建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證
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(3) 目次. 目次 表次...........................................................................................................III 圖次............................................................................................................V 摘要......................................................................................................... VII 第一章 緒論...............................................................................................1 第一節 研究背景................................................................................1 第二節 研究目的................................................................................1 第三節 研究內容................................................................................2 第四節 研究方法與進行步驟............................................................3 第二章 熱輻射危害 ..................................................................................5 第一節 熱輻射基本論述....................................................................5 第二節 熱輻射對人體的危害............................................................6 第三節 熱輻射的引燃........................................................................8 第四節 熱輻射量化分析..................................................................10 第三章 火災特性與水霧滅火效能 ........................................................13 第一節 火災的成長特性..................................................................13 第二節 火災的能量及成長速度 .....................................................14 第三節 水滴粒子大小之滅火效能 .................................................17 第四節 水霧滅火系統之定義..........................................................19 第五節 水霧撒水系統滅火機制 .....................................................22 第六節 水霧滅火系統相關理論 .....................................................24 第七節 水霧液滴產生方式..............................................................29 第四章 實驗規劃.....................................................................................33 第一節 實驗設備概述......................................................................33. I.
(4) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 第二節 實驗規劃..............................................................................38 第五章 實驗與模擬結果 ........................................................................45 第一節 實驗結果..............................................................................45 第二節 FDS 模擬結果與實驗結果比較 .........................................56 第六章 結論與建議 ................................................................................59 第一節 結論......................................................................................59 第二節 後續研究建議......................................................................61 附錄一 期初審查會議記錄回覆情形 ..................................................63 附錄二 期中審查會議記錄回覆情形 ..................................................67 附錄三 期末審查會議記錄回覆情形 ..................................................73 附錄四 專家學者座談會會議記錄回覆情形 ......................................79 附錄五. FDS Input Data .........................................................................83. 附錄六 實驗規劃表 ..............................................................................85 參考書目...................................................................................................91. II.
(5) 表次. 表次 表 2.1. 物質的放射率 ..............................................................................6. 表 2.2. 熱輻射值所對應的安全時間（安全係數 S=3）.......................7. 表 2.3. 常見木材之引火點及發火點 ......................................................8. 表 2.4. 木材著火所需之熱輻射量(KW/m2) ...........................................9. 表 2.5. 易燃液體的閃火點溫度 ..............................................................9. 表 2.6. 木造建築之間防止熱輻射延燒之安全距離 ............................10. 表 3.1. 常見的燃燒物質之燃燒率及完全燃燒熱 ................................15. 表 3.2. 大尺寸油池(D>0.2m)燃燒率估計表 ........................................15. 表 3.3. 火災成長係數與著火時間參考表 ............................................17. 表 3.4. 相同水量下水霧與標準水滴性質比較 ....................................19. 表 3.5. 各類滅火系統適用各種不同使用場所對照表 ........................21. 表 3.6. 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間 ....................................26. 表 3.7. 雷射繞射粒徑分析儀詳細規格表 ............................................31. 表 4.1. 實驗規劃表 ................................................................................43. 表 5.1. 實驗數據整合表 ........................................................................50. 表 5.2 3L 甲醇在同高度、不同粒徑之熱輻射值比較（KW/m2） ..51 表 5.3 3L 甲醇在同粒徑、不同高度之熱輻射值比較（KW/m2） ..51 表 5.4. 不同粒徑的熱輻射遮蔽率比較 ................................................53. 表 5.5. 不同粒徑的溫度吸收率比較 ....................................................54. III.
(6) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. IV.
(7) 圖次. 圖次 圖 1.1. 研究流程圖 ..................................................................................4. 圖 2.1. 熱輻射的鏡射、反射、漫射 ....................................................10. 圖 2.2. 輻射面與受害物距離示意圖 ....................................................11. 圖 3.1. 火災成長曲線圖 ........................................................................13. 圖 3.2. 熱釋放率對火源成長率的差異 ................................................16. 圖 3.3. 水的加熱和相變化所需之熱能與溫度變化關係圖 ................18. 圖 3.4. 水霧系統吸收熱輻射示意圖 ....................................................24. 圖 3.5. 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間圖 ................................27. 圖 3.6. 雷射繞射粒徑分析儀組成圖 .................................................30. 圖 3.7. 雷射繞射粒徑分析儀原理示意圖 ........................................31. 圖 4.1. 防火工程實驗室平面圖 ............................................................33. 圖 4.2. 防火工程實驗室前視圖 ............................................................34. 圖 4.3. 防火工程實驗室相關儀器配置平面圖 ....................................34. 圖 4.4. 實驗室熱電偶與熱輻射計安裝設置示意圖 ............................36. 圖 4.5. 熱輻射計.....................................................................................37. 圖 4.6 FDS 模擬防火工程實驗室前視圖 ............................................40 圖 4.7 FDS 模擬防火工程實驗室右轉 15 度角視圖..........................40 圖 4.8 FDS 模擬防火工程實驗室左轉 15 度角視圖..........................41 圖 4.9 FDS 模擬防火工程實驗室透視圖 ............................................41 圖 5.1. 不同數量燃料的熱輻射值比較 ................................................45. 圖 5.2. 甲醇 3 公升、粒徑 800μm、不同高度熱輻射值比較............46. 圖 5.3. 甲醇 3 公升、粒徑 200μm、不同高度熱輻射值比較............46. 圖 5.4. 甲醇 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 ..................47 V.
(8) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 圖 5.5. 甲醇 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 ..............47. 圖 5.6. 正庚烷 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 ..............48. 圖 5.7. 正庚烷 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 ..........48. 圖 5.8. 甲醇 5 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 ..................49. 圖 5.9. 甲醇 5 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 ..............49. 圖 5.10 3L 甲醇在相同粒徑但不同高度之熱輻射值比較圖.............52 圖 5.11. 甲醇 3 公升、撒水頭高度 2.7m 溫度圖 ................................55. 圖 5.12 正庚烷 3 公升、撒水頭高度 2.7m 溫度圖 ............................55 圖 5.13 甲醇 5 公升、撒水頭高度 2.7m 溫度圖 ................................56 圖 5.14 模擬與實驗所量測之熱輻射值比較 ......................................57 圖 5.15 模擬與實驗所量測之溫度值比較 ..........................................58. VI.
(9) 摘要. 摘要 關鍵詞：水霧系統、熱輻射、水粒粒徑。 一、 研究緣起： 在初期將火勢控制下來為減少火災擴大的最佳方法，如果無法於 火災初期以有效、經濟、可行的滅火系統將火勢控制，火場會因高溫 火焰所產生的熱輻射常常造成延燒及火勢擴大的情形，使火災災害擴 大。目前國內外的研究顯示已漸漸注意到建築物火災所產熱輻射之危 害對防火區劃影響。從國內外許多文獻可知，採用粒徑較小的水霧系 統對初期火災的降溫與熱輻射控制是非常有效。不過對於建築物發生 火災時採用水霧系統控制初期火災之設計參數並沒有完整本土化數 據及量化指標。 二、 研究方法與過程： 我們均知「水」是目前建築物用來抑制與撲滅火災最經濟且最有 效的設備。因此本研究除採取理論分析同時也進行實驗以瞭解對於不 同火載量設計參數下與不同水霧系統設計參數對於火場內煙溫與熱 輻射之影響。本計畫針對水霧系統所欲探討之設計參數有粒徑大小、 水頭與火源距離及不同水頭數量等重要設計項目，研究成果對於未來 建築物採用水霧系統做為初期火災控制設備之規定將可提出具體方 案。 探討水霧系統於建築物發生火災時，欲達成初期滅火功能之有效 設計參數及各參數之影響範圍。研究內容有: 1. 探討區劃內水霧撒水頭高度對火源熱輻射及滅火時間之影響。 VII.
(10) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 2. 探討區劃內水霧系統之噴撒粒徑對建築物火源熱輻射及滅火時 間之影響。 三、 重要發現： 本研究結果顯示，使用 200μm 到 800μm 粒徑大小的水霧撒水系 統，在火場中的確能有效吸收與阻隔熱輻射值與溫度，且在相關文獻 中也證實水霧系統對滅火也有相當卓越的成效，所以水霧撒水系統的 裝設對於人員避難及防止延燒確實有相當大的幫助。 由實驗證明，在相同裝設高度，粒徑 200μm 的水霧比粒徑 800μm 的水霧更能吸收與阻擋熱輻射。如：撒水頭裝設在 2.7m 時，使用粒 徑 200μm 的水霧比粒徑 800μm 的水霧約增加 35％的吸收與遮蔽的效 果。若裝設在不同高度，裝設的高度升高，其吸收與遮蔽的效果反而 會降低。如：使用粒徑 200μm 的水霧裝設在 2.1m 升高到 2.7m 時， 降低約 14％吸收與遮蔽的效果。由此可知水霧撒水系統中， 「粒徑」 的選擇會造成最大的影響。 比較水霧撒水系統與傳統撒水頭對熱輻射的遮蔽率，由實驗結果 發現，在火災初期使用粒徑 200μm 到 800μm 的水霧撒水系統約有 50 ～65％的遮蔽率，而傳統撒水頭只有 10％左右的遮蔽率，水霧撒水 系統對熱輻射的遮蔽率大約是傳統撒水系統的五～六倍。 四、 主要建議事項： 立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、內政部消防署 為討論粒徑之效應對水霧效能之影響，因此利用自行開發製 VIII.
