行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
標準爐控溫熱電偶在不同位置時對於防火牆試驗結果之影 響評估
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 98-2218-E-011-001-
執 行 期 間 ： 98 年 01 月 01 日至 98 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系
計 畫 主 持 人 ： 莊英吉
共 同 主 持 人 ： 林慶元、湯潔新
計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理人員：莊英宏
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 98 年 12 月 08 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：NSC98-2218-E-011-001- 執行期限：98 年 01 月 01 日至 98 年 10 月 31 日
標準爐控溫熱電偶在不同位置時對於防火牆試驗結果之影響評估
執行機構：國立台灣科技大學建築系 主持人：莊英吉
一、 動機與目的
當進行防火牆試驗時，爐壓 T 型管(T tube sensor)位於爐壁上是固定不動的，當 牆試體無重大的遮焰性(fire integrity)失 敗時，爐壓調節器可容易控制爐壓維持一穩 定值，然而在爐溫控制方面，有時卻不是完 全可以合乎規範的要求，然而即使合乎規範 規定卻是呈現一種假象，但是卻又不被試驗 人員所發現，大家當然也習以為常，可說是 將錯就錯。在各國之測試方法中規定爐內熱 電偶需位於牆試體受火面 10cm 處，而實際在 進行試驗時，有時是很難達到這樣的要求，
造成這樣的原因有兩種，第一種由於有些試 驗爐目前是複合爐的型式，其試驗爐的深度 都大於 3m 以上，其熱電偶棒長度太長，當加 熱時會呈現下垂狀態，所以其爐內熱電偶會 演變成距離牆試體 10cm 以上(圖一)，第二種 原因為人為刻意的造成，當進行一些金屬板 牆或防火鐵捲門試驗時，其試體會向爐內方 向凹陷呈現重大的變形(圖二)，試體之受火 面常會抵觸到爐內熱電偶，以致造成爐內熱 電偶的溫度量測異常及爐內控溫熱電偶的回 饋異常，所以試驗人員常會將爐內熱電偶移 動至試體受火面後方約 20~30cm 處，以致爐 內熱電偶的位置與規範規定不相符，以導致 爐內溫度未能在每次防火試驗時相同，無法 達到維持試驗之公平性。
故本研究藉由一牆試驗爐，進行爐內熱 電偶與試體受火面不同距離之相關試驗，以 探討試體受火面之溫度分布狀況，提供日後 試驗爐內熱電偶設置參考及評估，以提供世 界各國試驗室設置爐內控溫熱電偶時之參考
依據，及國內試驗規範之修訂參考，希望能 對各試驗室常遇到的狀況，卻又不知該如何 解決的問題有所幫助，以增加各試驗室之試 驗公平性及公信力。
二、研究內容
本研究藉由 3m高×3m寬×3m深的牆試驗 爐，進行爐內熱電偶與試體受火面不同距離 之試驗，以探討兩小時防火試驗時試體受火 面之溫度分布狀況。本研究之試體以 15 公分 寬之白磚為牆試體，表面並鋪設 2.54 公分之 陶磁棉毯，密度為 96kg/m3，顏色為白色。
試體安裝步驟如下所示：
1.裁切白磚牆試體並以白鐵絲及不鏽鋼螺絲 固定陶瓷棉毯。
2.安裝牆試體於試體框上，並安裝試體框於試 驗爐上。
3.牆試體鑽孔設置爐內熱電偶及輻射計於試 體非受火面之適當距離上。
4.安裝試體非受火面之熱電偶並安裝冷卻水 循環機與輻射計相連接。
5.檢查儀器設備及訊號是否正常。
6.試驗開始至二小時後結束試驗。
本研究使用1個防火試驗爐，每種距離進 行3次重複性的防火試驗，供應燃料為柴油，
爐之周壁使用30公分厚、密度為160kg/m3之陶 瓷棉(ceramic fiber)作為內襯材料，其爐體 外面為鋼構造所組成。白磚之成份是且為均 值(homogeneous)的一種不燃材料(圖三)，
