0.9m 6.6m 5.8m 0.8m 12m 11.1m 0.9m

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14 京站時尚廣場 B2 4.7m 3.6m 1.1m 京站時尚廣場 F2 5.6m 3.4m 2.2m 台北車站地下街 3.4m 2.2m 1.2m 中山地下街 3.4m 2.5m 0.9m 4.6m 3.7m 0.9m 徐匯廣場 4.5m 3.1m 1.4m (資料來源:本研究自行整理) 根據表 2-2 所蒐集之國內相關集熱板設置場所,並依據「各類場所消防安全設備 設置標準」(內政部消防署,2012)第十二條場所分類,如下表 2-3 所示。

(35)

15

表 2-3 國內法規場所分類

商場 車站 地下街通路 根據表 2-2 蒐集個數 12 個 3 個 4 個 根據「各類場所消防安全設備設置標準」 第十二條分類 商場為 甲類第四目 車站為 乙類第一目 地下街通路為 戊類場所第三目 (資料來源:本研究自行整理) 由表 2-3 場所分類得知目前所蒐集之集熱板相關案例,場所分類為商場、車站、 地下街通路,而根據「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四 十六條撒水頭配置之情形,如表 2-4 所示。

表 2-4 國內法規撒水頭配置

商場 車站 地下街通路 根據「各類場所消防安全設備設置標準」第四十六條進行配置 (一)一般反應型撒水頭 (第二種感度),各層任一 點至撒水頭之水平距 離在 二點一公尺以下。但防火構 造建築物,其水平距離,得 增加為 二點三公尺以下。 (一)一般反應型撒水頭(第 二種感度),各層任一點至撒 水頭之水平距 離在二點一公 尺以下。但防火構造建築物, 其水平距離,得增加為二點三 公尺以下。 六、地下建築物天花板與樓板 間之高度,在五十公分以上 時,天花板與樓 板均應配置 撒水頭,且任一點至撒水頭之 水平距離在二點一公尺以 下。但天花板以不燃性材料裝 修者,其樓板得免設撒水頭。 (資料來源:本研究自行整理) 根據「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十六條第二 項第一款第四目,當設置貨架式撒水頭設置符合第四十七條第二項規定之集熱板。但 使用經中央主管機關認可之貨架撒水頭者,不在此限。 根據「各類場所消防安全設備設置標準」第四十七條第一項第八款密閉式撒水頭 側面有樑時,依下表 2-5 裝置。

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表 2-5 國內法規側面有樑時撒水頭配置

撒水頭與樑側面淨距離 (公分) 74 以下 75 以上 99 以下 100 以上 149 以下 150 以上 迴水板高出樑底面尺寸 (公分) 0 9 以下 14 以下 29 以下 (資料來源:見內政部消防署,各類場所消防安全設備設置標準,2012) 且根據「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十七條第 二項規定,當第四十七條第一項第八款之撒水頭,其迴水板與天花板或樓板之距離超 過三十公分時,依下列規定設置集熱板: (1) 集熱板應使用金屬材質,且直徑在三十公分以上。 (2) 集熱板與迴水板之距離,在三十公分以下。 國外設計案例與法規: 針對蒐集大陸設計集熱板之案例,設計案例如下: 大陸某工廠單層廠房樓地板面積三萬多平方米,按照大陸建築設計防火規範規定 該廠房應設置消防栓滅火系統外,還應設置自動噴水滅火系統。廠房內有四處採光天 窗且天花板高度平均為 8.3 公尺,其中兩處採光窗面積為 720 平方公尺,另外兩處採 光窗面積為 540 平方公尺,由於採用豎式天窗,故採光天窗比其他地方高於 3 公尺, 若該處噴頭懸吊於天花板時,則噴頭高度離地面大於 8 公尺以上噴頭感熱元件的作動 會受影響。若選用其他高流量噴頭或快速反應大粒徑噴頭,大陸方面此類產品較少, 另一方面同一空間內不宜適用兩種不同壓力之噴撒系統,經多次研究比較決定採用集 熱板的輔助技術措施方案解決。 集熱板在高架儲存倉庫內分層布置噴頭時,當分層板上有孔洞、縫隙時應於該處 噴頭上方設置集熱板。目的是當火災發生時,使噴頭感熱元件能在其上方局部面積迅 速聚熱而作動撒水。 最後設計為,噴頭安裝高度一致離地面 7.6 公尺到 8.1 公尺,在採光窗處下方噴頭 則距離採光天窗處為小於等於 3.3 公尺,因噴頭感熱元件無法達到預期效果,該處每 個噴頭(約兩百多個撒水頭)上方均裝設集熱板。(大陸)

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17 大陸某貨運中心原設計天花板高度為 8.1 公尺,屋頂為金屬承重結構,按相關規 定設置自動撒水滅火系統,原設計噴頭安裝高度距離地面 7.7 公尺。後因需要業主自 行決定將鋼屋架連同自動撒水系統管道往上提高 2.3 公尺,而噴頭安裝高度則改變為 離地面 10 公尺,經大陸消防部門檢驗不合格。經研究後採用加層安裝自動撒水系統, 原安裝於 10 公尺之管道與噴頭高度不變,但在下方 7.6 公尺處應增設自動撒水滅火系 統。 而上層撒水頭為保護屋頂鋼板使用,上層撒水頭使用向上式撒水頭,這樣天花板 屋頂則不需防火塗料等其他防火措施,下方新增撒水系統則做為保護地面可燃物使用, 但由於噴頭離天花板達 2.8 公尺遠遠超過了規範所規定離天花板 15 公分之要求。因此, 在下層撒水系統每顆噴頭上方均設置集熱板,如案例一做法相同。(大陸) 根據大陸「自動噴水滅火系統設計規範」(大陸,2005)第 7.1.7 條,當貨架上方的 貨架層板,應為封閉層板。貨架內噴頭上方如果有孔洞、縫隙,應在噴頭上方設置集 熱擋水板。而集熱擋水板應為正方形或圓形金屬板,其平面面積不宜小於 0.12 平方公 尺,周圍彎邊的下沿,宜與噴頭濺水盤平齊。如下圖 2-1 所示。

