細水霧系統火災控制整合應用技術研究

全文

(1)細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 內政部建築研究所委託研究成果報告中華民國 97 年 12 月.

(2) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究（國科會 GRB 編號） PG 9703-0027 （本部計畫編號） 097301070000G1010. 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 受委託者：中華財團法人建築中心研究主持人：陳教授俊勳研究員：徐一量、黃聖安、周枝興. 內政部建築研究所委託研究期末報告中華民國 97 年 12 月.

(3) 目次. 目次目次............................................................................................................. I 表次.......................................................................................................... III 圖次............................................................................................................V 摘要...................................................................................................... XI ABSTRACT.......................................................................................... XIII 第一章緒論.......................................................................................... 1 第一節研究緣起與背景....................................................................... 1 第二節文獻回顧................................................................................... 3 第三節研究方法................................................................................... 8 第四節研究內容與成果..................................................................... 13 第二章火災實驗場儀器設備................................................................ 15 第一節實驗與量測儀器..................................................................... 15 第二節細水霧噴頭粒徑量測............................................................. 29 第三章相關規範探討及彙整................................................................ 33 第一節國內法令規定......................................................................... 33 第二節細水霧滅火系統國際相關測試規範介紹 ............................ 37 第三節火源與場景測試規範............................................................. 47 I.

(4) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 第四章火災實驗與模擬結果討論 ....................................................... 49 第一節不同油量對細水霧火場抑制的影響 .................................... 50 第二節排煙與細水霧的影響............................................................. 54 第三節排煙口位置對細水霧火場抑制的影響 ................................ 58 第四節排煙風量對細水霧火場抑制的影響 .................................... 61 第五節細水霧與傳統撒水頭對火場抑制的影響 ............................ 66 第六節電腦模擬................................................................................. 76 第七節細水霧系統與排煙設備整合之優劣 .................................. 100 第五章結論與建議.............................................................................. 101 第一節結論....................................................................................... 101 第二節後續實驗規劃…………………….……………………….102 第二節後續研究建議....................................................................... 102 參考文獻................................................................................................ 103 附錄一建研所近年來的研究成果 ..................................................... 107 附錄二委員意見及回覆.......................................................................111 附錄三噴頭認證資料.......................................................................... 125 附錄四 KPI、SWOT 和分年目標與成果……………………………131.

(5) 表次. 表次表 1-1 各類滅火系統之比較 ................................................................... 4 表 2-1 噴頭特性比較 ............................................................................. 31 表 2-2 SMD 計算樣本資料..................................................................... 32 表 2-3 DANFOSS 細水霧噴頭量測數據............................................... 32 表 3-1 各類消防滅火系統設置場所比較表 ......................................... 34 表 3-2 細水霧滅火系統測試協定及空間分類表 ................................. 38 表 3-3 FM 之測試規範空間需求列表 ................................................... 39 表 3-4 UL2167 之測試規範空間需求列表............................................ 40 表 3-5 IMO MSC/Circ 668/728 A 類引擎室之測試規範空間需求表.. 41 表 3-6 船上 A 類引擎室的火災測試情境分類表 ................................ 42 表 3-7 油料噴灑測試參數 ..................................................................... 43 表 3-8 FM 細水霧滅火系統測試規範測試對象及項目整理 ............... 44 表 3-9 UL2167 細水霧滅火系統測試規範測試對象及項目整理........ 45 表 4-1 實驗參數 ..................................................................................... 49 表 4-2 汽油 1500C.C.的滅火時間......................................................... 50 表 4-3 汽油 3000C.C.的滅火時間......................................................... 52 表 4-4 木堆在細水霧及傳統撒水頭的滅火時間 ................................. 66 表 4-5 細水霧電腦模擬情境表 ............................................................. 78. III.

(6) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究.

(7) 圖次. 圖次圖 1-1 計畫的實驗架構 ........................................................................... 8 圖 1-2 FIREDASS 子模式關連圖 .......................................................... 10 圖 2-1 實驗場地配置圖 ......................................................................... 16 圖 2-2 實驗場地俯視圖 ......................................................................... 16 圖 2-3 氣體分析器 ................................................................................. 17 圖 2-4 熱電偶樹 ..................................................................................... 18 圖 2-5 數據處器(a) DA-100 (b)DU-100................................................ 18 圖 2-6 煙遮蔽量測的訊號處理器 ......................................................... 19 圖 2-7 雷射光源發射器 ......................................................................... 20 圖 2-8 木堆火源 ..................................................................................... 22 圖 2-9 油盆火源 ..................................................................................... 22 圖 2-10 撒水變頻控制盤系統………………………………………...23 圖 2-11 細水霧啟動裝置 ....................................................................... 23 圖 2-12 排煙啟動控制器………………………………………………23 圖 2-13 偵熱與偵煙探測回路 ............................................................... 23 圖 2-14 排煙風管………………………………………………………24 圖 2-15 細水霧旋吊系統 ....................................................................... 24 圖 2-16 排煙口…………………………………………………………24. V.

(8) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-17 補氣口 ....................................................................................... 24 圖 2-18 高壓細水霧系統噴嘴(a)正視圖以及(b)俯視圖...................... 27 圖 2-19 數位影像處理流程 ................................................................... 28 圖 2-20 高壓細水霧系統噴嘴(a)正視圖以及(b)俯視圖....................... 29 圖 2-21 噴頭噴撒角 135°....................................................................... 29 圖 2-22 粒徑個數分布直方圖 ............................................................... 30 圖 2-23 相對累積體積百分比 ............................................................... 31 圖 3-1 消防安全設備審核認可之程序 ................................................. 35 圖 4-1 不同油量的油面高度 ................................................................. 50 圖 4-2 不同油量-細水霧滅火示意圖.................................................... 53 圖 4-3 排煙與細水霧的影響之煙濃度圖 ............................................. 54 圖 4-4 排煙與細水霧的影響之 CO2 濃度圖......................................... 55 圖 4-5 排煙與細水霧的影響之 O2 濃度圖 ........................................... 55 圖 4-6 排煙與細水霧的影響之 CO 濃度圖.......................................... 56 圖 4-7 排煙口位置的影響之煙濃度圖 ................................................. 58 圖 4-8 排煙口位置的影響之 CO2 濃度圖............................................. 59 圖 4-9 排煙口位置的影響之 O2 濃度圖 ............................................... 59 圖 4-10 排煙口位置的影響之 CO 濃度圖............................................ 60 圖 4-11 排煙風量的影響之煙濃度圖 ................................................... 61.

(9) 圖次. 圖 4-12 排煙風量的影響之 CO2 濃度圖............................................... 62 圖 4-13 排煙風量的影響之 O2 濃度圖 ................................................. 62 圖 4-14 排煙風量的影響之 CO 濃度圖................................................ 63 圖 4-15 油盆實驗場地#1 溫度圖 .......................................................... 63 圖 4-16 油盆實驗場地#2 溫度圖 ........................................................... 64 圖 4-17 油盆實驗場地#3 溫度圖 ........................................................... 64 圖 4-18 木堆火源-細水霧滅火的煙濃度圖.......................................... 68 圖 4-19 木堆火源-撒水滅火的煙濃度圖.............................................. 68 圖 4-20 木堆火源-細水霧滅火的 CO2 濃度圖 ..................................... 69 圖 4-21 木堆火源-撒水滅火的 CO2 濃度圖 ......................................... 69 圖 4-22 木堆火源-細水霧滅火的 O2 濃度圖........................................ 70 圖 4-23 木堆火源-撒水滅火的 O2 濃度圖 ............................................ 70 圖 4-24 木堆火源-細水霧滅火的 CO 濃度圖 ...................................... 71 圖 4-25 木堆火源-細水霧滅火的 CO 濃度圖 ...................................... 71 圖 4-26 木堆火源-細水霧滅火-風量無場地#1 溫度圖 ....................... 72 圖 4-27 木堆火源-撒水滅火風量無場地#1 溫度圖............................. 72 圖 4-28 木堆火源-細水霧滅火風量 50m3/min 場地#1 溫度圖........... 73 圖 4-29 木堆火源-撒水滅火風量 50m3/min 場地#1 溫度圖............... 73 圖 4-30 木堆火源-細水霧滅火風量 120m3/min 場地#1 溫度圖.......... 74. VII.

(10) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 4-31 木堆火源-撒水滅火風量 120m3/min 場地#1 溫度圖.............. 74 圖 4-32 電腦模擬模型圖 ....................................................................... 76 圖 4-33 油盆火源質量損失率曲線圖 ................................................... 77 圖 4-34 情境 1 分時溫度切面圖 ........................................................... 79 圖 4-35 情境 1 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 79 圖 4-36 情境 1 分時一氧化碳濃度切面圖 ........................................... 80 圖 4-37 情境 1 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 80 圖 4-38 情境 1 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 81 圖 4-39 情境 2 分時溫度切面圖 ........................................................... 82 圖 4-40 情境 2 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 82 圖 4-41 情境 2 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 83 圖 4-42 情境 2 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 83 圖 4-43 情境 3 分時溫度切面圖 ........................................................... 84 圖 4-44 情境 3 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 85 圖 4-45 情境 3 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 85 圖 4-46 情境 3 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 86 圖 4-47 情境 4 分時溫度切面圖 ........................................................... 87 圖 4-48 情境 4 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 87 圖 4-49 情境 4 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 88.

