建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析

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(1)建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 97 年 11 月.

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(3) PG9710-0305. 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 研究人員：陳建忠組. 長. 謝煒東國防儲訓研究員張尚文助理研究員蘇鴻奇副. 研. 究員. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 97 年 11 月.

(4) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Numerical Simulation And Analysis Of The Behavior Of Performanced-Based Architectural Design Fire. BY CHINE-JUNG CHEN WEI-TUNG HSIEH SHANG-WEN CHANG HUNG-CHI SU. November 2008.

(5) 目次. 目次表次 …………………………………………………………………………………………………… 圖次 …………………………………………………………………………………………………… 摘要 …………………………………………………………………………………………………… 第一章緒論 ……………………………………………………………………………………. 第一節研究背景與目的 ……… …………… …………… …………… ……. 第二節研究方法 …………………………………………………………………… 第三節文獻回顧 ………………………………………………………………… 第二章建築物火災成長與火災延燒 … … … … … … … … … … … … … … … … 第一節建築物室內火災特性 … … … … … … … … … … … … … … … … . 第二節火載量的基本觀念 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 第三節木框架熱釋放率估算理論 … … … … … … … … … … … … … … 第四節 FDS 模型理論基礎與執行架構 ………………………………… 第三章熱分析方法介紹 …………………………………………………………… 第一節 ISO9705 實驗方法與設備 ………………………………………… 第二節 10MW 實驗方法與設備 ……………………………………………… 第三節氧氣消耗法分析熱釋放率原理 ……………………………… 第四章設計火源參數彙整與 FDS 木框架燃燒模擬分析 … … … … 第一節設計火源參數分析與整理 ………………………………………… 第二節開放空間 FDS 木框架燃燒模擬分析 ………………………… 第五章結論與建議 ……………………………………………………………………… 第一節結論 …………………………………………………………………………… 第二節建議 …………………………………………………………………………… 附錄期初、期中、期末審查會議記錄 …………………………………… 參考書目 ……………………………………………………………………………………………. I. Ⅲ Ⅴ Ⅵ 1 1 2 3 13 13 17 19 23 25 25 27 28 31 31 73 87 87 88 91 97.

(6) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. II.

(7) 表次. 表次表 1-1 FDS 模擬相關文獻整理 ……………………………………………… 表 2-1「火災特性與室內裝修防火關係」…………………………… 表 2-2 物體燃燒型式分類………………………………………………………… 表 2-3 木材之點火溫度及發火溫度………………………………………… 表 2-4 可動火載量與固定火載量分類…………………………………… 表 4-1 木框架實驗結果－1 ……………………………………………………… 表 4-2 木框架實驗結果－2 ……………………………………………………… 表 4-3 木框架實驗結果－3 ……………………………………………………… 表 4-4 可燃物燃燒參數整理彙整表 …………………………………… 表 4-5 可燃物燃燒參數整理資料表 …………………………………… 表 4-6、FDS 木堆模擬所用重要參數列表 ……………………………. III. 5 13 14 18 19 34 35 36 38 43 77.

(8) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. IV.

(9) 表次. 圖次 16 16 18 22 25 26 26 圖 3-4 O2/CO/CO2氣體分析儀 ……………………………………………………… 26 圖 3-5 燃氣分析儀構造圖 ………………………………………………………… 28 圖 3-6 火載量位置條件參數 ………………………………………………… 24 圖 3-7 燃燒時間與熱釋放率關係圖 …………………………………… 24 圖 4-1 圖 4-1 燃燒時間與熱釋放率關係圖 ……………………………… 32 圖 4-2 ISO 9705 木框架實驗過程燃燒情況 ……………………… 32 圖 4-3、乙醇火源熱釋放率量測實驗與 FDS 模擬 ……………… 74 圖 4-4 乙醇火源 FDS 模擬與實驗熱釋放率歷程比對 ……… 74 圖 4-5 木堆於煙罩下熱釋放率實驗配置 …………………………………… 75 …………………………………………………… 75 圖 4-6 實驗熱釋放率歷程圖 4-7 FDS 木堆開放空間燃燒模型 … … … … … … … … … … … … … … 77 圖 4-8 FDS 模擬參數修改歷程 ……………………………………………… 80 圖 4-9、test3~test10 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖 82 圖 4-10 test10~test18 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖 83 圖 4-11test18-1~test18-7 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較 84 圖 4-12 一層 9 支，45 支木條於煙罩下燃燒實驗與 FDS 模擬比對 85 圖 2-1 木材疊架燃受多孔性影響的架燃燒速度的增加量趨勢圖 … 圖 2-2 火焰燒上天花板情形 ………………………………………………… 圖 2-3 辦公傢俱燃燒釋熱速率與時間關係圖 …………………… 圖 2-4 木框架之幾何尺寸 ………………………………………………… 圖 3-1 ISO 9705 試驗房間(Test room)集煙罩及排氣導管圖 3-2 天花板測溫點位置圖 ………………………………………………… 圖 3-3 熱電偶樹相關位置 ……………………………………………………. V.

(10) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. VI.

(11) 摘要. 摘要 2. 關鍵詞: 火載量、t 火災係數、性能法規、熱釋放率一、研究緣起火源的熱釋放率是性能設計最重要的參數，不知火源的特性即無法評估建築物火害的危險性。防火實驗中心於建置至今，已經有多筆木堆、機車、家具等在自由空間燃燒、室內燃燒、撒水防護等各種情形的燃燒實驗數據資料，這些實驗資料加以整理歸納，對於性能設計火源的熱釋放率設定有相當大的幫助。室外火源能夠反映出材料的一般燃燒特性，室內燃燒因為涉及通風及輻射回饋等因素複雜。實驗結果通常僅適用於個案分析，找出室內外火源關連性，至為重要。FDS 為現今在性能設計常用的火災模擬軟體，可以數值方法一步步推算室內的燃燒行為，FDS 需要大量的運算，運算容量非一般電腦所能負荷，配合去年實驗室平行運算電腦主機的初步建置，一方面可透過本計畫運轉試車，一方面以分析結果與實驗結果進行比對。本研究主要目的有兩點，一為透過歷年來的實驗資料整理出多種可燃物質，由於建研所防火實驗中心歷年來有許多的實驗資料，如木堆、沙發、桌、椅….等燃燒行為，透過實驗所得的熱釋放率曲線分 2. 析與整理，取得多種可燃物質的t 火災成長係數（α）以及最大熱釋放率（Qmax），這兩個數據將可提供性能式設計與評估的參考。第二個研究目的是嘗試利用FDS作為數值模擬工具，透過FDS來達成數值實驗，進行燃燒預測，並評估FDS用作燃燒行為預測的可行性。二、研究方法及過程本研究首先將歷年實驗數據加以整理分類，如木堆、沙發、桌、 VII.