圖 2-1 大陸法規集熱板示意圖

(資料來源:見大陸,自動噴水滅火系統設計規範,2005)

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大陸「自動噴水滅火系統設計規範」(大陸,2005)第 7.2.3 條,當管道、成排佈置 的管道、橋架等障礙物的寬度大於 1.2 公尺時,其下方應增設噴頭(此規範根據 NFPA13

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圖 2-2 大陸法規集熱板設置示意圖

(資料來源:見大陸,自動噴水滅火系統設計規範,2005) 根據大陸「汽車庫、修車庫、停車場設計防火規範」(大陸,1998)第 7.2.3.2 條, 機械式立體汽車庫、複式汽車庫的噴頭除在屋面板或樓板下按停車位的上方佈置外, 還應按停車的拖板位置分層佈置,且應在噴頭的上方設置集熱板。 陳文龍(陳文龍,1997:22)針對貨架式撒水頭裝設之美國 NFPA 與我國法規進行比 較,國內「各類場所消防安全設備設置標準」(內政部消防署,2012)第四十六條規定, 設貨架式撒水頭依儲存物品有所不同,儲存棉花類、塑膠類、木製品、紙製品或紡織 製品等易燃物品時,每四公尺高度至少設置一個貨架式撒水頭;儲存其他物品時,每 六公尺高度至少設置一個,並應採交錯配置如圖 2-3 所示。美國 NFPA 有關於高架倉 儲為防止往上延燒,要求設置水平隔板或排面撒水頭,但兩者並非一定同時設置,其 設置如圖 2-4 所示。

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圖 2-3 我國法規貨架倉儲撒水頭配置圖

(資料來源:見陳文龍,高架儲存倉庫自動撒水設備等的設置及比較,1997)

圖 2-4 NFPA 中高架倉儲水平隔板或排面隔板示意圖

(資料來源:見陳文龍,高架儲存倉庫自動撒水設備等的設置及比較,1997)

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第三節 國內外集熱板滅火試驗蒐集

蘇崇輝、劉俊豪、鐘豐安、黃健智(蘇崇輝等,2007:342)提出由 FDS 模擬結果顯 示,撒水頭感測到煙的溫度,煙會先上浮至天花板慢慢累積煙層並蓄積熱量,故無裝 設集熱板,但距離天花板高度下三十公分之撒水頭作動時間較快;相較於雖然設置集 熱板且靠近火源,但集熱板與撒水頭溫度探測點仍有法規規定,因此集熱板所蒐集之 對流熱及輻射熱效果並不明顯,顯示裝設集熱板之撒水頭傳熱效果有限。 林一聲(林一聲,2011)提出縱觀美日兩國的最新規範 (2010 版) 已經全盤否決集 熱板的存在,現在所有既設的裝置幾乎全處於不安全的狀態,現存有關集熱板的規定 都必須加以檢討、修改,如表 2-6 所示。

表 2-6 各國法規設置集熱板比較

「各類場所消防安全設備設置標準」 日本消防安全規則 平成 22 年版 NFPA 13 2010 年版 第 47 條第二項 前項第八款之撒水頭,其迴水板與天花板或樓板之距 離超過 30 公分時,依照下列規定設置集熱板。 一. 集熱板應使用金屬材料,且直徑在 30 公分以 上。 二. 集熱板與迴水板之距離,在 30 公分以下。 並無相關規定 並無相關規定 (資料來源:見林一聲,談撒水頭集熱板的存廢,2011) 蘇崇輝、吳健瑋、陳國基(蘇崇輝等,2011)提出若將集熱板適當改善,可提升集 熱效果。並有效控制每一次火源燃燒時都相同的基準下,經與傳統式集熱板比較撒水 頭破裂時間,改善之集熱板可提早四分之一至三分之一作動時間。

根據美國核能管理委員會(United States Nuclear Regulatory Commission,簡稱為 NRC)資訊公告中(NRC,2002)提出於探測器與撒水頭安裝集熱板(heat collectors) 相對之潛在問題。其集熱板的主要目的是減少撒水頭離天花板差距越大時所需作動時 間。

對於 20 世紀 70 年代末與 80 年代初一些自動撒水滅火系統設計師與消防工程師支 持安裝集熱板可以幫助其作動時間,而他們的理由火羽所創造的溫度或 draft conditions

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22 導致水滴打入火羽之前蒸發,而撒水頭和地面可燃物品之間的間隙可能導致問題加大 之情形產生,因此他們安裝集熱板使得撒水頭可更接近可燃物。而其他自動撒水滅火 系統設計師與消防工程師認為,天花板上方有電纜、管道、配管、通風系統過於壅塞 時,撒水頭可安裝低於這些天花板水平障礙物,並應制定適當的噴撒模式。而 NFPA 13 標準 1999 年版規定撒水頭安裝於天花板阻塞時規範出:當無障礙建築物,撒水頭迴水 板與天花板距離應為最小 1 英吋(2.54 公分)與最大 12 英吋(30.48 公分),NFPA 13 標準允許於受阻礙建築物其安裝距離可放大至 22 英寸(55.88 公分)以下,還要求撒 水頭安裝必須低於這些固定障礙物,並提供充分撒水覆蓋於天花板水平。 而 NFPA 13 標準也未針對集熱板安裝有相關規定,NFPA 13 標準推出最早版本位 於 1963 年,而 Guards & Shields 一詞最早出現於 NFPA13 標準中,其主要功效用於保 護噴頭部分。而集熱板在 NFPA 技術文件修訂為 baffles 一詞於 1963 年版,並於 1973 年再次進行全面修訂,又將 baffles 一詞改為 shields。而 shields 設計與集熱板非常相 似,shields 是一種金屬板被設置火災區域的半空中,並提供完整的天花板水平撒水保 護。Shields 功能是為了保護從半空中撒水產生的 cold-soldering,cold-soldering 發生於 當撒水頭作動時(位於天花板附近之撒水頭)弄濕半空中的撒水噴頭以至於延遲其作動 時間。(NFPA13,2002)NFPA231C 針對於貨架儲存物料之貨架式噴頭,如果 shields 不 造成水平障礙應直接提供 shields 或是使用上市已配備 shields 之撒水頭。(NFPA231C, 2002)