(11) 圖次. 圖 4-50 情境 4 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 88 圖 4-51 情境 5 分時溫度切面圖 ........................................................... 89 圖 4-52 情境 5 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 90 圖 4-53 情境 5 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 90 圖 4-54 情境 5 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 91 圖 4-55 情境 6 分時溫度切面圖 ........................................................... 92 圖 4-56 情境 6 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 92 圖 4-57 情境 6 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 93 圖 4-58 情境 6 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 93 圖 4-59 情境 7 分時溫度切面圖 ........................................................... 94 圖 4-60 情境 7 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 95 圖 4-61 情境 7 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 95 圖 4-62 情境 7 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 96 圖 4-63 情境 8 分時溫度切面圖 ........................................................... 97 圖 4-64 情境 8 分時煙濃度切面圖 ....................................................... 97 圖 4-65 情境 8 分時二氧化碳濃度切面圖 ........................................... 98 圖 4-66 情境 8 分時氧濃度切面圖 ....................................................... 98. IX.

(12) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究.

(13) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：滅火或火災控制效能、細水霧系統、排煙系統、系統整合、細水霧效能模擬軟體. 一、研究緣起為減緩地球暖化現象，在 1987 年全球各大工業國簽訂蒙特婁議定書限制氟氯碳化物的製造、銷售及使用。海龍滅火系統在此環保議題的考量下，現已進入替代及中止使用的階段，也因此各國消防廠商及防火研究者莫不努力尋求合適的海龍替代品，其中細水霧系統滅火效率佳且無環保疑慮而成為一理想的海龍替代品。細水霧系統經火場測試實驗針對一般可燃物、噴射氣體火災、可燃性及易燃性液體、電器火災均能發揮其滅火或抑制效果，故其應用範圍相當廣泛。. 二、研究方法及過程針對細水霧滅火系統在通風排煙環境下對於在火災控制上的整合及應用，選定辦公室火災來做為火災場景，決定其火載量並以木堆當作標準火源。經由不同的噴頭條件、排煙條件及火源位置與排煙口之相對位置，來觀察煙流動變化並且量測標準火源被撲滅的時間，以及火場內部之溫度變化以深入探討細水霧與排煙系統設置之相對位置與其滅火能力之相關性。. 三、重要發現由研究結果顯示，細水霧在排煙的情況下，亦能有效的撲滅油盆火災。但滅火時間會受到排煙風量大小的影響，當排煙風量愈大，其滅火時間就愈長，並能有效降低火場的煙濃度、CO2、CO 和溫度，降低了火場內部的危害，可以延長火場內人員避難逃生的時間。在木堆火源的實驗中，細水霧對於火場的抑制能力和火場內部的降溫效果，以及對氣體濃度的影響，都比傳統撒水頭還要好，對於人員的避難逃生也較為有利。而在細水霧的粒徑量測中，大部分的粒子都在 500μm 以下，由累積體積百分比為 99%的相對粒徑來區分水霧大小，此噴頭所對應的粒徑則介於. XI.

(14) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究 800-850μm，所以大粒徑的水霧出現會大幅提昇所定義的水霧大小。從模擬成果可得知，細水霧作動可強化排煙的效果，有效降低火場溫度及降低危害氣體濃度，且排煙量愈大，細水霧降低危害的效果愈佳，與實驗結果相吻合。在法規規範方面，由於國內無細水霧滅火設備之標準或規定。因此，整合 IMO、UL 和 FM 的規範和測試項目，以提供國內業者、研究機構在細水霧滅火系統實場測試或電腦數值模擬應用方面的參考工具。. 四、主要建議事項由本研究結果，細水霧對辦公室火災有很好的抑制效果，可增加人員避難逃生的時間，但目前對於細水霧系統的使用卻不普遍，主要是因為在一般辦公室空間中，會有許多的電器用品(電腦、插座和電線等等)，會有漏電的疑慮。因此，可對於測試空間中，模擬辦公室空間放置電腦主機，探討火災發生時，對於火場內的危害程度，以及細水霧對電器用品的影響。. XII.

(15) ABSTRACT. ABSTRACT. Keywords: Fire-extinguishment or Fire Control Performance, Water Mist System, Desmoke System, System Integration, Simulation Model of Water Mist System. 1. Motivation: In order to mitigate the global warming, the industrial countries signed the Montreal Protocol in 1987 to limit the manufacture, sale and use of CFCs related products.. Under such circumstance, the fire suppression systems of Halon series are. now in the processes of replacement and usage-postponing.. Therefore, the fire. laboratories, researchers and fire protection equipment suppliers are working hard to find the proper Halon replacements.. One of them is the water mist fire suppression. system, which has good fire suppression efficiency and no harm to environment, making such system to be an excellent Halon replacement.. Via intensive fire tests,. the water mist fire suppression system has been proved to be effective for the general combustible, jet, combustible/flammable liquid and appliance fires, therefore, its has wide applications.. 2. Research methodologies and process Aiming on the fire control/suppression by applying and integrating the water mist system with the ventilation and desmoke systems, the office fire was selected as the scenario, which specified the crib (wooden) fire as the fire source, including its fire load.. The smoke flows, extinction times of standard fire sources, and field. temperatures were observed and measured by varying the working pressure, desmoke condition and relative orientation between fire source and smoke exhaust to investigate the relationship between the water mist and desmoke systems. 3. Important findings From the experimental results, it found that water mist system even under the desmoking condition still can effectively put out the pool fire. However, the fire. XIII.

(16) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究 extinction time is greatly affected by the desmoke capacity.. The extinction time. becomes longer as the desmoke capacity is higher that also can reduce the smoke density, CO2 and CO concentrations, and temperature.. In other words, it can. mitigate the fire hazard and extend the occupant egress time. In the crib fire tests, water mist system was found to be able to control the fire and reduce the field temperature.. It was found as well that the toxic gas. concentration is reduced comparing to that of regular sprinkler system so that the occupancy evacuation becomes safer. From the Laser measurements, SMDs and diameters for most of mist drops were found under 500μ. Based on the sizing definition according to 99 percentage of the accumulated volume of relative particle size, such mist sprinkler nozzle generates the droplet sizes ranged from 800 to 850μm.. It indicates that the appearance of large. water mist can increase the averaged water mist size. From simulation results, the activation of water mist could enhance the effect of desmoke action that can reduce the toxic gas concentration and temperature.. The. mitigation of fire hazard by water mist become more apparent as the desmoke capacity is greater.. The predicted behaviors completely agree with the. corresponding ones appeared in experiments. Since there are no codes or standards regulating the water mist systems and equipments in Taiwan, therefore, this study collects the standards and test items from IMO, UL and FM to serve as the references and research tools for the researchers, venders and manufacturers, who may interest in the field test or the simulation design. 4. Suggestions and recommendations From this study, It can find that the water mist suppression system is very effective to control the office fire that can enhance the occupancy evacuation capability. However, such application is not so poplar now because there exist many appliances, such as personal computers, plugs and electrical wires, in a general office. XIV.

(17) ABSTRACT that may cause a great concern on property loss due to water damage, the second hazard.. Therefore, this study proposes to investigate the influence and damage level. of the appliances in an office fire by using water mist system as the suppression means in the near future.. XV.

(18)

(19) 第一章緒論. 第一章緒. 論. 第一節研究緣起與背景由於海龍(Halon)系統滅火對各類火災有優越的抑制效果以及所需的放射劑量少，同時其在放射時不會對儀器設備造成額外的危害，因此在早期海龍滅火系統被廣泛的應用在各種場所當中。但不幸的是，海龍的組成成份中含有會有破壞臭氧層的鹵原子，在環境保護議題日益重視的情況下，於 1987 年由美國及全球各大工業國家所簽署的蒙特婁公約中(Montreal Protocol)，禁止了海龍滅火系統的生產，並規定在 2003 年 12 月時海龍滅火系統必須完全的停用。因此，同時即時起許多專家學者便開始致力於新型滅火系統的研究與開發，例如細水霧，壓縮空氣泡沫，及氣體滅火器等，作為海龍滅火系統的代替用品，其中以細水霧滅火系統最具有優勢。什麼是“細水霧滅火系統” 呢? 根據 2000 年 NFPA750[1]規範中對細水霧系統的說明:細水霧滅火系統為一種噴撒滅火系統，在系統中設置有一個或數個噴頭，可放射細水霧用以控制、抑制、撲滅火源，噴頭在最小設計工作壓力下，噴出水之水滴平均粒徑，共至少有 99% 的粒徑應小於 1000 微米 ( Dv 0.99 1000 m )。而其平均粒徑大小的決定方式，必須由 24 個量測點所決定。關於細水霧滅火系統的滅火性能機制的研究可以追溯到 20 世紀 50 年代中期， 1955 年 Braidech 等人[2]在研究裡提出，細水霧滅火機制主要是為氧氣置換以及冷卻效果；在經過 40 餘年的研究驗證了該研究[2]觀點的正確性。而在近期 Mawhinney 等人[3]的研究中發現細水霧滅火系統另有其它的滅火機制，例如降低熱輻射效應，水蒸汽可將空氣稀釋與直接對未燃物品進行降溫的動作。在我國目前消防法規中，對於需設置排煙設施場所，如大範圍的集會場所、工廠、電氣房及廊道等，並未對細水霧滅火系統在排煙設施下其滅火效能之影響，以及是否能替代撒水頭的選擇來做規範與評估。另外由於細水霧在通風排煙環境下，會有捲吸效應(entrainment effect)產生，其微小水分子會隨著氣流達到普通撒水頭水滴無法達到之遮蔽處，其火場抑制效果和傳統撒水頭有很大差異，因此有必要對細水霧在通風排煙的環境中的滅火性能來進行研究探討，來探討其替. 1.