(12) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 椅….等燃燒實驗項目，依據實驗所得的熱釋放率曲線分析與整理出 2. 可燃物質的t 火災成長係數（α）以及最大熱釋放率（Qmax），可提供性能式設計時火源設定參數之參考與依據。第二個步驟是利用FDS 作為數值模擬工具，透過FDS來達成數值實驗，進行燃燒預測，並評估FDS用作燃燒行為預測的可行性。本研究進行過程之階段性成果，業經整理投稿並獲國際期刊接受者如下：（1）The Effects of The Type of Wood Crib Arrangement on Burning Behavior（Journal of Applied Fire Science，EI 等級期刊），（2）……研討會…期刊…。成果豐碩，並獲得國際肯定。三、重要發現 1.防火實驗中心歷年來累積相當多的實驗資料，有多種可燃物以及場景之燃燒熱釋放率數據，以這些數據，透過系統化分析，完成 8 類 60 項實尺寸燃燒實驗資料繪製成表與 118 項木堆燃燒實驗資料分析與整理可提供性能式設計時火源設定參數之參考與依據。 2.目前外國內外被廣泛採用的火災模擬分析軟體 FDS，經由參數調整可以使模擬結果的熱釋放率成長階段與實驗值接近，但是同樣的材料參數套用於不同的擺放方式時，卻明顯無法模擬預測。突顯下列二點：（1）模擬軟體輸入程式假設的基礎參數足以影響模擬結果。（2）無法以一套標準化的輸入參數來模擬所有的火災情境。據此可之，未來有必要將火場情境進一步分類，針對各種分類應採用之基礎參數予以分別定義，勢可大幅提高模擬軟體預測的正確性，確保安全同時，重新調整不必要的安全係數。 3.對於目前 FDS 之模擬準確性使用而言，運用於燃燒煙控屬氣態燃燒部份之模擬預測較為準確，但對於固態之燃燒因涉及複雜之化學反應所以準確性仍有待改進。 4. 本研究對於目前 FDS 之的參數調整研究發現， mass_flux 、 threshold_temperature、density 與 EPUMO2 等，對於木堆於煙罩下燃燒的模擬均有影響，但調整這些參數無法使 FDS 模擬結果能完 VIII.

(13) 摘要. 全貼近實驗值。對於火勢成長階段之模擬計算預測可以接近實驗結果，但是對於後續火災燃燒旺盛期階段之延燒之模擬計算預測與實驗結果卻存有仍有較大之差異。. 四、主要建議事項建議一立即可行建議－實驗結果可提供建築師進行性能設計火源之參考以及主管機關審查送審案件火源設定合理性之參考。主辦機關：本部營建署、中華民國建築師公會全國聯合會協辦機關：財團法人台灣建築中心、本部建築研究所本部建築研究所台南防火實驗中心歷年來累積相當多的實驗資料，有多種可燃物以及場景之燃燒熱釋放率數據，以這些數據，透過系統化分析整理，完成 8 類 60 項實尺寸燃燒實驗資料與 118 項木堆燃燒資料，可提供建築師進行性能式設計最重要而基本的「火源設定」之參考。本研究成果為國內性能設計，首次且唯一採用本土化材料，經過全尺寸實驗的火源設計基礎資料，雖目前之成果僅具雛形未能含括全部建築物的情形，惟國內自行進行實驗，方能充分掌握實驗過程中的各項假設條件及控制之變因，有別於盲目引用國外火源設定參數文獻資料。透過本實驗情境與成果的呈現，設計者及審查者對於目前引用國外數據究竟過於保守或過於寬鬆，始能有心證評斷之基準，故而本研究成果意義重大。建議二中長期建議－持續進行本土化實驗修正相關防火性能評估模式與建立火載量及火源成長資料庫。主辦機關：本部建築研究所. IX.

(14) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 協辦機關：經濟部標準檢驗局、本部營建署、消防署、成功大學、財團法人台灣建築中心、中華民國建築師公會全國聯合會火災性能化評估模式為突破一般規格化防火法規限制之方式，可使建築設計能發揮更佳的創意，本所除持續引進相關防火性能化設計與評估模式之外，並持續進行本土化實驗修正相關防火性能評估模式與建立火載量資料庫。應結合內政部營建署、消防署、標準檢驗局（官）、內政部建築研究所（研）、成功大學（學）、財團法人台灣建築中心、建築師公會（產），整合產、官、學、研各界意見，針對日新月異的新材料，建立更完整合理的資料庫系統。. X.

(15) 摘要. Numerical Simulation And Analysis Of The Behavior Of Performanced-Based Architectural Design Fire Abstract Keywords: Building Fire Safety, Coefficient of t2 Fire Curve, Building Construction and Materials The heat release rate of the fire source and other combustibles are crucial parameter in the performance design. Fire damages to the building can’t be accessed without knowing the characteristics of the fire source. Tons of experimental data had been collected in the Fire Experimental Center, Architecture and Building Research Institute. These experimental data ranged from burning of wood crib, automobiles, furniture, small office unit, even the whole office compartment in the open space, indoor space, or under the water sprinkler protection. These data can be of great use to the design of fire source. The open space burning data reflected the burning behavior of the material; however, the indoor burning behavior may be affected by ventilation and radiation feedback. It is important to find the correlation of the indoor and outdoor free burning behavior of combustible. FDS is used as simulation tool in performance-based design. It takes lots of computer time to simulate a big compartment; therefore, a computer cluster is adopted in this research. The FDS simulation can be used as a tool for both comparing to the experimental data and test run of the computer cluster. The main purposes of this research are (1) provide the coefficient α of a t2 fire curve and the maximum heat release rate (Qmax) of various combustibles correlated from experimental data; (2)to use FDS as a tool for numerical experiment and evaluate the predictability of fire spread of FDS.. XI.

(16) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. XII.

(17) 第一章緒論. 第一章緒論. 第一節研究背景與目的建築防火性能式設計法中大多需要建立預測該期間內分區火災特性的模型，但是對於可燃物分佈不均勻或者類似於大空間火災，只有局部結構受火災影響的情況，則需要有其他預測手段。分區內火災主要受以下因素的影響，不同分區情況可能不完全一樣：(1)建築物的狀態(分區的形狀、尺寸)，(2)開口部位的形狀、尺寸，(3)分區周牆的熱性質，(4)可燃物的種類、數量、存放狀態。目前許多先進國家耐火設計法中係將房間開口通風特性及火載量等列入主要設計參數。其中火源的熱釋放率是性能設計最重要的參數之ㄧ，不知火源的特性即無法評估建築物火害的危險性。基於此點，除了引入先進國家的防火性能式設計法與國際接軌，如何針對目前國內現況修訂相關設計參數以符合所需，俾利推廣及實際進行性能式設計法實為重要之課題。防火實驗中心於建置至今，已經有多筆木框架、機車、家具等在自由空間燃燒、室內燃燒、撒水防護等各種情形的燃燒實驗數據資料，這些實驗資料加以整理歸納，對於性能設計火源的熱釋放率設定有相當大的幫助。室外火源能夠反映出材料的一般燃燒特性，室內燃燒因為涉及通風及輻射回饋等因素複雜，實驗結果通常僅適用於個案分析，找出室內外火源關連性，至為重要。FDS 為現今在性能設計常用的火災模擬軟體，可以數值方法一步步推算室內的燃燒行為， FDS 需要大量的運算，運算容量非一般電腦所能負荷，配合去年實驗室串連式電腦主機的初步建置，一方面可透過本計畫運轉試車，一方面以分析結果與實驗結果進行比對。 1.

