大仁科技大學 消防系四技日間部

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109 學年度第二學期

火災學 上課講義整理(3)

學生姓名:__________

中華民國 110 年 5 月

火災成長曲線 火災學(2)

火災各成長階段之防災對策，如下述:

火災溫度 T

煙濃度的變化 閃燃 (flashover)

引燃(ignition)

時間 初期 成長期 最盛期 衰退期

發熱器具 管制火源 防焰材料

耐燃材料 避難逃生 偵測滅火 煙控

防火構造 滅火設備 全棟避難 煙控

防止二次燃燒 火場餘煙排放 火害結構穩定性

燃燒性質 火焰延燒 火災擴展 高熱擴展

煙濃度、煙毒性、腐蝕性

1. 初期:依燃料種類、燃燒型態、氧氣供應狀況，此時期是逃生期。

2. 成長期:內部可燃材料著火，溫度急速上升，火勢逐漸擴大，並生成大量 可燃性氣體，蓄積於天花板附近，當與空氣混合濃度到達燃燒範圍時，達燃 點後瞬間引燃，室內頓時成為火海之現象，稱為閃燃(flashover)，此時空 間內溫度高達 500℃至 600℃間。

3. 最盛期:持續燃燒並產生高熱，此時期屬於通風控制燃燒，如果氧氣量充 足，可燃物將持續燒完，此時期空間內溫度高達 700℃~1200℃。

4. 衰退期:溫度逐漸降低，火災高溫造成房屋結構不穩定，應要關注。

(複習)較大開口的火場煙霧流動分析計算: 火災學(2)

T₁

ρ₁ 排出 +Z h1

中性帶 H0 (開口高) 吸入 T₀ ρ -Z H₀ n h2

ρ V₀ 2 ΔP2

前述:小開口的質量流率:m =C_d × ρ×V × A

•

此處:較大開口的質量流率: 開口面積:A0 =B(寬度)×H0(高)

=

•

m _{∫ 𝑪𝟎}^𝒉 _d× 𝝆 ×𝑽 × 𝒅𝑨 = 𝑪_𝒅 × 𝝆 × ∫ 𝑽 × 𝒅𝑨 = 𝑪_𝒅× 𝝆 × ∫ 𝑽 × 𝑩 × 𝒅𝒛 𝑽_𝟏(𝐳) = √𝟐 × 𝒁 × (𝝆_𝟎− 𝝆_𝟏) × 𝒈

𝝆_𝟏

𝑽_𝟐(𝐳) = √𝟐 × 𝒁 × (𝝆_𝟎− 𝝆_𝟏) × 𝒈 𝝆_𝟎

上圖所示，排出熱空氣的質量流率

=

•

m1

𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × ∫ 𝑽

× 𝒅𝒛 = 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × √

𝝆_𝟏

× ∫

𝒁

𝒅𝒛 =

3

× 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × √

𝟏

× 𝒉

𝟑

𝟐

………(1)

吸入戶外空氣的質量流率

=

•

m2

𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × ∫ 𝑽

× 𝒅𝒛 = 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 ×

𝟎

×

𝒁

𝒅𝒛 =

3

× 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × √

𝟎

× 𝒉

𝟑

𝟐

………..(2)

利用 =

•

m1

•

m2

求解 中性帶位置:

火災學(2)

2

3× 𝑪_𝒅× 𝝆_𝟏 × 𝐁 × √^{𝟐×(𝝆𝟎−𝝆𝟏)×𝒈}

𝝆_𝟏 × 𝒉_𝟏

𝟑 𝟐 = ²

3× 𝑪_𝒅× 𝝆_𝟎× 𝐁 × √^{𝟐×(𝝆𝟎−𝝆𝟏)×𝒈}

𝝆_𝟎 × 𝒉_𝟐

𝟑 𝟐

(

𝒉_𝟐

)

𝟑

𝟐

=

√𝝆_𝟏 等號左右式加以平方

(

𝟐

)

=

𝝆_𝟏

𝒉_𝟏

𝒉_𝟐

= (

𝝆_𝟏

)

𝟏

𝟑

= (

𝟎

)

𝟏

𝟑

𝒉

= (𝒉

) (

𝝆_𝟏

)