(20) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究代傳統撒水系統的可行性。. 2.

(21) 第一章緒論. 第二節文獻回顧細水霧系統也許是控制建築物火災可靠的消防設施之一，因為它可以配合偵測系統來有效率的自動探測到火源並抑制火災強度。細水霧系統的滅火效果是在整個燃燒過程中，藉著水來冷卻火燄及降低燃燒物燃燒速率。然而，在排煙環境中，細水霧撒水系統可能無法完全的發揮功效，因為來自撒水系統的噴流量會影響煙霧，也會阻礙排煙系統的功能，而排煙系統亦有可能會影響到細水霧系統的滅火效能。縱然撒水系統與排煙系統的作用相互交雜，但其目標都在抑制火勢的蔓延。而在很多的火災實驗中，並沒有很清晰的實驗及模擬可以揭露這些作用的影響。細水霧系統與一般撒水頭系統主要不同之處簡述如下：細水霧系統所產生水滴的 VMD（volumetric mean diameter；體積平均直徑）直徑約在 30 至 300m，因此其用水量會較一般傳統撒水頭少一個級數（an order of magnitude），換一句較通俗的字眼即是至少少十倍以上的用水量，除上述特性外，其功能與各項滅火系統之比較如表 1-1 所示。最早敘述細水霧滅火機制的論述是由 Braidech[2]在 1955 年提出的，後經 Rasbash[4]等人証實其觀點，Braidech 提出細水霧滅火機制主要為空氣稀釋及冷卻效果，這些細水霧遇到火災的熱源後，蒸發為水蒸汽排擠了新鮮且源源不斷供應的氧氣，使得燃燒區域內的氧氣大為減少，同時這些細水霧粒子也提供了降低火場溫度的冷卻效果。 Dundas [5]統計的結果指出由於防護氣體經由通風口的洩漏情況下，海龍或者二氧化碳滅火系統無法有效將火源給撲滅的機率高達 37%。. 3.

(22) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 1-1 各類滅火系統之比較特性/作用. 水系統. 海龍. 二氧化碳. 細水霧. (Sprinkler). (Halon). (CO2). (Water Mist). 無毒性. 是. 否. 否. 是. 適用 A/B 類火災. 否. 是. 是. 是. 不影響環境. 是. 否. 否. 是. 需要幫浦. 是. 否. 否. 是. 高吸熱能力. 否. 否. 否. 是. (本研究整理). 細水霧滅火系統的滅火性能會受測試空間內通風條件造成燃燒後的熱氣與外界新鮮空氣交換現象影響。然而，在通風條件下細水霧的滅火性能仍是較其它氣體滅火器:如二氧化碳滅火器及海龍替代用品來的優越。Pepi[6]在低壓細水霧滅火系統上研究的結果顯示，在通風條件底下，細水霧滅火系統仍然可以有效的將火勢給撲滅，但是火勢撲滅的時間卻較在無通風條件下增加 30%到 70%。 Kim 等人[7]在全尺寸火災實驗中顯示，在強制通風的測試條件下，使用連續性放射的細水霧滅火系統，無法將有遮蔽情況下的圓形油盤火源給撲滅。但是，若將連續性放射方式改為間歇性放射時，在相同通風條件下，細水霧滅火系統卻能在 168 秒便將火勢給撲滅。而實驗中所測量到的最低氧濃度為 16% 而最大的二氧化碳濃度是 3.3%。另外，在 Kim 所規劃的另一火災情境中，對於噴撒火災(燃料為 Heptane)無論是連續性放射或者是間歇性放射的情況，火勢均可以有效的受到控制。而在間歇性防護情況下，在天花板附近的氣體溫度比連續性放射來的高。其原因是在間歇性放射的情況下，原本被抑制的火勢迅速恢復，在天花板附近的熱氣體的濃度增加。當細水霧滅火系統再次開動，則會有更多的水蒸汽在測試空間內生產，因而提升細水霧滅火系統的滅火效力。細水霧的火災技術近幾年來在內政部建築研究所的努力推動下已累積相當. 4.

(23) 第一章緒論不錯的研究成果，對於細水霧文獻的收集、檢測基礎的研究、細水霧量測實驗室的建置都有完善規畫及可觀成果，可參考附錄一。近幾年對水系統火災控制、細水霧滅火系統技術研發之規劃研究及隔煙系統之研究如下： 2003 年，陳俊勳、鍾基強等人[8]，針對水霧系統研究設施及驗證項目規劃及建立先期研究設施及驗證項目做了完整的文獻收集及比較。並對高風險危害情境分析、細水霧效能模擬分析、細水霧系統實場效能分析進行規劃。完成國內外相關細水霧研究探討比較、效能分析、測試與驗證方法及發展趨勢。協助建立及培訓人員完成全尺寸灑水系統實驗設備及量測技術。 2004 年，鍾基強[9]對於火災探測器器與消防設備間的關係進行研究。針對密閉式及開放式撒水系統啟動機制及作動的影響參數、評估火災探測器發報時機及開放式撒水系對排煙及煙沉降的影響。並針對目前消防法規設置標準（包括設置場所、位置及數量等）做探討並完成全尺寸實驗之滅火機制驗證。陳建忠、張尚文及謝煒東[10,11]，在 2004 及 2005 年建研所自辦案內，研究比較了細水霧與各種滅火系統的優劣與適用情形，並由細水霧的滅火原理發現：細水霧噴頭特性的「粒徑」與「速度」對滅火效果的影響極具關鍵地位。針對噴頭滅火特性的探討發現，影響滅火速率的因子輕重分別為噴頭高度>噴水時間>噴水壓力。在細水霧量測實驗室的建置上，參照 IMO-Res.A.800、UL-2167、 NFPA-750 及 FM-Class5560 等先進國家關於細水霧的的規範，加上實際操作實驗的經驗研定「內政部建築研究所細水霧粒徑速度量測方法」乙種。蔡榮鋒[12~14]，在 2004 至 2006 年建研所委辦案內，建置滌煙、隔煙測試實驗室來判斷實驗時煙塵之濃度與到達之時間及能見度；DV 錄影機紀錄火焰之變化，氣體分析儀量測排風口之氣體濃度。實驗結果顯示，水霧壓力從 50bar 提高至 70bar，不會降低水霧之平均粒徑（SMD），但可增加水霧衝力與射程，滌煙與隔熱效果相當明顯。比較水霧前方與後方之煙塵附著量、煙霧濃度（能見度）及溫度分佈：顯示水霧之降溫效率很高，位於水霧後方兩公尺之白紙沒有附著黑炭，集水管所盛接之水量很少(低於 5 ㎜)、甚至沒有；的確具有一定之滌煙與隔煙效果。結合國產之栓塞水泵及水霧噴頭即可建立水霧幕，達成隔煙、隔熱、滌. 5.