(11) 摘要. 作之撒水頭以便產生不同粒徑大小，然而相對在噴撒條件上也受 到限制，未來可以針對市售撒水頭且一次以多個為一組進行實 驗，所得到的數據將更為實用。 在本研究中採用甲醇與正庚烷為燃料之池火源，建議可針對 日常生活中容易引發火災的電器設備及其他液態燃料進行比較 研究，可了解對於不同類型火源，水霧撒水系統效能與抑火機制 之差異與限制。 火災現場若有人員逃生之情況，則水滴粒徑及汽化量須考量 大量熱蒸汽對人員傷害及視線之遮蔽。撒水頭與火源的相對位 置，並未在本實驗中考量，可增加此參數以作為未來區劃規劃之 參考。 FDS 撒水的模擬結果可能無法直接和水霧的實驗結果作比 較，英國有一套軟體 FIREDASS 是模擬水霧滅火效能，建議後續 研究可使用並納入探討。 長期性建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、內政部消防署 實際的火場中，除了水霧放水量大小外，水霧滴在蒸發前能 吸收和遮蔽多少熱輻射值與溫度，此將會影響水霧滅火之效能， 尤其是靠火焰及燃料表面吸熱冷卻作為主要滅火機制之情況，建 議後續研究可納入探討。 從工程實務的觀點上來看，本研究可延伸探討熱輻射對建材 強度的影響，了解在火場中建築物受熱輻射所造成的損害，分析. IX.
(12) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 是否可以藉由水霧撒水系統減少熱輻射對建材的傷害以減少對 人員逃生時有可能發生之危害，進而提出實際建築案例之水霧系 統應用最佳設計。 細水霧所實驗過的尺寸可容許使用在比初始實驗環境更小 的環境之中，所以 scale factor 需要考慮。若有考慮中介變數的量 測，如：氧的濃度被稀釋了多少、水的密度…等等，會使實驗更 加準確。不同的燃料會產生不同的煙霧，例如正庚烷比甲醇的煙 更大，是否會影響實驗結果，建議可列入未來實驗規劃中。 建議未來實驗中能探討接近閃燃狀態之火災，撒水頭標準放 水量下，放水壓力 1kgf/cm2 時，滅火控制過程之熱輻射效應，以 及在區劃中無灑水狀況，開口部或區劃交界處撒水作用下熱輻射 之差異性。 粒徑小受 fire plume 影響應會較大，但在火災成長期隨時間 變化輻射熱也隨之變大，應有以溫度或熱輻射值為固定值，觀察 fire plume 現象，是否粒徑大小受火焰或 fire plume 影響較大，此 時再來探討高度對粒徑之影響。水壓力大小會對空間熱煙壓力產 生變化，而後續吸熱效果才會明顯有滅火跡象，而壓力大才能侷 限火災延燒，建議後續對堆積可燃物進行探討。. X.
(13) 摘要. ABSTRACT Keywords：water mist system、thermal radiation、droplet size The best way for controlling fire is to suppress fire at the beginning of fire. Without appropriate control fire development, the fire radiation may cause the fire growing fast and vast disaster. Now, how to prevent the fire radiation is a popular topic for the fire researchers. Using the water to control the fire temperature and radiation is a very effective method. However, no quantity and domestic design parameters for the building designers can adopt for water system design. Therefore, this project uses both theoretical and experimental methods to understand the application of water system in controlling fire temperature and radiation. The examine parameters have water droplet size, distance between nozzle and fire source, and number of nozzles. The results are useful for applying the water system to control the beginning fire in buildings. The fields of studying parameters for water systems are: 1. Study the effect of nozzle heights on radiation and time of fire extinguishment. 2. Study the effect of water droplet sizes on radiation and time of fire extinguishment.. XI.
(14) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. XII.
(15) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論 研究背景. 目前國內積極推動性能式防火工程技術與性能式防火法規，在因 應國內複合用途的建築物增加與為了確保建築物防火避難安全為前 提之下，個別採用「建築物防火避難安全性能驗證技術」。而在建築 物火災人員的避難逃生過程中，無時無刻不受到煙與熱的威脅，若僅 以完成居室避難所需的時間會不會超過煙層下降的時間來作為評斷 避難逃生的成功與否，似乎不夠周延。 在避難逃生的路徑上，人員受到火災燃燒產生的熱能量影響，可 能會造成身體或呼吸道損傷，而造成避難行動的失敗。其中火災燃燒 產生的熱能量傳遞方式不外乎熱傳導、熱對流、熱輻射三種。當中的 熱輻射不需要傳播媒介，即能將熱量傳播出去。當熱輻射造成皮膚溫 度超過 44℃或熱輻射值超過 1.7KW/m2 時會立即產生身體上的傷害 1. 。所以當火災發生時，避難者經過避難逃生路徑的熱煙層區或受火. 害的防火鐵捲門周遭時，可能會因熱輻射影響而造成避難者受傷因而 無法安全離開火場。. 第二節. 研究目的. 水霧系統具有無環境污染、滅火迅速、耗水量低及對防護對象損 害率小等優點，已被廣為研究並逐漸應用在各種場所作為滅火系統使 用。然而迄今為止，水霧系統對於熱輻射之控制並沒有相關之標準或 規範可供依循，造成在設計、施工或驗收上，沒有統一的規範可以確 認系統之性能與可靠度。主要原因是由於水霧系統滅火機制之相關影. 1.
(16) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 響參數較多且複雜，有些參數並具有交互影響作用，尤其是水霧粒徑 大小、裝設高度之限制等效應，需透過進一步之研究分析及實驗測試 來找出水霧系統之最佳設計參數。 為瞭解水霧系統應用在室內建築物火災熱輻射控制之可行性，本 研究即是針對水霧系統之基本特性及其火場控制應用技術進行研 究，主要研究範圍包含水霧粒徑及撒水頭裝設位置距火源高度等對水 霧系統抑火效應之影響，透過理論探討與實際全尺寸實驗研究，找出 不同水霧粒徑滅火機制及差異、在不同粒徑大小之水霧系統滅火效應 影響及不同水霧粒徑大小在不同撒水頭裝設高度對滅火機制和效應 之影響。希望藉由此研究之進行能找出最佳水霧滅火粒徑及在相關粒 徑大小下最佳裝設撒水頭高度位置，開發出可應用於室內建築物之水 霧系統以創造國內消防系統之商機，同時提供更為安全的防火安全保 障。. 第三節. 研究內容. 在國內外研究中，提到將防火鐵捲門塗佈防火漆以隔絕熱輻射的 方法，但經實驗證明，塗佈防火漆雖能將非曝火面背溫降至 400℃左 右，但未考量防火鐵捲門一般使用情形為收捲式，一旦收捲壓縮，塗 佈在之上的防火漆非常容易掉落，隔熱效果當然成效不佳。而從國內 外許多文獻可知，採用粒徑較小的水霧系統對於火災的降溫與熱輻射 控制非常有效。我們均知水霧系統是目前建築物用來抑制與撲滅火災 最經濟且最有效的設備。因此本研究除採取理論分析同時也進行實驗 以瞭解對於不同火載量設計參數下與不同水霧系統設計參數對於火 場內煙溫與熱輻射之影響。. 2.
(17) 第一章 緒論. 第四節. 研究方法與進行步驟. 本研究實驗之部分將在實驗區裝設一水霧撒水頭，並在其周圍架 設熱電偶樹，用來量測火場溫度的變化，同時為產生不同粒徑大小之 水霧滴，透過變頻式加壓泵浦壓力的改變及不同撒水頭來控制水的流 量及粒徑大小，並利用雷射繞射粒徑分析儀量測水霧粒徑大小。 實驗中將使用自行開發之水霧撒水頭，為了產生不同之水霧噴撒 粒徑，透過變頻式壓力泵浦來調整實驗過程中水的壓力，以得到不同 之水霧粒滴直徑，來進行不同水霧粒徑大小對於滅火效能之影響及其 他影響參數之交互作用，配合不同工作壓力以產生粒徑範圍 DV0.9 分 別為 800 和 200μm，並紀錄相關的水霧放射條件（所需工作壓力、流 量），以便進行不同水霧滴粒徑大小與放射壓力及工作流量對水霧系 統滅火效能之影響研究。 水霧系統之滅火效能將從實際火源撲滅時間與火場空間溫度變 化情形進行比較探討。滅火時間是指從水霧開始撒水一直到火源被完 全撲滅為止之間的時間，配合影像處理系統觀察實驗過程中火源燃燒 狀況與最後火源撲滅之時間，所有實驗完成後再進行性能比較分析。 承上所述，本研究流程可如圖 1.1 所示：. 3.
(18) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 水系統對火災熱輻射 危害控制與驗證. 文獻回顧. 數值模擬. 實驗驗證. 理論分析. FDS 軟體建模. 使用雷射繞射粒徑分 析儀量測水滴粒徑. 模擬數據整理. 依據量測粒徑進行實 際火場實驗. 熱 輻 射 的 控 制 與 災 害. 水 霧 系 統 應 用 與 設 定. 理論與實驗結果分析 與比較. 結論與建議 1 圖 1.1 研究流程圖 （資料來源：本研究整理）. 4.
(19) 第二章 熱輻射危害. 第二章 第一節. 熱輻射危害 熱輻射基本論述. 熱輻射是有限溫度的物體放射出能量，雖然主要是針對固體表面 的輻射，但液體及氣體仍會有輻射熱產生。熱輻射是靠電磁波傳遞能 量。在熱傳導或熱對流中，能量的傳遞需經由介質做為媒介，但熱輻 射卻不需要，而事實上熱輻射在真空區域的效率較高。. 由表面放射出的熱輻射是起源於具熱能的物體表面，可由史蒂芬 -波茲曼定律 2（Stefan-Boltzmann Law）表示：. E = εσTs4. (2.1). E：每單位面積的熱輻射值（W/m2） Ts：表面的絕對溫度（K） σ：史蒂芬-波茲曼常數（5.6696×10-8 W/m2．K4） ε：表面的放射性質，稱為放射率，其值介於 0 與 1.0 之間. 表 2.1 為常用的ε值 3，與表面材質、加工情況有很大的關係。 以此公式計算火場中的熱輻射值時，如果與火源之間並沒有存在任何 的遮蔽物，則可視為黑體（blackbody） ，ε值為 1.0。若當中存在著如： 防火鐵捲門或玻璃等物質，則依其材質的不同可查出合適的ε值代入 公式之中求得較正確的熱輻射值。. 5.