𝟏 𝟑

𝑯

= 𝒉

+ 𝒉

= 𝒉

+ (𝒉

) (

𝝆_𝟏

)

𝟏

𝟑

= [𝟏 + (

𝝆_𝟏

)

𝟏

𝟑

] (𝒉

)

中性帶位置高度(距底面):

𝒉

=

𝟏+(^𝝆𝟎

𝝆𝟏)

𝟏 𝟑

……….………(3)

將(3)式代入(2)式

=

•

m2 ²

3

× 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × √

𝟎

× (

𝟏+(^𝝆𝟎 𝝆𝟏)

𝟏 𝟑

)

𝟑 𝟐

代入 A

=B×H

吸入空氣的質量流率

=

•

m2 ²

3

× 𝑪

× 𝝆

× √𝟐𝒈 × 𝑨

× √𝑯

× (

𝝆𝟎−𝝆𝟏 𝝆𝟎 [𝟏+(^𝝆𝟎

𝝆𝟏) 𝟏 𝟑]

𝟑

)

𝟏 𝟐

…………(4)

---

稱為:密度因子

密度因子:

(

𝟏− ^𝝆𝟏

𝝆𝟎

[𝟏+(^𝝆𝟎

𝝆𝟏)

𝟏 𝟑]

𝟑

)

𝟏 𝟐

改寫 = (

𝟏− ^𝟏

𝑻𝟏𝑻𝟎

[𝟏+(^𝑻𝟏

𝑻𝟎)

𝟏 𝟑]

𝟑

)

𝟏 𝟐

不同的:

0 1

T

T 從1.1~5.1 之間(如下圖)，在 2.7 得到最大值的密度因子

=0.214。實驗顯示，火災閃燃之後，燃燒最盛期的

0 1

T

T 介於 1.8~5.0 之間。

0.214

2.7

(

0 1

T T )

以 Cd = 0.7，g = 9.81(m/sec²)，ρ₀ =1.2kg/cm³，密度因子=0.214 代入(4) 式，得到: 0 0

•

2 =0.52× A × H

m (kg/sec)

上式顯示:起火房間開口的面積(𝑨_𝟎)及高度(𝑯_𝟎)，就可算出火場吸入外部空氣 質量流率

•

m2。因此，不管起火燃燒是何種燃燒物(汽油、木材、塑膠品…)，

房間開口面積與開口高度若是相同，不論房間格局 (長寬高)的大小，空氣質量流率

•

m2都是相同。

以 1kg 的木材燃燒為例，經過實際測定燃燒需要 5.7kg 的空氣量，因此，木材 的燃燒速度(kg/min):

=

•

mw ^{𝟎.𝟓𝟐×𝑨𝟎×√𝑯𝟎}

𝟓.𝟕 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟗𝟏 × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒔𝒆𝒄) = 𝟓. 𝟓 × 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒎𝒊𝒏) 寫成:木材燃燒速度𝐑 = 𝟓. 𝟓 × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎 單位:kg/min，經常被使用。

若不是木材燃燒，計算式:燃燒速度(R)= ^{𝟎.𝟓𝟐×𝑨𝟎×√𝑯𝟎(𝒌𝒈/𝒔𝒆𝒄)}

材料每𝐤𝐠燃燒需要空氣量𝐤𝐠 (^𝒌𝒈_𝒌𝒈)

•

m2 從以上闡述，開口愈大，𝑨_𝟎√𝑯_𝟎愈大，吸入火場的空氣量(流量)愈 大，燃燒速度愈大，𝑨_𝟎√𝑯_𝟎 稱為:「通風因子」。

但是，根據英國學者 Thomas 針對(建築)區劃空間內燃燒木材疊架，得到 的研究結果顯示:當空氣流量很小時，燃燒速度也小，燃燒速度幾乎與空氣流量 成正比。但是，當空氣量很充足(不受限制)，發現燃燒速度與空氣量(流量)呈現 無相關的結果，這表示吸入區劃空間內的空氣量遠超過實際參與燃燒的空氣 量。針對此種室內火災燃燒現象差異，學者 T.Z.Harmathy 根據木材燃燒實驗 結果，提出判定燃燒型態之計算式，如下:

(1) 𝝆 × √𝒈 × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎× (^𝟏

𝑨_𝒇) < 𝟎. 𝟐𝟑𝟓

時，屬於「通風控制燃燒」 。

(2) 𝝆 × √𝒈 × 𝑨𝟎 × √𝑯_𝟎× (^𝟏

𝑨_𝒇) > 𝟎. 𝟐𝟗

時，屬於「燃料控制燃燒」。

意義:由通風口的流入空氣量充足，燃燒速度是受到可燃物表面積的控制。

上式(1)、(2)符號意義: 𝝆: 空氣密度 (= 𝟏. 𝟐^𝐤𝐠

𝒎^𝟑)、𝐠: 重力加速度 (𝟗. 𝟖 ^𝐦

𝒔𝒆𝒄^𝟐)、 𝑨_𝟎: 開口部面積: (𝒎^𝟐)、𝑯_𝟎: 開口部高度(𝐦)、𝑨_𝒇: 可燃物全部表面積(𝒎^𝟐)。 日本學者川越邦雄與關根孝以眾多實驗為基礎，提出:木材的燃燒速度 ∶ 𝐑 = 𝟓. 𝟓 × 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒎𝒊𝒏)，若房間牆壁或天花板為混凝土: 上式修正如下 木材的燃燒速度: 𝐑 = (𝟓. 𝟓~𝟔. 𝟎) × 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒎𝒊𝒏) 又根據實驗結果: 燃燒型態與燃燒速度(R)之關係，如下述

「通風控制燃燒」: 燃燒速度𝐑 = (𝟓. 𝟓~𝟔. 𝟎) × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒎𝒊𝒏) 「燃料控制燃燒」: 燃燒速度𝐑 = (𝟎. 𝟑𝟔~𝟎. 𝟒𝟎) × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎 (^𝒌𝒈

𝒎𝒊𝒏)

火災持續燃燒時間:

W:火載量(Fire Load) =單位面積之可燃物重量(kg/m²)

AF:室內地板面積(m²) R:木材燃燒速度=𝟓. 𝟓 × 𝑨_𝟎 × √𝑯_𝟎 (kg/min)

火災持續燃燒時間:

𝑻 =

燃燒速度

=

𝟓.𝟓×𝑨_𝟎×√𝑯_𝟎

=

𝟓.𝟓

×

𝑨_𝟎×√𝑯_𝟎 ---

𝑨_𝟎×√𝑯_𝟎

稱為「繼續時間因子」

火載量(Fire Load)代表區劃內可燃物完全燃燒釋放出熱量的總數 MJ 表 示，也可以用單位樓地板面積上之可燃物總釋放熱量，稱為火載量密度，以 MJ/m²表示。一般火載量之表示亦可由區劃內的各種可燃物轉換成同等釋熱量 木材重量，以 kg 或 kg/m²表示之。

火災猛烈度(Fire Severity):

意義:火災所施予危害的潛在能力。衡量火災從開始至結束過程中，火災強度的

指標，實測室內火災的時間-溫度曲線，在基礎線之上所圍成的面積，可以代表

◎影響火災猛烈度的因素: 1400K 溫度 面積1 該火災的破壞潛力。

1.燃料的性質、數量與排列狀況。1200K ISO 標準曲線

2.火災區劃空間的大小及形狀。 1000K 面積2

3.窗戶的面積與形狀。 800K 臨界溫度

4.牆壁與天花板的絕熱性質。 600K

400K

小時

0 1 2 相當於標準抗火時間

◎由上述可知，火災猛烈度的單位是:(時間．溫度)。

火災的標準時間-溫度曲線:

NFPA 燃燒加熱規定:

ISO 特殊或工業建築適用

ISO 一般建築適用 美國 NFPA

美國 ASTM-119

練習題 1:

何謂「繼續時間因子」? 有一建築物長寬高(10m×8m×3m)，可燃物總重(木 材)500kg，建築物之開口寬 1.5m ，高 2m，試問其火災持續時間為多少?