(24) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究煙、防止竄燒等多功能之消防系統。 2007 年，何明錦、鍾基強[15]，針對水滴粒徑及噴頭裝設高度對水滅火系統抑火效應之研究及輻射遮蔽效果進行全尺寸實驗。發現無論何種粒徑大小或是裝設高低不同，在火場中都能有效的阻隔輻射。小粒徑細水霧撒水頭對裝設的高度較不敏感，大粒徑細水霧撒水頭在提高裝設高度後，其吸收及阻隔熱輻射的效能反而下降。國內學者對細水霧的研究還包括，陳俊勳、徐一量等人[16]，對國內半導體廠公司製程排氣風管設置細水霧系統做滅火效能評估研究。實驗的參數為噴頭流量、操作壓力及通風抽氣流速。液滴的粒徑大小在火場防護上扮演很重要的角色。細水霧在滅火效能上比傳統撒水頭好，壓力高時滅火性能也較佳。 2007 年，陳俊勳、張文耀、徐一量等人[17]，針對細水霧在高科技廠房濕式清洗台進行滅火效能評估。實驗參數包含油盤大小、噴頭個數及位置、操作壓力及門的開度。發現小油盆滅火效果較大油盆為佳。噴頭位於火源正上方及油盆兩側各一顆會有最好的滅火效果。操作壓力不足、噴頭位置及噴撒角裝設不恰當，都會造成火勢蔓延，造成更大的損失。 Fang 等人[18]使用 LDV/APV 系統，在不同壓力下量測水霧的粒徑以及速度。他們建立了一個小尺寸的實驗來偵測火燄熄滅時的燃油溫度。並量測燃油在 ISO9705 下的熱釋放率，配合熱傳導係數、噴頭噴撒角，潛熱等參數，可以計算出燃油被熄滅時的溫度。最重要的是可以計算出 y 方向上，動量足以穿越火燄的臨界速度。 Cary 等人[19]利用 PIV 系統觀測經過加熱或未加熱的 Body-Centered Cube (BCC) 圓管的紊流。發現液滴分布主要取決於液滴大小及速度。較大的液滴及較快的速度會通過圓管而不受影響；較小的液滴及較慢的速度會在加熱圓管附近受熱蒸發形成可視流區。在參考文獻[20]中之有關 Babrauskas 依木框架底部整體點燃以及中間點燃方式的不同，提供了質量損失率的經驗公式，其質量損失率為：. 6.

(25) 第一章緒論在排列數為寬鬆的結構下： . m . 2v p t 4 m 0 v p (1 ) D  D. 其中， m 為質量損失率(kg/s)、m0 為木框架初始質量(kg)、D 為木條寬度(m)、 Vp 為燃料表面消耗率(fuel surface regression rate，m/s)。至於在排列數較為密集結構質量損失率為：  S m m 4.4 10 -4 ( )( ) hc D  其中，S 為木條間距(m)、hc 為木框架高度(m)、 m 為燃燒時的質量(kg)。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。一般而言，除了油盤以及木框架有經驗公式可估算燃燒速率外，尚未有其它經驗公式可供利用，對於各式各樣的傢俱，必須個別以量熱儀測試其熱釋放率。. 7.

(26) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究第三節研究方法本研究實施方法，主要包括資料收集、測試場週邊設備設置與系統整合、細水霧系統於通風排煙環境下實場實驗、並能提供細水霧效能模擬分析及粒徑量測分析（此兩項工作在交通大學執行），如圖 1-1，各部份工作內容詳細說明如下：. 圖 1-1 計畫的實驗架構(本研究). 一、收集資料此部份係針對本計畫執行必要之工作項目進行國內外相關文獻資料及法規之彙整，包括：系統應用對象之危害特性、欲分析對象物之情境建立、細水霧設計規範(NFPA 750、IMO、…) 、情境模擬分析之參數收集(空間配置圖、火載量大小、排煙設施位置及流量、系統操作壓力、…) 。尤其著重在建研所過去相關研. 8.

(27) 第一章緒論究[如參考考文獻 8~15 及[20]的整理和整合以作為本研究的實驗和模擬的基本架構。. 二、實驗設備與系統架設本部份進行測試前的準備動作，首先完成測試場週邊設備設置，排煙閘門、排煙風管、風機、配電等基本設施及溫度、氣體偵測系統的設置。接著可進行噴頭、管件、pump 等防護系統架設及受測物架設，以利於實場測試之進行。. 三、細水霧系統於通風排煙環境下實場實驗本研究主要內容是針對細水霧滅火系統（Water Mist Fire Suppression System）於通風排煙環境下在火災控制上的整合及應用。選定初期辦公室火災來做為火災場景，決定其火載量並以木堆當作標準火源 (採用 CNS3658 Z1021 乙種標準模型)。至於油盤火災則以 FM Approval Standard for Water Mist Systems Class Number 5560 中針對區域防護( local application )所訂定之池火( pool fire )測試為測試情境。經由不同的噴霧條件、排煙條件及細水霧噴射位置與排煙口之相對位置，觀察流場變化並且量測標準火源被撲滅的時間，以及排煙管路之溫度變化。探討細水霧與排煙系統設置之相對位置與其滅火能力之相關性。. 四、細水霧效能模擬分析利用英國 University of Greenwich 所開發之細水霧抑制效能模擬軟體 FIREDASS 進行效能模擬。執行此效能模擬可獲得：細水霧之滅火效能評估、藉由效能評估進行噴頭佈置最佳化、減少實驗進行的次數，節省經費、節省時間，加速系統建立，縮短研發時程、有關細水霧效能模擬分析如後所述： 1994 年 SINTEF-NBL(Norway)邀集歐洲七個從事火災相關研究團體，包括 GEC-Marconi Avionics(UK)、Cerberus Guinard(France)、DLR(Germany)、University of Greenwich(UK)、National Technical University of Athens(Greece)、CAA(UK)、. 9.

(28) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究 Ginge Kerr(France)，向 European Commission 申請經費研發火災偵測與抑制模擬 (Fire Detection and Suppression Simulation, FIREDASS)軟體，此軟體係利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)對分析對象物進行數值模擬。此軟體包含許多子模式(Sub-Model)，如 DE/AC Model、Mist Model、Radiation Model、 Fire Model、Suppression Model 等，其相互關係如圖 1-2 所示。. 圖 1-2 FIREDASS 子模式關連圖(FIREDASS 指南手冊). 10.

(29) 第一章緒論 (一)火災模式(Fire Model) 火災模式係設定釋放速率以求得空間中燃燒的主產物，包括熱、殘餘氧氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽與煙等。上述之釋放速率，最好以實驗方式求得。 (二)火災抑制模式(Suppression Model) 此模式是引用 SINTEF 所發展之基準值工具組，依據前述之溫度與氧濃度值分析細水霧滅火情況。 (三)細水霧模式(Mist Model) 此模式乃計算細水霧對於火場環境之動量、熱、質量轉換等之影響分析，亦可計算細水霧之液滴表面積對於熱輻射之影響效應。 (四)熱輻射模式(Radiation Model) (五)偵測與細水霧噴頭作動模式(The Detector/ Activation Model) 此可模擬環境中的煙/熱偵測器的反應與訊號的輸出，此軟體可分析水霧噴頭作動與作動時間。. 五、細水霧噴霧液滴之粒徑量測噴霧特性是評估細水霧性能的重要依據，液滴的粒徑、大小分佈範圍、體積通量等特性，影響其與空氣之接觸表面積及混合之均勻度，會影響整個細水霧系統的滅火性能。數位影像分析已被視為量測非球狀或不規則狀粒子最有效方法之一。現有之數位技術已可量測影像中各物件的面積、周長、真圓度等特性，亦即是量測非球狀滴的幾何特徵與霧化過程。數位影像技術所需之硬體一般包含脈衝雷射、高解析度數位相機、高倍率鏡頭等設備，來建立一套噴霧幾何特性視覺量測系統，除了硬體需求外尚需要一套影像處理與粒徑分析軟體，軟體所採用的影像處理程序，由一系列的數位影像運算組成。本研究在交大所建立的暗房中，利用 PIV 技術來量測細水霧粒徑大小，藉脈衝雷射照亮待攝物件，以短曝光照相術來拍攝取相，獲得清晰之噴霧影像。此影像需先數位化處理，轉成 8 位元之 256 灰階圖。數位化之影像，可進行對比. 11.

(30) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究增強及低通濾波等運算，以去除背景雜訊、改善其可讀性。適當的選擇閥值 (thresholding)，可藉二值化運算，將欲量測之液滴像素與背景，分離成黑色、與白色。在這整個處理程序中，同時就得到了液滴的粒徑、面積與周長。再以統計手法統計，將各尺寸範圍液滴的數量與總體積通量，求得平均粒徑 SMD 值。另外影像量測是以數位影像量測的方法進行。量測到的數據可依據 ASTM799-92 「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liqid Drop Size Analysis」進行數據整理分析，並從中計算得到細水霧之平均粒徑。. 12.

(31) 第一章緒論第四節研究內容與成果綜上所述，本研究主要內容是針對細水霧滅火系統（Water Mist Fire Suppression System）在通風排煙環境下對於在火災控制上的整合及應用。選定辦公室初期火災來做為火災場景，決定其火載量並以木堆當作標準火源。經由不同的噴霧條件、排煙條件及細水霧噴射位置與排煙口之相對位置，來觀察煙流動變化並且量測標準火源被撲滅的時間，以及排煙管路之溫度變化以深入探討細水霧與排煙系統設置之相對位置與其滅火能力之相關性。至於完成之工作項目及具體成果如下： 1. 提供細水霧滅火測試標準火源與場景設立規範。 2. 提供不同噴霧條件下，細水霧撲滅標準火源之能力。 3. 提供細水霧與排煙口相對位置對於滅火能力之影響。 4. 評估細水霧系統與排煙設施整合之可行性與優缺點的探討。 5. 彙整國內外相關細水霧研究文獻、效能分析方法與發展趨勢，進行我國整合細水霧滅火系統與排煙設施，並作為未來設計規範建立之參考。. 6. 提供細水霧效能模擬軟體 (FIREDASS) 之預測數值與細水霧滅火系統於通風排煙環境下之實驗數據做比對，以提昇防火工程設計評估之人員執行能力並作為設計分析最佳化之依據。. 13.