(20) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 1 表 2.1 物質的放射率. 3. （資料來源：參考文獻 3）. 第二節. 熱輻射對人體的危害. 由文獻可知，當人類的皮膚在超過 44℃、1.7 KW/m2 的環境下便 會受到傷害，依受害程度不同而造成輕度、重度灼傷，甚至於死亡。 可由公式 2.21 得知在有限熱輻射值下皮膚的容許安全時間，此公式可 使用在 1.7 到 20 KW/m2 範圍之間。. 6.
(21) 第二章 熱輻射危害. tp =. 250 −1.9 qR S. (2.2). tP：皮膚未受到傷害的安全時間(sec) qR：熱輻射值(KW/m2) S：安全係數，一般取 2 或 3 為安全值。. 2 表 2.2 熱輻射值所對應的安全時間（安全係數 S=3） 熱輻射值(KW/m2). 安全時間(sec). 2.0. 22.33. 3.0. 10.33. 4.0. 5.98. 5.0. 3.92. 6.0. 2.77. 7.0. 2.07. 8.0. 1.60. 9.0. 1.28. 10.0. 1.05. （資料來源：本研究整理） 由表 2.2 可知，當熱輻射值達 3.0 KW/m2 時，皮膚暴露超過 10 秒就會造成傷害，而達 7.0 KW/m2 時，暴露超過 2 秒即會燒傷。本研 究的目的即在於降低熱輻射，使人員能夠在較低的溫度以及有更多的 時間可以從火場中逃生。. 7.
(22) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 第三節. 熱輻射的引燃. 火場中，傢俱是造成火勢加遽的原因之一。而引燃這些大多為木 質材料的傢俱的原因，除了火焰直接燃燒以外，就是火場中的熱輻射 造成溫度增加且高於物質的燃點而被點燃的。以木材的引火點平均約 260℃來考慮 4，熱輻射值大約在 4.0～5.0KW/m2，所以在此熱輻射值 之下便可認為尚未引燃傢俱等木質物品。一般來說溫度越高，引火所 需時間越短。不過依條件不同，在 157℃～195℃的低溫之下，也有 4. 可能引火，稱為「低溫著火」 。由以前的經驗可知，容易造成木材 低溫著火的地方如下所列：. 1. 煙囪等貫穿之屋頂 2. 爐灶等接近之壁體，底面之木台等 3. 乾燥室內蒸氣管接觸之部分 4. 三溫暖室暖爐等熱源之周圍. 3 表 2.3 常見木材之引火點及發火點 種. 類. 杉 檜木 針松 桂樹 櫸 七葉樹 白樺 桐樹 （資料來源：參考文獻 4）4 8. 引火點(℃) 240 253 262 270 264 264 263 269. 發火點(℃) 435 446 437 455 426 406 438 435.
(23) 第二章 熱輻射危害. 4 表 2.4 木材著火所需之熱輻射量(KW/m2) 受熱時間. 新木材. 舊木材. 持續 8 分鐘. 7.0. 4.0. 持續 20 分鐘. 4.0. 2.5. （資料來源：參考文獻 4）4 另外，在加油站、化學工廠、爆竹工廠等存放大量易燃物品的特 殊場所，尤其應該注意熱輻射的影響。其中以化學工廠更要特別注 意，因為化學工廠與加油站雖然都是存放有機化學易燃物，但是一般 而言，加油站均處於開放式的空間，而化學工廠大多都是較封閉的， 所以工廠內的氣體濃度較高，當受到熱輻射的影響使溫度產生變化 時，容易因溫度高於易燃物的閃火點而引燃造成災害、損失。由表 2.55 可明顯看出汽油、酒精的閃火點都很低，所以相對的熱輻射值過 高很容易將其引燃。 5 表 2.5 易燃液體的閃火點溫度 Automotive Fluid Gasoline Diesel fuel Brake fluid Motor oil Power steering fluid Ethylene glycol(100%)* Methanol(100%)* Ethanol(100%)*. Flash Point(℃) -38 52 115 210 177 111 11 12. *These fluid are mixed with water and the mixture flash point depends on the mixture ratio.. （資料來源：參考文獻 5）表 5 本研究考慮熱輻射對人體危害的同時，也一併將熱輻射對於物質 的引燃加以考慮，希望藉由熱輻射的控制可以同時達到保護人員逃生 安全及減少火場延燒與財物損失。 9.
(24) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 第四節. 熱輻射量化分析. 熱輻射的大小與輻射熱源的面積大小、溫度高低、時間長短有 關，當熱源面積越大、時間越長，所產生的熱輻射值越大。再加上熱 輻射並不是只對單一方向有所影響，而是以放射狀對周圍的環境造成 溫度的升高，如圖 2.1 所示。. 2 圖 2.1 熱輻射的鏡射、反射、漫射 （資料來源：參考文獻 3）3 依前節所言，一般木造物表面溫度超過 260℃即有發生延燒的可 能。而兩建築物若外壁皆為木材時，防止熱輻射延燒的安全距離如下 表 2.6。 6 表 2.6 木造建築之間防止熱輻射延燒之安全距離 火焰寬度(m) 16 8 4. 平房(高 5m) 15 11 8. （資料來源：參考文獻 4）4 10. 火災房屋 二層建築(高 10m) 21 16 10.5.
(25) 第二章 熱輻射危害. 所以當熱輻射所到達的距離越遠，危害範圍也就越大。但是相對 的，離輻射熱源越遠，其熱輻射值越低。由文獻可知實際的熱輻射值 是熱源的熱輻射值乘上一個形狀係數(configuration factor)，而形狀係 數與火焰高度、火盆大小、距受害物或儀器的距離有關。. 受害物. W. 輻射面. H. C. 火源. 3 圖 2.2 輻射面與受害物距離示意圖 （資料來源：本研究整理、參考文獻 6）6 如圖 2.26 所示，其中的 W 是火源的寬度，亦等於火盆的寬度；C 是指火源與受害物的距離；而 H 是指火焰的高度，可由經驗公式 2.37 求得：. H = 0.235Q&2 5 − 1.02 D. (2.3). H：火焰高度(m) Q&：熱釋放率(KW). D：火源直徑(m) W、H、C 為已知後，便可由公式 2.48 得到形狀係數(F) 11.
(26) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. F=. 1 ⎡ X Y Y X ⎤ tan −1 tan −1 + ⎢ ⎥ 2π ⎣ 1 + X 2 1+ X 2 1+ Y 2 1+ Y 2 ⎦. (2.4). 其中. X =. H C. Y=. W C. 求得係數 F 後，可由公式 2.1 計算火源的熱輻射值，將係數 F 乘 上其值，便可得到熱輻射的估計值。 熱輻射的量化分析是由燃料的熱釋放率與其受害的距離來推算 的，如：甲醇的熱釋放率約為 500KW，由公式 2.57 可計算出距離火 源 2m 處的熱輻射值約為 1.49 KW/m2，若距離 1m 則熱輻射值增加至 5.97 KW/m2。而正庚烷的熱釋放率約 3345KW，由公式 2.5 可計算出 距離火源 2m 處的熱輻射值約為 9.98 KW/m2，若距離 1m 則熱輻射值 增加至 39.9 KW/m2。. q&′′ =. χ r Q& 4πR02. 2 q&′′ ：熱輻射值(KW/m ). χ r ：常數，依燃料產生的煙多寡而定，約 0.15～0.6 Q& ：熱釋放率(KW) R0 ：以火源為中心的熱輻射放射圓的半徑距離(m). 12. (2.5).
(27) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 第三章 火災特性與水霧滅火效能 第一節. 火災的成長特性. 火災是一種物理及化學變化構成的反應，所經歷的時間與火場溫 度變化可以用圖 3.1 來表示，其成長共分成五個時期： 溫度. 點火. 成長期. 閃燃. 完全發展期. 衰退期. 時間. 4 圖 3.1 火災成長曲線圖 （資料來源：本研究整理、參考文獻 7）. 7. 1. 點火(Ignition)：以火焰造成環境溫度提升或使物質燃燒。. 2. 成長期(Growth)：因為燃燒的型態、燃燒的種類、供氧的程度不 同，所以火焰的成長速度不一致。一般來說，在此時期因為火源範圍 尚未擴大，因此溫度較低。若發生在建築物內部則由於不完全燃燒而 產生大量濃煙。. 13.
(28) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 3. 閃燃期(Flashover)：由於不完全燃燒之可燃性蒸汽散佈於空氣中 達一定量，遇燃燒所生成之熱量，則瞬間引燃空氣中的可燃物蒸汽， 形成一片火海，此即為閃燃現象。. 4. 完全發展期(Fully developed fire)：火災於閃燃現象發生後，高溫 促使燃燒反應速度加快，並釋放出大量的熱。火場溫度由於冷空氣進 入及大量釋熱的結果，其溫度稍微下降，並且呈現小幅度變化現象。. 5. 衰退期(Decay)：當燃料逐漸耗盡，其能量釋出減少，導致空間 內氣體平均溫度下降。需要注意的是在此時期雖然溫度減低，但將熄 的濃煙以及前幾段時期的持續高溫將導致房屋結構不穩定，因此火災 所引起的潛在危險依然存在。. 第二節. 火災的能量及成長速度. 不同的燃燒物質會有不同的熱釋放率，其大小可由公式 3.1 求得. Q&= A f m&′′XΔH c. (3.1). Q&：熱釋放率(MW). Af：燃料燃燒表面積(m2) 2 m&′′ ：燃燒質量損失率(kg/m s). X：燃燒效率 ΔHc：完全燃燒熱(MJ/kg) 其中 m&′′ 可由經驗公式(3.2)或查表求得. (. m&′′ = m&∞′′ ⋅ 1 − e − kβD 14. ). (3.2).