集熱板第一次測試於美國原子能委員會(U.S. Atomic Energy Commission,簡稱為 AEC 之後便發展為 NRC)於 1973 年的報告中提出測試集熱板對於煤油火災的撒水頭 作動影響性。在 1989 年春天 Russell P. Fleming(Russell P. Fleming,1989:21)按照撒水 頭統計數據提出集熱板是有缺陷的。Fleming 的結論是集熱板且裝設標準反應撒水頭 位於 3 英尺(0.91 公尺)的煤油火災,其撒水頭主要依靠輻射熱來達到作動基準。而 在更現實的火災場景,撒水頭主要依靠對流熱來達到作動基準。(McCormick, J.W 等, 1973)

而 U.S. Department of Energy Rocky Flats Plant 在 1990 年 1 月(Shanley, J. H.等, 1990)得到相似的結果,此研究中進行了大規模與小規模實驗來證明集熱板作動之依據

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23 為火羽噴流所產生對流熱使其達到作動。此研究提出了使用快速撒水頭搭配集熱板之 效果,得到四點結論: (1) 集熱板的側邊緣產生一個無效的空氣空間,所以反應時間參數較長。 (2) 集熱板必須在火羽的有效範圍內,超過 1 英尺至 2 英尺不論其靈敏度若是一 般標準型撒水頭可能需要較長的作動時間。 (3) 如果火勢位於兩顆撒水頭中間,因屋頂噴流所產生的對流熱,不論集熱板之 大小並不影響作動時間。 (4) 快速撒水頭作動時間較快只有當火源位於集熱板正下方時。 NRC 檢查人員提出因缺乏技術文件、相關測試或計算無法支持自動撒水滅火系統 集熱板安裝於火場中。也同時發現一些相關機構人員安裝集熱板於他們設施中並沒有 進行相關工程評估去證明。值得關注的是當撒水頭裝有集熱板需裝設於可燃物的下方 (即電纜等),但在此配置情況下電纜發生火災,則撒水頭將無法達到作動情形。技術 層面關注的是,當集熱板傾斜或垂直模式其無法撒水達到控制火勢。 在於 NFPA 標準規範要求層面,對於集熱板 NRC 檢查人員提出兩個問題: (1) 天花板上的撒水頭距離、間距與位置等並不符合 NFPA13 標準之規定(即當集 熱板被安裝於電纜的下方) (2) 在某些消防應用,撒水系統已安裝集熱板設計,且根據 NFPA15 標準之要求 使用開放式之撒水頭,其因開放式撒水頭並沒有感熱元件,其當偵測到火災時所有噴 頭會同時撒下進行放射並控制火勢。且如之前所述,當使用密閉式撒水頭搭配自動撒 水滅火系統時,其感熱元件需妥散安裝於天花板屋頂噴流之對流熱位置。當安裝集熱 板之撒水頭遠低於天花板沒有被證明是有效的,並可能損害自動撒水滅火系統之有效 性。(NFPA15,2002) 吳冠廷(吳冠廷,2011)提出當空間以 2l×3m×5n 之方式進行模擬時,其電腦計算時 間明顯較未以 2l×3m×5n 之方式模擬時間來的長,但模擬結果卻是沒有太大的差異, 而模擬之時間並未遵循使用手冊之結果,其可能之影響因素為 MESH 切割數量與串聯 之電腦數量,以及空間內部設置之複雜度,皆可能影響模擬之時間長短。此文獻對於 本研究之模擬情形以及模擬空間等設置之方法。

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Gunnar Heskestad (Gunnar Heskestad,2002)提出如何估計火羽流之寬度、溫度及 速度最先由 Cetegen and Zukoski 所發展出來的。Cetegen and Zukoski 藉由虛擬原點之 概念及火羽流之溫度、速度成高斯分佈之特性,發展出估算火羽流溫度及速度之公式。 利用此公式計算本研究實驗之火的大小,且對於火羽流的溫度與速度進而分析其撒水 頭作動之溫度與速度等之依據進行相關探討。

陳泓翔(陳泓翔,2011)提出 Alpert’s Correlation、Heskestard 和 Delichatsios 之天花 板噴流經驗公式主要功用有:同位置之煙氣最高溫度及最大速度,出現最高溫度與最大 速度後,便可用此估算探測器之作動時間。本研究之探測器連動撒水頭作動之溫度與 速度,皆可使用此公式進行推算。 林杰宏(林杰宏,2011)提出撒水頭作動時間之比較,經由比較之後,電腦模擬所 得到之撒水頭作動時間與實際實驗之撒水頭作動時間相距不大,誤差於 10%以內。此 研究可做為本研究模擬撒水頭作動之時間與實驗結果之比較,可以作為參考之依據。

NFPA 92B,“Guide for Smoke Management System in Malls”, Atria, and Large Areas, National Fire Protection Association(NFPA 92B,2002)提出傳統之煙控系統設計中,常 將建築物劃分為高溫煙層與低溫空氣層,並以兩者間的介面定義為煙層高度。但實際 上,高溫煙層與低溫空氣層之間會存在一煙層過度區域,此過度區域之底部稱為煙層 第一徵兆。此文獻可對於撒水頭或探測器之作動煙控等之參考用。 陳清峰(陳清峰,2006)根據其實驗結果發現有隔層建築物之隔層會阻礙煙層之沉 澱,使煙層之煙濃度分布會隨著隔層高度而有所不同。無隔層建築物並無隔層阻礙煙 層沉降之問題,使煙濃度會隨者建築物高度降低而均勻遞減。而本文獻中對於煙層與 阻礙等皆可提供於本研究中進行相關實驗設計等之使用。