(32) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 14.

(33) 第二章火災實驗場儀器設備. 第二章火災實驗場儀器設備第一節實驗與量測儀器本研究主要內容是針對細水霧滅火系統（Water Mist Fire Suppression System）在通風排煙環境下對於在火災控制上的整合及應用。選定辦公室初期火災來做為火災場景，決定其火載量並以木堆當作標準火源。經由不同的噴霧條件、排煙條件及細水霧噴射位置與排煙口之相對位置，來觀察煙流動變化並且量測標準火源被撲滅的時間，以及排煙管路之溫度變化以深入探討細水霧與排煙系統設置之相對位置與其滅火能力之相關性。整個的實驗設備主要是由一個測試空間、不同的火災防護以及一些量測儀器所組成。而以上所提到的實驗設備，將會在接下來的部分作詳細的說明。一、實驗空間實場測試場地現址位於建築研究所防火實驗中心的煙控實驗室內，空間大小為 12 公尺長，4 公尺寬，高度 3.5 公尺，在實場測試時除紀錄滅火時間外，也將紀錄滅火的影像(靜態及動態)，在滅火測試進行的同時，也紀錄火場中多處的溫度變化、輻射熱通量變化及氧、一氧化碳等氣體濃度，示意圖如圖 2-1 和圖 2-2 所示；在空間中包括有三條熱電偶樹、四個撒水噴頭、兩個排煙口、一個補氣口、煙濃度偵測器及氣體分析儀。煙濃度偵測器與氣體分析儀架設高度均為 1.8m，主要是因為 1.8m 為煙層的危險界線。. 15.

(34) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-1 實驗場地配置圖(本研究). 圖 2-2 實驗場地俯視圖(本研究). 16.

(35) 第二章火災實驗場儀器設備二、氣體分析儀本實驗中所用的氣體分析儀，如圖 2-3 是由 Testo 公司所研發的設備，透過 PCMCIA 卡來進行控制。當幫浦以手工或者自動的方式開始時，燃燒所產生的氣體，會經由前端的陶磁過濾器將大部分的雜質 (主要是飛灰；soot)過濾掉，過濾後的氣體再經由探測管進去機器本體內。在進入氣體分析儀後，氣體的溫度會被冷卻到 4~8℃之間，這時氣體中所含的水氣便會凝結成液態的水，以確保能得到乾燥空氣，同時降低儀器內部元件因水氣所帶來的損害。然後，乾燥的空氣會透過幫浦提供的動力到達氣體感應器。這裡，乾燥的空氣會經由孔隙極小的橫膈膜擴散進傳感器，然後產生信號。最後，氣體再透過排氣管排放至外界。其測量位置如圖 2-2，高度為 1.8m。. 圖 2-3 氣體分析器(本研究). 17.

(36) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究三、熱電偶樹在本實驗中，一共設置有 3 條熱電偶樹（見圖 2-4），其標號為#1，#2 和#3，每條熱電偶樹均由十支 K-型的熱電偶(量測範圍約-200~1370℃)所組成，上面 5 根熱電偶相距 20 公分，下面 5 根相距 40 公分。其目的在於測量測試期間，空間中不同位置溫度變化情況。實驗過程中所產生的訊號會經由訊號處理器 (DU-100 與 DA-100)(見圖 2-5)透過乙太網路傳輸方式儲存在電腦中。. 圖 2-4 熱電偶樹(本研究). (a). (b). 圖 2-5 數據處器(a) DA-100 (b)DU-100(本研究). 18.

(37) 第二章火災實驗場儀器設備四、煙遮蔽量測器煙遮蔽量測器(CODEL Model 200t)包括一個信號處理機單位和兩台相同的雷射光源發射器，如圖 2-6 和圖 2-7 所示。兩台雷射光源發射器分別被安裝相對牆上 1.8m 高度（見圖 2-7）。. 圖 2-6 煙遮蔽量測的訊號處理器(本研究). 19.

(38) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-7 雷射光源發射器(本研究). 信號處理機包含了電源以及控制的微處理器部份，該信號處理機/電源可以調整雷射光源的波長，以及發射的雷射光強度，而雷射光強度因通過煙層之衰弱量經訊號產生器(D100 以及 DA-100) 直接把一個電訊號轉變成一個電壓訊號，進而得到相對應的煙遮蔽率。在雷射光源發射器部分包含一個感測頭(包括光源，一個檢測器和相關視覺的感應元件)；以及一面校準鏡和可旋轉的閥門。光源由兩個波長為 637 nm (在人眼睛可視範圍內)的高功率發光二極體(LED) 組成。煙遮蔽率測量的詳細的工作原理描述如下。考慮兩個獨立的雷射光源分別設置在牆壁的兩端的情況，此時，從雷射光線 1 發射至雷射光線 2 的關係可以用下列方程式來表示;. 21. = K1 ( D12 / D22 ). 其中 : K1 = gain constant to product.  = 1 (100 % transmissivity, clean air condition) D12 = the detector output at unit 1 (internal reference level) D22 = the detector output at unit 2. 20.

(39) 第二章火災實驗場儀器設備或是從雷射光源 2 發射至雷射光源 1 的關係式，可以寫成下列式子:. 12. = K 2 ( D21 / D11 ) ,. 其中 : K 2 = gain constant to product.  =1 (100 % transmissivity, clean air condition) D21 = the detector output at unit 1. D11 = the detector output at unit 2 (internal reference level) 另外從上面的兩個關係式，(  )可以以下列關係式來表示 :.  =. 12 21 =. K1 ( D21 / D 11 ) K 2 ( D21 / D11 ). 五、數位攝影機在試驗將數位式攝影機 (類型 DCR-TRV40，新力) ，放置在觀景窗(Viewing Window)的地方，以幫助記錄實驗過程中火場的變化情形。而錄製的影像透過影像轉換卡(IEEE1394 的插槽)，以及 Ulead 6.0 影像處理軟體，將所錄製的影片存放在電腦中。六、火源設計本研究選定辦公室初期火災來做為火災場景，並決定其火載量並以木堆當作標準火源，如圖 2-8；木堆標準火源的設計將參考 CNS3658 Z1021 乙種標準模型，其使用 90 根木材堆疊而成的，每根木材長度為 73cm，木堆下方放置 1500C.C.的汽油，依據 CNS3658 需使木堆預燃 3 分鐘方可進行滅火實驗。另外亦有使用到油盤火災，其火源則以 FM Approval Standard for Water Mist Systems Class Number 5560 中針對區域防護( local application )所訂定之池火( pool fire )測試為測試情境，池火火源如圖 2-9 所示，因場地大小的影響，油盆的大小選用 40cm×40cm、高度 15cm，並且選用汽油來作為油盆火災的標準火源。. 21.

(40) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-8 木堆火源(CNS3658). 圖 2-9 油盆火源(FM). 22.

(41) 第二章火災實驗場儀器設備七、測試場週邊設備設置與系統整合圖 2-10 到圖 2-17 顯示週邊場地設備設置，包含了撒水變頻控制盤系統、細水霧啟動控制系統、偵熱與偵煙探測回路系統、排煙口與補氣口、細水霧旋吊系統以及天花板四周封板，其中排煙口大小為 60cm×60cm，而補氣口大小為 45cm ×60cm，位置如圖 2-1 和圖 2-2 所示。圖 2-14 到圖 2-17 顯示週邊場地設備設置，包含了撒水變頻控制盤系統的改善與測試、偵熱與偵煙探測回路安裝、排煙風管含兩手動閘門安裝、細水霧旋吊系統以及天花板四周封板。. 圖 2-10 撒水變頻控制盤系統. 圖 2-12 排煙啟動控制器. 圖 2-11 細水霧啟動裝置. 圖 2-13 偵熱與偵煙探測回路. 23.

(42) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-14 排煙風管. 圖 2-16 排煙口. 圖 2-15 細水霧旋吊系統. 圖 2-17 補氣口 (本研究). (一)實驗偵測儀器架設架設 3 條熱電偶樹，分別位於房間左上、正中及右下位置。煙濃度偵測器則架設於右上門入口 0.8m 處，高度為 1.8m，來探討火災發生細水霧啟動時對逃生的影響。氧氣及二氧化碳氣體偵測儀則架設於煙濃度偵測器旁邊。 (二)實驗參數測試在實驗場地先進行油盆火災測試，40cm×40cm 油盆放於房間中央的排煙口下方，測試情境分別為(一)無排煙狀態下，細水霧工作壓力 100Bar (二)120m3/min 排煙狀態下，細水霧工作壓力 100Bar 及(三) 50m3/min 排煙狀態下，細水霧工作壓力 100Bar。根據消防法規規定，排煙機之排煙量需在 120m3/min 以上；在防. 24.