(29) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 7 表 3.1 常見的燃燒物質之燃燒率及完全燃燒熱 材質--( )內的數值為實驗的油池直徑 Polyethylene Polypropylene Kerosene (30-80m) n-Hexane (0.75-10m) n-Heptane (1.2-10m) Polystyrene (0.93m) Xylene (1.22m) Benzene (0.75-6.0m) Methanol (1.2-2.4m) Acetone (1.52m). 2 m&′′ (kg/m s). ΔHc(MJ/kg). 0.026 0.024 0.065 0.077 0.075 0.034 0.067 0.081 0.025 0.038. 43.6 43.4 44.1 44.8 44.6 39.2 39.4 40.1 20 29.7. 聚乙烯 聚丙烯 煤油 正己烷 正庚烷 聚苯乙烯 二甲苯 苯 甲醇 丙酮. （資料來源：參考文獻 7、8）. 7. 8 表 3.2 大尺寸油池(D>0.2m)燃燒率估計表 材料 Liquid H2 Methanol Ethanol Butane Benzene Hexane Heptane Xylene Acetone Dioxane Gasoline Kerosine. 密度(kg/m3). 2 m&∞′′ (kg/m s). ΔHc(MJ/kg). kβ(m-1). 70 796 794 573 874 650 675 870 791 1035 740 820. 0.017 0.017 0.015 0.078 0.085 0.074 0.101 0.09 0.041 0.018 0.055 0.039. 120.0 20.0 26.8 45.7 40.1 44.7 44.6 40.8 25.8 26.2 43.7 43.2. 6.1. a. Value independent of diameter in turbulent regime.. b. Estimate uncertain, since only two points available.. （資料來源：參考文獻 7、8）. a b. 2.7 2.7 1.9 1.1 1.4 1.9 5.4b 2.1 3.5. 7. 15.
(30) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 在前一章有提到一個概念：「對於火場與熱輻射的控制主要要求 在儘速撲滅火源或不讓其達到閃燃，同時也為了知道何時應該啟動滅 火設備。」而閃燃的物理現象是在一個很短暫的時間使得火場內溫度 迅速升高，為了知道所產生的熱釋放率，可以用“T-squared fire＂的 公式(3.3)7，代入火災成長時間以及成長係數求得熱釋放率。. Q&= α ⋅ t 2. (3.3). Q&：火源熱釋放率(KW) 2. α ：火源成長係數(KW/s ). t ：著火時間(sec) T-squared fire 依火源成長速率可區分成 Ultra fast、Fast、Medium、Slow 四種成長曲線，如圖 3.2 所示。 5000. 熱釋放率. Ultra Fast. 4000. Fast. Medium. 3000. Slow. (KW) 2000. 1000. 0 0. 300. 時間(sec). 600. 5 圖 3.2 熱釋放率對火源成長率的差異 （資料來源：參考文獻 7） 16. 7. 900.
(31) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 9 表 3.3 火災成長係數與著火時間參考表 α(kW/s2). t0(s). Metal wardrobe 41.4 kg (total). 0.422. 10. Chair F24 , 28.3 kg. 0.0086. 400. Chair F29 , 14.0 kg. 0.1055. 70. 1/2 inch plywood wardrobe w/ fabrics 68.8kg. 0.8612. 20. Loveseat metal frame w/foam cushions , 54.6 kg. 0.0086. 500. Easychair , 23.02 kg. 0.1876. 3700. 種類. （資料來源：參考文獻 7、8）. 7. 第三節 水滴粒子大小之滅火效能. 從前一章可知熱輻射對於火場或人員都會造成很大的影響。在火 勢尚未達到閃燃期(Flashover)之前，對於火場與熱輻射的控制主要要 求儘速撲滅火源或不讓其達到閃燃，同時也為了知道何時應該啟動滅 火設備。但是對於已經達到閃燃或是完全發展(Fully developed fire)的 火勢，則是要求能控制熱輻射的範圍以及防止熱輻射對人員逃生或消 防人員所造成的危害。. 長久以來「水」一直是最重要的滅火工具，且其優越的滅火性很 難被取代，這主要是水的熱力特性使水成為大多數型態火源很理想的 滅火劑，特別是在侷限空間的火源上，它可以直接吸收熱量無論是火 焰本身、燃燒所產生或是燃料表面等熱量。由液態水到水蒸氣的相變 化過程在吸收熱能上特別有效，同時所產生的大量水蒸氣可以減少周 遭空氣的含氧量並進一步幫助滅火。. 水具有相當高的蒸發潛熱，使一公升的水由 0℃升高至 100℃需 17.
(32) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 要提供 418KJ 的熱量，另外將其變成水蒸氣則需要提供 2257KJ 的熱 量。而蒸發只會在液體的表面發生，所以在理論上每單位體積的水有 較大的表面積將會有較好的滅火效能。然而在實際上在一般的火災中 撒水，相對較大的水滴只有小比例能夠透過蒸發帶走最大的潛熱，大 部分會保持在液態，但大水滴較容易穿越火焰到達燃料表面；相反的 假如水滴非常的細小則會被迅速的蒸發，然水滴卻沒有足夠的動量穿 越火焰，滅火效率將會減少。不過較小的水滴粒子也由於其重量較 小，停留在起火空間中的時間較長，相對吸收熱量的時間也較長。. 溫度 ℃( ) 熱能(KJ). 6 圖 3.3 水的加熱和相變化所需之熱能與溫度變化關係圖 （資料來源：參考文獻 9）. 18. 9.
(33) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 第四節 水霧滅火系統之定義 水霧(Water Mist)滅火系統自 1940 年代開始發展，主要是利用水 霧撒水頭在一定壓力下將水分解為細小霧滴，進而發揮火場及火源冷 卻、氧氣置換及輻射阻絕等滅火機制。 依照美國防火協會 NFPA 75015 對於水霧系統之定義為：水霧系統 是距撒水頭下方 1m，在最小操作壓力下能產生水氣霧滴累積體積分 布 99％之粒滴直徑小於 1000 微米，但是並沒有進一步規範最佳使用 粒徑或是相關使用條件限制，而且現行水霧系統滅火對熱釋放率影響 之考量及相關消防法規規範都只針對水量大小的部分，並無探討粒徑 大小之效應，因此在考量水霧滅火系統其抑火效能及應用範圍時，有 必要將粒徑大小之效應參數加以考量。 由前面的描述可以發現，水霧滅火系統對於抑火效能及其特性會 受相關參數條件的影響而相當複雜，其中受水滴粒徑的尺寸大小、火 源燃燒情況的影響最為顯著。 10 表 3.4 相同水量下水霧與標準水滴性質比較 細. 水. 霧. 標. 準. 水. 滴. 水滴數量. 水滴粒子較多. 水滴粒子較少. 水滴面積. 水滴總表面積較大. 水滴總表面積較少. 蒸發程度. 大部分水滴蒸發為水蒸氣. 大部分水滴未蒸發. 滅火方式. 蒸氣吸收熱量並降低其溫度. 水滴佈滿可燃物表面來吸收熱量. 10. （資料來源：參考文獻 10）. 美國國家防火協會(NFPA)所制定之 NFPA 75015 中，列出 5 項水 霧滅火系統設計之功能目標如下： 19.
(34) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 1. 撲滅火勢：水霧可抑制火勢並進一步有效撲滅火勢，使火場 中無燃燒狀況。 2. 抑制火勢：水霧可有效降低火場熱釋放率，使可燃物不再複 燃。 3. 控制火勢：噴撒火場鄰近未燃物，預先冷卻防護，控制火勢 成長。 4. 控制溫度：可降低室內溫度維持出入口安全性，減低高溫對 逃生者的危害。 5. 防止延燒：噴撒火場鄰近未燃物，延遲其引燃之時間。. 水霧滅火系統適合用於 A、B 類火災，依據中華民國國家標準 CNS 3658，水霧應用於各類火災之特性說明如下：. A 類：指建築物、家具等的木材、紙張、棉織物、纖維物、裝飾 物品、塑膠、橡膠等之固體可燃物質火災 B 類：指石油類、油漆類、植（動）物油類、有機溶劑類等可燃 液體、及液化石油氣、天燃氣、乙炔氣等易燃性氣體火災。. 依水霧系統相關技術報告及國外適用案例而言，水霧滅火系統可 適用於我國消防法規 16 中之『各類場所消防安全設備設置標準』第十 八條所列之場所，其具體內容如下表所示。. 20.
(35) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 11 表 3.5 各類滅火系統適用各種不同使用場所對照表. 應. 設. 場. 水. 泡. 霧. 沫. 所. 二 氧 化 碳. 乾. 粉. 一 屋頂直昇機停機場（坪）. ○. ○. 二 飛機修理廠、飛機庫樓地板面積在二百平方公尺以上者. ○. ○. 汽車修理廠、室內停車空間在第一層樓地板面積五百平 三. 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 四 昇降機械式停車場可容納十輛以上者 五. 六. 七. 八. 發電機室、變壓器室及其他類似之電器設備場所，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。 五、平時有特定或不特定人員使用之中央管理室、防災中心等類似處所，不得設置 二氧化碳滅火設備。. （資料來源：參考文獻 16） 21.