試體試驗時不會產生膨漲或收縮之變化，試 體亦不會發生剝落，進而撞擊影響爐內熱電 偶之位置，室溫、爐溫、試體非受火面溫度，
爐壓及溫度每8秒紀錄一次。每次之試驗設定 為2小時，標準加熱升溫時間曲線(standard heating time-temperature curve)採用CNS 12514之規定。這種加熱曲線與ISO 834-1之 溫度曲線相同。加熱曲線之設定方程式如下 所示︰
Tf=20+345×log10(8t+1)
Tf: 標準溫度 (℃)
t:時間 (min)
每次試驗時有 16 隻爐內熱電偶與 2 隻輻 射計位於爐內，其與白磚之縫隙以陶瓷棉填 塞，使熱氣盡量不外洩，以維持每次試驗之 公平性。熱電偶與輻射計之型式如圖所示，
熱 電 偶 為 k-type 型 號 ， 輻 射 計 為 美 國 Medtherm 公司所生產，熱電偶試驗前已校 正，輻射計試驗前也已校正，熱電偶第一次 試驗前已經參照規範以高溫爐先試驗過兩小 時，以確保熱電偶之正確性，如圖四所示。
試驗次數共為 12 次，每種不同熱電偶距離各 試驗三次，每次之試驗過程，陶瓷棉及磚塊 均會更新，確保試驗之公正性，熱電偶離受 火面距離為 5、10、15、20 公分四種，熱電 偶之設置位置如圖五及圖六所示。
三、結果與討論
本研究分為三個主題來討論，第一個討 論熱電偶分佈溫度、第二討論輻射計之值。
(一)熱電偶
各次試驗之熱電偶溫度，整理以圖七表 示，圖內之熱電偶溫度為各自三次試驗之平 均值，故其溫度有其準確性，圖七中 B021 為 20 公分之熱電偶，A021 為 15 公分之熱電偶，
B022 為 10 公分之熱電偶，A022 為 5 公分之 熱電偶，圖中顯示，當試驗一開始時，可明 顯得知，20 公分處之熱電偶顯然溫度較低，
由試驗開始至試驗兩小時結束，都是呈現一 路溫度較低之情況，溫度與 10 公分處之熱電 偶相比較呈現約 100℃之差異，在較高溫時，
溫度差異越小。溫度第二低的為 15 公分處之 熱電偶，其溫度與 20 公分處之差異亦非常 大，約差 80℃，15 公分處之溫度與 10 公分 處標準熱電偶的溫度，在試驗剛開始時，差 異較大，約差異 30℃左右(在 15 分鐘處)，而 在高溫時近試驗時間兩小時，其溫度差異較 不大。5 公分處之溫度是四種試驗最靠近試體 非受火面之設定，是四種熱電偶設定距離之 熱電偶溫度最高的，但也非常接近 10 公分標 準距離的熱電偶溫度，5 公分處之溫度與 10 公分處之溫度相差最大不超過 10℃，兩距離 處溫度最接近之地方為 2 小時試驗時間處，
在 1 小時處之溫度還是有差異約差異 5℃。綜 觀四條溫度曲線，5~15 公分處之溫度較為接 近，而 20 公分處之溫度呈現較低現象，2 小 時之溫度差異較小，而 1 小時之溫度差異較 大，因此熱電偶位置不同對於試體之受火面 溫度，是會造成影響的。以上所說之熱電偶 溫度，是當控溫熱電偶位於不同位置距離 時，5、10、15、20 公分時，其距離試體受火 面 1 公分所量測到的溫度而言，來作為比較 之基準熱電偶。
(二)輻射計
輻射計已接上水冷卻循環機，並配上 23℃之標準水溫，循環水之體積流量為每分 鐘 10 毫升，試驗前輻射計之黑體鏡面都已擦 拭，輻射計鏡頭之架設角度是平行於爐體之 地板面的，意即平行於試體之立面，尤其是 每一次的輻射計角度都相同，故作為比較不 位置之控溫熱點偶，對於試體表面所造成之 不同輻射熱，可以作為較客觀之比較。
各次試驗之輻射熱，整理以圖八表示，
圖內之輻射熱為各自三次試驗之平均值，故 其輻射熱值有其準確性，圖八中A028 為 5 公 分之控溫熱電偶所量測到的輻射熱，A026 為
10 公分之控溫熱電偶所量測到的輻射熱，
A027 為 15 公分之控溫熱電偶所量測到的輻 射熱，A025 為 20 公分之控溫熱電偶所量測 到的輻射熱，由圖中可明顯得知，從試驗一 開始時，輻射熱呈現非常明顯之分布狀況，