(43) 第二章火災實驗場儀器設備煙區劃內每平方公尺每分鐘要有一立方公尺以上的排煙能力。實驗場地面積約大於 48 m2，因此通風量最大及最小設為 120m3/min 及 50m3/min。在測試過程中發現在無排煙狀態下，汽油油盆在預燃一分鐘後啟動細水霧，全區放射情況下滅火時間為 58 秒。油盆預燃後煙層高度迅速下降，房間溫度上升很快。細水霧啟動後，隨著細水霧逐漸瀰漫到整個房間內及氧濃度逐漸減少下，火勢逐漸被抑制縮小到熄滅。在 120m3/min 排煙狀態下，汽油油盆在預燃一分鐘後啟動細水霧，細水霧在整個過程內完全無法抑制火源，直到 4 分 43 秒時油料幾乎完全耗盡時才熄滅，且無法復燃。不同的地方在於燃燒過程中的濃煙大量的被排走，煙層沉降速度減緩，對人員避難逃生較有幫助。在 50m3/min 排煙狀態下，滅火情況則介於上述兩者之間，全區放射情況下滅火時間為 2 分 5 秒。既可以抑制熄滅火源，也能稍為降低煙層沉降速度，在火源抑制及人員逃生都有幫助。由以上測試可以發現，排煙狀態的確會明顯影響到火場抑制及人員逃生，此初步測試提供在後續之的實場實驗進行參數調配，找出不同情境下細水霧系統及排煙設備對火場的影響（見第四章）。. 八、實驗操作步驟 (1)將電腦與數據處理器連結並設定。 (2)安裝熱電偶，煙遮蔽測量儀和氣體分析器儀器。然後，在開始實驗前，在對所連接的通訊管道做進一步的確認，保證他們的訊號輸出正確地連接相應通訊管道。 (3)把汽油(1500C.C.和 3000C.C.)和水(1500C.C.)倒入油盆中，並且攪拌燃料使其均勻分佈於油盤中。 (4)在油盆的火(木堆火)被點燃之前，先開始記錄溫度，煙遮蔽和氣體濃度同時開始錄影。 (5)點燃油盆火以後迅速離開測試空間並且把門給關上，使其預燃一. 25.

(44) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究分鐘後開始滅火(木堆火災則是預燃三分鐘)。 (6)當進行無排煙的實驗時，補氣口是關閉的；反之，有排煙的實驗則將補氣口打開，進行細水霧滅火試驗的記錄觀察。 (7)火勢被撲滅之後，油盆火災會進行復燃的動作，來驗證火是被細水霧撲滅的，或者是油燒完而熄滅的；木堆火災則是靜待數分鐘後，確認木堆是否有復燃的情況出現。 (8)當試驗結束時，關閉測量儀器。啟動排氣系統同時把門打開，把燃燒產物抽到外界，直到試驗環境返回原始狀態，再接著下一次試驗。 (9)每種實驗情境至少進行三次以上的實驗次數，再將實驗結果進行平均值計算，確認實驗之再現性，以確保實驗的準確性。. 九、雷射量測系統影像處理技術可分為兩大界域，空間域以及頻率域。在空間域，影像上各部位的圖素均直接進行處理；在空間域影像則先必須經過傅利葉轉換成為傅利葉函數，然後加乘一組特定的濾鏡函數來得到處理後的影像函數。空間域以及頻率域之間的轉換則是以迴旋定理來連接。為了節省轉換計算的時間，採用快速傅利葉轉換 (FFT) 是較適當的方法。影像加強的主要目的在於針對要處理的目標，加強特定的特性來獲取所需的影像資料。影像加強是一種主觀且問題導向的處理方式，不須依循單一標準的條件。常用的加強方式有高斯低通濾波、均值濾波以及同調濾波。本研究採用高斯低通濾波，其優點在於可以有效降低影像中的雜訊，圓滑各粒子影像的邊緣，以及保有粒子影像本身的特性。影像復原和影像加強擁有相同的目的，透過影像處理技術來增強影像的品質，唯一不同之處在於影像還原技術認定一開始取得的影像已經受到損傷，因此主要處理過程著重在消去額外的雜訊，透過退化函數來反推原始的影像。常用的方式有 Wiener 濾波以及主動式濾波。在本實驗採用 Spectra Physics 公司的 Ar 雷射，連續波綠色可見光，增加了. 26.

(45) 第二章火災實驗場儀器設備 CCD 感光度並且降低了實驗中雷射光源校準之困難性，雷射功率 2W、波長 532nm、光束直徑 2.3mm、光束擴散角 0.5mrad。將雷射架於光學平台，經圓柱透鏡將雷射光束轉為雷射光頁（laser sheet）厚度約 3.4mm，雷射光頁射入石英玻璃測試段，使光頁切於噴頭下方的中央部份的位置。如圖 2-18，先可藉脈衝雷射照亮待攝物件，以短曝光照相術來拍攝取相，獲得清晰之噴霧影像。. 圖 2-18 高壓細水霧系統噴嘴(a)正視圖以及(b)俯視圖(本研究). (一)光學透鏡組實驗所用之光學透鏡組，用於產生雷射光頁，包括光學平台、圓柱透鏡(BK7 Precision Cylindrical Lenses)、圓柱透鏡支架與固定器，圓柱透鏡有效焦距為 6.4mm。. (二)分析系統(analysis subsystem) 因應 PIV 所產生的大量影像資料，所以需要高容量、高處理速度儲存系統，由 Pentium 4 CPU 3.0GHz 及 1GB RAM，使用 NI 軟體後處理分析影像資料。此影像需先數位化處理，轉成 8 位元之 256 灰階圖。數位化之影像，可進行對比增強及低通濾波等運算，以去除背景雜訊、改善其可讀性。適當的選擇閥值 (thresholding)，可藉二值化運算，將欲量測之液滴像素與背景，分離成黑色、與白色。在這整個處理程序中，同時就得到了液滴的粒徑、面積與周長，流程如圖 2-19 所示。. 27.

(46) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究. 圖 2-19 數位影像處理流程(本研究). 再以統計手法統計，各尺寸範圍液滴的數量與總體積通量，求得平均粒徑 SMD 值。另外影像量測是以數位影像量測的方法進行。量測到的數據可依據 ASTM799-92「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liqid Drop Size Analysis」進行數據整理分析，並從中計算得到細水霧之平均粒徑。. 28.

(47) 第二章火災實驗場儀器設備第二節細水霧噴頭粒徑量測此部份工作在交通大學執行，工作內容主要針對細水霧噴頭進行其噴撒角度、相對累積體積百分比及 SMD 粒徑分布及大小的量測。實驗所使用的噴頭為 DANFOSS 公司所出產的細水霧噴頭(相關認證資料參考附錄三)，如圖 2-20 所示，其 k factor=0.45，外環有四個噴嘴，工作壓力可達 100Bar。而其噴撒角(spray angle)經過量測後為 135°（工作壓力受限於實驗室能力只能為 50Bar）；如圖 2-21 所示。表 2-1 為本實驗所使用之細水霧噴頭與傳統撒水噴頭的特性，對於 K 值、使用壓力和用水量來做比較。. (a). (b). 圖 2-20 高壓細水霧系統噴嘴(a)正視圖以及(b)俯視圖(本研究). 圖 2-21 噴頭噴撒角 135°(本研究). 29.

(48) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究透過 CCD 相機取得的原始影像，其影像處理流程包含以下幾項：亮度/對比調整、RGB 三原色分析、高斯平滑濾鏡、二值化以及粒子資料分析。亮度/ 對比技術可以將不在雷射平面上的水粒成象消除，僅保留在平面上的水粒，再透過對比調整使得影像更加清晰；由於本研究採用之雷射為綠色單色光，因此透過 RGB 處理將影像中之綠色分佈像素獨立出來以利後續處理；高斯平滑濾鏡可以消去不必要的雜訊，以免分析粒徑時造成影響；選取適當的灰階值進行二值化，使系統有所判別依據來選取粒子影像，最後取得的各粒子影像透過程式即可計算其佔像素多寡，然後換算成實際的液珠直徑。根據所攝得的影像，經過數位影像處理後，再由 NI 的軟體計算其粒徑大小後，以直方圖繪出，如圖 2-22 所示。由圖可以發現大多數的水霧粒徑都在 500um 以下，由 NFPA750 Handbook[1]的定義，在距噴頭下方 1.0 m，垂直於噴頭主軸的平面上作量測，由累積體積百分比為 99%的相對粒徑來區分水霧大小，此噴頭所對應的粒徑則介於 800-850μm，見圖 2-23。因此只要有數顆大粒徑的水霧出現會大幅提昇所定義的水霧大小，這也是值得探討的地方。. 圖 2-22 粒徑個數分布直方圖(本研究). 30.