(18) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 本研究主要目的有兩點，一為透過歷年來的實驗資料整理出多種可燃物質，由於建研所防火實驗中心歷年來有許多的實驗資料，如木框架、沙發、桌、椅、機車….等燃燒行為，透過實驗所得的 2. 熱釋放率曲線分析與整理，取得多種可燃物質的t 火災成長係數（α）以及最大熱釋放率（Qmax），這兩個數據將可提供性能式設計與評估的參考。第二個研究目的是嘗試利用FDS作為數值模擬工具，透過FDS來達成數值實驗，進行燃燒預測，並評估FDS用作燃燒行為預測的可行性。. 第二節研究方法本研究首先將歷年實驗數據加以整理分類，如木框架、沙發、桌、椅….等燃燒實驗項目，依據實驗所得的熱釋放率曲線分析與 2. ，整理出可燃物質的t 火災成長係數（α）以及最大熱釋放率（Qmax）可提供性能式設計時火源設定參數之參考與依據。第二個步驟是利用FDS作為數值模擬工具，透過FDS來達成數值實驗，進行燃燒預測，並評估FDS用作燃燒行為預測的可行性。一、可燃物燃燒特性分析（α、Qmax）防火實驗中心歷年來累積相當多的實驗資料，有多種可燃物以及場景之燃燒熱釋放率數據，以這些數據，透過系統化分析，將可以得到一具有參考性的參數，本研究著重在火災成長期的成長曲線以及旺盛期的最大熱釋放率這兩部分。為了統一分析基準，吾人利用 matlab 撰寫一程式來分析熱釋放率曲線。分析方式概述如下： 1. 首先使用 matlab 讀入實驗數據檔案（excel 檔）。 2. 利用程式判別熱釋放率曲線上升點，當作是 t0（火勢成長起點），判別的方式是以熱釋放率數據該點與後 20 秒（點）之點的連線所成的角度與水平軸的夾角大於 20 度時，則判定該點為火勢成 2.

(19) 第一章緒論. 長起點（t0）。 3. 讀取數據中所有熱釋放率值，並取出一最大值，Qmax。 4. 取 90% Qmax 作為火災全盛期的平台，並以此點計算全盛期平台的起始時間與終止時間（ts、te） 2. 5. 由t0～ts之間取五點作為計算t 成長係數之點，並利用. y = α (t − ts ). 2. 2. 方程式進行curve-fitting，已得到t 火災成長. 係數α。二、FDS 數值模擬實驗 FDS 數值模擬實驗方法，主要是透過設定不同的性質參數，先讓 FDS 所模擬出的結果能與實驗結果比較，待參數調整完成後，改變其中可燃物的排列方式，如果模擬結果可與實驗比較，表示 FDS 可以作為一數值實驗之工具，降低實際實驗成本與增加探討參數項目，若模擬結果與實驗差距甚大，顯示 FDS 現階段預測能力不足，仍須以實驗資料補足。為了簡化 FDS 模擬對象，本研究 FDS 數值模擬實驗部分將使用木框架燃燒作為模擬對象，先模擬一堆木框架每層三支木條，總數 45 根木條於煙罩下的燃燒行為。若 FDS 模擬所得之熱釋放率曲線可與實驗接近，則改變木框架排列方式，再進行模擬，並與實驗結果比對。. 第三節文獻回顧文獻回顧之整理，主要以 FDS 模擬以及火源設定相關的文獻為主。目前蒐集約有 40 篇，但僅將較有相關性的整理如表 1-1。表 1-1 包含參考文獻篇名、作者、出處以及主要發現及火源設定與壁裝、可燃物設定，重店在於火源設定與壁裝、可燃物設定，由下表可以看出，文獻尚在大尺寸的模擬環境中，多以給定固定熱釋放率或者是依據預先實驗所得之熱釋放率曲線設定作為火源，而周遭的裝 3.

(20) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 修或者是牆面則是採用不燃性材料，以簡化問題。由模擬結果得知，煙流與溫度的預測上會較為準確，但是牽涉到材料延燒時，則是相當不準確。. 4.

(21) 第一章緒論. 表 1-1 FDS 模擬相關文獻整理編號. 篇名. 作者. 主要發現. 期刊. 火源設定與壁裝、可燃物設定. 15th. 火源：依據實驗資料所設定的 HRRPUA 曲線 fluid 可燃物： A.Z. Mogaddam, mechanics 1.使用 ethanol 作為 reaction 1.周遭牆面使用 12mm thermally thick 的 fire behaviour studies conference, K. Moinuddin, term 和 wood 有很大的差異。 Kaowool（thermal diffusivity 1.80e-6 of combustible wall the university 2.格店小對於 flashover 的預測 Km2/s, thermal conductivity 0.135 W/mK)， I.R. Thomas, linings applying fire of sydney, I.D. Bennetts 會失準，以該案例，格點大小地板則是設定為 concrete dynamics simulator syndney, and M. Culton 100mm 預測結果與實驗直接近。 2.plywood 的材料性質設定為 ignition temp Australia, 270℃、heat of gasification 1800 KJ/kg、 13-17 Dec. heat of combustion 18000 KJ/kg Australasian. 1. 2004.. FDS simulation of fire Jukka. 2. spread comparison of. Hietaniemi, Simo VTT working. model results with. Hostikka and. experimental data. Jukka Vaari. paper 4. 1.杉木板（spruce board)於 CONE 下的模擬顯示，初期對火反應預測良好，但後其熱穿透（傳遞）火源：文中並未提及 FDS 設定之火源參數現象無法預測出來。可燃物： 2.CONE calorimeter 模擬良好的文中提及可燃物材料性質與反應項可參考其性質資料，應用在較大尺度上的 Appendix A 模擬時，對於初期火勢成長可以有良好的預測性，但後期則無法. 5.

(22) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 預測。雖無法完全預測，但若設定材料為 exposed backing 所得之模擬結果會較 insulated backing 接近實驗值。 3.燃燒歷程於中大尺度模擬中雖無法準確，但在熱釋放率最大值預測上約有 70%準確度。 Proceedings of Simulation of the virginia tech fire research laboratory using large. 3. eddy-simulation with mixture fraction chemistry and finite volume radiative heat transfer. Interflame'01, 1.於 1/2 的 ISO9705 空間內，進. 行 90kW、270kW 以及 440kW 的丙 International 烷火焰試驗與模擬，已瞭解良好火源： Fire Science 通風、中度不良通風與高度不良 1.先用實驗進行燃燒器效率量測，再依據量測 J.E. floyd, C. and 通風的狀況。結果決定模擬所使用的燃料供給率，以達到同 Wieczorek and U. Engineering 2.良好通風的預測結果較為準樣的燃燒熱。 Vandsburger Conference. 確，不良通風下則會因為 FDS 預 2. 碳顆粒（soot）產生率設定為 0.024 Vol. 1, Sep. 測溫度過高以及（overpredict）g-soot/g-fuel 17-19, 2001, 而失準，實際狀況下，並不像 FDS Edinburgh, 模擬可容許如此多東西燃燒。 Ninth. Scotland. Simulation of the. 4. Daniel. Dynamics of the Fire at Madrzykowski and NISTIR 6510 3146 Cherry Road NE. Robert L.. 1.對火場重建有良好模擬。 2.火勢成長與補氣以及空間中氧濃度有極大的關係。. 6. 火源： 1. 30kW 的燃燒器（0.2m*0.2m）置於地下至天花板下方 0.1m 處，作為本案的火源。.