20 公分處之輻射熱較低，依序為 15 公分、10 公分、5 公分，試驗一開始時，輻射熱最大約 相差 10KW/cm2，試驗兩小時結束後，輻射熱 較相近，約差異 2 KW/cm2，這與熱電偶溫度 量測之溫度是一樣的，當試驗越久時其溫度 與輻射熱之差異較不大，試驗過程中，有些 輻射熱並未依 20 公分、15 公分、10 公分、5 公分之曲線依序呈現高低分布現象，這是由 於試驗過程中，試驗爐之爐火並不是非常平 順，故造成控溫熱電偶在 15 公分距離時的輻 射熱，有不是很合邏輯之行為，然而其輻射 熱曲線，都維持在一定的輻射熱值，因此可 斷定不同控溫熱電偶位置會足以影響，輻射 熱之大小，過去在多很研究中，都在乎熱電 偶之位置跟重視所量測到的溫度值，是否合 乎 CNS12514 之 規 定 ， 例 如 溫 度 要 符 合 ± 100℃，標準偏差值也要符合規範要求，其實 這方面試驗爐都很容易達到，只是這都是假 象，即使溫度符合規範要求，但是輻射熱卻 不相同，而且這是一種隱性的破壞，也從來 不為人們所重視，因為輻射熱重來就不是CNS 一系列耐火試驗時，所需量測的一項數據，
故可以斷定的是很多試驗必定是發生在不公 平的條件下，有些試體試驗時是較鬆的條件 下進行，有些試體是在較嚴格的條件下完 成，這對試驗室而言，是一件無法接受的事，
對試驗委託單位而言，也是一件不公平的 事，故有必要對於這些結果加以說明。
四、結論
經過 12 次之反覆試驗，可以確定不同位 置之標準控溫熱電偶，會造成試體受火面產 生不同之輻射熱及溫度，當控溫熱電偶距離 試體越遠時，對於試體表面之加熱行為，相
對於 10 公分處距離之標準控溫熱電偶所造成 之影響較小，而 5 公分處之標準控溫熱電偶 所造成對於試體表面之影響較大，而且經輻 射熱與溫度量測分析後，輻射熱與溫度都是 有非常明顯的影響趨勢，其中以輻射熱之影 響較為嚴重，因為輻射熱是溫度的四次方，
故可想而知，當進行防火試驗時，進行控溫 熱電偶設置時，應維持每次試驗時，應都維 持熱電偶之位置是相同的，當然熱電偶廠 牌、線徑...等也要都一樣，才能維持試驗之 公正性，故建議各試驗室試驗時，需維持控 溫熱電偶位置之一致性。
五、附圖
六、參考文獻
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圖一 爐內熱電偶變位
圖二 牆試體加熱後呈現變形
Before heating Wall specimen
After heating
10cm
clearance>10cm
Before heating Wall specimen
After heating
10cm
clearance>10cm
圖三 白磚(左)陶瓷棉板(右)
Wall specimen Before heating
10cm
Wall specimen After heating
clearance<10cm
Wall specimen Before heating
10cm
Wall specimen After heating
clearance<10cm
圖四 爐內熱電偶型式
圖五 熱電偶設置位置(非受火面側觀看)
圖六 熱電偶與輻射計設置編號(加熱面)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0 200 400 600 800 1000 1200
Temp oC
Time (sec)
A021 A022 B021 B022
圖七 爐內溫度與時間關係圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0 200 400 600 800 1000 1200
Time (sec)
A025 A027
Temp oC KW
A026 A028
圖八 輻射熱與時間關係圖
中文摘要：
本研究以四種不同位置之爐內控溫熱電 偶，分別進行防火時效試驗，評估不同控溫 熱電偶位置對於牆試體之影響，本研究並不 是個案研究，試驗結果可提供世界各國試驗 室設置控溫熱電偶時之參考依據，並可建立 小爐子與大爐子進行防火牆試驗時之相關模 式。
英文摘要：