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第三章 研究方法與設計

首先本研究將蒐集國內、外撒水頭集熱板之材質、形式及配置情形,作為此研究 進行相關比較之依據,目前蒐集之資料顯示歐美並無集熱板之相關法規要求,而其他 國家則將於研究時蒐集分析及討論。同時亦將蒐集國內、外撒水頭設置集熱板之相關 設計案例、法規規範,作為此研究之參考,並將其進行整合比較及分析。 依據蒐集之資料,了解國內外目前撒水頭設置集熱板實況,建置 FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬空間進行電腦模擬,分析集熱板設置之高度、距離、形狀、 材質等來求得其撒水頭作動之情境。根據其模擬結果設計實驗之情況據以觀察影響探 測器作動時間之因子。首先對於國內實務上多有於「各類場所消防安全設備設置標準」 (內政部消防署,2012)第四十七條規範以外之其他處所設置集熱板之情形,將至現場 勘查以規納目前集熱板使用之現況,作為實驗設計之參考。爾後針對該分類場所設置 及未設置集熱板實驗,比較其是否影響撒水頭動作之有效性。最後,考量撒水頭下方 有冲孔天花板等是否會有整流效果,導致因撒水無法充分擴散之撒水障礙,本研究將 量測有無冲孔天花板所造成之撒水分佈差異及水滴到達地面之速度情況以比較其滅火 之特性差異為何? 另針對是否設置兩層撒水頭及搭配集熱板之比較亦將進行探討以進 行其可行性分析。綜合上述實驗之結果進行探討與分析以得到對於集熱板之設置的最 佳化條件。

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第一節 FDS 電腦模擬

模擬軟體介紹

FDS(National Insitute of Standards Technology,2002)是由 National Institute of Standards and Technology(NIST)發展出來的一套電腦模擬軟體,它可用來模擬火災

發生以及氣流動態等情況。此程式之設計原理為遵循質量守衡(Conservation of Mass)、

物種守衡(Conservation of Species)、動量守衡(Conservation of Momentum)以及能 量守衡(Conservation of Energy)等四種守衡關係而發展出來的程式。

FDS 主要是以大渦流模擬法(Large Eddy Simulation,LES)為基礎,將建築物空 間切割為多格細小之格點,利用數值法求得各守恆方程式之解,可以用來模擬火災發 生以及氣體流動之狀態等情境。Smoke view 將 FDS 所計算之結果,利用繪圖軟體呈 現出 2D 或 3D 動畫效果。 依據蒐集之資料,了解國內外目前撒水頭設置集熱板實況,建置 FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬空間進行電腦模擬,分析集熱板設置之高度、距離、形狀、 材質等來求得其撒水頭作動之情境。根據其模擬結果設計實驗之情況據以觀察影響探 測器作動時間之因子。 模擬方法步驟流程 (一) 本研究以法規規定 500 平方公尺設置自動撒水設備,利用 FDS 模擬以實際 集熱板裝置之情形,模擬各種不同情境進行比較其撒水作動時間以及其有效性。 (二) 設立量測點-熱電偶(thermocouple)可量測其空間中之溫度、速度、能見 度。所以本研究會於不同高度、位置及集熱板上方裝設熱電偶,以測量以上所需數據, 以探討不同位置所產生之情境。 (三) 裝設集熱板設備之撒水系統設置-利用法規規定之裝設距離、防護範圍、設 置高度、顆數等,設置於模擬空間中,並可判斷其作動之時間、溫度、速度等進行比 較其實質性之探討。

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27 模擬空間建置 確立模擬工具後,本研究以蒐集國內相關裝設集熱板之場所,如表 2-2 所示,做 為其改變集熱板模擬之條件。本研究模擬情境項目分為三種配置: (1)集熱板模擬有效性,將按照以法規規定 500 平方公尺為一防煙區劃進行繪製, 如圖 3-1 所示。

圖 3-1 集熱板模擬建置圖

且針對於場勘所蒐集之各個場所設置集熱板之情形可發現,一般設置集熱板現況 有兩種情形,一種為上方並無障礙物,另一種設置情形為上方有障礙物導致撒水頭需 設置於障礙物下方,但又因法規對於設置撒水頭規定,當撒水頭與天花板距離差距 30 公分以上時,需設置集熱板之必要性。因此對於此障礙物之情形,依據所蒐集之照片 依照其遮蔽率百分比進行分析統整如表 3-1 所示。

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表 3-1 場勘各條件分析

地點 天花板高度 集熱板高度 相差高度 集熱板上方 遮蔽率 特力屋 7.2m 6.6m 0.6m 0% 特力屋 7.2m 5.6m 1.6m 50% 旺來鄉-食品原料專業賣場 3.6m 3.3m 0.3m 0% HOLA-特力和樂 5.2m 4.3m 0.9m 100% 家樂福 5.3m 4m 1.3m 0% 家樂福 5.3m 4m 1.3m 25% 大潤發 5.3m 4m 1.3m 100% 台糖嘉年華購物中心-Sugar Mall 6.6m 4m 2.6m 0% 台灣高鐵台南站 6.3m 5.4m 0.9m 0% 台灣高鐵台南站 6.6m 5.8m 0.8m 0% 台灣高鐵台南站 12m 11.1m 0.9m 0% 京站時尚廣場 B2 4.7m 3.6m 1.1m 99.99% 京站時尚廣場 F2 5.6m 3.4m 2.2m 84.39% 台北車站地下街 3.4m 2.2m 1.2m 97.75% 中山地下街 3.4m 2.5m 0.9m 96% 中山地下街 4.6m 3.7m 0.9m 0.88% 徐匯廣場 4.5m 3.1m 1.4m 68.15% 徐匯廣場 4.5m 3.1m 1.4m 7.96% 大陸案例一 8.3m 5m 3.3m 未知 大陸案例二 10m 7.2m 2.8m 未知 (資料來源:本研究自行整理) 由表 3-1 可分析出兩種現況之情形,第一種現況設定為上方遮蔽率為 0%,第二種 現況設定上方障礙物為 70%以上。因此將此兩種現況分為現況 1 與現況 2 進行模擬分 析與討論,如表 3-2 所示。