(23) 第一章緒論. Washington D.C., May 30, Vettori. 可燃物： 1.牆面設定為 gypsum board，地板則是合板，起居室地上另撲有地毯。 2.大多數的家具（除沙發之外）使用不同尺寸的松木（pine）模擬。. 1999.. 火源： 12th Annual 1.火源區可燃物有沙發、雙人椅、兩張椅子以 Conference of 及一個咖啡桌組成。 the CFD simulation of a fire 1.本案使用 FDS 模擬在四種通風 2.引火源設定為放置於沙發上的 0.3m*0.5m 的 Bounagui, A. Computational 條件下，由一樓引起的火災對於燃燒器，輸出熱為 30kW。 in the living area of Benichou, N. Fluid Dynamics 整體 CO、CO2 以即可視度條件的 3.若所有可燃物均引燃，預估有 6000kW。 three storey residential Kashef, A. and Society of house to evaluate life 臨界發生時間，但並未與實驗比 McCartney, C. Canada, safety in houses 較。可燃物： Ottawa, May 9, 使用 FDS 內建資料庫中 steel、gypsum board 2004, pp. 1-6 （牆面）、upholstery（沙發、椅子）以及 oak (NRCC-47008) （咖啡桌） CFD 2004, the. 5. Grid Optimization for the Full-scale Test. 6. Facility to Evaluate the Fire Performance of Houses--Part1--Basement. Bounagui, A. , Benichou, N., McCartney, C., Kashef, A.. IRC-RR-149. 火源： 1.較細的格點對於溫度、可視 1.火源是以一方形物件（1mx1m）至於地下室度、CO 與 CO2 的預測較好。的地板上，並給定固定熱釋放率歷程設定。 2.R*＝0.07 時為最佳的格點選 2.熱釋放率歷程依據快速成長之t2曲線（α＝擇。 0.0469）上升至設定峰值（1500kW、2500kW以. 7.

(24) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 及 3000kW)。. Fires. 可燃物：除了鋼鐵（steel）及石膏板（gypsum board）之外，並無其他材料，材料性質由 FDS 資料庫中取得。 7. 自動車火災を受けゐ構造部材の耐火設計手法. 增田秀昭. BRI-H16 演講會テキスト. 火源：提供多種車輛（輕形車、小、中、大型以及 RV 車）的熱釋放率曲線實驗值，其利用 FDS 模擬結果顯示排氣溫度相當吻合，酸度濃度則是略低於實驗值。. 1.利用小尺寸圓錐量熱儀實驗，探討通風量對木材可燃物燃張慧、伎海鷹、呂（自然科學版）通風量對火災煙氣中 CO2 燒後產生 CO 與 CO2 之關係。子安、由長福與徐 2004 年第 44 卷圓錐量熱儀和 CO 釋放的影響 2.本研究指出 Va,cr=15L/min 實第 8 期，pp. 旭常為臨界通風量，CO、CO2 的量值 1087-1091 最大最具危險性。清華大學學報. 8. Prediction of fire classification for wood based products. A. 9. multivariate statistical approach based on the cone. Anne. Fire and. Steen_Hansen,. Materials,. Bjarne. 利用多組實驗數據進行分組之後，配合多變量分析方式，分析出一特徵方程式， 2007, Vol. 32, 可用於材料阻熱等級的預測. Kristoffersen. pp. 207-223. calorimeter. 8.

(25) 第一章緒論. 1.FDS 雖宣稱誤差可達 20%左右，但實際模擬上，可能因設定錯誤而達到 50%之多。 2.使用參數式設定 FDS （parametric method）準確度有待改善，且需隨問題改變而更火源 Quantitative comparison 改參數設定。木框架以預先描述的熱釋放率（Prescribed of FDS and parametric Fire Safety 3.研究結果指出使用 BFD curve rate of heat release）之塊體（OBST）表達， fire curves with N. D. Pope, C. G. Journal, Vol. method 來預測大空間火場溫而此預先描述的熱釋放率則來自實驗值，經過 10 post-flashover 41, 2006, pp. 度，較 FDS 以及 Eurocode 1 來 6 次的多項式曲線 fit 所得。 Bailey compartment fire test 99-110 得準確。 data 4.本研究案利用所量測到之質可燃物：量損失來換算熱釋放率歷程，並木框架代入 FDS 內進行計算，對於成長階段有良好的結果（20%準確度），但對於燃燒後期，冷卻與殘餘燃燒物熱量的模擬準確度較差。. 9.

(26) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. Akiko Natori, Norichika Kakae, Development of a simple Jun Kitahori, estimation method of. 11. Tsuneto. heat release rate based Tsuchihashi, on classification of. Toshihiko Abe,. Fire Science and Technology, Vol. 25, No.. common combustibles into Tsutomu Nagaoka, (2006), pp. category groups. Yoshihumi Ohmiya 31-54 and Kazunori Harada. 1.將可燃物分成兩大類，一類事物體大小幾乎相同，如椅子、沙發；另一類則是大小尺寸不同，透過最大熱釋放、總熱釋放值與表面積、重量之間的關係回歸出一個尺寸相關的熱釋放率曲線 1 圖。 2.本研究將所蒐集的資料以t2成長->穩定燃燒-> t2衰退的簡單熱釋放曲線來近似整個燃燒過程。 3.. 模擬一間三層高的大賣場內空第 13 屆全國計間因火源所產生之速度場、溫度火源：大賣場火災模擬與逃生路戴昌賢、梁智創、算流體力學學術場及濃煙擴散情況，規劃和評估給定兩個熱釋放率最大為 500kW/m2 的火源， 12 線分析張峻誠研討會大賣場內人員逃生路線與逃生並以時間點設定火源成長歷程。時間。. 10.

(27) 第一章緒論. 火源設定：依據實際實驗所得之熱釋放率曲線將以近 Numerical simulation of 日本流體力學會利用 FDS 模擬軟體模擬一五層樓阿部伸之似，設定成模擬用之火源，火源以一 30x30 公數值流體力學部高的樓梯間以及韓國地下鐵火 13 fire behavior by using （Nobuyuki Abe）分之熱源代表。 CFD 門 Web 會誌災案例壁裝材料採用矽酸鈣板火源：給定熱釋放率值的燃燒器，分別為 1MW 與 2MW。行政院原子能委. 13 火災危害分析技術研究. 沈子勝. 員會委託計畫研究報告. 14. 計算流體力學（CFD）軟體於捷運工程之應用. 丁俊智. 利用 FDS 研究核電廠中 PVC 電纜可燃物：的延燒與滅火 PVC（熱擴散係數α = 5×1 m /s，熱傳導係數 KS =0.092W/mK ，燃點=370℃，熱釋率 HRRPUA=222Kw/m ，臨界熱通量 CHF=10Kw/m ，損害溫度基準定為 200℃）. 模擬主要包含車站火災以及列車於隧道內失火，以分析人員逃捷運技術半年火源：生時間是否足夠。列車活塞效應刊，第 32 期，94 使用t2火災曲線，最大熱釋放率 20MW，成長係模擬主要在於分析當列車移動年2月數選擇fast 時所產生的壓力，藉以分析車站月台門所須承受之壓力。. 11.

