垂直簾幕結合水系統應用於建置水平避難等待救助區域之技術研究

簾

幕

結

合

水

系

統

應

用

於

建

置

水

平

避

難

等

待

救

助

區

域

之

技

術

研

究

內

政

部

建

築

研

究

所

協

同

研

究

報

告

年

度

102

垂直簾幕結合水系統應用於建置水平避

難等待救助區域之技術研究

內 政 部建 築研 究 所 協 同研 究 報告

中華民國102年12月

10261D0005

垂直簾幕結合水系統應用於建置水平避

難等待救助區域之技術研究

研究主持人：何明錦

協同主持人：林大惠

研究員：

李訓谷

、王天志

研究助理：

胡幃傑

、羅文新

內 政 部建 築研 究 所 協 同研 究 報告

中華民國102年12月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

表次．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．III

圖次．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．V

摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．VII

第一章

緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

第一節 研究緣起與背景．．．．．．．．．．．．1

第二節 研究目的．．．．．．．．．．．．．．．3

第三節 研究目標與成效．．．．．．．．．．．．4

第二章

研究方法與進度說明．．．．．．．．．．．．5

第一節 研究採用之方法．．．．．．．．．．．5

第二節 計畫時程與進度說明．．．．．．．．．．7

第三章 文獻回顧．．．．．．．．．．．．．．．．11

第一節 水幕系統應用於消防工程上之研究．．．11

第二節 垂直簾幕之演進與相關研究．．．．．．15

第四章

垂直簾幕結合水膜系統之設計與驗證 ．．．27

第一節 水膜系統設計．．．．．．．．．．．27

第二節 布幕選擇．．．．．．．．．．．．．34

第三節 小型高溫複合爐阻熱性能實驗．．．．．39

第四節 大型高溫複合爐阻熱性能實驗．．．．．47

第五節 遮煙腔氣密量測實驗．．．．．．．．61

第五章

垂直簾幕結合水系統應用之規劃．．．．．．69

第一節 水平避難等待空間的定義．．．．．．．69

第二節 垂直簾幕應用在水平避難等待空間．．．72

第三節 防火性能設計應用原則．．．．．．．．77

第六章 結論與建議．．．．．．．．．．．．．．．81

第一節 結論．．．．．．．．．．．．．．．．81

第二節 建議．．．．．．．．．．．．．．．．83

附錄一 採購評選會議紀錄．．．．．．．．．．．．．85

附錄二 期中審查會議紀錄．．．．．．．．．．．．．89

附錄三 期末審查會議紀錄．．．．．．．．．．．．．92

附錄四 第一次工作會議紀錄．．．．．．．．．．．．95

附錄五 第二次工作會議紀錄．．．．．．．．．．．．97

參考書目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．98

表次

表2-1 研究進度表．．．．．．．．．．．．．．．．．10

表4-1 不同布幕之吸水速度/吸水量結果．．．．．．．．36

表4-2 不同布幕的火焰測試結果．．．．．．．．．．．38

表4-3 防火性布幕冷流場試驗結果．．．．．．．．．．39

表4-4 吸水性布幕冷流場試驗結果．．．．．．．．．．40

表4-5 實驗歷程記錄．．．．．．．．．．．．．．．．54

圖次

圖2-1 研究流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．．9

圖3-1 防煙布幕示意圖一．．．．．．．．．．．．．．17

圖3-2 防煙布幕示意圖二．．．．．．．．．．．．．．17

圖3-3 防煙布幕示意圖三．．．．．．．．．．．．．．17

圖3-4 防火布幕受火後照片(間距900mm/左:加熱面/右:非加

熱面)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

圖3-5 防火布幕受火後照片(間距1350mm/左:加熱面/右:非

加熱面)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

圖3-6

防火布幕受火後照片(間距1800mm/左:加熱面/右:非

加熱面)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

圖3-7 FDS電腦模擬與全尺寸實驗之防火布幕最高溫度曲線

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

圖3-8 FDS電腦模擬與全尺寸實驗之防火布幕平均溫度曲線

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

圖3-9 雙層防火布幕無撒水頭/單一撒水頭配置示意圖．．21

圖3-10 場域模式說明圖．．．．．．．．．．．．．．．22

圖3-11 FDS模擬雙層防火布幕阻熱效能．．．．．．．．22

圖3-12 實尺寸實驗整體配置圖．．．．．．．．．．．．23

圖3-13 防火布幕溫度測點配置示意圖．．．．．．．．．23

圖3-14 防火布幕鼓起示意圖．．．．．．．．．．．．．24

圖3-15 防火布幕背火側各側點最高溫度曲線圖．．．．．24

圖3-16 防火防煙設備專利示意圖．．．．．．．．．．．25

圖3-17 防火防煙設備專利示意圖．．．．．．．．．．．26

圖3-18 阻熱截火水幕裝置專利示意圖．．．．．．．．27

圖4-1 微小體積之多孔管水力模型示意圖．．．．．．．31

圖4-2 多孔管管路設計圖．．．．．．．．．．．．．．35

圖4-3 垂直簾幕結合水膜系統示意圖．．．．．．．35

圖4-4 不同布料實體圖．．．．．．．．．．．．．37

圖4-5 避難等待空間建置於樓梯外圍露臺．．．．．．．39

圖4-6 水膜浸濕吸水性布幕．．．．．．．．．．．．40

圖4-7 小型高溫爐右視圖．．．．．．．．．．．．．42

圖4-8 試體、加載設備與小型高溫爐裝置．．．．．．．43

圖4-9 防火布幕熱電偶配置圖．．．．．．．．．．．．44

圖4-10 阻熱試驗布幕結合小型試體框架設計圖．．．．．45

圖4-11 防火布幕在小型高溫複合爐之量測溫度分布．．．46

圖4-12 防火布幕的實驗結果．．．．．．．．．．．．．46

圖4-13 防火布幕在小型高溫複合爐之量測溫度分布．．．47

圖4-14 防火布幕結合水膜系統的實驗結果．．．．．．．48

圖4-15 大型門牆耐火加熱爐．．．．．．．．．．．．．50

圖4-16 大型門牆耐火加熱爐之熱電偶配置圖．．．．．．50

圖4-17 防火布幕熱電偶配置圖．．．．．．．．．．．．51

圖4-18 防火布幕熱電偶照片．．．．．．．．．．．．．52

圖4-19 防火布幕集水槽剖面示意圖．．．．．．．．．．52

圖4-20 實驗現場實體配置圖．．．．．．．．．．．．．54

圖4-21 實驗歷程與照片．．．．．．．．．．．．．．．56

圖4-22 門牆爐1~4點升溫曲線．．．．．．．．．．．．57

圖4-24 門牆爐9~12點升溫曲線．．．．．．．．．．．．58

圖4-25 門牆爐13~16點升溫曲線．．．．．．．．．．．59

圖4-26 非加熱面布幕1~9點升溫曲線．．．．．．．．．59

圖4-27 非加熱面布幕1~3點升溫曲線．．．．．．．．．60

圖4-28 非加熱面布幕4~6點升溫曲線．．．．．．．．．60

圖4-29 非加熱面布幕7~9點升溫曲線．．．．．．．．．61

圖4-30 熱像儀溫度分布圖．．．．．．．．．．．．．62

圖4-31 遮煙試驗裝置示意圖．．．．．．．．．．．．63

圖4-32 遮煙試驗裝置整體示意圖．．．．．．．．．．．66

圖4-33 遮煙試驗裝置圖．．．．．．．．．．．．．．．67

圖4-34 遮煙實驗試體實體．．．．．．．．．．．．．．68

圖4-35 防火布幕無水膜之遮煙測試結果．．．．．．．．69

圖4-36 防火布幕結合水膜之遮煙測試(常溫)．．．．．．69

圖4-37 防火布幕結合水膜之遮煙測試(200℃)．．．．．70

圖5-1 避難等待空間建置於防煙密閉室內．．．．．．．73

圖5-2 避難等待空間建置於緊急升降機旁．．．．．．．73

圖5-3 避難等待空間建置於通風設備處．．．．．．．．74

圖5-4 避難等待空間建置於樓梯外圍露臺．．．．．．．74

圖5-5 圍城區劃構成逃生空間動線示意圖．．．．．．．76

圖5-6

逃生避難路徑示意圖．．．．．．．．．．．．．78

圖5-7

獨立供水系統示意圖．．．．．．．．．．．．．78

圖5-8 垂直簾幕與水膜系統啟動機制示意圖．．．．．．79

摘 要