(36) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 第五節 水霧撒水系統滅火機制 水滅火的方式為，冷卻燃燒的物體與火焰，並產生蒸氣以阻止氧 氣接近燃燒物並吸收輻射熱，而其中最重要的就是冷卻燃燒的物體， 也就是直接撲滅火源。當一個固體在燃燒時，必處於高溫下並且有火 焰的發生，假如具有高蒸發潛熱的水能夠到達燃燒的地方，當水蒸發 時會帶走相當多的熱量，則會使燃燒速率減緩甚至熄滅。 在許多的情況中，水的冷卻影響也是一重要的因素。為了能夠有 效降低火場溫度，其水滴的尺寸必須相當微小，而且水量需要足夠使 用於整個的火場中。當水被分離為微細的小水滴時，則每單位體積的 水的表面積會顯著的增加，這對於火場溫度的冷卻是相當有利的。因 為水的蒸發速率和冷卻效率是與表面積成正比的。但是在實際的情況 中，其水滴的尺寸有最低的限制，如果水滴的尺寸都相當細小，只會 被迅速的蒸發，再加上水滴本身所擁有的動能不足，因此無法穿過火 焰到達燃燒物的表面，無法有效的滅火，而最有效的滅火方式就是將 水滴直接噴撒在燃燒物體表面。 而水霧系統的滅火機制有以下幾點 9： 一、熱吸收(Heat Extraction) 水霧冷卻火焰之滅火機制主要來自於當大量的細小水滴進入火 焰區時會吸熱並快速蒸發，將水蒸發成水蒸氣而進一步冷卻火焰。當 火焰之溫度被冷卻、降低至維持燃燒所需之極限溫度時，油氣混合之 燃燒反應將終止，火源將被抑制、撲滅。研究指出粒滴的蒸發率與週 遭溫度、粒滴表面積、熱傳係數及粒滴與週遭氣體的相對速度有關。 對於水霧粒徑範圍在 100μm＜d＜1000μm 之間其熱傳係數與粒徑大 22.
(37) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 小之關係可表示成 13：. H=. 0.6 1.5 0.5 KPr Re d. (3.4). H：熱傳係數(W/m2．K) d：水霧粒徑(μm) K：空氣之熱傳導率(W/m．K) Pr：Prandtl Number Re：Reynolds Number 二、氧氣置換(Displacement of Oxygen) 水霧滴蒸發所形成之水蒸氣會排擠火場空間中原先具有之空 氣，當水滴吸熱蒸發成水蒸氣取代火源週遭的氧氣，使火場中之氧氣 降低至維持燃燒所需之臨界氧氣濃度以下，將可阻止火勢燃燒。 三、降低熱輻射效應(Radiant Heat attenuation) 當水霧噴撒至燃燒物表面時，細小之水霧滴形成熱屏障可阻止火 源燃燒之輻射熱，降低燃燒物表面被揮發之速度，對於防止火勢擴及 未燃燒之可燃物，可進一步防止火勢之延燒擴大。NRCC(加拿大國家 研究協會)實驗結果顯示，利用水霧進行滅火，將可減少 70%之輻射 傳遞至火場區劃牆面。 影響阻隔火源輻射熱之效應主要和水霧之水霧滴粒徑大小及其 分佈密度有關。更小的粒滴與更密集的水霧滴將更有效阻隔輻射熱。 根據研究顯示，在 100 g/m3 之噴撒密度，1m 之噴撒分佈範圍下，噴 撒粒徑大小在 100μm 至 200μm 之間能阻絕 800℃之黑體 60%之輻射 熱傳量。. 23.
(38) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 熱輻射. 水霧撒水 人員 吸收熱輻射. 火源. 水霧粒子. 7 圖 3.4 水霧系統吸收熱輻射示意圖 （資料來源：本研究整理）. 四、稀釋燃氣(Dilution of fuel vapor) 研究指出，藉由滅火過程水滴吸熱所形成之水蒸氣進行火源抑 制，可視為間接滅火機制。水蒸汽與週遭可燃氣體混合，當可燃氣體 濃度稀釋 35％即可進一步抑制火源燃燒。. 第六節 水霧滅火系統相關理論 一、水霧滴完全蒸發所需時間估算： 為了發揮水霧滴吸熱冷卻之滅火效應，水霧滴需在火場中有足夠 的時間能對火焰進行蒸發冷卻。假使水霧滴完成蒸發時間比水霧滴在 火焰區停留間短，則液滴在到達燃料表面前將可完全蒸發。相反的，. 24.
(39) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 若水霧滴蒸發發所需時間較其在火場空間殘留時間長，則水液滴之質 量受蒸發影響而降低之效應將不顯著。在此情形下，火源無法藉由火 焰冷卻之滅火機制來加以撲滅。水霧滴完全蒸發時間包括加熱時間與 蒸發時間，水霧滴在穩態蒸發過程中，任何時刻下之粒滴直徑與其初 始粒徑可以寫成下面關係式：. D02 − D 2 = λt. (3.5). D0 ：初始水霧滴粒徑大小（μm） D ：任何時刻下水霧滴粒徑大小（μm）. t ：時間（sec） 2 λ ：蒸發係數（m /sec）. 蒸發係數（λ）可以透過下列公式計算 12：. λ=. k. 8k ln (1 + B ) CP ρ F. (3.6). ：水蒸汽之熱傳導係數（2.48×10-2 W/m．K）. C P ：水蒸汽之比熱（2 KJ/kg．K）. ρ F ：水的密度（958.4 kg/m3）. B ：Jakob number. 熱傳無因次常數 Jakob number 主要是定義水霧滴由液相相變化 至汽相過程中顯熱與潛熱吸收能量比，可進一步定義為：. B=. C P (T∞ − Tb ) L. (3.7). 25.
(40) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. Tb ：水霧滴表面溫度（K） T∞ ：水霧滴週遭氣體溫度（K）. L ：水的潛熱（2257.1 kJ/kg） 本研究之設計火源在自由燃燒下火場溫度之變化情形，火場最 高溫度約 200℃，水霧噴頭作動時（點火後 60 秒）火場最高溫度約 為 140℃，再加上考量熱電偶之反應時間延遲，因此分別取水霧液滴 、T∞=473K（200℃）與 T∞=423K 所受周遭火場溫度 T∞=523K（250℃） （150℃）進行蒸發所需時間計算，其它條件為： 水霧滴表面溫度 Tb=373K； 水的潛熱 L=2257.1kJ/kg； 水蒸汽的比熱 CP=2kJ/kg⋅K； 水蒸汽之熱傳導係數 k=2.48×10 -2 W/m⋅K； 水的密度ρF=958.4kg/m3 將 上 述 性 質 條 件 代 入 公 式 3.5 ～ 3.7 ， 分 別 計 算 水 霧 滴 粒 徑 200μm~800μm 在本研究實驗條件下水霧滴蒸發所需時間。計算結果 如表 3.6 所示。 12 表 3.6 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間 水霧滴粒徑 200μm 400μm 600μm 800μm. 週遭氣體溫度 T∞=523K 蒸發所需時間 3.09 sec 12.39 sec 27.87 sec 49.55 sec. （資料來源：本研究整理）. 26. 週遭氣體溫度 T∞=473K 蒸發所需時間 4.55 sec 18.21 sec 40.97 sec 72.83 sec. 週遭氣體溫度 T∞=423K 蒸發所需時間 8.91 sec 35.66 sec 80.23 sec 142.63 sec.
(41) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 150 523K 473K 423K. Time (sec). 120. 90. 60. 30. 0 200μm. 400μm. 600μm. 800μm. Droplet diameter. 8 圖 3.5 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間圖 （資料來源：本研究整理）. 表 3.5 計算結果僅是水霧滴在 100℃下蒸發所需時間，還不包括 水霧滴在液態吸熱至 100℃所需時間。由 Kim14 的研究對於放射壓力 在 0.67MPa，水霧滴離開噴頭之速度在 5m/s 的情況下，在一高度 3m 的空間，水霧滴停留在火場中的時間約為 0.2 秒。. 因此總蒸發所需時間遠遠大於水霧滴能在火場中停留時間，由此 結果可知在本研究中水霧要發揮吸熱蒸發，造成氧氣窒息的抑火效果 似乎無法達成，即便粒徑在定義上是採用平均粒徑，實際狀況會有比 平均粒徑更小的水滴存在會有蒸發的可能，但是數量相當有限。因此 由此可知本研究水霧之滅火機制主要將是火場吸熱降溫及火源根部 吸熱冷卻為主。. 27.
(42) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 二、水霧粒滴尺寸定義： 一般對於水霧粒徑的定義，大多採用單一統計的平均直徑，常見 的平均粒徑定義可分為：體積平均直徑（Volumetric Mean Diameter， VMD）及 Sauter 平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）。 體積平均直徑 VMD（也稱為 Mass Mean Dianmeter，MMD） ，如 標記成 Dv0.5，即表示有 50%的全部液體體積在小直徑水滴內；而 SMD 其定義是噴撒體積除以水霧滴之表面積所計算出的平均直徑，亦即是 表示水霧滴之總表面積與噴撒水量之比值，此直徑大小可反映出水霧 滴在火場中蒸汽化之比例。 另外，為提供一較佳的方法來描述噴撒分布的特性，採用累積分 佈函數圖來表示，將粒徑量測結果以累積百分體積（Cumulative ％ Volume）對水滴直徑作圖型來表示。而其呈 S 形狀的曲線顯示出分布 全貌，包括水滴的最大尺寸以及水滴尺寸的範圍。同時可配合體積平 均粒徑之定義，例如 Dv0.1、Dv0.5 與 Dv0.9 等參數（在小水滴內液體體 積分別為 10﹪，50﹪，90﹪之對應直徑）來描述水滴尺寸的分布。 在粒徑分佈有另一種表示方法為 D Nf , DLf , D Af 及DVf ，f 為分數在粒 滴總數、直徑及水滴表面積、體積分別整除水滴之較小的粒徑，例如： D N 0.5 ＝數量中位數之粒徑 DL 0.5 ＝長度中位數之粒徑 D A0.5 ＝表面積中位數之粒徑 DV 0.5 ＝容積中位數之粒徑 Dv 0.9 ＝由小粒徑至全部水滴體積之 90％. 28.