(28)

(29) 第一章緒論. VII.

(30) 第二章建築物火災成長與火災延燒. 第二章建築物火災成長與火災延燒. 第一節建築物室內火災特性一、火災成長與室內裝修防火對策之關係建築物火災隨著進行過程與時間的變化，擴展的階段與過程可分為四個階段，各個階段其火災特性不盡相同，所以室內裝修相對於火災各階段亦有減低災害不同之對策。表 2-1「火災特性與室內裝修防火關係」火災特性防火目標. 室內裝修對策. 1.引燃期防止起火，微小火源能自然熄滅。. 地毯、窗簾、布幕、展示用廣告版及其他指定物，必須具防焰性能。. 2.成長期防止燃燒成長以達初期滅火之目的，抑建築物內部牆面及天花之裝修材料或延緩火災成長速度以爭取逃生時間。應為耐燃材料。 3.旺盛期防止火災繼續擴大，防止延燒至其他區分界牆或分間牆應為防火構造或使劃空間，防止延燒至鄰棟建築物。 4.衰退期. 防止第二次點燃及再燃燒. 用不燃材料以及具有相當防火時效。防止外來可燃材料的加入。. （資料來源：文獻 2，P17）. 室內裝修對應火災各階段之防火對策，主要目的為當有微小火源發生時能藉材料之防焰性自行熄滅，而當火災發生時能藉材料之耐燃性防止火災之擴大，並且延緩閃燃之發生增加逃生時間。. 13.

(31) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 二、室內裝修材料燃燒之行為木材、煤等固態燃料以火源加熱即分解產生可燃性氣體，而起分解燃燒。汽油等液態燃料容易產生揮發性的低燃點之可燃性氣體而起揮發性燃燒。氫、乙炔等氣體擴散在空氣中即可引起擴散燃燒。上述燃燒種類皆會產生火焰通稱發焰燃燒。木炭、焦炭是以固態型態而起表面燃燒但不發生火焰則稱為不發焰燃燒。表 2-2 物體燃燒型式分類可燃物內容種類. 燃燒形式. 舉例. 氣體. 以液態形式即能燃燒. 發焰. 氫、乙炔、丙烷. 液體. 液體本身產生之蒸氣後與空氣混合才發焰不起燃燒起燃燒熱分解後生成揮發性氣體才起燃燒. 固體. 擴散燃燒. 揮發性燃燒汽油、酒精分解燃燒. 固體本身產生蒸氣後才起燃燒發焰不起燃燒熱分解後生成揮發性氣體才. 脂肪酸、機械油. 揮發性燃燒黃磷分解燃燒. 石蠟. 起燃燒以固態型態而起燃燒. 不發焰表面燃燒. 固態本生與熱分解生成的氣體一起燃燒發焰. 分解燃燒. 木炭、焦炭木材、煤. （資料來源：文獻 1，P21）. 室內裝修材料受溫度上升後依其燃燒狀況可分為可燃性與不燃性二類，在高溫情況下有機物會產生燃燒行為，無機物則不會產生燃燒行為但材質本身會有化學上或物理性質上的改變。一般材料受熱後之行為特性可分為以下幾類：（一）升溫材料受熱源之傳導、輻射、對流影響後依其材質本身升溫速率特性而達最高溫度，持續加熱則產生熱分解、發焰、變形、破壞等現象。. 14.

(32) 第二章建築物火災成長與火災延燒. （二）熱分解有機材料於高溫下皆會發生熱分解現象，熱分解開始溫度越高則代表材料耐熱性越好，但不一定防火性越好，對於木質、塑膠、橡膠等材料其熱分解溫度越高，所發生著火燃燒的可能危險性就越低。（三）著火有機材料受熱並開始產生熱分解，其過程含有可燃性氣體，於特定溫度下持續受熱則可燃性氣體持續增加，並與空氣混合達到一定濃度時，則會開始產生燃燒的現象。有機材料於燃燒的過程中若釋出燃燒熱大於引燃能量，則會持續供應引燃能量而繼續燃燒直至材料燃盡。（四）變形破壞大部分熱可塑性高分子材料受熱溫度上升會有軟化、溶化產生變形的現象，無機材質如金屬、玻璃於高溫時也會產生軟化、溶化之現象。有機材料中熱固性高分子材料與木質材料，受熱於高溫下不會產生軟化溶化，但常因內部組成成份之熱膨脹性、熱收縮性作用，而產生碳化、龜裂、脆化等現象。（五）強度變化材料於受熱過程中其強度也會因溫度不同而產生強度的變化，如 0. 結構鋼材超過 300 C時強度急速減低，如高強度混凝土於高溫環境容易產生爆裂現象而影響原有設計強度。三、建築室內燃燒的特徵建築物室內燃燒時可燃物所釋放出的熱量受到周圍環境限制，熱量不易散失容易產生蓄積的現象，而造成極高的火場溫度。當建築物室內發生火災時因為空間多為密閉性質，於燃燒的過程中氧氣的供應常不足，所以燃燒成長期較長，且為不完全的高溫燃燒容易產生大量的濃煙。相較室外的燃燒情形因氧氣補充容易，其燃燒成長期較短。開口部小之室內空間中燃燒木材疊架時，燃燒速率由其通風係數控制;於大開口部大之室內空間中燃燒木材疊架時，燃燒速率轉由木 15.

(33) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 材疊架本身的參數控制。美國 Dr. P. A. Croce 曾進行室內外燃燒速率比較實驗，於一個通風極佳的建築物室內進行木材疊架實驗，結果顯示室內木材疊架燃燒速率超過室外的燃燒實驗，美國學者 Friedman 於此現象解釋為因密閉空間中的木材疊架本身木材構件之間具有較佳的輻射能回饋效果。. 圖 2-1 木材疊架燃受多孔性影響的架燃燒速度的增加量趨勢圖（資料來源：文獻 2，P22）. 室內外燃燒火燄形狀亦有所不同，室內燃燒所生成之火焰達到天花板時，火焰向水平方向延伸距離為室外燃燒超過天花板以上垂直延伸距離之三至五倍，如此增加燃燒火焰由天花板產生的輻射量。. 圖 2-2 火焰燒上天花板情形（資料來源：文獻 2，P25）. 16.