關鍵詞：防火布幕、水膜系統、水平避難等待空間。 一、研究緣起 近年來，隨著台灣快速的經濟發展，高層建築物以及大型商場如雨後春筍般 地冒出，帶起了民眾對於高層建築物以及大型商場於災害發生時的逃生避難認知 。現今國內大型商場以及高層建築物，為確保災害發生時的逃生避難路線，普遍 使用防火捲門以及防火牆等防火設備建構「防火區劃」，以確保避難人員於逃生 過程中不會遭受火場的直接傷害。然而，近十年來，對於防火安全上的需求更有 了新的要素；隨著傳統防火捲門以及防火牆等防火設備漸趨成熟，民眾逐漸追求 較輕量化以及量產方便的產品，於是有了「防火布幕」此一名詞逐漸為世人所知 。 建築物多個樓層在火災發生時，避難人員同時經由樓梯間避難時，樓梯可能 發生擁塞導致人員回堵在樓梯口。在過去性能設計審查案件中，對於避難完成時 間與避難允許時間極接近的案件，亦有部分委員曾經要求在樓梯周圍增加安全區 劃，來提升安全性。在安全梯前走廊建置水平避難等待空間，增加此安全區劃來 確保避難者安全以及延緩火煙進入樓梯間，技術上有待突破，實有研究之必要 性。 二、研究方法與過程 本所曾經於99年度研究「水霧與防火捲門組合應用於防阻火災延燒效能研究 」曾經進行不同供水系統結合鐵捲門的實尺寸實驗，該次試驗結果已證實透過採 用「捲箱內部注水」的方式，除了能夠於捲箱內側形成水膜以外，同時藉由捲箱 內蓄水於布幕上形成水膜的方式保護鐵捲門布幕，達成提升其阻熱性能的功效。

並於101年度研究「鐵捲門結合水系統應用效能與影響避難程度之研究」中，進 行工程實務上的應用效能以及水膜系統於火災發生時的啟動機制及時機、水膜系 統供水系統之水源規劃考量，以及對於逃生避難影響範圍與程度進行探討與釐清 ，證實 水膜系統 應用於 固 態表面 上 的可行 性 以及相關 工程實 務配置 。 本研究將依循前述兩次研究案之研究方針，進行一連串垂直簾幕結合水系統 之實驗以及工程規劃，並透過採用防火布幕、一般性吸水布幕以及一般性防水布 幕作為試體，盼獲得不同布幕結合水系統應用於防火工程實務上之研究成果。 三、重要 發現 本研究計畫已完成項目如下：國內外垂直簾幕之法規與文獻收集與分析、進 行安全梯前建置水平避難等待空間之規劃、垂直簾幕結合水膜系統之阻熱與遮煙 性能驗證、垂直簾幕結合水膜系統之設計應用原則。本研究計畫所獲致的重要發 現如下： 1. 本研究採用吸水性測試、冷流場試驗以及火焰燃燒試驗評估一般市售防 火布幕、防水布幕以及吸水布幕，搭配多孔管水膜系統之可行性，最後 選擇防火布幕與多孔管搭配。 2. 藉由以多孔管於防火布幕形成水膜的方式，能夠符合CNS 14803與ISO 3008檢測標準，並有效提升防火性布幕阻熱性能至1.5小時防火時效。 3. 多孔管的配置以及水平度影響水膜覆蓋布幕之均勻性，若水膜無法均勻 覆蓋布幕將會降低布幕的阻熱性能。 4. 防火布幕在50Pa壓差條件下無法通過CNS15038總洩漏量扣除測試艙洩漏 量應在25 m3 /h以下的檢測標準。 5. 水膜系統應用於防火布幕可以提升布幕的遮煙性能，在常溫或是200℃的 條件下均能滿足CNS15038的檢測標準。

四、主要建議事項 建議一「垂直簾幕結合水系統」之設計規則手冊編撰：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 本研究計畫已提出「垂直簾幕結合水膜系統」防火性能設計應用原則，後續為了 能擴大「垂直簾幕結合水系統」之應用成效，建議能以設計規則手冊或以施工圖 說或規範方式呈現，致使消防設備師或建築師於設計該產品時能有明確之依循資 料。 建議二 「垂直簾幕結合水系統」納入建 築 新技術 新 工法新 設備及新材 料認可 範圍 ： 中長期建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關： 內政部建築研究所、台灣建築中心、成大研究發展基金會 本研究計畫之實驗結果顯示水膜系統應用在防火性布幕上能使得防火布幕 的阻熱性能達到 1.5 小時以上。換言之，垂直簾幕結合水膜系統只要供水量足夠， 就能成為防火區劃的設備之一。再者，本研究計畫針對水系統之水源供應進行探 討，水源可由消防水池或是獨立專用水池供應，並且可利用循環式供水系統節省 水量。而在排水管路的配置部分，本研究計畫獲得「垂直簾幕結合水系統」之排 水系統需設計集水槽連接排水管路，並與樓層之排水橫支管連結，使排水能藉由 排水橫支管連通排水立管排出廢水，最終使水流向都市下水道。至於在啟動機制 部分，「垂直簾幕結合水系統」之開啟必須由受信總機啟動水系統之一齊開放閥 後始能啟動噴水，此水膜系統之作動與消防灑水系統之作動獨立，而且在避難逃 生時，避難人員可以手動控制垂直簾幕之高度，以利避難人員進入垂直簾幕所形 成的水平避難等待區域內。

ABSTRACT

Keyword: Fire-proof curtain, Water film system, refuge area.

In recent years, floor area of buildings expands increasely. The importance of fire prevention compartment is being noted by the world. Nowadays, to build the fire prevention compartment, the most commonly usages people used are fire-proof wall or fire-proof rolling-door. However, most rolling door products are made of steel and other metals, for people with disabilities, fire-proof walls and rolling doors are unfavorable to escape when the fire breaks out because of the weight. Thus, the design of fire prevention compartment goes light and easy to use gradually, and people start to the research the alternative material. Therefore, the conceptions of fire-proof curtains arise in the world.

In this study, a water film system will be developed to apply on thefire-proof curtains, water-proof curtains and water-absorbing curtains to explore the possibility of preventing the temperature rise and reducing the hazards of heat radiation by the thermal characteristics of water, namely, high specific heat and high latent heat of evaporation. Meanwhile, this purpose of this project is todesign an optimal horizontal escape space applied on the curtains with water film system in order to meet the requirement for engineering application.

The research results show that the horizontal escape space could be treated as the fire prevention compartment and linked with other compartments to constitute the escape routes, and use together with the evacuation equipment. And by analyzing the hydraulic model of porous tube, this research computes the final comclusion about the pressure-loss and flow-loss funcitions to optimize and make the water go uniformly.

第一章

緒 論

第一節 研究緣起與背景

隨著我國經濟的不斷發展，人們對安全工程提出的要求日益增高，以及防災 產品入世後與國外產品的競爭，使技術創新已經成為消防產業發展的核心競爭力。 而安全工程中，尤以火災的防治占有舉足輕重的地位。因此，於火災的防治上， 藉由防火阻熱構件控制火災蔓延的速率，並分析傳統的防火阻熱產品及優缺點， 並進行研究和開發新型防火分隔技術，對於減少火災造成的損失有著重要意義。 根據建築技術規則建築設計施工篇 79 條[1]中規定，「防火構造建築物總樓地 板面積在 1500 平方公尺以上者，應按每 1500 平方公尺，以具有一小時以上防火 時效之牆壁、防火門窗等防火設備與該處防火構造之樓地板區劃分隔。防火設備 應具有一小時以上之阻熱性」。而一般防火牆於建築物配置上，往往不利於管理 者經營以及進行室內空間規劃，因此近年來藉由防火捲門確立防火區劃的方式日 益漸增。然而，一般防火設備例如防火捲門。就材料特性而言，僅具有遮焰效能 而不具有遮煙阻熱的功能；換言之，僅可阻隔火勢的擴展，但若受到火場長時間 延燒的影響，在火災後期將會產生大量熱輻射以及煙害造成危害。因此，如何藉 由外在系統提升防火設備的遮煙阻熱能力便成為了近年來防火工程的熱門主題 之一。 然而一般火災發生，火勢隨即迅速蔓延，避難人員往往由於恐慌、混亂、相 互擠踏而造成人員傷亡。同時若火場發生地點空間狹小，大量氧氣瞬間被吸收， 會使空間內人員缺氧造成窒息。因此防火設備的選用上，需具有高度空間自由度、 安全性高級輕巧以及具優秀遮煙能力等等特性。防火布幕就是在這種前提下設計 研發而成。隨著我國建築物的建地規模越來越龐大，相關設施現代化水平的提高 和完善，防火布幕此一名詞亦逐漸為世人所廣知。防火布幕不僅有著材質輕巧、 視覺穿透、無需另外設置防火門即可通過之特點，且設計規劃、安裝施作、用後