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表 3-2 場勘遮蔽率分析

現勘圖例 遮蔽率 現勘場所數量 現況 1 0% 9 個 現況 2 70%以上 7 個 (資料來源:本研究自行整理) 並根據場勘蒐集天花板高度進行模擬之設置,場勘天花板高度最高為 12 公尺,最 低為 3.4 公尺,最多為 5.3 公尺,因此對於模擬空間設置天花板高度使用 5.3 公尺為設 置條件。而針對於不同火勢之大小,並找出撒水頭作動與未作動之臨界點。且改變不 同裝設集熱板之高度其撒水頭作動之比較。並依據現況改變上方障礙物之遮蔽率百分 比(遮蔽率 0%、40%、50%、60%、70%、80%、90%),如圖 3-2 所示,進行撒水頭 作動時間之比較,且若改變火源位置其撒水作動時間之情形。其模擬條件如表 3-3 所 示。

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表 3-3 模擬條件

模擬之空間大小 25m*20m*5.3m 撒水頭數量 56 顆(利用法規配置,撒水頭間距 3m) 上方遮蔽率 由根據現況進行改變上方遮蔽率,利用天花板面積計算百分比,並平均 分布於天花板(長方形障礙物條狀開口) 火源位置 中央四顆撒水頭中間 兩顆撒水頭中間 火源大小 用正庚烷油盤不同面積計算之火源熱釋放率 油盤直徑 熱釋放率 0.6m 615kW 0.7m 930kW 0.9m 1800kW (資料來源:本研究自行整理) (2)本研究模擬第二種配置將設置兩組貨架,如圖 3-3 所示。其尺寸為寬 1.2 公尺、長 5.2 公尺、高 4.5 公尺,且每一層貨架高度為 1.5 公尺,進行當天花板撒水 頭作動時,貨架式撒水頭裝設有無集熱板時,是否會影響其作動情形。且火源架設於 最底層之貨架。

圖 3-3 貨架式模擬示意圖

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32 (3)本研究模擬第三種配置將設置撒水頭與樑側淨距不同時,如圖 3-4 所示。裝 設集熱板是否能增加其有效性模擬,且火源位置放置於與撒水頭同側、異側與樑正下 方,並將撒水頭高度分別設置於 5.2 公尺、5 公尺、4.8 公尺進行模擬比較。且樑所設 置的高度為 50 公分,因此當撒水頭設置於 4.8 公尺時將會與樑平行同高。於此情形下 集熱板是否會增加撒水頭作動溫度與有效性。

圖 3-4 撒水頭與樑模擬示意圖

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第二節 實驗設置與實驗規劃

實驗空間 本研究實驗空間為內政部建築研究所防火實驗中心提供,如圖 3-5 所示,本次研 究實驗分為兩個部分:(1)集熱板有效性:集熱板上方有遮蔽物時,其遮蔽率 0%、 70%、80%對於有無裝設集熱板撒水頭之作動有效性。(2)兩層式撒水頭:整流板設 置時,其上層撒水頭與下層撒水頭之作動有效性,且對於上層撒水頭之撒水分布與滅 火測試實驗分析。

圖 3-5 實驗空間

實驗架設 其實驗平台一為長 6 公尺、寬 6 公尺及天花板高 5.3 公尺之空間進行實驗,如圖 3-5 所示。其撒水頭配置為一顆配置於實驗空間中央以及設置偵煙式、定溫式、差動 式探測器於撒水頭旁,並於上方架設鐵板為障礙物或整流板進行實驗第一、二部分。 且於撒水頭、天花板與火源位置上設置熱電偶串以利於分析其溫度,如圖 3-7 所示, 其架設整體空間之情形如圖 3-8 所示。

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圖 3-6 實驗架設鳥瞰圖

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圖 3-8 實驗空間架設示意圖

實驗架設遮蔽物情形 對於實驗第一部分與第二部分,上方需架設所謂遮蔽物、整流板進行不同遮蔽率 實驗與分析。因此,本研究架設方法為使用鐵板當作遮蔽物進行架設於兩組貨架中間 間距 3 公尺,其遮蔽率計算方式為:每個鐵板尺寸為長 3 公尺、寬 30 公分,且每片鐵 板皆有一個縫隙,其遮蔽率計算為一片鐵板與一個縫隙搭配。例如 70%遮蔽率計算為: 鐵板寬/鐵板寬+縫隙寬=30cm/30cm+12.5cm=0.70,即等於 70%遮蔽率。遮蔽率 示意圖如圖 3-9 所示。實驗實際架設遮蔽率 35%、70%、80%如圖 3-10~圖 3-12 所示。

圖 3-9 遮蔽物架設示意圖

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圖 3-10 遮蔽率 35%架設情形

圖 3-11 遮蔽率 70%架設情形

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37 實驗火源規劃與架設 (一)A 類火災 A 類火災之燃料採用單一之柳安木其規格各為高 30 公分、寬 15 公分、高 1.75 公 分,而每支重量約為 27 公克,依每層以 10 支為單位訂製 14 層為一組木框架,其總支 數為 140 支。從文獻得知 3 組木框架熱釋放率為 288.99kw。因此本次研究實驗將採用 6 組、9 組、12 組木框架進行實驗,且依序火源熱釋放率為 577.98kW、866.97kW、 1155.96kW。 (二)火源位置 其兩層式撒水頭火源位置分別置於撒水頭正下方為一號位置、與撒水頭間距 130 公分為二號位置以及於撒水頭間距 150 公分為三號位置,如圖 3-13 所示。