(49) 第二章火災實驗場儀器設備. 圖 2-23 相對累積體積百分比(本研究) 依據 ASTM799-92「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liqid Drop Size Analysis」進行數據整理分析，並從中計算得到細水霧之平均粒徑，如表 2-2。由 Di 、Di2 、Di3 來計算各區間的總和並算出 SMD 值。而各個間距取 50μm，可以符合規範中需符合的關係式，而 40μm 及 60μm 則不符合需求。所得之 SMD 在 P=40Bar 時是 394.9μm，依據 Fire Protection Handbook 累積 99%體積百分比的細水霧為 800-850μm 介於 Class III 水霧範圍內；而累積 50%體積百分比的細水霧為 400-450μm，如表 2-3。. 表 2-1 噴頭特性比較(本研究) 噴頭. DANFOSS 細水霧噴頭. 傳統兩用型撒水頭. K factor. 0.45 l/min/bar1/2. 80 l/min/bar1/2. 使用壓力. 100bar. 3.5bar. 用水量. 4.5 l/min. 150 l/min. 31.

(50) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 2-2 SMD 計算樣本資料(本研究). 表 2-3 DANFOSS 細水霧噴頭量測數據(本研究). 32. 噴撒角度. 135°. SMD. 394. 9μm. Dv0.99. 800-850μm. Dv0.5. 400-450μm.

(51) 第三章相關規範探討及彙整. 第三章相關規範探討及彙整第一節國內法令規定目前國內並無細水霧滅火設備之標準或規定。其符合所替代設備之滅火性能：例如替代氣體滅火設備，能達迅速滅火、低損害之效能。可用於替代海龍滅火設備等，得準用「各類場所消防全設備設置標準」之規定： (一)依第 2 條屬新技術，檢具具體證明，個案認可。 (二)第 18 條及相關設備之規定。國內『設置標準』第十八條所列之場所，其具體內容如表 3-1。. 細水霧滅火設備之審核認可的法令依據如下： (一)消防法第 12 條：經中央主管機關公告應實施檢驗之消防機具、器材與設備，非經檢驗領有合格標示者，不得銷售、陳列及設置使用。 (二)消防機具器材及設備認可作業要點。 (1)型式認可、型式變更、輕微變更、個別認可。 (2)目前委由消防安全中心基金會辦理。 (三)內政部消防技術審議委員會設置要點。 (1)依據各類場所消防安全設備設置標準第 3 條規定，公告之消防安全設備應經審核認可。 (2)依據各類場所消防安全設備設置標準第 2 條規定，檢具具體證明，個案審核認可。 (四)消防安全設備審核認可須知(圖 3-1)。. 33.

(52) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 3-1 各類消防滅火系統設置場所比較表水應. 設. 場. 泡. 所霧. 一屋頂直昇機停機場（坪）飛機修理廠、飛機庫樓地板面積在二百平二方公尺以上者汽車修理廠、室內停車空間在第一層樓地板面積五百平方公尺以上者；在地下層或第二層以上樓地板面積在二百平方公尺以三上者；在屋頂設有停車場樓地板面積在三百平方公尺以上者. 沫. 二氧化碳. 乾海龍替代粉. 品. 自動撒水. 細水霧. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. 四昇降機械式停車場可容納十輛以上者. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. 發電機室、變壓器室及其他類似之電器設五備場所，樓地板面積在二百平方公尺以上者. ○. ○. ○. ○. ○. 鍋爐房、廚房等大量使用火源之場所，樓六地板面積在二百平方公尺以上者. ○. ○. ○. ○. 電信機械室、電腦室或總機室及其他類似七場所，樓地板面積在二百平方公尺以上者. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. ○. 引擎試驗室、石油試驗室、印刷機房及其八他類似危險工作場所，樓地板面積在二百平方公尺以上者。. ○. ○. 註：一、大量使用火源場所係指最大消費熱量合計在每小時三十萬千卡以上者。二、廚房如設有自動撒水設備，且排油煙管及煙罩設簡易自動滅火裝置時，得不受本表限制。三、停車空間內車輛採一列停放，並能同時通往室外者，得不受本表限制。四、本表第七項所列應設場所得使用預動式自動撒水設備。 (資料來自財團法人消防教育學術研究基金會-細水霧火災防護性能及適用範圍之研究-附錄 C). 34.

(53) 第三章相關規範探討及彙整. 圖 3-1 消防安全設備審核認可之程序 (資料來自馮俊益組長-細水霧研討會報告) 其審查應考量之要件是依據 NFPA750 的規範，主要有下列幾項： (一)設備應認證登錄，並應包括下列文件： (1)火災實驗規範：檢討細水霧系統設計是否能符合認證登錄上有關防火（性能）目標及所有應用參數之登載。 (2)應用參數：包括區劃（空間）參數（如高度、體積、障礙及通風）、火災危險（如可燃物種類及型態）、場所使用型態等。 (3)適用性：評估規範能重複驗證與該特定危險型態與場所用途相關之應用參數。 (4)測試：實施火災實驗，以確認其限制及原廠設計安裝手冊所載之系統安裝參數與元件。 (二)防火（性能）目標 (1)控制：減少建築結構之熱曝露量、減輕對人命之威脅或降低與火災相關之特徵量（如釋熱率、火災成長率）。. 35.

(54) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究 (2)鎮壓：有效而大幅度降低火焰之釋熱率，防止火焰成長。滅火：完全鎮壓火勢直至無可燃物燃燒。 (三)區劃變數 (1)區劃空間之幾何形狀。 (2)通風方式：自然通風、強制通風。 (四)火災危險分類 (1)火載量：應就場所進行火災危險分析。 (2)可燃物種類：評估可燃物起火/復燃容易程度、火焰成長速度，是否能有效滅火。 (3)A 類火災：應考量深層火災能否撲滅之可能性。 (4)B 類火災：考量係屬平面油池火災、立體噴灑火災或流動火災，依不同型式評估其適用性。 (5)C 類火災：應考量導電性。. 36.

(55) 第三章相關規範探討及彙整第二節細水霧滅火系統國際相關測試規範介紹目前國際上許多機構都在發展細水霧滅火系統測試協定，目的在進行細水霧滅火系統效能驗證，確保系統有效性。因此 NFPA750 也針對測試機構進行調查列表，如表 3-2，包含 UL( Underwriters Laboratories, Inc.)、FM Global、 IMO(International Maritime Organization)及 VDS(Verband der Schadenversichen e.V.)等測試機構及測試規範名稱，其中 IMO 只制定規範而非測試機構，UL 及 FM 的測試規範大都延自 IMO 的規範，但加上 UL 及 FM 的一些自定測試項目，目前 UL 及 FM 可說是美國在細水霧滅火系統測試的主要廠家，要進入美國市場一定要通過 UL 或 FM 的測試認證。目前國內尚未建立相關符合國外細水霧滅火系統之測試規範，故本研究收集整理國際測試規範及測試空間需求，依此規劃一個符合性能式理念的標準測試場所與進行效能評估模式，以提供國內業者、研究機構在細水霧滅火系統實場測試或電腦數值模擬應用方面的參考工具。. 37.

(56) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 3-2 細水霧滅火系統測試協定及空間分類表(本研究) 機構名稱. FMRC. UL. IMO. VDS. 規範名稱. 測試項目. 室內燃氣渦輪機之細水霧系統要求 2. C 類燃燒機房與特別危險機械空間之細水 CLASS 5570 霧系統性能要求輕度危險場所之細水霧系統性能要求濕式清洗台之細水霧系統性能測試(1997) 消防用細水霧噴頭標準(1998) 機械空間之細水霧系統性能測試客艙之細水霧系統性能測試大於 12m2 之客艙之滅火性能測試 UL2167 公共空間之細水霧系統性能測試 6. 住宿設施之細水霧系統性能測試. 測試場所大小： 7.3 m×7.3 m×4.9m (260 m3 ). A 類機械空間與泵浦機房火災中： ClassⅠ為 500m3 Class II 為. 輕度危險場所之細水霧系統性能測試 3000m3 普通危險場所之Ⅰ及 II 類火災測試噴頭結構設計、標註及性能要求機械空間與泵浦機房之海龍滅火系統替代 MSC/Circular 方案.包括：同等性能水系統滅火系統之組件製造標準與 A 類機械空間與泵浦機房之 668 同等性能水系統滅火火災測試方法修正 MSC/Circ668 A 類機械空間與泵浦機 MSC/Circular 房之同等性能水系統滅火設備火災測試方 728 法（1994) 由 IMO Res.A.800(19)，設置撒水系統認可 Res.A.800 準則，包括：細水霧噴頭組件製造標準，客船住宿區、公共區及服務區之撒水系統 (19) 同等性能火災測試 VDS2498. 纜線管溝細水霧噴頭要求. 附註： FMRC：Factory Mutual Research Corporation UL：Underwriters Laboratories, Inc. IMO：International Maritime Organization VDS：Verband der Schadenversichen e.V.. 38. 空間需求.