評估的技術層面相較於其他防火設備更為簡單與便利，在近年歐美日先進國家亦 有將其應用於防火區劃的實例出現；本研究將進行初探性的防火布幕相關耐火試 驗，作為瞭解其阻熱性之依據。 目前市面上常見的提升阻熱能力的技術主要分成三類，分別為(1)於防火設備 接觸面上塗佈阻熱漆，(2)以不耐燃纖維布組成防火設備，(3)搭配各式水系統， 以提升防火阻熱的能力。前兩類技術廣泛用於提升防火設備的阻熱效能，且可以 達到 CNS 11227[3](防火門)、CNS 14803[4](防火捲門)、CNS 14815[5](防火門窗) 規範之 60A，即具有 60 分鐘防火時效且具阻熱性的能力。但塗佈阻熱漆的成本 遠高於一般 60B(具有 60 分鐘防火時效，但不具阻熱性)防火設備約五倍左右，而 多層不燃織布的布幕，其強度較一般鋼材布幕低；因此，第三類配合水系統的防 火布幕便值得更進一步的研究。 本研究團隊過去曾驗證水膜系統結合鐵捲門（或玻璃門）確實具有優異的防 火性能，因此，本研究計畫將延續過去累積之研究經驗，將水膜系統擴充應用到 垂直簾幕，探討水膜系統結合垂直簾幕之防火性能與相關之設計技術。

第二節 研究目的

過去研究團隊之研究結果指出水膜系統結合鐵捲門（或玻璃門）確實具有優 異的防火性能，並且對於工程實務上的應用效能進行適當的分析與規劃。本 研 究計畫 之研 究目 的擬 對延伸 過去 之研 究成 果與經 驗， 針對 垂直簾幕結合水 系統之技術與防火效能進 行 評 估 ，藉 由 實 尺寸 實 驗 印 證 該系統之應用效能與 影響逃生避難程度之研究。 透 過 本 研 究 計 畫 之 成 果 不 僅 能 獲 得 垂直簾幕結合水系統之 設 計 參 數 與 防 火 阻 熱 性 能 之 相 關 數 據 ； 並 藉 由 研 究 成 果 所 提 出 「防火簾幕結合水系統 」防火性能設計應用原則將可做 為 未來可提供既有醫療照顧、老人安養等機構 之建築物改善提昇防火避難性能時的有效方案。

第三節 研究目標與成效

本計畫擬透過探討歷年防火區劃相關構件之相關研究成果，並由本計畫之研 究人員進行整合運用，使研究之成果可落實於實際案例中；除了透過相關專家技 術人員諮詢，給予本系統之可行性與工程實務性，並於未來提出本系統防火性能 的設計應用總則。計畫目標與成效敘述如下： 1. 比對國內外對於避難等待空間之相關規範要求及研究，歸納等待空間之場所設置 範圍及情境。 2. 收集相關文獻，提出防煙簾幕結合水系統之設計分析。 3. 建置全尺寸實驗場進行情境模擬實驗，分別應用防煙垂幕結合水系統配合前述設 備進行全尺寸實驗。

第二章

研究方法與進度說明

第一節 研究採用之方法

2-1-1 文獻分析

本研究計畫將依照計畫之研究議題，蒐集包含各國有關防火布幕結合水系統 之設計手法以及相關文獻資料，並進行比較分析與歸納整理，作為進一步本研究 計畫在水系統設計規劃階段之基礎參考。 再者，本研究團隊之重要工作項目之一為收集現有國內外之各式水系統對於 防火布幕阻熱性能之研究報告與論文，藉此明白國際間在與本研究議題有關之發 展方向與現況，作為本研究計畫報告與投稿論文撰寫之文獻回顧資料庫。

2-1-2 專家諮詢法

研究結果經初步整理後，研究團隊將定期邀請相關學者以及產業界、工會專 家進行意見溝通交流，並針對研究內容進行審議，提出應修正及增刪之意見，作 為充實、加強本研究計畫內容之參考。並擇期辦理期中、期末簡報來說明研究計 畫執行成效、進度及所遭遇之問題。

2-1-3 實尺寸實驗驗證

本研究將經由實尺寸實驗，探討水膜系統與防火布幕組合之阻熱性能，經由 調整水系統的噴水條件，尋求水系統與阻熱性的關連性。本研究實驗將分成三部 分進行，分別為「多孔管水膜裝置冷流場試驗」、「防火布幕結合水系統遮煙性能 試驗」以及「防火布幕結合水系統阻熱性能試驗」。 首先藉由推導多孔管水力模型，獲得最佳化多孔管水膜系統之設備，並進行

冷流場試驗驗證多孔管理論與實際情況之誤差；接著將多孔管水膜系統應用於防 火布幕之遮煙與阻熱試驗上，以提升防火布幕、防水布幕以及吸水布幕之遮煙及 阻熱性能。

2-1-4 研究採用方法之原因

本研究計畫主要探討水膜系統結合垂直簾幕於實際應用之技術研究與效能 分析。因此本研究計畫延續過去研究計畫採用防火實驗中心的設備儀器作為實驗 量測方法，並搭配文獻調查分析法以及專家諮詢法以達成計畫之目標。

2-1-5 研究過程中可能遭遇之困難

由於水膜沿著垂直簾幕往下流動為不穩定運動，而且在實尺寸實驗中垂直簾 幕會因為爐內壓力造成垂直簾幕彎曲的現象，使得在垂直簾幕的水膜分布不均勻 。為克服上述研究方法之困難點，因此利用內政部建築研究所防火實驗中心現有 之量測系統評估水系統結合垂直簾幕之遮煙與阻熱性能時，必須設計補強條或是 固定裝置。

第二節 計畫時程與進度說明

經由過去研究計畫成果顯示，水膜系統確實能有效提升固態表面之防火及阻 熱性能，然而國內針對垂直簾幕應用於防火工程等研究甚少，並且垂直簾幕的材 料選用上往往難以達到建置防火區劃之阻熱性能要求(60A、60B)，因此應用垂直 簾幕建置於防火區劃的建置上具 有 一定的 難 度與挑戰。透 過本研究將 能獲得 垂 直 簾 幕 結 合 水 系 統 建 置 於 水 平 避 難 等 待 空 間 之 工 程 應 用 機 制 ； 並 沿 用 過 去 研 究 成果 所 提出 「水膜系統結合鐵捲門（或玻璃門）」防火性能設計應用 原則，將可做為 新種防火區劃建置產品 或 修 訂有關 防火 區劃設備 相 關 設置 規定之參考依據。本計畫時程由今年102年3月1日至102年12月31日止（研究流 程如圖2-1所示、計畫時程如表2-1所示），主要工作項目如下：

2-2-1 相關法規與文獻收集與彙整

本研究計畫將依照計畫之研究議題，蒐集包含各國有關水系統應用於防火工 程上之設計手法以及相關文獻資料，並進行比較分析與歸納整理，作為進一步本 研究計畫在水系統設計規劃階段之基礎參考。 再者，本研究團隊之重要工作項目之一為收集現有國內外之各式水系統對於 提升阻熱性能之研究報告與論文，藉此明白國際間在與本研究議題有關之發展方 向與現況，作為本研究計畫報告與投稿論文撰寫之文獻回顧資料庫。

2-2-2 垂直簾幕結合水膜系統之全尺度實驗

由於本研究計畫之研究重點在於規畫適用於水平避難等待空間與設計連訣 之垂直簾幕，因此計畫團隊之首要工作為進行垂直簾幕之分析。研究團隊從先期 計畫的研究結果發現在固態表面上產生均勻覆蓋的水膜才能提升其阻熱性能。因 此，本研究計畫第一階段的工作將結合多孔管水膜裝置於垂直簾幕上進行分析規 劃。因此首先將進行多孔管水力模型的數學分析，以求最佳化多孔管供水系統設

計。 垂直簾幕結合水系統除了上述最佳化多孔管供水系統設計以確保水膜均勻 覆蓋鐵捲門之表面，達到設計之阻熱性能外，本研究分別探討採用防火布幕、防 水布幕及吸水布幕等三種不同類別的簾幕結合水膜系統以提升種簾幕阻熱及遮 煙性能之評估，並將規劃該產品落實到工程應用階段之設計。