圖 3-13 兩層式撒水頭火源架設情形

其集熱板有效性火源位置分別位於距撒水頭 150 公分為一號位置與撒水頭間距 130 公分為二號位置,如圖 3-14 所示。

(58)

38

圖 3-14 集熱板有效性火源架設情形

實驗撒水頭規劃與架設 (一) 兩層式撒水頭實驗 於障礙物上方即天花板處設置密閉式撒水頭(K 值=80),如圖 3-15 所示。且實驗 平台與天花板距離分別為 5.3 公尺與 4.1 公尺,而撒水頭裝設位於離平台高度 5.2 公尺 與 4 公尺高,且障礙物分別距離天花板為 2.2 公尺與 1 公尺,並進行不同遮蔽率時於 遮蔽物上層之撒水頭是否會造成撒水障礙以及影響撒水頭作動之情形。

圖 3-15 密閉式撒水頭與天花板距離示意圖

(資料來源:本研究自行整理) (二) 集熱板有效性實驗 於實驗平台距天花板高 5.3 公尺,且於高度 3.1 公尺位置架設障礙物,並將撒水頭

(59)

39 下拉至離地板面 3 公尺高處,如圖 3-16 所示。且使用密閉式撒水頭(K 值=80)進行 有無裝設集熱板是否會影響撒水頭作動之情形。

圖 3-16 有無集熱板撒水頭裝設示意圖

撒水分佈實驗規劃與架設 測試當上方遮蔽率 0%時,上層撒水頭撒水所造成的分佈情形。並使用 25 個尺寸 為長 30cm 公分、寬 30 公分、高 20 公分的集水盤蒐集水量並分析其每個集水盤所獲 得的水量,且利用磅秤秤量集水盤所蒐集到的水重量扣掉原桶重,如圖 3-17 所示。並 將 25 個集水盤分別放置於樓地板 1/4 與中央位置,進行撒水分佈之測量,如圖 3-18 所示。

圖 3-17 集水盤與磅秤量測圖

(60)

40

圖 3-18 撒水分佈位置鳥瞰圖

實驗測量設備

(一)資料擷取系統(Data Acquisition,DAQ)

實驗中使用感測器(熱電偶、熱通量計)所量測之類比電壓訊號源,可藉由資料擷 取卡(DAQ Device)配合資料擷取軟體(Lab View 虛擬圖控程式語言),將類比訊號

(Analog Signal)轉換成數位訊號(Digital Signal),顯示於電腦螢幕端之虛擬圖控系統,

並於電腦端將資料統整記錄,以利後續分析與整理,其連接方式顯示於圖 3-19 所示。

(61)

41 (二)熱電偶(Thermocouple) 熱電偶(Thermocouple)之感測元件係是以差動電壓表示溫度,因此在兩組資料進 行差動運算時,已將外部雜訊干擾消除,其穩定性比一般熱敏電阻、電阻溫度計、以及 熱阻器來的好,也因此廣為工業界使用。 熱電偶之基本原理係由兩種不同金屬線焊接或絞合在一起,以構成一環路,不同金 屬在環路上造成兩個接合點,其中一個接點稱為量測接點或熱接點,另一接點稱為參考 接點或冷接點,此兩接點置於不同溫度中會因溫度差而造成環路電壓,稱為塞貝克效應 (Seebeck effect),而當兩種金屬形成一接點時會因為熱電動勢的不同而產生一電位差, 此電位差會因為溫度的上升而增大,故可以應用於溫度量測。熱電偶配置情形如圖 3-20 所示。

圖 3-20 熱電偶配置示意圖

(62)
(63)

43

第四章 研究發現與建議事項

第一節 FDS 電腦模擬研究發現

集熱板有效性模擬 模擬情境根據於場勘蒐集分類為兩種情境進行模擬與分析,分成上方遮蔽物為 0% 為情境 1,上方遮蔽物為 70%以上為情境 2,而現今所蒐集之現況以現況 1 居多,且 對於兩種情境根據不同火源大小,撒水頭高度,有無裝設集熱板等進行情境模擬與探 討。 情境 1: 上方無遮蔽物時,為遮蔽率 0%,因此針對此現況進行有無裝設集熱板之撒水頭 位於不同高度、不同火源大小進行模擬。 圖 4-1 為情境 1 之模擬情境,針對於有無裝設集熱板以及不同撒水頭設置高度, 且火源位於四顆撒水頭中間,火源熱釋放率為 930kW。由圖可得知當撒水頭離天花板 三十公分以上,其作動時間比一般設置離天花板三十公分以內之撒水頭慢了 282 秒, 其有無裝設集熱板,當撒水頭離天花板超過三十公分以上,其要使撒水頭作動必須要 靠上層煙的累積與溫度的累積達到一定高度,才能使撒水頭達到作動。而上層煙層累 積與溫度累積是往下(地板)慢慢增加,但其裝設集熱板反而造成了阻礙撒水頭碰到累 積煙層與溫度,反而有裝設集熱板之情況在撒水頭位於 5m 位置是沒有達到作動的。

(64)

44

圖 4-1 有無集熱板對於撒水頭裝設高度之模擬結果

因圖 4-1 所顯示,目前集熱板設計之現況離天花板都超過 30 公分以上皆未達到作 動之情形。因此,我們將火源大小降低至 615kW 與加大至 1800kW,並進行有無集熱 板之探討。 如圖 4-2 所示可得知當火源熱釋放率為 630 kW、915 kW 時(都位於四顆撒水頭 中間),不管有無裝設集熱板以及撒水頭高度位於 4.9m、4m、3m,其撒水頭都在 600 秒時未達到作動,其因為撒水頭並沒有位於火源的 fire plume 的範圍內。因撒水頭為 控制初期火災的消防設備,其有效性在小火源且位於火羽區外是失效的。 而當火源熱釋放率增大至 1800 kW 時,不管有無裝設集熱板以及撒水頭高度位於 4.9m、4m、3m,其作動時間皆為相近,其因撒水頭位於火源 fire plume 範圍內。當火 源大到 1800 kW 時,其有無裝設集熱板與撒水頭高度位置,其作動時間皆為一致。