(34) 第二章建築物火災成長與火災延燒. 第二節火載量的基本觀念火載量是左右火災溫度與火災持續時間的重要因素，在對實際火災連續性進行預測時，此數值必須加以掌握。在日本「建築物結構耐火性能檢證法」中即是以室內可燃物發熱量、內裝用材料發熱量及鄰接室熱入侵量之總合來計算場所的火載量，進一步估算火災持續時間，利用火災持續時間與結構物的防火時效相比較來評斷建築結構是否可能因為火災而倒塌。在「避難安全性能檢證法」中，火載量大表示發熱量大，間接影響了人員避難的時間。火載量為熱釋放率與時間的函數，在「建築火災煙控性能式設計法」中，熱釋放率則是預估火災成長之主要參數。另外，在 NFPA75、FM Global5-14 等規範中，亦有建築物內有可燃性建材或過量的可燃性物質時，全棟建築物均應裝設自動撒水設備等有關規定。因此，火載量在建築火災危險性評估時，有一定的重要性。一、火載量的意義火載量為代表建築物或防火區劃內所有可燃物於完全燃燒時所釋放出熱能的總數，一般定義為單位樓地板面積之可燃性物質的熱含量，或密閉空間中可燃性物質的總熱含量，則此時稱每單位面積之火載量為火載量密度。建築物火災發生後所持續燃燒時間之最主要因素為建築物室內可燃物燃燒時所釋放出熱能的多寡。建築材料的可燃性質應包含：（一）引燃的難易程度。（二）熱釋放率。（三）熱總釋放量。材料的點火溫度、性狀、外型與組織等會影響材料引燃的難易程度，例如相同重量之木材其為塊狀與片狀其熱總釋放量相同，而其引燃的難易程度則大為不同;表面積、組織、方向性、曝火狀況等則決定同種材. 17.

(35) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 料的熱釋放率，熱釋放率越大則火勢的成長越快;材料的重量則決定熱的釋放總量。表 2-3 木材之點火溫度及發火溫度點火溫度（0C） 240 253 253 263 271 262 264 270 272. 樹種柳杉檜木鐵杉赤松落葉松雲杉櫸橡木杉毛櫸. 樹種黃楊木櫸栗子櫻桃米松橡木鐵杉赤松雲杉. 發火溫度（0C） 447 426 460 416 445 455 445 430 437. （資料來源：文獻 4，P22）. 圖 2-3 辦公傢俱燃燒釋熱速率與時間關係圖（資料來源：文獻 3，P108）. 二、火載量的類別建築物室內可燃物的種類與型態非常的豐富與多樣化，曾有學者 G. I. Finch 將可燃物的種類依其點燃容易的程度分為三大類別：「纖絨性」（tinder）、「屑粒性」（kindling）與「大體積者」（bulk fuel）等。 18.

(36) 第二章建築物火災成長與火災延燒. 為便於火載量的調查與計算，一般將建築物內空間中的可燃物火載量分為二大類：固定火載量（fixed load）與可動火載量（movable load）。固定火載量是指可燃性裝修材料施作之天花板、版牆、門扇等，或是櫥櫃、固定家具等; 可動火載量是指建築竣工後搬入的可燃性家具、書籍、衣物、紙張等。固定火載量，在建築物設計時就確定了，而可動火載量無法根據設計圖求得，須根據建築物的用途、規模等實際量測計算。表 2-4 可動火載量與固定火載量分類固定火載量可動火載量室內裝修部分室內家具部分家具內容物變異情況較少較多最多項目 1 地板 2 牆面 3 天花板 4 室內隔間 5 衣櫃、雜物櫃（固定式） 6 衣櫃、雜物櫃（活動式） 7 桌子 8 椅子 9 隔屏 10 床鋪 11 燈具 12 電腦 13 書籍 14 衣服 15 寢具. ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎. （資料來源：文獻 5，P10）. 第三節木框架熱釋放率估算理論ㄧ、Babrauskas 木框架燃燒估算理論 Babrauskas（2002）木框架(wood cribs)意指為具有規則性排列. 19.

(37) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 之三度空間，每一支木角材皆具矩形斷面而且長度要超過厚度甚多，木條以交錯的方式堆積排列，每一層皆以空隙相互間隔。已有許多學者利用木框架(wood cribs)進行火災實驗，且木框架比其他材料更早被利用，許多分析經驗公式已被提出。本項討論與文獻條件一致以一堆之（A1 組別）條件進行。 Babrauskas對於木框架底部整體點燃以及中間點燃方式的不同，提供了質量損失率的經驗公式。Babrauskas指出，對於整體點燃之寬鬆結構，質量損失率受燃料表面控制(fuel surface control)，其參數包含初始質量、木條寬度和燃燒時間。密集結構之質量損失率則受木框架多孔性控制(crib porosity control)，其參數包括初始質量和幾何結構。對於中間引燃方式而言，定義火焰延燒至木框架邊緣時間為t0，且t0與每層木條支數呈線性關係。在燃燒時間未達t0前，質量損失率的參數為起始質量、燃燒時間、木條寬度和每層支數；在燃燒時間超過t0之後，其質量損失率則與整體點燃方式相同。木框架堆疊之幾何參數如圖 2-2 所示。由Babrauskas研究所得之經驗公式： m& =. 2v t 4 m0 v p (1 − p ) ........................................................................... (1) D D. 其中 m& =質量損失率(kg/s) m0 =木框架初始質量(kg). D =木條寬度(m) v p =燃料表面消耗率(fuel surface regression rate ,m/s)，對於木料而 −6. 言， v p = 2.2 × 10 D. −0.6. t =從木框架完全引燃起算之時間(s) 令(1)式中 t=0，則可得到最大質量損失率為： 4 m& = m0v p ............................................................................................ (2) D 20.

(38) 第二章建築物火災成長與火災延燒. 此式所計算出之質量損失率可視為將木條全部散開放置，木條間無相互覆蓋而不能接觸空氣之面積，估算值乃以木條所有面積計算，故其估算値會高於木框架中堆疊而有覆蓋面積之情形。另外利用木框架堆疊時不被木條掩蓋之表面積，以及燃料表面消耗速率之觀念推導出木框架質量損失率之估算公式為：. m& f = 2. S m vP o ............................................................................... (3) S+D D. 其中 m& f ：木框架質量損失(kg/s). S ：木條與木條之間距(m). D ：木條寬度(m) vP ：燃料表面消耗速度(m/s) −6. = 2.2 × 10 D. −0.6. mo ：木框架初始重量(kg). (3)式之估算值是將木條相互覆蓋之面積全部扣除，故其估算乃是以最低之燃燒面積估算。但實際實驗中，木條之堆疊並未釘死，故覆蓋面積間之空隙仍會有空氣進入，且木條經燒烤後會產生變形，使得燃燒面積增大，故實驗之熱釋放率會高於 (3) 式之估算值。 Babrauskas 研究所得之經驗公式並考量到木框架之孔隙率限制條件如下列公式：. ……………………………………………(4) Babrauskas 研究所得之經驗公式並考量到木框架之燃燒空間通風限制條件時如下列公式： ………………..……………………………………….…(5) 21.

(39) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 利用(2)、(3)、(4)、(5)式計算出其質量損失率之後，再乘上木條之熱値(14.09 MJ/kg)即可求得理論熱釋放率。. 圖 2-4 木框架之幾何尺寸ㄧ、Gross 木框架燃燒估算理論 Gross（1962）對於非侷限空間之木框架燃燒實驗驗證出二種燃燒變化特徵，堆積較為寬鬆之木框架其燃燒特性應屬表面積燃燒控制，相對於堆積較為緊密之木框架其燃燒特性應屬孔隙率燃燒控制。 Gross 對於孔隙率ψ之定義如下說明，木角材之尺寸為 l×b×b（長× 寬×高）斷面為正方形，N 為木框架層數，n 為木框架每一層木角材支數，所以孔隙率ψ為 1/2 1.1. ψ＝N b （AV/AS）…………………………………………………(6) 其中AS為木框架表面積， 2. 2 2. AS＝nN（4lb+2b ）－（N－1）n N …………………………………(7) AV為木框架垂直透空面積， 2. AV＝（l－nb）. ……………………………………………………(8). 22.