2-2-3 提出垂直簾幕結合水膜系統應用在水平避難等待空間之條件

與設計

國內外有關建立防火區劃之相關文獻及法規，我們確知防火區劃本身即為一 獨立空間，而防火區劃於空間規劃上，往往比肩而立且緊密相鄰。同時水平避難 等待空間的建置目的在於提供逃生避難人員免於危險的空間，因此我們可歸類避 難等待空間為一防火區劃。本研究計畫第二階段將探討水膜系統結合垂直簾幕如 何應用於水平避難等待空間，以及此系統之設計條件與限制。

2-2-4 編撰「防火簾幕結合水系統」防火性能設計應用原則

在垂直簾幕結合水系統之設備安裝項目分析規劃完成後，編撰防火簾幕結合 水系統的防火性能應用原則為本研究計畫之第三階段工作內容。在前期的研究計 畫中，研究團隊已針對水膜系統結合鐵捲門進行防火性能設計應用原則進行規劃 ，因此，本研究案中，防火簾幕結合水膜系統之防火性能設計應用原則將依據前 期研究成果進行編撰。

圖2-1 研究流程圖

(本計畫製作)

表 2-1 研究進度表

月次

工作項目

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

備

註

相關法規與文獻收

集與彙整

▇ ▇

提出安全梯前建置

水平避難等待空間

之規劃條件

▇ ▇ ▇

提出安全梯前建置水

平避難等待空間之設

備設計及施工技術

▇ ▇ ▇

期中審查

▇

垂直簾幕結合水系

統實尺寸實驗

▇ ▇ ▇ ▇ ▇

實驗數據整理與分析

▇ ▇

編撰「防火簾幕結合

水系統」防火性能設

計應用原則

▇ ▇

期末審查

▇

研究成果提出

▇

預定進度

(累積數)

5

％

10

％

20

％

30

％

40

％

50

％

60

％

70

％

80

％

90

％

100

％

說明：

1.工作項目請視計畫性質及需要自

行訂定，預定研究進度以粗線表示

其起訖日期。

2.預定研究進度百分比一欄，係為

配合追蹤考察作業所設計。請以每

一小格粗組線為一分，統計求得本

計畫之總分，再將各月份工作項目

之累積得分(與之前各月加總)除以

總分，即為各月份之預定進度。

3.科技計畫請註明查核點，作為每

一季所預定完成工作項目之查核依

第三章 文獻回顧

第一節 水幕系統應用於消防工程上之研究

3-1-1 水幕系統之消防實務應用及相關研究

火災發生時，高溫火焰與高溫煙氣的熱輻射，常常造成火災的快速蔓延，並 威脅人員的安全逃生。因此消防工程中常藉由防火分隔技術來阻隔熱的傳遞，防 止火災的蔓延。現今市面上應用於防火工程上之防火分隔設備主要有防火牆、防 火門、防火捲門、防火垂壁以及防火水幕等等。防火垂壁、防火門於火災發生時 容易失效，造成未及時疏散失散人員的逃生困難，妨礙消防人員進入火災現場滅 火[2]。相較之下，水幕系統用於隔離火災地區或冷卻防火隔絕物、防止火災蔓 延、保護火災鄰近地區的房屋建築免受威脅，並保持避難路線順暢，因此在人員 聚集場所如高層建築以及大型商場中有著廣泛的應用前景[3]。在香港防火設計 規範上，也同樣建議可採用防火水幕代替不適宜安裝防火門的場合[4]。 水幕系統是由多個水幕噴頭按一定順序安裝，同時噴出的水霧形成的水簾幕 ，一般不直接用做撲滅火災，而是利用小水滴對熱輻射的吸收、散射作用來阻絕 熱輻射傳遞[5]。然而，由於水幕系統中離散的水滴阻隔輻射熱的過程十分複雜 ，從理論上對其阻熱效果進行分析與預測是相當困難的。因此關於消防水幕阻火 隔熱的理論研究比較少，且多為實驗研究[6]。 在理論研究方面，Coppalle et al[7]利用離散座標的方法建立了小水滴的輻射 換熱模型，應用米式理論計算了小水滴的散射特性，並採用輻射的二通量模型計 算出水幕對熱輻射的衰減作用。Nacer et al[8]開發了更深入的模型，將水幕系統 視為氣象與液相的混合，並同時考慮輻射熱交換、對流熱交換與傳導熱交換三種 傳熱模型的影響，使模擬結果更加接近實際過程。然而這些研究主要針對細小水 霧進行分析，其粒徑通常為50µm以下，而實際的消防水幕系統其水滴直徑通常 在1000µm左右。魏東[8]等人為解決上述粒徑問題，應用Lambert Theorem與能量 守恆方程式，簡化輻射換熱的積分過程，並求解水滴粒子的光學特性參數，獲得

了提高水幕隔熱效率的統馭方程式，並成功建立水滴半徑模型至1000µm，符合 實際水幕的粒徑範圍，並提供實際工程與理論上的驗證。 在實驗方面，現今水幕系統的研究大多集中在具體場所的應用上；如段云[8] 等人以數值模擬水幕在隧道中的應用情況，而秦俊[9]等人在實驗室條件下對儲 油罐區防火水幕技術進行了實尺寸實驗研究，皆發現水幕系統得以有效抑制火災 及降低火場濃煙程度，並確立水幕系統於作動過程中，將與周圍空氣交界處發生 輕微的對流熱交換以及水幕內部微弱的傳導作用。同時為了探討水幕系統提升阻 熱性能之相關參數，蔡志剛[10]等人進行一連串小尺度實驗，控制水幕噴頭壓力 變化、供水流量並利用DPIV技術觀測水幕流場特性；研究結果顯示，水幕於垂 直方向速度與噴頭位置成反比，且水幕邊緣區域流場分布易受空氣阻力及火焰溫 度影響，而具有較大的水平分量使小水滴易於吸收熱量。並驗證透過增加水幕厚 度得以有效提高小水滴粒子數量、減少直徑以提高阻隔熱輻射效率。 綜觀上述文獻回顧，大致可整理出防火分隔水幕系統具有廣泛的應用前景， 同時透過噴頭的特殊結構與布置形式使水噴撒形成水簾幕狀，達到阻止熱量傳播 的目的。概括防火水幕的阻熱原理，可分為下列五項： 1. 小水滴吸收輻射熱後藉由氣態蒸發作用散熱。 2. 水幕與周圍空氣的輕微對流熱交換。 3. 水幕內部的輕微熱傳導作用。 4. 小水滴透過水幕的輻射熱具有散射作用，在此過程會發生反射、折射和 漫反射現象，使輻射熱偏離原有傳播方向，使熱於傳播過程中逐漸衰減 。 5. 相同供水量下，水幕系統的尺寸大小與散熱強度呈反比；相異供水量下 ，供水量、水幕厚度得以提升熱阻隔效率。

3-1-2 水系統結合固態表面冷卻原理之相關研究

近年來則由於火場發生時，為了確保人員逃生避難的安全，逃生避難區劃以 及防火區劃等觀念逐漸興起，因此國內就防火區劃等設備(如防火門窗、防火建 材等等)有了相關的法規及驗證標準。 透過水幕系統於火災現場中遇到高溫，將會形成小水滴迅速蒸發並且佈滿於 整個空間內，因此近90%以上的水量，可立即降低火場溫度及熱幅射。藉由上述 水幕系統的基礎冷卻原理，水幕系統結合防火設備應用於建置防火區劃上的構想 於近代開始蓬勃發展[11]。近三十年，以撒水器噴灑於強化玻璃表面藉以降低熱 輻射的構想開始逐漸萌芽，並有學者進行實尺寸實驗驗證水幕系統降低熱輻射的 效率[12]，實驗結果顯示90%以上的火災熱輻射會被撒水器所噴出的水膜吸收而 無法進入玻璃，得以有效減少熱輻射造成的傷害。同時為了確知水幕系統結合固 態表面的冷卻原理，近年來國內外學者於理論及實務方面紛紛投入研究。Kim[13] 等人以簡易一維熱傳模型，模擬噴霧噴撒於一熱固態平面上，成功預測出平面上 的熱傳分佈情形。Sozbir[14]等人則發展二維熱傳方程式及能量守恆方程式，成 功推導出經驗公式去解釋水霧噴撒在高溫金屬表面的熱傳機制。使得我們了解水 珠噴撒於高溫金屬表面之總熱傳係數建立於氣態熱傳以及液態質傳之上。 再 者 ， 吳 展 維 等 人 [15] 應 用 水 膜 系 統 結 合 玻 璃 建 材 進 行 縮 小 尺 (1.8m×1.8m×1.8m)實驗與全尺度(5.73m×4.2m×3.3m)實驗搭配火災升溫條件探討 水膜玻璃的阻熱及防焰性能。實驗結果顯示，於水膜應用非防火玻璃上，在水膜 1.5mm、流速0.7 m/s條件下，含水膜之玻璃可以有效地阻絕火場中強烈之熱輻射 ，並能將原先非阻熱型防火玻璃之阻熱性由6分鐘提升至100分鐘，並維持其遮焰 性能，成功實現水膜系統應用於消防工程設備上之可能性。了解水膜阻熱特性後 ，便近一步使用木堆模擬實際火場，將實驗尺度擴展到3m×3m大尺度實驗[16]， 最後以木堆模擬火場，將實驗尺度擴展到實際燃燒狀況。研究結果顯示而，初期 火災階段，水膜可以完全抑制玻璃表面溫度；而當閃焰發生或產生更強烈燃燒後 ，玻璃表面溫度依然可以維持在100℃左右。李訓谷[17]等人並利用吳展維等人[15 、16]在未曝火面量測溫度數據，以拉式轉換、中央差分法、最小平方法之數值