(43) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 第七節. 水霧液滴產生方式. 將液體霧化的方式有許多種，但主要的關鍵乃是被霧化的介質與 周遭環境間需要有一較高的相對速度（Relative Velocity），而達到使 介質破裂霧化的效果。為了滿足各種不同霧化效果的需求，進而衍生 出許多不同設計理念的霧化器。若是依照霧化的動力源不同而將霧化 器予以分類，大致上可以分成下列三種的型式：. 1. 壓力式霧化器（Pressure Atomizer）利用高壓使液體經由霧化器噴 出而破裂霧化於周圍較低速或靜止的空氣中。 2. 雙流體型霧化器（Twin-fluid Atomizer）是將待霧化液體曝露於相 對高速的氣相流中，藉液氣兩相間的動能傳遞，達到霧化的目 的，例如有較小氣/液質量比的氣助式（Air-Assist）霧化器及較大 氣/液質量比的氣衝式（Air-Blast）霧化器即是屬於這一類型。 3. 旋轉式霧化器（Rotary Atomizer）是利用機械旋轉裝置將液體甩 拋而霧化。. 除此之外，尚有其它運用不同原理的霧化器，如利用超聲波震盪 使液體霧化的霧化器，或是利用靜電使液體帶電霧化的霧化器等。 本研究為探討不同水霧粒徑大小對水霧系統滅火效能之影響，水 霧撒水頭利用自行設計之渦頭與渦道組合，透過泵浦加壓水使水通過 此渦頭與渦道時會產生旋轉撕裂，進而形成破裂霧化之小水滴，為產 生水霧粒徑範圍由 200μm、800μm，將結合 2 個渦頭與 2 個渦道並配 合不同壓力來產生。 目前霧滴粒徑的量測可以利用機械式、電子式和光學式，目前大 29.
(44) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 部份採用光學式或影像技術來進行，常見的方式有包括利用高速攝影 機、雷射都普勒速度儀、雷射繞射粒徑分析儀等。本研究水霧粒徑大 小與分部範圍之量測主要是利用雷射繞射粒徑分析儀來進行。 雷射繞射儀的組成包含雷射光源、偵測器、樣品分散裝置和數據 收集及分析系統四部分，如圖 3.6 所示。 主要量測原理是利用 Fraunhofer 及完整 Mie 理論，Fraunhofer 理 論是指透過一平行光束照過粒子後，會依不同粒子的大小產生不同的 繞射角，藉由收集各角度的光強度計算初期粒徑大小及分布百分比； Mie 理論主要是補足 Fraunhofer 的假設，將光的折射、穿透、反射、 吸收等現象考慮進去，使得繞射理論更加完善。而由 Mie 理論的計算 可以推導出任何已知折射率的球型粒子被一固定波長及偏極性的光 源照射後偵測器位置的光譜，因此任何粒子都可以適用且更可推導到 Submicron 的粒子量測、其原理如圖 3.7 所示。詳細規格可見表 3.7。. 9 圖 3.6 雷射繞射粒徑分析儀組成圖. 30.
(45) 第三章 火災特性與水霧滅火效能. 10 圖 3.7 雷射繞射粒徑分析儀原理示意圖 （圖 3.6、3.7 資料來源：參考文獻 9）. 13 表 3.7 雷射繞射粒徑分析儀詳細規格表 規. 格. 量 測 原 理 Mie Scattering 量 測 範 圍 2.25～850μm 微半圓形或不規則形狀粒子 光. 源 固態雷射，波長 670nm，功率 1MW. 光 束 直 徑 10nm 量 測 濃 度 1ppm～10,000ppm，相對雷射(Obscurations)2%～95% 準 確 度 3％ 精 確 度 0.5％ 量 測 速 度 靜止至超音速流，每秒可量 2,000 個粒徑分佈 量 測 時 間 0.5 秒以上 偵 測 器 32 個光二極體 擁有氣幕裝置，避免量測時，鏡頭受待測物質不正常遮蔽。 （資料來源：參考文獻 9）. 31.
(46)
(47) 第四章 實驗規劃. 第四章 實驗規劃 第一節. 實驗設備概述. 本研究實驗部分使用雲林科技大學防火工程實驗室，實驗室平面 圖如圖 4.1 所示。實驗以工業酒精（甲醇）與正庚烷作為測試火源進 行水霧滅火系統在不同粒徑下對於熱輻射的阻隔與吸收實驗測試。之 所以選擇使用甲醇與正庚烷是由於其擁有 1.燃燒不冒黑煙，較易觀察 實驗過程且不會造成儀器污染；2.實驗燃料的選擇是以一般常見之燃 料的熱釋放率為基準（如：汽油，1.95MW） ，再選擇熱釋放率較低於 它及較高於它的兩種燃料（如：甲醇，0.5MW；正庚烷，3.35MW）， 而本實驗主要是希望得到水霧對於熱輻射的遮蔽率相關參數，故甲醇 與正庚烷所囊括的熱釋放率應具有代表性。. 11 圖 4.1 防火工程實驗室平面圖 （資料來源：本研究整理） 一、 實驗空間 實驗區的長寬高尺寸為 3.5m×3.5m×3.2m（壁約厚 0.1m），實驗 空間使用水泥磚塊隔間，實驗區與控制室之牆面設置防火玻璃作為觀 33.
(48) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 測窗以便觀測實驗過程火場之變化狀況，牆面與觀測窗的縫隙使用耐 火塗料加以密封，避免熱煙氣從縫隙中流出，因而影響實驗的準確性。. 12 圖 4.2 防火工程實驗室前視圖 （資料來源：本研究整理）. 13 圖 4.3 防火工程實驗室相關儀器配置平面圖 （資料來源：本研究整理）. 34.
(49) 第四章 實驗規劃. 二、 水系統 由於水系統的流量與壓力對於水霧噴撒之密度、水霧滴粒徑尺寸 大小及滅火效果等都有很大的影響，因此在撒水管路上必須裝設一個 ，用來調整實驗過程中水 變頻式壓力泵浦（壓力範圍在 0~25kgf/cm2） 流量與壓力。另外為了確保水量能在實驗過程中能穩定且持續的供 給，因此設置一大型 5ton 的儲水槽。. 三、 現場實驗量測設備 A. 溫度量測設備： 實驗空間內溫度的變化將使用熱電偶量測。熱電偶具有價格便 宜、結構簡單、測溫範圍廣及準確度高，而且可以把溫度信號轉變成 電信號進行遠距離傳送等優點。 而為了量測區劃內各個高度的溫度，因此可將數個熱電偶共同綁 在一條垂直的細鐵鍊上。實驗室內架設三點熱電偶，分別在距離地面 1.4m、1.6m、1.8m 等三個不同高度架設熱電偶，示意圖如圖 4.4 所示。 熱電偶使用 K-type，最高溫度可以量測到 400℃。熱電偶各點量 測溫度訊號透過數據擷取裝置(Data Log)將數溫度據輸入至電腦中。. 35.
(50) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 14 圖 4.4 實驗室熱電偶與熱輻射計安裝設置示意圖 （資料來源：本研究整理） B. 流量計與壓力計： 為產生不同粒徑之水霧粒滴，利用變頻式之加壓水泵改變壓力來 進行粒徑之變化，改變壓力亦會改變流量，同時水霧噴撒之流量對於 細水物之滅火效應也會有影響。因此在加壓水泵出口端裝設數位式流 量計，用來量測撒水頭所噴撒出的水量，可透過訊號傳輸線連接至控 制室，利用數位顯示器顯示瞬間流量與累積流量之變化。 壓力計裝設在加壓泵浦的出口處與支管的入口處用來量測水霧 之的噴撒壓力。另外為方便監控，將撒水管路延伸至控制室內並在管 路末端裝設一個壓力錶頭。. 36.
(51) 第四章 實驗規劃. C. 熱輻射計： 為了量測水霧系統對於熱輻射的阻隔與吸收，本研究採用 MEDTHERM CORPORATION 所製造的熱輻射計，其吸收率為 0.92， 外觀如圖 4.5 所示。本研究備有 0.9980W/cm2 per mV 和 0.6061W/cm2 per mV 兩種熱輻射計，以求實驗能有較高的準確度。. 15 圖 4.5 熱輻射計 （資料來源：本研究整理） D. 數據收集系統： 數據擷取裝置的主要作用是將實驗過程中熱電偶量和熱輻射計 測到的數值傳輸並記錄下來。本實驗所用之數據收集系統是由一部筆 記型電腦及資料擷取設備（Data Log）所組成，可同時接收多點信號 並儲存。 E. 影像設備： 在控制室內靠近實驗區位置以及正視實驗室鐵捲門處均架設影 像系統。透過觀測窗，錄下實驗進行時實驗空間內火源燃燒的狀態、 水霧系統噴撒的情形與火源燃燒的時間。. 37.