(40) 第二章建築物火災成長與火災延燒. 孔隙率ψ所探討表示的物理意義為木框架燃燒時進入木框體的新鮮空氣量與燃載量的相對比值。對於孔隙率ψGross並經實驗得出 1.1. 臨界控制値ψ臨界＝0.08～0.1cm 。. 第四節 FDS 模型理論基礎與執行架構 FDS 數值模擬的理論基礎包含熱流模型、燃燒模型以及熱輻射模型等，詳細的理論模型內容可參考 FDS 技術手冊(McGratten, 2004)。 FDS 適用於低馬赫數（low mach number）的流場分析，可模擬三維的火災情境，將建築物空間分割為許多細小格點，利用數值分析方法計算模擬預測火災的成長趨勢。FDS 的執行架構分為三部分，第一、設定空間尺寸、邊界條件與格點範圍，第二、由整體流場模型所架構的基本守恆方程式包含了質量守恆、動量守恆、能量守恆以及氣體狀態方程式，利用數值運算求得區域流場中的速度、溫度、與壓力等物理量，第三、模擬分析結果以 3D 圖形或動畫的方式呈現。. ∂ρ + ∇ ⋅ ρu = 0 ，質量守恆方程式： ∂t. (1). ∂ 動量守恆方程式： (ρu ) + ∇ ⋅ ρuu + ∇ρ = ρf + ∇ ⋅τij ， ∂t. (2). ∂ Dp ( ) ρ h + ∇ ⋅ ρ hu = + q& ′′′ − ∇ ⋅ q + Φ ，(3) 能量守恆方程式： ∂t Dt. p= 氣體狀態方程式：. ρRT M. (4). ；. 以上程式係數說明如後， ρ 為氣體密度， u 代表速度向量， f 為包含重力等的力量項， h 為熱焓，τ ij 是壓力張量， q& ''' 是化學反應中單位體積產生的熱釋放率，. ∇ ⋅ q 代表傳導與輻射熱通量， Φ 則是動能因 23.

(41) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 為黏滯性轉換成熱能的逸散項。. 24.

(42) 第三章熱分析方法介紹. 第三章熱分析方法介紹. 本研究目的之ㄧ即是將歷年之大型火災實驗，包含 ISO9705 房間實驗與 10MW 房間實驗資料進行分析與整理，以下將 ISO9705 與 10MW 實驗方法與設備進行介紹，並說明實驗資料整理所設定之參數。. 第一節 ISO9705 實驗方法與設備 ISO 9705 試驗房間(Test room)燃燒實驗設備：（一）集煙罩及排氣導管(Hood and exhaust duct) 排氣系統主要包含集煙罩、排氣導管及可讓氣體混合均勻的擾流片。集煙罩設置於分析房間開口上方，收集從房間開口部所流出之燃燒產物並經由排氣導管抽至氣體分析儀中進行分析。（二）O2/CO/CO2氣體分析儀(Gas analysers) O2氣體分析儀採用順磁性(Paramagnetic) 氣體分析儀，測量範圍 0~21% vol. O2。CO/CO2 採用非散射性紅外線(NDIR) 氣體分析儀，測量範圍為 0~1% CO 及 0~10% CO2。. 圖 3-1 ISO 9705 試驗房間(Test room)集煙罩及排氣導管. 25.

(43) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 圖 3-2 天花板測溫點位置圖. 圖 3-3 熱電偶樹相關位置. 圖 3-4 O2/CO/CO2氣體分析儀 26.

(44) 第三章熱分析方法介紹. 第二節 10MW 實驗方法與設備熱釋放率是可燃物每單位時間所釋放出來的熱量，通常以瓦特（W）來表示，即每秒鐘釋放出 1 焦耳的熱量（J/sec），熱釋放率是研究火災燃燒非常重要的參數之一，熱釋放率的應用如下：（1）可以描述火焰尺度的大小，（2）建立熱釋放率與火焰高度的關係式，（3）代表火災科學中燃燒熱量來源，藉以推算燃燒行為最重要的參數之一，（4）藉由熱平衡推算火場溫度等。 Tewarson【9】於 1976 年，建立一小尺度火焰燃燒產物收集器 (laboratory-scale fire products collector)，其可量測最大總熱釋放率約為 10kW。早期發展的燃燒產物收集器逐漸演變成目前所謂的圓錐量熱儀(Cone Calorimeter)，世界上現有小尺度圓錐量熱儀約有 140 多套，被世界各國廣泛應用，如小型圓錐量熱儀設備標準（ASTM E1354、ISO 5660-1），以及大尺寸房間火災試驗標準（ISO 9705）等。 6. 至於大尺度燃燒產物收集器，分析容量達 10MW（10 W）的燃燒分析裝置，可分析全尺寸燃燒實驗者則較少，如英國BRE的FRS部門、美國UL 公司及美國FM公司等大型研究機構，方有相關設備。內政部建築研究所之燃氣分析儀，功能包含(1)氣體分析系統（含 O2、CO、CO2、NOX、HC分析儀和氣體採樣∕校正系統）、(2)光學密度分析儀、(3)流率∕溫度監測儀以及(4)數據處理系統等。是一個分析容量可達 10MW的大型圓錐量熱儀，可應用於量測分析大型物件或結構體於開放空間燃燒過程之引燃特性、熱釋放率、質量損失率、有效發熱量、發煙特性、及毒氣分析等。其構造包含集煙罩、管路、探測儀器、氣體分析儀器、大型抽風機、廢氣除塵槽等。. 27.

(45) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 1.待測物體. 2.集煙罩及管路. 3.氣體探測儀器. 4.氣體分析儀器. 圖 3-5 燃氣分析儀構造圖（資料來源：本研究整理）. 第三節氧氣消耗法分析熱釋放率原理 ISO9705 與 10MW 大尺度燃燒分析裝置可以量測可燃物生成氣體的濃度，利用氧氣消耗法計算燃燒物體熱釋放率的歷時紀錄。氧氣消耗法係藉由量測大氣與煙氣中氧氣濃度之差值，利用每單位質量氧氣產生固定熱量之原理來計算整體燃燒形成的熱釋放率，其整體熱釋放率表示式如下： Q&O = ΔHO2 (m& Oo 2 − m& O2 ). 根據 Thornton【10】及 Huggett 【11】研究指出，有機物在. 28.