逆算法，配合實驗數據求解二維暫態逆向熱傳導問題，成功預測水膜玻璃在曝火 面的表面溫度與熱應力分佈，並得知隨著噴水量增加，曝火面表面溫度與熱傳量 就會降低，也導致曝火面的熱應力低於玻璃破裂熱應力，使得水膜玻璃的阻熱與 遮煙性能提升。 林昶豫[18]等人繼續將水膜系統應用在鐵捲門上，針對不同供水手段之水幕 系統，進行一連串實驗驗證，並將實驗共分成三部分討論：(1)鐵捲門結合消防 撒水頭之撒水系統。(2)鐵捲門結合水霧噴頭之撒水系統。(3)鐵捲門結合多孔管 之水膜系統。實驗結果顯示，藉由消防撒水頭以及水霧噴頭對於鐵捲門布幕上水 膜的形成效果非常差，因此改以多孔管置於捲箱內以「注水」方式於布幕形成水 膜，分別於加熱面與非加熱面噴水進行阻熱實驗。成功壓制鐵捲門布幕背溫於 100℃以下，並且證實不論於試體哪一面形成水膜，阻熱性皆相當良好，換句話 說，鐵捲門結合水膜系統只要於單面噴水，不論火源在哪一側皆能達到阻熱效果 。羅文新[19]等人應用林昶豫[18]等人以鐵捲門結合多孔管之水膜系統阻熱實驗 進行修正，並對固態表面二維熱傳模型進行拉式轉換及熱傳逆算法，預測最佳化 供水量之外，同時進行鐵捲門結合多孔管水膜系統之工程實務設計。研究結果成 功預測 鐵捲門大小下的最佳供水量約為110 L/min，以及為水幕系統結合 防火設備上之工程實務應用提供施工準則。

第二節 垂直簾幕之演進與相關研究

有關防火布幕(Fire Curtain)的發展，最早源於1966年英國BLE公司[20]所設計 具有防煙能力的布幕產品。起初，防煙布幕的概念僅限於阻絕火焰延燒以及具有 一定遮煙能力的布幕；因此於材料的選用方面，透過選定不耐燃材料作為遮斷面 。一般防火幕的材質可分為(1)人造化纖維(聚酯)材質，以及(2)壓克力材質二種類 ，其中市面上防火布幕的材質又以人造化纖維為最大宗。台灣目前幾家製造防火 纖維廠商當中以氧化纖維(Oxidized Fiber)為主要材料者佔很高比例。台灣化學纖 維股份有限公司、台灣開廣、紳紡、台碳科技都有此類高機能防火產品，以氧化 纖維為基礎加入適當比例對位芳香族聚醯胺纖維、防火聚酯、嫘縈等纖維混紡而 成[26]。所製成的布具有極高的防火性與極佳的物性，可以說是目前功能性極好 的防火布種。另一方面，以改質壓克力纖維(Modacrylic Fiber)為主要材料，與適 當比例的天然棉及多種功能性纖維混紡而成所製成的布，具有極佳的防火耐燃特 性。而防火布幕的原理一般借助化學藥劑的作用，並可分為兩類：一為原紗處理 ，即在織布前就將紗線放置於化學防火劑中浸泡，一般具有較優質的防火功效。 二為後處理方式，即為織布完成後，才將布塊放置於化學藥劑中浸泡，而防火效 果將隨著布料的清洗而減退。早期於防煙布幕下方增加橫支桿以固定布幕於空間 縱斷面上得以牢固，即形成最初防煙布幕的基本概念，如圖3-1所示。而此種設 計最大的缺點在於，若火勢進入旺盛期致使布幕內外壓力相差過大，則有燃燒廢 氣由布幕兩側洩漏的疑慮，因此於防煙布幕的改良上如圖3-2所示，於防煙布幕 兩側增加導軌固定，即可阻絕燃燒廢氣的洩漏。而後，為了方便火災發生時人員 的逃生避難，因此於防煙布幕中央開始規劃出適合人員通過的開口，如圖3-3所 示。

圖 3-1 防煙布幕示意圖一 圖 3-2 防煙布幕示意圖二

[20] [20]

圖 3-3 防煙布幕示意圖三[20]

近年來，隨著防火工程日益受到重視，防煙布幕設計除了須具有一定的防煙 能力以外，亦必須具有相當程度的阻熱功能，於是防火布幕的概念隨即衍生。現 今歐美各國對於防火布幕的檢測標準主要有 BS476-20(Fire tests on building materials and structures)、UL10C(Positive Pressure Fire Tests of Door Assemblies)、 UL555(Fire Dampers Test) 及 ASTM E 152 (Methods of Fire Tests of Door Assemblies)四項標準，而台灣對於防火布幕的檢測標準現以CNS11227(防火門性 能檢測)以及CNS15038(遮煙門性能檢測)作為試驗基準。然而，市面上滿足上述

計，更有藉由重疊防火幕的技術；前者以各式水系統強化防火布幕所產生的防火 布幕最廣為人知。後者則利用多功能的捲軸設備，增加防火幕的長度並重疊延長 ，因此可以有效覆蓋更大面積的空間，將防火及保護範圍增加。 為確立防火布幕保障室內人員的安全、並有效確立防火區劃。許多學者開始 紛紛投入相關研究；如李里[21]等人應用此項設計於劇場舞台防火隔幕的設計， 並指出布幕本身須具有輕量、高張力以及布幕表面具有阻絕熱對流現象的特性。 而王小丹[22]等人針對防火面料阻絕熱傳遞現象提出了基本假說，提出了隔熱布 幕之間含有的多孔毛細層能夠於孔隙中形成隔熱層以提升熱防護能力，並針對反 熱輻射原理提出了高溫隔熱材料的選取與設計原則：(1)選擇導熱率較小的材料 ，(2)氣孔率對材料的導熱性具有決定性影響。而林裕昌，莊英男[23]等人首先對 防火隔熱布幕運用於防火區劃之阻熱性能，進行了單層同材質以及雙層複合材質 的一連串實驗，結果發現單層防火布幕效能不如間距1800mm之雙層防火布幕來 的優異，而間距1800mm之雙層防火布幕受火後其背火側外觀完整無破損現象。 且各溫度測點之平均溫度為164.1℃低於170.0℃;溫度測點之最高溫度為177.5℃ 低於210.0℃，此外平均溫度差為780.6℃，溫度降低率可達82.63%。阻熱性能符 合台灣建築技術規則對防火設備之阻熱性能要求，防火布幕受火後實體圖如圖 3-4~6所示。而後鄭柏青[24]等人應用FDS軟體針對林裕昌，莊英男[23]等人的實 驗，於防火布幕之間外加撒水設備並進行模擬後，結果顯示經電腦模擬的成果， 確知當雙層防火布幕間距40cm、寬600cm分成三等份，由天花板下方50cm，設 置三顆以上K-5撒水頭且用水總量877升的情況下，可符合建築技術規則第七十九 條之30分鐘阻熱要求，如圖3-7~8所示。此項結果除了確立防火布幕作為防火區 劃設備的可行性，同時確立防火布幕於受熱過程中，布幕溫度受到(1)尺寸效應 ，(2)布幕張力大小，(3)布幕材質本身毛細孔現象，以及(4)水量大小等等因素。 其中尺寸效應為撒水頭噴水於防火布幕上時，撒水頭撒水半徑能夠概括防火布幕 之完整尺寸。布幕張力大小則為布幕於受火過程中，應避免布幕形狀不均致使受 熱不均導致布幕破裂。毛細孔現象則為布幕材質若具有吸水能力，則可增加小水 滴滯留於介面之直接，增加防火布幕散熱效果。水量大小則直接決定布幕於受熱