(52) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 四、 火源 本研究透過火盤燃燒甲醇形成池火源作為實驗測試火源，火盤大 小為 0.84m×0.59m、高度 0.1m，使用厚度 1.5mm 的鋼板製成，避免 因燃燒時的高溫而產生變形。火盤位於實驗室中央，放置於地面上一 長寬高均略大於火盤的水盆內，以減少實驗過程中火源受週遭地板熱 效應之影響。. 第二節. 實驗規劃. 本研究以實驗為主，以模擬加以對照，目的是希望能以正確的模 擬結果減少實驗所帶來的金錢與時間的消耗，也可以作為實驗前的評 估與設計工具。 一、 CFD 軟體介紹 A. FDS 軟體簡介： 本研究所使用的 CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬軟體為 美國 NIST(National Institute of Standard and Technology)所發展的 FDS(Fire Dynamic Simulator)火場模擬軟體，並搭配火場情境繪圖軟 體 Somkeview 觀察火場溫度、煙流方向或是其他性質作動情形。 FDS 這套軟體的核心是由 Navier-Stokes 組成，以解析流體公式的 方式撰寫，可用於 3D 的流場和煙流動模擬，同時可模擬計算火場的 變化。 B. FDS 使用步驟： 要使用 FDS 進行模擬之前，必須要先收集火場資料，包含火場 外型、內容物位置、可燃物資料等等。然後就是定義起火點以及火源 38.
(53) 第四章 實驗規劃. 尺寸和熱釋放率。資料齊全之後，便可著手建立 FDS 的輸入檔，使 用 Windows 內建的「記事本」軟體編輯即可。這個輸入檔便是 FDS 讀取資料的來源，其中可加以建立的項目包含：模擬空間的大小及形 狀、內容物的位置、門窗、偵測點的位置與種類、火場資料(如：溫 度、熱輻射值、煙濃度)擷取點的位置。之後便是執行 FDS 開始進行 計算的動作。 C. FDS 結果的處理與分析： 當 FDS 計算完畢之後，可直接執行 Smokeview 察看計算後的火 場情景，將模擬的結果透過色彩、立體、動畫，讓使用者能很清楚的 對於火場有鮮明的印象，快速掌握火場資訊，進一步對於火場進行分 析，以瞭解災害發生的原因以及預防的方法。. 二、 FDS 執行過程 經由上述 FDS 執行步驟後，我們依照實際的建築-防火工程實驗 室建立了 FDS 的模型，如圖 4.6～4.9 所示。其中灰色的部分代表實 驗室主體，紅色代表火源，黃色代表 Thermocouple，綠色方塊是用來 測量熱輻射值，如圖 4.7、4.8 說明。. 39.
(54) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 16 圖 4.6 FDS 模擬防火工程實驗室前視圖. 實驗室主體. Thermocouple 火源. 17 圖 4.7 FDS 模擬防火工程實驗室右轉 15 度角視圖 40.
(55) 第四章 實驗規劃. 實驗室主體. A. 熱輻射測點. 18 圖 4.8 FDS 模擬防火工程實驗室左轉 15 度角視圖. 19 圖 4.9 FDS 模擬防火工程實驗室透視圖 （圖 4.6-4.9 資料來源：本研究整理） 41.
(56) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 三、 實驗規劃 本研究實驗之部分將在防火工程實驗室內，距離牆壁 1.6m 處、 高 2.1m 、 2.7m 處 裝 設 水 霧 撒 水 頭 ， 並 在 火 盤 旁 裝 設 三 點 Thermocouple，用來量測火場溫度變化。熱輻射計安裝在水霧撒水頭 與火盆相同距離之對角線處，高度為 1.8m，在圖 4.8 中 A 點的位置。 同時為產生不同粒徑大小之水霧滴，透過變頻式加壓泵浦壓力的改變 及不同撒水頭來控制水的流量及粒徑大小，並利用雷射繞射粒徑分析 儀量測水滴粒徑大小。 實驗中將使用自行開發之水霧撒水頭，為了產生不同之水霧噴撒 粒徑，透過變頻式壓力泵浦來調整實驗過程中水的壓力，以得到不同 之水霧粒滴直徑，來進行不同水霧粒徑大小對於滅火效能之影響及其 他影響參數之交互作用，配合不同工作壓力以產生粒徑範圍 DV0.9 分 別為 200 到 800μm，並紀錄相關的水霧放射條件（所需工作壓力及流 量），以便進行不同水霧滴粒徑大小與放射壓力及工作流量對水系統 滅火效能之影響研究。 水霧系統之滅火效能將從實際火源撲滅時間與火場空間溫度變 化情形進行比較探討。滅火時間是指從水霧開始撒水一直到火源被完 全撲滅為止之間的時間，配合影像系統觀察實驗過程中火源燃燒狀況 與最後火源撲滅之時間，所有實驗完成後再進行性能比較分析。 而水霧系統對於熱輻射的阻隔分別使用不同高度及不同粒徑的 水霧做區別，目的在於瞭解粒徑大小對於阻隔熱輻射的效率，以期能 找出最符合經濟效益的組合。 由於預燃時間並不在本研究中探討，因此實驗時統一固定預燃時 間為 60 秒，且為避免加壓水泵會有壓力上升之時間延遲，因此加壓 42.
(57) 第四章 實驗規劃. 水泵會先開啟至所需之工作壓力，在管路內先行蓄壓，利用水霧撒水 頭前方之電磁閥來控制系統之作動噴撒，從點火開始至 60 秒後水霧 系統開始噴撒。 水霧系統之滅火效能將從實際火源撲滅時間與火場空間溫度變 化情形進行比較探討。滅火時間是指從水霧開始撒水一直到火源被完 全撲滅為止之間的時間，配合影像處理系統觀察實驗過程中火源燃燒 之狀況與最後火源撲滅之時間。 14 表 4.1 實驗規劃表 實驗編號. 水霧水滴粒 徑 Dv0.9(μm). 撒水頭高度. 燃料數量. 燃料種類. 流量(Lpm). 1. N/A. N/A. 3L. 甲醇. N/A. N/A. 2. N/A. N/A. 5L. 甲醇. N/A. N/A. 3. N/A. N/A. 3L. 正庚烷. N/A. N/A. 4. 200. 2.1m. 3L. 甲醇. 12. 16.3. 5. 800. 2.1m. 3L. 甲醇. 12. 2. 6. 200. 2.7m. 3L. 甲醇. 12. 16.3. 7. 400. 2.7m. 3L. 甲醇. 12. 3.5. 8. 600. 2.7m. 3L. 甲醇. 12. 5. 9. 800. 2.7m. 3L. 甲醇. 12. 2. 10. Sprinkler. 2.7m. 3L. 甲醇. 12. 1. 11. 200. 2.7m. 3L. 正庚烷. 12. 16.3. 12. 400. 2.7m. 3L. 正庚烷. 12. 3.5. 13. 600. 2.7m. 3L. 正庚烷. 12. 5. 14. 800. 2.7m. 3L. 正庚烷. 12. 2. 15. Sprinkler. 2.7m. 3L. 正庚烷. 12. 1. 16. 200. 2.7m. 5L. 甲醇. 12. 16.3. 操作壓力 (kgf/cm2). 43.
(58) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 17. 400. 2.7m. 5L. 甲醇. 12. 3.5. 18. 600. 2.7m. 5L. 甲醇. 12. 5. 19. 800. 2.7m. 5L. 甲醇. 12. 2. 20. Sprinkler. 2.7m. 5L. 甲醇. 12. 1. 註：1 kgf/cm2 ＝ 0.098 MPa = 14.214 psi = 0.968 atm （資料來源：本研究整理）. 44.
(59) 第五章 實驗與模擬結果. 第五章 實驗與模擬結果 第一節. 實驗結果. 本實驗所使用的燃料分別為 3 公升甲醇、5 公升甲醇、3 公升正 庚烷比較其差異，在不啟動撒水設備時的燃燒熱輻射值如圖 5.1 所示： 20 Thermal Radiation (KW/m2). 18. 3L Methanol 3L n-Heptane 5L Methanol. 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 20 圖 5.1 不同數量燃料的熱輻射值比較 （資料來源：本研究整理）. 由於本實驗最主要的目的，是為了得到在不同的水霧粒徑對於熱 輻射的阻隔效果，所以我們分別量測在不同的燃料之下使用 200μm 到 800μm 粒徑水霧撒水頭與一般撒水頭所量測的數值。而本實驗另 一個變更參數是撒水頭的高度。希望也能藉由實驗知道裝設在較高位 置的撒水頭是否會增進水霧對於熱輻射的隔絕效果，故其中我們比較 裝設在 2.1m 與 2.7m 高度所量測到的熱輻射值，其結果如圖 5.2-5.9 所示： 45.
(60) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. Thermal Radiation (KW/m2). 5 800μm-2.7m 800μm-2.1m. 4 3 2 1 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 21 圖 5.2 甲醇 3 公升、粒徑 800μm、不同高度熱輻射值比較 （資料來源：本研究整理）. Thermal Radiation (KW/m2). 4 200μm-2.7m 200μm-2.1m. 3. 2. 1. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 22 圖 5.3 甲醇 3 公升、粒徑 200μm、不同高度熱輻射值比較 （資料來源：本研究整理） 46.
(61) 第五章 實驗與模擬結果. No Water Spray 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 12. 2. Thermal Radiation (KW/m ). 14. 10 8 6 4 2 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 23 圖 5.4 甲醇 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 （資料來源：本研究整理）. 100% 90%. Attenuation (%). 80% 70% 60% 50% 40%. fuel burn out (about 10 min). 30%. 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 20% 10% 0% 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900 1000 1100 1200. Time (sec). 24 圖 5.5 甲醇 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 （資料來源：本研究整理）. 47.
(62) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. Thermal Radiation (KW/m2). 12 No Water Spray 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 10 8 6 4 2 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 25 圖 5.6 正庚烷 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 （資料來源：本研究整理）. 100% 90%. Attenuation (%). 80% 70%. 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 60% 50% 40% 30%. fuel burn out (about 12 min). 20% 10% 0% 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. 1000 1100 1200. Time (sec). 26 圖 5.7 正庚烷 3 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 （資料來源：本研究整理） 48.