(46) 第三章熱分析方法介紹. 完全燃燒後，每單位質量氧氣的熱釋放趨近一個定值，單位質量氧氣燃燒熱在某固定值左右。依據 Parker【12】及 Janssens 【13】之研究，氧氣生成物與熱釋放率的計算式如下所示：. (. ). me MO2 Q=(ΔHC )O2 φ 1−χH0 2O χO02 1+φ(α −1) Mair. φ=. 0 ) χO0 (1− χCO − χCO) − χO (1− χCO 0 χO (1− χO − χCO − χCO) 2. 2. 2. 2. 2. 2. （1）（2）. 2. 其中： Q ：熱釋放率. m e ：燃氣分析儀量測管內之質量流率。. Mi ：i 氣體之分子量。. χ i ：i 氣體流經燃氣分析儀所測得的莫爾分率。 χ i0 ：i 氣體於試驗前經分析儀所測得的莫爾分率。. α. ：膨脹係數， α =1.05. φ. ：氧消耗係數。. ( ΔH C ) O2 ：為可燃物完全燃燒時，消耗每公斤氧所釋放的熱量。. 29.

(47) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 30.

(48) 第四章設計火源參數彙整與 FDS 木框架燃燒模擬分析. 第四章設計火源參數彙整與 FDS 木框架燃燒模擬分析. 第一節設計火源參數分析與整理防火實驗中心利用 IOS9705 房間火災實驗設備、10MW 氣體分析儀與 6M×6M×6M 實驗屋設備進行全尺寸燃燒實驗，燃燒實驗的項目包含木框架實驗、油盤實驗、家具實驗、機車實驗、辦公室模擬火災等在自由空間燃燒、室內燃燒、撒水防護等各種情形的燃燒實驗數據資料。其中有關木框架燃燒實驗係進行火災實驗研究所使用之典型火載量，實驗中心所累積木框架燃燒之實驗資料最多共計進行 118 次實驗，所以本章節依據實驗參數與實驗結果統計參數項目表，完成木框架之燃燒資料分析與整理。本所研究實驗計畫開始利用設備進行全尺寸燃燒實驗，除木框架實驗之外其餘燃燒實驗的項目包含家具實驗、機車實驗、辦公室模擬火災等在自由空間燃燒、油盤實驗、室內燃燒、撒水防護等各種情形的燃燒實驗數據資料，這些實驗資料加以整理歸納，對於性能設計火源的熱釋放率設定有相當大的幫助。利用本研究以 matlab 自行撰寫一程式來分析熱釋放率曲線，並完成 8 類 60 項實尺寸燃燒實驗資料分析與整理可提供性能式設計時火源設定參數之參考與依據。. 一、木框架實驗結果整理木框架實驗自 93 年至 96 年共計進行 118 次實驗，相關整理參數說明如下： 2. 「α」為火源成長係數為 T-squared 曲線數，「R 」為火源成長係數之相關係數；「to」為木框架引燃開始時間，「ts」為火災成長至 31.

(49) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 90％最大 HRR 時間，亦為 90％穩定熱釋放率開始時間，「te」90％穩定熱釋放率結束時間；「ψ」孔隙率（Porosity factor）計算採 Gross 公式。 800. 700. 600. HRR(KW). 500. α. 400. ts. te. 90％. 300. 200. 100. 0 0. to. 400. 800. 1200. 1600. Time(sec). 圖 4-1 燃燒時間與熱釋放率關係圖. 圖 4-2 ISO 9705 木框架實驗過程燃燒情況. 32.

(50) 第四章設計火源參數彙整與 FDS 木框架燃燒模擬分析. 已完成木框架之燃燒資料分析與整理如表 4-1。. 33.

(51) 建築防火性能法規設計火源燃燒行為數值模擬分析. 表 4-1 木框架實驗結果－1 編號. 日期. 體積. A1B1-T1 A1B1-T2 A1B1-T3 A1B1-T4 A1B1-T5 A1B1-T6 A1B1-T7 A1B1-T8 A1B1-T9 A1B1-T10 A1B2-T1 A1B2-T2 A1B2-T3 A1B2-T4 A1B2-T5 A1B2-T6 A1B2-T7 A1B2-T8 A1B2-T9 A1B2-T10 A1B3-T1 A1B3-T2 A1B3-T3 A1B3-T4 A1B3-T5 A1B3-T6 A1B3-T7 A1B3-T8 A1B3-T9 A1B3-T10 A2B1-T1 A2B1-T2 A2B1-T3 A2B1-T4 A2B1-T5 A2B1-T6 A2B1-T7 A2B1-T8 A2B1-T9 A2B1-T10 A2B1-T11 A2B2-T1 A2B2-T2 A2B2-T3 A2B2-T4 A2B2-T5 A2B2-T6 A2B2-T7 A2B2-T8 A2B2-T9 A2B2-T10 A2B3-T1 A2B3-T2. 950711 950711 950712 950712 950712 950713 950713 950713 950714 950714 950717 950717 950718 950718 950731 950731 950801 950801 950801 950801 950801 950802 950802 950802 950802 950809 950810 950810 950810 950810. 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17. 木角材長木角材寬開口部面積牆面材度度木條數量質（長×寬×高）（長×寬） l（cm） b（cm） 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3*2.4*2.4 3.6*2.4*2.4 3.6*2.4*2.4 3.6*2.4*2.4 3.6*2.4*2.4 3.6*2.4*2.4. 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0 0.8*2.0. 矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣矽酸鈣. 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45. 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90. 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3. 每層支數 n 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 15 15. 木框架層木框架木框架堆數 ψ 位置數 N 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 1.5 1.5. corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner corner. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2. 引燃方式. 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 1.533464 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.266816 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 0.052061 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 1.916802 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.237453 丙烷burner 0.040724 丙烷burner 0.040724 丙烷burner. 34. 引燃源大小. 引燃源燃燒時間. 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW 25KW. 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s 200s. 平均穩定最高熱釋最大熱釋 to D（cm）放率（ α R 放率90％ kw）（kw） 3.23 744.4074 707.49712 0.005292381 0.765234 3.23 753.1312 694.84067 0.005413133 0.680684 3.23 587.9211 552.76954 0.002791511 0.717352 3.23 667.5922 631.53139 0.006149322 0.696034 3.23 800.4985 756.00906 0.008879062 0.82199 3.23 632.6652 593.63041 0.003349459 0.624785 3.23 684.2882 645.49895 0.008650449 0.80614 3.23 594.6289 563.89961 0.003021504 0.658219 3.23 485.1557 459.56241 0.000262778 0.748088 3.23 776.7953 734.5982 0.005551001 0.659124 3.23 372.7382 345.04859 0.001218133 0.976414 3.23 555.847 513.88027 0.003643412 0.974997 3.23 360.65 329.28867 0.000901208 0.952356 3.23 515.7414 483.81284 0.003659777 0.982181 3.23 594.3131 565.00098 0.005529525 0.986491 3.23 619.029 585.02077 0.003256348 0.972299 3.23 725.6547 682.85839 0.010526897 0.952807 3.23 513.3646 472.0036 0.002811314 0.919991 3.23 649.4833 609.49992 0.009287628 0.970957 3.23 663.4849 627.47159 0.015993079 0.953015 3.23 548.8301 516.7491 0.004612936 0.927713 3.23 514.0909 487.69585 0.003657316 0.995888 3.23 502.7337 467.98778 0.009136418 0.982634 3.23 640.1694 600.13166 0.007754254 0.979654 3.23 350.3148 321.61681 0.001461813 0.995687 3.23 661.2926 627.50068 0.007169247 0.974349 3.23 700.1936 666.83606 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