過程中之散熱能力。

圖 3-4 防火布幕受火後照片(間距 900mm/左:加熱面/右:非加熱面)[23]

圖 3-5 防火布幕受火後照片(間距 1350mm/左:加熱面/右:非加熱

面)[23]

[23]

圖 3-7 FDS 電腦模擬與全尺寸實驗之防火布幕最高溫度曲線[24]

圖 3-8 FDS 電腦模擬與全尺寸實驗之防火布幕平均溫度曲線[24]

模擬以及實尺寸實驗進行改良，選擇於防火布幕上外加撒水頭，並再次進行FDS 電腦模擬與實尺寸實驗。其中電腦模擬部分，FDS空間模型設定為1500cm(長)╳ 600cm(寬)╳400cm(高)，火災室設定為600cm(長)╳600cm(寬)╳400cm(高)，防火布 幕尺寸為600cm(寬)╳400cm(高)，載火量為1800kg，整體配置圖與格點場域模式 圖如圖3-9~10所示。模擬項目並分成撒水頭放水方式、撒水頭種類及防火布幕間 距大小三種形式。判定模擬失敗的基準則採用CNS12514所標示「受試體背側最 高溫度不得超過210℃，平均溫度不得超過170℃」作為基準。結果顯示，撒水頭 採取兩顆開放式撒水頭、種類為K-5以及防火布幕間隔為90cm時成效最好。如圖 3-11所示，模擬時間經過1小時，防火布幕平均溫度仍然控制於170℃以下，最高 溫度控制於210℃以下。

圖 3-9 雙層防火布幕無撒水頭/單一撒水頭配置示意圖[25]

圖 3-10 場域模式說明圖[25]

楊富貴[25]的實驗部分，整體配置如圖3-12所示，溫度測點配置如圖3-13所 示。依照「建築物構造部分耐火試驗法」作為基準，載火量為25kg/m3，牆壁通 風開口面積1.2 m2_{，實驗時間長達一小時。設定雙層布幕之間距為40cm，並增設} 撒水頭為三顆進行實驗。實驗結果顯示，由於試驗過程防火布幕的鼓起，使得防 火布幕於受熱過程中受熱不均，導致實驗於30分鐘之後大量熱氣由防火布幕頂部 竄出，使得撒水頭破裂，導致實驗失敗，如圖3-14所示。然而，觀察防火布幕背 火側各測點的升溫曲線圖，如圖3-15所示，發現實驗30分鐘之前背火側升溫曲線 能夠符合CNS12514所述之升溫曲線，因此實驗失敗的原因應可歸咎於防火布幕 的受熱不均致使熱空氣於防火布幕上方堆積並含有熱點生成。顯示實驗過程中， 維持防火布幕的一定張力與形狀均勻具有相當的重要性。

圖 3-12 實尺寸實驗整體配置圖[25]

圖 3-14 防火布幕鼓起示意圖[25]

圖3-15 防火布幕背火側各側點最高溫度曲線圖[25]

有關防火布幕結合水系統之專利部份，在國內，沈宗嚴獲得121425號發明專 利：防火防煙設備 ，此設備包含：l)一送水管，用以連接至消防水源並輸送消防

水；2)一保護盒，設於建築物之高處(例如天花板或通道出入口高處);以及3)一防 火布幕，具有一上端緣及一下端緣，捲繞或疊置收納於保護盒中，其中該上端緣 固定於保護盒中，而該下端緣則為可向下延伸展開之自由端；當火災發生時，該 防火布幕可以自動或手動方式放下至地面，用以隔絕火源或煙源。藉由防火布幕 的設計，逃生者的逃生管道可以保持順暢，且避免對於逃生者的夾擊傷害，更能 保障逃生者的安全。再者，藉由在防火布幕內另設置一水路通道，可以保護該防 火布幕避免高溫毀損，以更確保阻絕效果。該防火防煙設備連接至一般的消防系 統，該消防系統一般包括一起開放閥5、加壓送水管6、感知撒水頭7、電磁閥8 、手動啟動閥9、以及火警受信總機10。

圖3-17

防火防煙設備專利作動示意圖

林慶元的M266072號新型專利：阻熱截火水幕裝置為一種阻熱截火水幕裝置 ，其包含有一截火布幕；一設置於截火布幕至少一側端緣之灑水機構，而該灑水 機構係由一以上之灑水頭、一與各灑水頭連結之供水單元、一與供水單元連結之 致動單元、及一與致動單元連結之感測單元所構成。藉此，可利用截火布幕的安 定性、遮焰性、及灑水機構灑佈於截火布幕上之水，達到截火、阻熱以及防止延 燒之功效。此專利的使用狀態圖如下所示。

第四章 垂直簾幕結合水膜系統之設計與驗證

本章節將探討垂直簾幕結合水膜系統在阻熱與遮煙性能的提升效能上。本研究計 畫首先利用流體力學原理設計應用在水膜系統的多孔管以及供排水系統，接著針對防 火布幕、防水布幕及吸水布幕等三種布幕，採用火焰噴槍燃燒試驗與冷流場試驗探討 上述三種布幕與水膜系統結合之可行性與適用性，最後阻熱試驗以及遮煙試驗；其中 ，燃燒試驗、冷流場試驗以及阻熱試驗將採用小型複合高溫爐進行實驗，遮煙試驗則 採用遮煙氣密裝置進行實驗。

第一節 水膜系統設計

本研究計畫沿用前期計畫之研究成果，利用多孔管產生均勻的水膜，由於多孔管 具有結構簡單、製作方便的優點，更由於可隨著管上孔徑大小與分布，針對不同尺寸 的布幕產生水流噴出的均勻性與壓力強度，因此本研究藉由多孔管作為供水管路，設 計出適合應用在垂直簾幕的水膜系統，並進一步探討本研究計畫設計的垂直簾幕結合 水膜系統之阻熱與遮煙性能。 多孔管設計 關於多孔管的出水均布設計及其水力模型分析，國內外學者已發展出相當完備的 理論解釋水於多孔管中的流動行為；為求多孔管出水均佈，本研究亦將針對多孔管水 力模型進行分析。 為求多孔管出水均佈，首先吾人必須以多孔管沿程壓力分佈均勻為出發點，並根 據文獻歸納影響多孔管的主要因素(多孔管長度、主管管徑、孔距、孔徑大小)為探討 重點。多孔管長度大小會對管道流量產生影響，管長越長，水於多孔管內沿程能量將 損失越多；管徑大小則影響雷諾數大小使得流體黏滯性上升；孔徑大小直接影響流體 流出孔後的均勻性；孔距大小則與均勻度呈正相關。以上這些因素皆非相互獨立，而 是彼此相依相成，而目前學者針對多孔管理論的研究工作上處於實驗擬合的階段，尚 未有明確且統一的方程式。 (1)多孔管沿程壓力變化趨勢

為判定水於多孔管內流動情形，壓力的變化特性，首先以白努利方程式驗證水流 經第1孔時的壓力變化： ｇ

ｇ (1) 其中 為初始壓力， 為流體經過第1孔的壓力， 為水的容重，ｇ為重力加速度 ， 為流體經過第1孔的速度， 為因摩擦力產生的水損係數，一般介於1~1.2之間。(1) 式改寫後，我們得到 _ｇ (2) 針對(2)式作速度 1微分，我們得到 (3) 其中， 、 與 皆為大於零，因此

(4) 由此可知，初始壓力將會隨流速大小而遞減。 (1)多孔管沿程壓降方程式 接著我們針對多孔管模型取一個微小控制體積，並處理一維穩態流動問題。

圖 4-1 微小體積之多孔管水力模型示意圖

(本研究整理)

多孔管流動過程中，只要進水口速度及壓力維持恆定，我們可以假設多孔管 流動行為為穩定狀態，並針對多孔管水力模型以質量守恆與動量守恆分析。 質量守恆 (5) 動量守恆 (6) 對於等直徑圓管，剪應力為 λ (7) 上述方程式中，dh為主管管徑，V為微小體積前的平均流速，V+dV為微小體積後 的平均流速，P為微小體積前的壓力，P+dP為微小體積後的壓力，u為出孔流速，τ 為剪應力(摩擦應力)，g為重力加速度， 為水的密度，λ為摩擦係數，a為孔面積， 為水 流出孔時帶走的軸向速度分量，k為動量交換修正係數、與 間的關係方程式為