(63) 第五章 實驗與模擬結果. Thermal Radiation (KW/m2). 20 No Water Spray 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 16. 12. 8. 4. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Time (sec). 27 圖 5.8 甲醇 5 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射測量值 （資料來源：本研究整理）. 90% 80%. Attenuation (%). 70% 60% 200μm 400μm 600μm 800μm Sprinkler. 50% 40% 30% fuel burn out (about 14 min). 20% 10% 0% 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. 1000 1100 1200. Time (sec). 28 圖 5.9 甲醇 5 公升、撒水頭高度 2.7m 的熱輻射值遮蔽率 （資料來源：本研究整理） 49.
(64) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 可由以上實驗所得到的數值，可以再整理為如下表 5.1 所示： 15 表 5.1 實驗數據整合表 撒水頭高度（m）燃料數量（L） 熱輻射最大值(KW/m2). 實驗編號. 水霧粒徑 Dv0.9(μm). 1. N/A. N/A. 3L 甲醇. 12.6. 2. N/A. N/A. 3L 正庚烷. 10.4. 3. N/A. N/A. 5L 甲醇. 17.9. 4. 200. 2.1m. 3L 甲醇. 2.9. 5. 800. 2.1m. 3L 甲醇. 3.6. 6. 200. 2.7m. 3L 甲醇. 3.3. 7. 400. 2.7m. 3L 甲醇. 3.5. 8. 600. 2.7m. 3L 甲醇. 4.8. 9. 800. 2.7m. 3L 甲醇. 5.1. 10. Sprinkler. 2.7m. 3L 甲醇. 10.9. 11. 200. 2.7m. 3L 正庚烷. 2.6. 12. 400. 2.7m. 3L 正庚烷. 3.7. 13. 600. 2.7m. 3L 正庚烷. 4.2. 14. 800. 2.7m. 3L 正庚烷. 4.4. 15. Sprinkler. 2.7m. 3L 正庚烷. 9.1. 16. 200. 2.7m. 5L 甲醇. 5.1. 17. 400. 2.7m. 5L 甲醇. 5.7. 18. 600. 2.7m. 5L 甲醇. 7.0. 19. 800. 2.7m. 5L 甲醇. 7.7. 20. Sprinkler. 2.7m. 5L 甲醇. 16.2. （資料來源：本研究整理） 比較裝設在同樣高度，不同粒徑的差異，其結果如表 5.2 所示：. 50.
(65) 第五章 實驗與模擬結果. 16 表 5.2 3L 甲醇在同高度、不同粒徑之熱輻射值比較（KW/m2） 撒水頭高度 2.1m 撒水頭高度 2.7m 粒徑 200μm. 2.9. 3.3. 粒徑 800μm. 3.6. 5.1. 差值. 0.7. 1.8. 差值百分比. 19.44%. 35.29%. （資料來源：本研究整理） 由表 5.2 可知，高度相同時，若使用不同粒徑會有很大的差異， 以甲醇 3 公升為例，在高度 2.1m 的地方使用 800μm 的粒徑所測得的 最高熱輻射值為 3.6 KW/m2 ，若改為使用 200μm 則會降到 2.9 KW/m2，約增加 19.44%的吸收與遮蔽的效果。而在高度 2.7m 的地方 使用 800μm 的粒徑所測得的最高熱輻射值為 5.1 KW/m2，若改為使用 200μm 則會降到 3.3 KW/m2，約增加 35.29%的吸收與遮蔽的效果。 而在相同粒徑下，若裝設的高度不同，其結果如表 5.3 所示： 17 表 5.3 3L 甲醇在同粒徑、不同高度之熱輻射值比較（KW/m2） 粒徑 200μm. 粒徑 800μm. 撒水頭高度 2.1m. 2.9. 3.6. 撒水頭高度 2.7m. 3.3. 5.1. 差值. 0.4. 1.5. 差值百分比. 13.79%. 41.66%. （資料來源：本研究整理） 由表 5.3 可知，當粒徑相同時，裝設的高度不同也會有不同的影 響，以甲醇 3 公升為例，當粒徑為 200μm 的時候，裝設在 2.1m 高度 所測得的最高熱輻射值為 2.9 KW/m2，而裝設在 2.7m 則增加至 3.3 KW/m2，約降低 13.79%的效能。而當粒徑為 800μm 的時候，裝設在 2.1m 高度所測得的最高熱輻射值為 3.6 KW/m2，而裝設在 2.7m 則增 51.
(66) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 加至 5.1 KW/m2，降低了約 41.66%吸收與遮蔽的效果。將其結果製作 成圖 5.10，由圖可知，800μm 粒徑撒水頭比 200μm 粒徑撒水頭裝設 的高度對於所能吸收與遮蔽熱輻射值影響較大，以升高相同高度來計 算，800μm 粒徑撒水頭比 200μm 粒徑撒水頭所降低的遮蔽率大三倍。. Thermal Radiation (KW/m2). 7 200μm 800μm 200μm-guess 800μm-guess. 6 5 4 3 2 2.0. 2.2. 2.4. 2.6. 2.8. 3.0. 3.2. 3.4. Height (m). 29 圖 5.10. 3L 甲醇在相同粒徑但不同高度之熱輻射值比較圖. （資料來源：本研究整理） 由此可知，高度對於水霧撒水系統的確有所影響，而且當粒徑越 大，所造成的影響程度也越高。造成此種現象的可能原因有二： 1. 粒徑 200μm 的水霧液滴無論裝設的位置高低，因其總表面積 較大，故較能有效的吸收周圍的熱值。而粒徑 800μm 的水霧 液滴在落地之前無法將熱值有效的吸收，且落地後因尚有大 量的水滴衝擊地面，會造成擾流，使得熱氣往上流動，故造 成粒徑 800μm 的水霧液滴撒水頭裝設越高，衝擊地面的動能 越大，造成擾流加劇，使得其量測到熱輻射值越大的現象。 2. 因撒水頭高度提高，所以有可能在水霧液滴落下時，使得液 滴與液滴的間距加大，減少了阻擋熱輻射的效能。 52.
(67) 第五章 實驗與模擬結果. 18 表 5.4 不同粒徑的熱輻射遮蔽率比較 Radiation Attenuation (％) 200μm 400μm 3L-Heptane 600μm 800μm Sprinkler 200μm 400μm 3L-Methanol 600μm 800μm Sprinkler 200μm 400μm 5L-Methanol 600μm 800μm Sprinkler. 200sec 66.9% 55.0% 48.7% 51.4% 10.6% 64.4% 61.5% 52.4% 52.4% 6.8% 64.8% 62.9% 55.1% 49.7% 10.6%. 400sec 76.4% 66.3% 59.7% 60.7% 12.3% 74.7% 74.9% 60.8% 62.6% 13.4% 72.4% 70.1% 60.4% 58.2% 10.3%. 600sec 78.2% 69.8% 67.4% 69.7% 9.3% 75.1% 78.5% 71.7% 73.4% 18.0% 75.4% 74.3% 64.9% 62.3% 14.7%. （資料來源：本研究整理） 本研究另一個探討的重點是水霧粒徑對於熱輻射的遮蔽率，由圖 5.5、圖 5.7、圖 5.9 整理成表 5.4。在火災初期（約點火 200 秒後）， 使用 200μm 粒徑的水霧撒水系統對熱輻射平均約有 65.4％的吸收遮 蔽率，最大的 800μm 粒徑水霧撒水系統對熱輻射也有 51.2％的吸收 遮蔽率，而一般撒水頭對熱輻射只有大約 9.3％的吸收遮蔽率。由此 可知，在不同熱輻射值之下，使用水霧撒水系統的確比一般傳統撒水 頭更有吸收與遮蔽的效果。尤其是在火災初期，使用水霧撒水系統對 於控制火災的延燒是相當有幫助的。 在實驗過程中，也證實水霧撒水系統對於火場的溫度有降溫的作 用，如圖 5.10～5.12 所示。在火災初期（約點火 200 秒後），使用 53.
(68) 建築物水系統對火災熱輻射危害控制與驗證. 200μm 粒徑的水霧撒水系統對溫度平均約有 46.52 ％的降溫效果，最 大的 800μm 粒徑水霧撒水系統對溫度也有 25.69 ％的降溫效果，而 一般撒水頭在火災初期的降溫效果較不明顯，需直到火災中、後期才 有明顯的效果，如表 5.5 所示。由此可知，使用水霧撒水系統比一般 撒水頭更早有降溫的效果。尤其是在火災初期，對於控制火災的延燒 與幫助人員逃生有正面的幫助。. 19 表 5.5 不同粒徑的溫度吸收率比較 Temperature Attenuation (％) 200μm 400μm 3L-Heptane 600μm 800μm Sprinkler 200μm 400μm 3L-Methanol 600μm 800μm Sprinkler 200μm 400μm 5L-Methanol 600μm 800μm Sprinkler （資料來源：本研究整理）. 54. 200sec 42.76% 38.20% 13.72% 23.60% -3.03% 49.87% 34.53% 13.61% 25.11% -3.28% 46.93% 42.55% 22.51% 28.36% 1.67%. 400sec 55.77% 48.25% 27.42% 42.74% 23.80% 60.11% 54.44% 37.28% 42.63% 29.28% 51.01% 47.73% 20.53% 30.51% 12.43%. 600sec 62.33% 64.17% 61.43% 65.16% 51.69% 74.21% 72.77% 72.64% 73.83% 67.28% 31.69% 33.35% 9.13% 24.06% 5.25%.
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