圖 4-2 有無集熱板對於撒水頭裝設高度之模擬結果

針對於情境 1 小結: 對於此現況來說,無論是否有裝設集熱板,只要當撒水頭高度離天花板超過三十 公分,其有效性是較為不好的。對於現今大多裝設集熱板之情形,其有裝設集熱板跟 無裝設集熱板對於初期火災之控制是較差的。

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45 情境 2: 上方有遮蔽物時,為遮蔽率 70%~90%居多,因此針對此現況進行有無裝設集熱板 之撒水頭位於不同高度、不同火源大小進行模擬。 圖 4-3 為情境 2 之模擬情境,針對於不同遮蔽率且裝設集熱板之情形,並於不同 安裝集熱板之撒水頭高度,且火源位於四顆撒水頭中間,火源熱釋放率為 930kW 進行 模擬與探討。 其模擬結果可得知當撒水頭上方遮蔽率增加時,撒水頭作動時間越快,其因上方 有遮蔽物會擋住 fire plume 上來的溫度、速度,使 ceiling jet 產生於遮蔽物處,便使撒 水頭達到作動。 而針對於此模擬之結果可分為: (1)當上方遮蔽物遮蔽率達 40%~70%時,其撒水頭高度越高越快作動,其因遮 蔽物的縫隙較大,使得火源上來的煙氣與溫度穿透遮蔽物至上方並隨著時間往下累積 至地板,當碰到撒水頭時,便使撒水頭達到作動。 (2)當上方遮蔽物遮蔽率達 80%~90%時,其撒水頭高度越低越快作動,其因遮 蔽物的縫隙較小,使得遮蔽物會擋住煙氣與溫度,並使撒水頭越低其作動時間越快。

圖 4-3 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果

由圖 4-3 當上方遮蔽率 70%到 80%呈現不同模擬之結果。因此,我們將火源加大

(66)

46 至 1800 kW,並進行上方遮蔽率 70%、80%、90%且針對於有無裝設集熱板以及不同 撒水頭高度進行模擬。 由圖 4-4 可得知當上方遮蔽率達 70%以上時,有裝設集熱板比未裝設集熱板之撒 水頭作動時間要快,其上方有遮蔽物且達到 70%以上時,且裝設集熱板才有達到蓄熱 之效果並使撒水頭較快作動。但未裝設集熱板之撒水頭,隨者撒水頭裝設高度越低, 其作動時間越慢,但對於火源熱釋放率 1800 kW 比火源熱釋放率 930 kW 作動時間較 快,其因為火源增大了 fire plume 的範圍,使撒水頭位於 fire plume 範圍內,並使其受 熱並且達到作動。

圖 4-4 有無集熱板於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果

改變火源位置 針對於不同火源位置時,進行情境 2 之情境模擬探討與分析。如圖 4-5 所得知當 火源位於兩顆撒水頭中間時,其因縮減火源與撒水頭之距離,使撒水頭位於 fire plume 的範圍內,其此火源位置與火源熱釋放率 930 kW,對於裝集熱板之撒水頭高度與不同 遮蔽率情況下對於撒水頭之作動時間都無影響之差異性。

(67)

47

圖 4-5 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果

因此我們將火源位於兩顆撒水頭中間與火源熱釋放率降低至 615 kW,並且上方遮 蔽率為 70%、80%、90%,以及有無裝設集熱板與不同撒水頭裝設高度進行模擬與探 討。結果如圖 4-6 所示,當撒水頭裝設高度越低時,其作動因上方阻礙物擋住煙氣與 溫度,並使其作動時間越快。此火源熱釋放率 615 kW 其 fire plume 並未位於撒水頭範 圍內,其作動之依據為 fire plume 上來之溫度與速度撞到遮蔽物與集熱板,並使有裝 設集熱板之撒水頭較快作動,其未裝設則於 600 秒都未作動。其裝設集熱板時,當上 方有遮蔽物反而其有效性為正向於集熱板的。

圖 4-6 裝設集熱板對於不同遮蔽率與撒水頭裝設高度之模擬結果

(68)

48 針對於情境 2 小結: 對於此情境來說,當撒水頭高度越低時,其上方遮蔽率越大才能正向於撒水頭作 動時間。因此,當有裝設集熱板時,其上方遮蔽率大到 80%以上,對於集熱板之有效 性是較好的情形。 經由集熱板有效性模擬可得知三種結論: (1)對於現今裝設集熱板大多之情形為情境 1,而模擬結果對於此情況得知當上 方無遮蔽物時,不管裝設集熱板或未裝設集熱板,當撒水頭高度離天花板超過 30 公分 以上時,其皆未達到有效性。而自動撒水滅火系統是針對於控制火災初期,此現況對 於火災初期之控制火勢皆為失效的。對於此情況需進行實驗以利於證明其有效性是值 得需要探討的。 (2)當建築物上方障礙物遮蔽率較大時,將撒水頭設置於障礙物下方,其撒水頭 設置越低且有裝設集熱板時,反而對於撒水頭之感熱原件較佳,且較容易使撒水頭作 動。因此,對於撒水頭上方障礙物大於 80%以上時,設置集熱板之撒水頭其有效性才 能得到較好之防護機制。 (3)當裝設集熱板之撒水頭,其有效性只位於火源 fire plume 範圍內,才能使其 達到有效蓄熱之效果。且根據先前所蒐集相關集熱板滅火試驗所得到的結果相同,因 此,對於此模擬結果可得知當火源熱釋放率大到一定程度無論有無裝設集熱板之撒水 頭皆可達到作動,而對於現今裝設集熱板與未集熱板之情形皆位於火源 fire plume 才 能使其達到作動之基準。