。有關動量交換修正係數k，已有大量文獻進行討論，其中文獻[33] 指出，在雷諾數範圍4800~22625之間，k值的範圍為0.43~0.48之間，也有文獻認為k 值得取值與管結構無關[34]，並藉於0.44~0.88之間。由於本研究所涉及壓力範圍屬於 低壓環境，因此結合前人結論，此處k值採用固定值0.5。 合併聯立方程式(5)、(6)與(7)，並忽略高次項後，我們可得到變質量動量方程式 λ (8) 在管徑以及進水端壓力不便的情況下，管內流量隨沿程分流而減小，進而導致主 流速沿程減小。本研究中，為了簡化水力模型於多孔管中流速減少的關係方程式，吾 人假定主管中流速分布為線性，即 (9) 接著針對多孔管沿程摩擦係數的變化規律進行探討。多孔管的磨擦係數非一 定值，而是隨雷諾數(Re)變化之相依變數，一般而言，針對摩擦係數的修正以及隨雷 諾數的變化關係有以下方程式： 摩擦係數的修正式： (10) 上式中 為多孔管材質的阻力係數， 為誤差修正係數，取值區間為1.1~1.3之間 ，為了方便計算，在此取其均值1.2。而摩擦係數隨雷諾數(Re)的變化為： 當Re<2000時， (11) 當2000<Re<105_時， (12)

(13) 接著引入多孔管面積與與開孔面積比的開孔比K： (14) 其中 (15) 上述方程式中，N為多孔管開孔總數，a為孔面積，D為多孔管主管直徑，L為多 孔管長度，S為孔距。 結合方程式(9)與(14)，整理後得到 (16) 對方程式(16)對 積分 (17) 結合初始條件： =0，V=V0，P=P0，之後得到 (18) 最後，結合方程式(10)與(18)，得到多孔管內壓降方程式為 (19) (2)多孔管沿程水損方程式 多孔管沿程水頭損失的基本表達式為Darcy-Weisbach方程式，於距離多孔管 進水端位置 之微小體積下的沿程水頭損失表示成

λ (20) 上式中， 為多孔管中長度為dx之微小體積管段上的水頭損失，λ為多孔管摩 擦係數。 接著結合方程式(9)與(20)，得到 λ (21) 接著對 進行區間(0, )的積分，得到 λ λ (22) 結合方程式(10)與(22)，得到 λ (23) 方程式(23)兩端乘以γ，得到 γ λ (24) 比較方程式(24)與(19)，會發現方程式(24)與方程式(19)之右端第一項相等， 說明了方程式(24)代表了多孔管內嚴懲水頭損失對沿程壓力的影響。此時將方程式 (24)帶入(19)中，並結合(20)做整理，我們即可得到多孔管內水頭損失的方程式 (25) 其中，該式右端第三項即表示多孔管主管初始流速對於沿程水頭的影響。 孔徑與多孔管幾何尺寸設計方面，如圖4-2所示。考量阻熱試驗時，捲箱內部溫 度可能因過高而導致損毀，因此選用耐高溫之鑄鐵管，摩擦係數為0.04。多孔管長度 設定為3公尺，與鐵捲門捲箱相同長度。多孔管內徑為280mm，外徑為300mm。多孔 管出水孔總共56孔，每個出水孔彼此間隔400mm，並以距離多孔管入水端最近之孔洞

號15~28孔孔徑為4mm。

圖 4-2 多孔管管路設計圖

(本研究整理)

圖4-3 垂直簾幕結合水膜系統示意圖

(本研究整理)

第二節 布幕選擇

4-2-1吸水性布幕選擇 在布幕的選定過程之中，由於防火性布幕與防水性布幕種類與製造工法單純，其 中前者以人造化聚酯纖維材質為大宗，後者以尼龍材質為主流，因此本研究於決定該 兩者布幕材質十分容易。然而，吸水性布幕種類極其繁多，市售有絨布、棉布、毛巾 布、針織布、牛仔布以及亞麻布等等，更可因不同編織工法而有不同材質混成之合成 布；然而，為選定吸水性布幕，本研究特針對吸水強度以及吸水速率進行測試，並選 定吸水速率與強度最佳者作為吸水性布幕試驗材料。 本研究中，選取五種材質布料，分別為棉布、毛巾布、牛仔布、亞麻布以及桌巾 布進行測試，布幕面積大小皆為10cm 10cm，並以含有紅墨水之染劑之渲染面積比 例作為吸水程度的判斷基準，以及電子磅秤量測含水布幕重量驗證吸水量。試驗過程 中僅布幕下緣接觸染劑，每種布幕共進行三次實驗，實驗數據為三次數據平均值。實 驗結果如表4-1所示。布幕圖樣如圖4-4所示。

表 4-1 不同布幕之吸水速度/吸水量結果

材質 特性 絨布 毛巾布 牛仔布 亞麻布 桌巾布 布幕重量(g) 2.3 2.4 3.7 4.1 1 吸水量(ml) 20.4 15.9 2.57 2.7 0.4 染色面積 X O

△

△

X (O: 70%以上，

△

:70%~40%，X :40%以下)

(本研究整理)

圖 4-4 不同布料實體圖

(左上至右下依次為:桌巾布、毛巾布、牛仔布、亞麻布、絨布)

(本研究整理)

由實驗結果我們得知，絨布具有最佳吸水性，可以吸取其中重量九倍左右之水量 ，然而絨布於試驗過程中，必須實驗操作人員強壓絨布於水中方可吸水，因此吾人判 斷絨布不適合作為本研究的垂直簾幕；故本研究將採用吸水性次之的毛巾布作為吸水 性布幕之材質。 4-2-2 火焰測試 本研究初步利用火燄溫度1178℃之火焰噴燈加熱三種布幕，以評估此三種布幕的 防火耐燃性能。布幕試體的尺寸為15cm x 15cm，一面以不同噴水量的噴水器加濕試 體並且形成水膜，一面以火焰噴燈模擬火災發生的火焰加熱。 實驗結果發現，防水性布幕因為具有防水性，因此雖然水膜能在未曝火面形成， 但是防水性布幕不能吸收水分且布幕纖維不具耐燃性，故結果為起火燃燒。防火性布 幕則是本身纖維的耐火溫度為700℃，且布幕可以吸收少許的水分，因此在供水量為 126與168 mL/min的情況下，布幕不會破損。至於吸水性布幕，雖然毛巾布纖維不具 耐燃性，但是毛巾布吸收的水分可以吸收大量的熱量，而保護毛巾布免於起火。故本 研究計畫選擇防火性與吸水性布幕進行下一步驟的冷流場實驗。

表 4-2 不同布幕的火焰測試結果

布幕 種類 防火性布幕 吸水性布幕 防水性布幕 布幕 火焰 實驗 實驗 結果 供水量 (ml/min) 布幕破損 (Y/N) 供水量 (ml/min) 布幕破損 (Y/N) 供水量 (ml/min) 布幕破損 (Y/N) 84 Y 84 N 84 Y 126 N 126 N 126 Y 168 N 168 N 168 Y

(本研究整理)

4-2-3 冷流場試驗 為了驗證多孔管與垂直簾幕的配置是否合理，採取冷流場試驗驗證水膜分布情況 是不可或缺的。本試驗以流量計與測速計量測供水馬達於不同供水壓力下對應的供水 量以及布幕上的水膜流速，並以基本水力公式Q=A･V求出水膜於布幕表面上之平均 水膜厚度。然而因為吸水性布幕的特性使得從多孔管噴出的水完全會浸濕吸水性布幕 ，無法求得吸水性布幕之平均水膜厚度，因此僅以影像紀錄布幕於放水至完全吸水所 消耗的時間。 冷流場測試結發現透過集水槽內部溢水的方式，使得供水壓力即使十分低的情況 下依然能夠於防火布幕表面上形成均勻水膜，以致於在水量充足的情況下，水膜能夠 完整覆蓋於防火布幕上。表4-3為供水壓力改變下的多孔管流量、水膜厚度與水膜流 速變化表。圖7-10為擋水板內水溢出於布幕時，布幕上的水膜分布情形。實驗結果顯 示，形成均勻水膜之最小供水壓力為0.6kgf/cm2_{，最小供水量為81.2L/min，但是能使} 布幕具有阻熱性能的供水量則必須有待門牆爐實驗驗證。 至於吸水性布幕的冷流場實驗結果則顯示毛巾布的吸水性強，因此透過集水槽內 部溢出的水可以迅速地讓毛巾布浸濕，浸濕的時間與供水壓力成反比。而浸濕的毛巾