(57) 第三章相關規範探討及彙整一、細水霧滅火系統國際相關測試之測試空間需求本節針對上節所述之測試規範進行整理，將各測試規範之測試項目及其空間需求進行列表整理。表 3-3 為針對 FM 的測試規範所整理出的空間需求，表 3-4 為針對 UL 的測試規範所整理出的空間需求，而表 3-5，表 3-6 及表 3-7 則為針對 IMO 的測試規範所整理出的空間需求. 表 3-3 FM 之測試規範空間需求列表(本研究) 測試規範. 防護對象. 測試空間需求. 備註. 5.6 x 3.6 x 3.9(m). 防護空間小於 80m3. 7.31 x 7.31 x 4.7(m). 防護空間小於 260m3. 燃氣渦輪機房. 機械空間. 濕式清洗台. 7.31 x 7.31 x 4.7(m). 直徑 12in(0.3m)油池 5.5x3.7x 5(m). FM. 輕度危害空間. 防護空間小於 260m3. 火災. 天花板面積 80m2, 高度不低於 2.5m. 工商業用油鍋. 2.6x2.6x0.5(m). 局部放射. 3x3 (m) 油池. 3 x 4 x 2.4(火源). 39.

(58) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 3-4 UL2167 之測試規範空間需求列表(本研究) 測試規範. 防護對象. 測試空間需求 Class 1: 10x10x5(m) Class 2:. 船舶機械空間. 地板面積 100m2, 高 5~7.5 m. Class 3: 地板面積 300m2, 高 10m. UL2167. 40. 船舶乘客客艙空間 3x4x2.4(m) 船舶公共區域. 3.66x7.32x2.4(m). 輕度危害空間. 可容納 4 個撒水頭的空間. 中度危害群組 1. 天花板面積 232m2. (開放空間). 高度不低於 2.5m. 中度危害群組 2. 天花板面積 232m2. (開放空間). 高度不低於 2.5m. 備註.

(59) 第三章相關規範探討及彙整表 3-5 IMO MSC/Circ 668/728 A 類引擎室之測試規範空間需求表(本研究) 分類. 引擎形式. 測試空間. 燃油和潤滑系統中的油路和壓力. 空間體積. 測試應在 100 m2 燃油：輔機室，小房間進行，具有開低壓 0.15-0.20 kg/s 於 3-6 bar Class1 型主機或淨啟的 2 m × 2 m的高壓 0.02 kg/s 於 200-300 bar 化室. 500 m3. 門作為通風之用潤滑油：3-5 bar 及5 m高天花板。液壓油：150 bar 測試應在地板面燃油：積超過 100 m2 的低壓0.4-0.6 kg/s於3-8 bar. 如渡輪般的 Class2 中型船的柴油主機. 房間進行，具有開高壓0.030 kg/s於250 bar 啟的 2 m × 2 m的潤滑油：3-5 bar 門作為通風之液壓油：150 bar. 3,000 m3. 用；天花板5-7.5 m 高使房間總體積達到3,000 m3。測試應在地板面燃油：積超過 300 m2 的低壓0.7-1.0 kg/s於3-8 bar 如油輪和貨房間進行，天花板高壓0.20 kg/s Class3 櫃輪等大船高度需超過潤滑油：3-5 bar. >3,000 m3. 的柴油主機 10m，且沒有任何液壓油：150 bar 影響空氣補給的限制。. 41.

(60) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 3-6 船上 A 類引擎室的火災測試情境分類表(本研究) 測試編號 1. 火災情境在四個噴嘴正下方模擬引擎的頂上低壓水平噴灑. 測試用油商用燃油或柴油. 在四個噴嘴正下方模擬引擎的頂上低壓水平噴灑噴商用燃油或柴油 2. 油嘴向上45°可衝擊到1 m (39.4吋)外12 –15 mm (0.5 –0.6吋)的桿子. 3 4 5. 低壓水平噴灑，火源在模擬引擎側面，噴油嘴由模商用燃油或柴油擬引擎末端0.1 m位置噴入綜合測試編號1 –3最難的噴射火災，並在模擬引擎商用燃油或柴油上有4 m2 (43 ft2)的油盤，下有3 m2 (32.4 ft2)的油盤在四個噴嘴正下方模擬引擎的頂上高壓水平噴灑. 商用燃油或柴油. 在模擬引擎側方低壓低流水平噴灑火災，在引擎的商用燃油或柴油 6. 側面，油料噴出離引擎末端0.1 m (4吋)及一個0.1 m2 (1 ft2)位於引擎1.4 m (4.6 ft)及底板的內側. 7. 在引擎模型的正下方0.5 m2 (5.4 ft2)的油盤. 庚烷. 在引擎模型的正下方0.5 m2 (5.4 ft2)的油盤. SAE 10W30 礦物. 8. 基潤滑油. 9. 在排氣板下底板上0.5 m2 (5.4 ft2)的油盤. 庚烷. 10. 由引擎模型上竄出之持續火源(0.25 kg/s). 庚烷. 2 m2 (21.52 ft2) A級(class A)木板疊架，庚烷測試油 UL 1626木板疊架 11. 盤30秒預燒，測試油盤離地面0.75 mT. (wood crib)及庚烷. 鐵板30 x 60 x5 cm (12 x 24 x 2吋)偏移噴灑嘴20° 加庚烷熱至350°C (662°F)，低壓低流噴嘴在鐵板端 0.5 m 12. (19.2吋) 處，當板到達 350°C (662°F)時系統作動. 一旦系統停止, 油盤不得在引燃。. 13. 42. 在引擎模型下2 x 2 m (6.6 x 6.6 ft)的油盤. 商用燃油或柴油.

(61) 第三章相關規範探討及彙整表 3-7 油料噴灑測試參數(本研究) 測試參數. 分類 A 引擎室. 火災型式. 低壓. 低壓,低流. 高壓. Spray nozzle. 廣角(120 –125°) 全廣角(80°) 全錐形. 標準角 [ 在 6 Bar. 錐形. (87 psi)] 全錐形. 公稱燃油壓力. 8 Bar (116 psi). 8.5 Bar (123 psi). 150 Bar (2125 psi). 燃油流量. 0.16 0.01 kg/s. 0.03 0.005 kg/s. 0.050 0.002 kg/s. 燃油溫度. 20.5°C (68.9°F). 20.5°C (68.9°F). 20.5°C (68.9°F). 公稱熱釋放率. 5.8 0.6 MW. 1.1 0.1 MW. 1.8 0.2 MW. l燃油. 商用燃油或柴油. 商用燃油或柴油供商用燃油或柴油火災測試6次及庚烷供火災測試12次. 二、細水霧滅火系統相關測試規範之測試對象及項目說明 (一)FM 測試對象及項目整理本節將 FM 細水霧滅火系統測試規範中的測試對象及項目整理如下表（表 3-8）：. 43.

(62) 細水霧系統火災控制整合應用技術研究表 3-8 FM 細水霧滅火系統測試規範測試對象及項目整理(本研究) 項目編號. 測試對象. 1. 燃氣渦輪機房 (小於 80m2). 2. 燃氣渦輪機房 (小於 260m2). 3. 機械空間 (小於 260m2). 4. 燃氣渦輪機房或機械空間 (大於 260m2). 5. 濕式清洗台. 44. 測試項目 1MW 未遮蔽柴油噴撒火災 1MW 遮蔽柴油噴撒火災遮蔽 1m2 柴油油池火災復燃測試(1MW 遮蔽柴油噴撒火災) 有限制的自然通風測試噴撒冷卻測試(無火源) 1MW 未遮蔽柴油噴撒火災 1MW 遮蔽柴油噴撒火災遮蔽 1m2 柴油油池火災復燃測試(1MW 遮蔽柴油噴撒火災) 有限制的自然通風測試較小防護體積測試噴撒冷卻測試(無火源) 1MW 未遮蔽柴油噴撒火災 1MW 遮蔽柴油噴撒火災遮蔽 1m2 柴油油池火災有限制的自然通風測試低壓未遮蔽柴油噴撒火災低壓具角度未遮蔽柴油噴撒火災低壓遮蔽柴油噴撒火災高壓柴油噴撒火災低壓遮蔽柴油噴撒及油池火災遮蔽正庚烷油池火災流動火源疊架火源噴撒冷卻測試(針對燃氣渦輪機房) 一、通風狀態測試直徑 4in 聚丙烯油池火災直徑 6in 聚丙烯油池火災直徑 8in 聚丙烯油池火災直徑 10in 聚丙烯油池火災直徑 12in 聚丙烯油池火災易燃性液體(丙酮、IPA、正庚烷)油池火災通風狀態聚丙烯油池火災通風狀態易燃性液體油池火災二、工作表面測試直徑 4in 聚丙烯油池火災直徑 6in 聚丙烯油池火災直徑 8in 聚丙烯油池火災直徑 10in 聚丙烯油池火災直徑 12in 聚丙烯油池火災.