(69)

49 貨架式撒水頭模擬 針對於貨架式撒水頭有無裝設集熱板時,是否會因上方撒水頭作動影響其貨架式 撒水頭作動之情形,進行六種情境模擬,其模擬條件如表 4-1 所示。

表 4-1 貨架式撒水頭模擬情境

項目 情境一 情境二 情境三 情境四 情境五 情境六 情境七 木框架數量 四組 四組 六組 九組 十二組 十五組 火源 熱釋放率 385.32 kW 385.32 kW 577.98 kW 866.7 kW 1155.6 kW 1444.5 kW 貨物材質 可燃物 不可燃物 不可燃物 不可燃物 不可燃物 不可燃物 有無集熱板 有 無 有 有 有 有 有 表 4-2 為情境一與情境二模擬結果,由此模擬結果可得知,當位於天花板處上方 撒水頭作動撒水時,裝設集熱板之撒水頭會比無裝設集熱板之撒水頭較慢作動。 貨架式撒水頭模擬情境一與情境二結果,如下表 4-2 整理所示。

表 4-2 貨架式撒水頭模擬情境一與情境二結果

撒水頭位置 情境一 情境二 天花板撒水頭第一顆作動時間 85.7 秒 82.8 秒

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50 天花板撒水頭第二顆作動時間 127.9 秒 109.8 秒 貨架式撒水頭離地面 4m 處 撒水頭作動時間 147.3 秒 132.6 秒 貨架式撒水頭離地面 4m 處 撒水頭作動時間 164.1 秒 151.8 秒 且由圖 4-7 可以發現,火源初期因為吸引空氣關係,導致風向會先偏向兩組貨架 中間,使得上方天花板撒水頭先行被燒破,等到風向被上方撒水頭導向貨架式撒水頭

(71)

51 才使得貨架式撒水頭達到作動。

圖 4-7 貨架式模擬風速風向剖面圖

針對於此部分之貨架式撒水頭模擬若將進行後續實驗驗證,並依據情境三到情境 七進行相關火源之參數取用,但從表 4-3 可得知。當上方貨物為不可燃物時,其貨架 式撒水頭皆未達到作動之基準。 貨架式撒水頭模擬情境三到情境七結果總表,如下表 4-3 整理所示。

表 4-3 貨架式撒水頭模擬情境三到情境七結果

項目 情境三 情境四 情境五 情境六 情境七 天花板撒水頭 第一顆 作動時間 未作動 124.2 秒 47 秒 28.1 秒 19 秒 貨架式撒水頭 第一顆 作動時間 未作動 未作動 未作動 未作動 未作動

(72)

52 撒水頭與樑模擬 此部分模擬於樑旁邊 20 公分處分別設置撒水頭於 5.2 公尺、5 公尺、4.8 公尺高處, 並針對於撒水頭於樑側邊時裝設集熱板是否會增加其作動有效性。由圖 4-8 所示,先 進行了將火源設置於與樑間距 1.5 公尺,且與撒水頭為異側位置,但根據模擬結果得 知,只有在異側天花板上的撒水頭先達到作動,在樑旁邊 20 公分的撒水頭不論在 5.2 公尺、5 公尺、4.8 公尺皆未達到作動。

圖 4-8 樑異側火源位置剖面圖

因此後續我們改變火源於樑正下方,如圖 4-9 所示。且根據圖 4-10 模擬結果可得 知,當撒水頭與樑平行(即為撒水頭於 4.8 公尺高)時,其裝設集熱板也無法令其達 到作動之基準。且位於 5.2 公尺與 5 公尺其撒水頭迴水板皆與天花板差距小於 30 公分 的有效範圍內,其皆可達到作動。

圖 4-9 樑異側火源位置剖面圖

圖 4-10 樑側之撒水頭裝設集熱板於不同高度不同火源位置

(73)

53

第二節 兩層式撒水頭實驗

撒水分佈 首先針對於兩層式撒水頭於遮蔽率 0%(即上方無任何阻礙物或障礙物)時,進 行了撒水頭高度位於 5.2 公尺與 4 公尺的撒水分佈實驗,因後續會進行兩層式撒水頭 滅火實驗,可將其目前測得撒水分佈量置入於火源位置,並可以得知此火源位置將得 到多少放射量的水量才可達到滅火。 表 4-4 為撒水分佈於樓地板四分之一位置 25 個集水盤所得到水量(單位:l/min), 其撒水頭高度為 5.2 公尺且放射壓力為 1kgf/cm2 ,並針對其不同放射時間 3 分鐘、5 分鐘、7 分鐘進行水量蒐集。由表 4-4 可得知,當我們設定放射時間 7 分鐘與 3 分鐘 所蒐集到的水量非常接近,因此針對於後續撒水分佈撒水頭放射時間皆採用 3 分鐘進 行放射。 撒水分佈於樓地板四分之一撒水頭高度 5.2 公尺放射壓力 1kgf/cm2 不同時間實驗 結果,如下表 4-4 整理所示。

表 4-4 撒水分佈於樓地板四分之一撒水頭高度 5.2 公尺放射壓力 1kgf/cm

2

不同時

l/min 1 2 3 4 5 1kgf/cm 2 -3min 0.07 0.08 0.10 0.12 0.15 1kgf/cm2-3min 0.08 0.09 0.10 0.13 0.16 1kgf/cm 2 -5min 0.08 0.10 0.10 0.12 0.15 1kgf/cm 2 -7min 0.08 0.09 0.10 0.12 0.15 6 7 8 9 10 1kgf/cm 2 -3min 0.09 0.08 0.09 0.12 0.15

數據

圖 1-1  研究流程圖
圖 2-3  我國法規貨架倉儲撒水頭配置圖
圖 3-2 模擬遮蔽率百分比之示意圖
圖 3-7 熱電偶架設上視圖與剖面圖
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參考文獻

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