。

表 4-3 防火性布幕冷流場試驗結果

供水壓力 (kgf/cm2) 平均單孔流量 (L/min) 總流量 (L/min) 門片水膜流 速(cm/s) 平均水膜 厚度(mm) 是否形成均 勻水膜(Y/N) 0.4 2.354 65.92 33.46 3.127 N 0.6 2.9 81.2 35.51 3.629 Y 0.8 3.834 107.34 38.72 4.4 Y 1 4.123 115.44 39.93 4.589 Y 1.2 4.599 128.76 43.66 4.681 Y

(本研究整理)

圖 4-5 水膜在防火性布幕形成

(本研究整理)

表 4-4 吸水性布幕冷流場試驗結果

供水壓力 (kgf/cm2) 平均單孔流量 (L/min) 總流量 (L/min) 布幕完全吸水耗時 (s) 0.4 2.264 63.38 15.3 0.6 2.772 77.62 13.6 0.8 3.535 98.98 11.1 1 3.907 109.4 10.1 1.2 4.484 125.54 8.9

(本研究整理)

圖 4-6 水膜浸濕吸水性布幕

(本研究整理)

綜合上述實驗結果，本研究發現吸水性布幕雖然吸水性能佳，但是其纖維不具耐 燃性，若實際發生火災時，水膜系統無法均勻浸濕吸水布幕將會使得布幕被火燒穿， 甚至有著火之可能性，因此，本研究選擇防火布幕結合水膜系統進行後續的阻熱與遮 煙性能測試。

第三節 小型高溫複合爐阻熱性能實驗

4-3-1 小型高溫複合爐簡介 本研究所使用之阻熱試驗裝置，必須配合曝火面1.2m×1.2m門牆用耐火加熱爐提 供高溫氣體來進行實驗，實際設備如圖4-7所示。加熱爐設備功能主要依據ISO 834建 築構件耐火試驗標準第一部分之耐火試驗一般要求，同時符合CNS 14514標準及ISO 834標準。加熱爐參考尺寸：爐內為120W × 120H × 120L (cm)，爐外為160W ×160H × 160L (cm)；試體加熱面積為120W × 120H (cm)，耐火加熱能力可達4小時。加熱爐爐 壁四週為耐高溫1400℃以上之耐火材料，爐底使用保溫磚及可鑄性耐火泥，燃燒器和 觀視孔四週為可鑄性耐火泥，排煙道內為輕質可鑄性耐火泥。爐內燃燒器為平火焰燃 燒器(flat flame burner)，使用燃料為液化石油瓦斯(LPG)。每一燃燒器配備瓦斯、空氣 電磁控制閥、和瓦斯空氣配比調節閥；並配置一組點火裝置，包括：點火變壓器、高 壓導線和火星塞。每一燃燒器配置UV火焰監視器，火焰熄火時自動切斷瓦斯供應， 即時停止燃燒；並配置瓦斯緊急遮斷閥、燃燒器前電磁閥、點火控制器、瓦斯及空氣 用壓力指示等各一個。以下為各子系統與設備之說明 加熱系統 本試驗使用內政部建築研究所防火實驗中心之小型複合高溫爐，其爐內加熱空間 為1200 mm × 1200 mm × 1200mm，兩側各有2個噴火孔，由4個燃燒機提供熱能，使 用燃料為液化石油瓦斯 (LPG)，每一個燃燒機配備瓦斯、空氣控制閥、點火變壓器、 高壓導線、火星塞及UV火焰監視器。柱體上方配置有加載能力為981 kN之油壓機， 梁懸臂端上方配置有加載能力為981 kN 之油壓機，該兩部油壓機可獨立控制，可分 別對梁與柱施加不同的力量，其油壓缸行程為600 mm，在柱端上方並放置981 kN 容 量之荷重計；梁懸臂端上方放置491 kN 容量之荷重計，以便實驗時控制加載力之變 化，試體、加熱爐及加載設備如圖4-8所示。 溫度和壓力控制裝置 溫度及壓力控裝置主要包括K-type熱電偶、壓差發信器、壓差調節器、壓差流量

計、資料收集裝置以及控制盤來控制即獲得溫度、壓力等相關之資料。熱電偶主要功 用為擷取爐內溫度數據，並做為監控壓力箱和氣密箱及其他裝置的溫度狀況。本設備 所使用之熱電偶數量為20支，9支置於試體加熱面（壓力箱側），9支置於試體背熱面 （氣密箱側），1支量測下游漏煙之溫度，1支用來量測熱風循環入口溫度。壓差調節 器主要控制室體兩側之壓力差，由吸引風扇來進行動作；壓差流量計則是用來量測漏 煙率。 台車 由於整體裝置往往重量十分厚重，非人力得以搬運，而採用天車或其他吊掛裝置 ，不符試驗所需時效性。因此採用可移動式台車，可達成所需時效性且方便移動。另 需設置鋼軌，以利台車移動。

圖4-7 小型高溫爐右視圖

(本研究整理)

圖4-8 試體、加載設備與小型高溫爐裝置

(本研究整理)

4-3-2 實驗配置與步驟

本次試驗防火布幕採用非結晶型二氧化矽連續纖維製成的防火布幕，布幕高度與 寬度皆為1.5公尺，纖維熔點1650℃，耐溫區間為1000-1260℃且符合CNS10285/A2號 一級耐燃標準。本試驗目的在於使藉由觀察防火布幕於燃燒過程中，是否會因為爐內 過大的壓力變化致使防火布幕變形以及防火布幕未結合水膜系統的情形下，擁有多少 時間的防火時效，再者，進一步驗證防火布幕結合水膜系統之阻熱性能。本實驗採用 中華民國國家測試標準(CNS)14514號「貫穿部耐火材料之遮焰及阻熱性能」作為測試 標準與判斷基準。 有關於防火布幕熱電偶的裝設位置，本研究採用中華民國國家標準(CNS)第 14803條之規範，在不同高度設置9點熱電偶量測點。圖4-9為熱電偶於防火布幕配置 圖，其中點位為CNS14803規定之佈點。

圖4-9 防火布幕熱電偶配置圖

(本研究整理)

本次試驗配置主要由小型複合加熱爐之試體框架、多孔管、上/下集水槽與布幕 所構成。其主要設計概念為：在試體框架內上下兩端建置集水槽，並建置布幕於上下 集水槽間進行連結；以及透過多孔管噴水於上集水槽的方式，使水附著/吸收於布幕 上/中，以提升布幕阻熱性能。 小型複合加熱爐之試體框架如圖 5-9 所示。框架外緣長度與寬度皆為 1600mm， 內緣長度與寬度皆為 1100mm，厚度為 250mm，材質由具有耐火阻熱性能之防火泥所 構成，溫度可達 1400℃以上。 防火布幕的實驗配置上，由於布幕於編織工法/材質方面皆具有良好的不透水性， 因此本試驗將防火布幕固定於非曝火面之上集水槽內側，並延伸至上集水槽外側並向 下伸展至下集水槽底部進行固定，目的在於使多孔管噴水於上集水槽時，水量超越一 定限度後得以於非曝火面擋板溢出，並於防火布幕表面形成水膜後逕流而下。尺寸部 分，上集水槽之曝火面擋板高度 300mm、非曝火面擋板高度 120mm、寬度 1100mm、 長度 175mm、總容量為 31.65L。下集水槽之曝火面擋板高度皆為 250mm、寬度 1100mm、

圖 4-10 阻熱試驗布幕結合小型試體框架設計圖(正/右視圖)

(本研究整理)

4-3-2 實驗結果與討論

防火布幕未結合水膜系統 由溫度變化圖可以發現，水膜系統未應用在防火布幕上時，一般市售防火性布幕 僅具有遮焰與耐燃性能，因此隨著爐內的溫度升高，防火布幕的未加熱面溫度也隨之 升高。同時布幕材質易受高溫影響導致布幕纖維產生劣化現象，最後在實驗 30 分鐘 時破裂(如圖 4-12)。此現象代表水膜系統未應用在防火布幕時，防火布幕只有半小時 的防火時效，阻熱性能不到五分鐘。 另一方面，由各點熱電偶溫度量測結果可知， 防火布幕基本上試均勻接受爐內加熱，故各點溫度之差異並不大。

圖 4-11 防火布幕在小型高溫複合爐之量測溫度分布

(本研究整理)