練習題2:

面積 10m²的居室內有木製家具 20kg，布料 40kg，家具及布料之燃燒熱分別為 15、30MJ/kg，此居室的火載量密度=? (MJ/m²)

練習題 3:

有一木材儲存倉庫，使用混凝土所築成，高 3.5 公尺、寬 7.0 公尺、長 10 公 尺。可燃物(以木材為主)總重 2100 公斤，總表面積為 200m²，倉庫內有一開 口，寬 1.8 公尺、高 2.0 公尺，試問：

(1)若該倉庫發生火災比較容易成為何種燃燒? ^1.8x2.0 (2)火載量為何(kg/m²)?

(3)燃燒速率為何(kg/min)?

有一個以上開口，𝑨_𝒐× √𝑯_𝒐 加權值的決定法則:

A1=b1×H1

A2=b2×H2

A1 A2 A3=b3×H3

A4=b4×H4 A3 A4

𝑨_𝒐 = 𝑨_𝟏+ 𝑨_𝟐+ 𝑨_𝟑 + 𝑨_𝟒

𝑯

=

𝑨_𝒐

練習題 4:

某耐火建築物倉庫(如下圖示)，長 10 公尺、寬 7.0 公尺、高 3.5 公尺，其 中可燃物(以木材為主)總重 2100 公斤，總表面積為 200m²，該倉庫有正門 開口，寬 1.8 公尺、高 2.0 公尺，左右兩牆各開有寬 2m、高 1m 常時開啟 之通風開口，已知，重力加速度 g=9.8m/sec²，空氣密度𝛒=1.2kg/m³， V.C.fire k=5.5，F.C.fire k=0.36，試問：若該倉庫發生火災比較容易成為 何種燃燒型態? 火載量密度為何(kg/m²)?此一火災持續時間(min)為多少?

^{𝟐𝐦 × 𝟏𝐦}

3.5m 𝟐𝐦 × 𝟏. 𝟖𝐦 10m

7m 𝟐𝐦 × 𝟏𝐦

日本學者川越邦雄 等人對於區劃空間內火災溫度 討論:

QW QH = QL + QW + QB + QR

QL (室內發熱量) = (熱散失量)

QW QH QR QB QW: 周壁吸收熱量 QB:經窗戶向屋外輻射的熱量 QW QL: 煙氣流出帶走熱量 QR:空氣升溫而消耗的熱量 根據前述熱平衡式，可求得室內火災溫度。計算推導(如下述):

QR:空氣升溫而消耗的熱量與其他各項比較，相形之下佔極小，可忽略不計:

𝒕

=

𝑽×𝑪_𝒑

+ 𝒕

𝒕_𝒈∆𝒉: 經過∆𝒉時間，室內火災溫度。 ∆𝒉: 時間增量。

V:室內空間體積。 Cp:空氣定壓比熱。

tg :在時間𝒉的室內火災溫度。

上述各項熱量，進行數據分析再加以實驗數據整理，可以發現:室內火災溫度與 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎成正比，與室內圍壁表面積(AT)成反比，如下式:

=

𝑻

學者進行各燃燒實驗結果顯示(如下圖): 不同的溫度因子，各有其不同時 間-溫度曲線。

𝑻

火災時間-溫度曲線因室內條件(^{𝑨𝒐×√𝑯𝟎}

𝑨_𝑻 )之差異，此條件即稱之為“溫度因子”

(Temperature Factor)。溫度因子愈大，則火災時間-溫度曲線呈現愈高溫之狀 態。反之，火災時間-溫度曲線呈現愈低溫狀態(如上圖所示)。

室內煙氣溫度

空間內火源熱釋放率: Q = QH = QL + QW + QB + QR

一般而言， 學者 Drysdale、Walton 及 Thomas 再以簡化的能量平衡分析，進行探討: QB + QR

這兩項之和，經研究指出，約為 Q 的百分之一，

可忽略不計，因此

𝑸 = 𝑸

+ 𝑸

𝒎̇

× 𝑪

× (𝑻

− 𝑻

)

QW : 周壁吸收熱量= 𝒉_𝒌× 𝑨_𝑻 × (𝑻_𝟏− 𝑻_𝒐) 左式之 𝒉_𝒌: 牆壁熱傳係數

𝑸 = 𝑸

+ 𝑸

= 𝒎̇

× 𝑪

× (𝑻

− 𝑻

) +

溫升值:

(𝑻

− 𝑻

) = ∆𝑻 =

(𝒎̇_𝟏×𝑪_𝒑)+(𝒉_𝒌×𝑨_𝑻)……….(5)

T1 𝒎̇1 h1 𝜹

Q T0

排出熱空氣的質量流率

=

•

m1 ²

3

× 𝑪

× 𝝆

× 𝐁 × √

𝝆_𝟏

× 𝒉

𝟑 𝟐

=

3

× 𝑪

× 𝝆

× √𝟐𝒈 × 𝑨

× √𝑯

× (

𝑻𝟏 𝑻𝒐−𝟏

[

𝟏+(_𝑻𝟏^𝟏

𝑻𝟎

)

𝟏 𝟑

]

𝟑

)

𝟏 𝟐

•

m1 ₌ ²

3

× 𝑪

×

𝑻𝟎

× √𝟐𝒈 × 𝑨

× √𝑯

×

(

𝑻𝟏 𝑻𝒐−𝟏

[ 𝟏+( ^𝟏

𝑻𝟏𝑻𝟎

)

𝟏 𝟑

]

𝟑

)

𝟏 𝟐

上式

•

m1之中的 T1值未知，無法解出

•

m1 _{值，因此也無法解出}

∆𝑻

𝑻

𝑻_𝟎

=

(𝒎̇_𝟏×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐)+(𝒉_𝒌×𝑨_𝑻×𝑻_𝒐) 𝒉_𝒌: 牆壁熱傳係數=^{𝒌(熱傳導係數)}

𝜹(牆壁的厚度)

上式之分子及分母，同除(𝒎̇_𝟏× 𝑪_𝒑 × 𝑻_𝒐)

∆𝑻 𝑻_𝟎

=

𝑸 𝒎̇𝟏×𝑪𝒑×𝑻𝒐

𝟏+^{𝒉𝒌×𝑨𝑻}

𝒎̇𝟏×𝑪𝒑

將

•

m1代入上式可以函數關係式:

^∆𝑻

𝑻_𝟎

= 𝒇(

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

，

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯𝟎×𝑪_𝒑

)

^∆𝑻

𝑻_𝟎

= 𝑪 × (

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

)

× (

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯𝟎×𝑪_𝒑

)

C=1.63，M=2/3，N = - 1/3。

∆𝑻

𝑻_𝟎 = 𝟏. 𝟔𝟑 × ( 𝑸

𝝆_𝟎× √𝒈 × 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎× 𝑪_𝒑× 𝑻_𝒐)^𝟐𝟑× ( 𝒉_𝒌× 𝑨_𝑻

𝝆_𝟎× √𝒈 × 𝑨_𝟎× √𝑯_𝟎× 𝑪_𝒑)^−𝟏𝟑

學者 Drysdale 將上述兩項乘數作為下圖的橫座標，T1-T0:作為下圖的縱座標:

𝑿_𝟏^𝑴．𝑿_𝟐^𝑵 =

(

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯_𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

)

𝟐

𝟑．( ^{𝒉𝒌×𝑨𝑻}

𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯_𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

)

𝟏 𝟑

= (

𝒉_𝒌×𝑨_𝑻×𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨𝟎×√𝑯_𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

)

𝟏 𝟑

大量實驗數據進行迴歸分析，如右圖所示:

得到計算公式如下:

∆𝐓

= 𝟕𝟐. 𝟎𝟔(

𝒌×𝑨_𝑻×𝝆_𝟎×√𝒈×𝑨_𝟎×√𝑯_𝟎×𝑪_𝒑×𝑻_𝒐

)

𝟏 𝟑

若以

g =9.81m/sec²，𝝆_𝒐 = 𝟏. 𝟐 𝒌𝒈/𝐦^𝟑，𝑻_𝒐 = 𝟐𝟗𝟓𝑲，𝑪_𝒑 = 𝟏. 𝟎𝟓 𝒌𝑱/𝒌𝒈 ∙ 𝑲，可得

簡化計算式:

∆𝑻 = 𝟔. 𝟖𝟓 (

𝒉_𝒌×𝑨_𝑻×𝑨_𝒐×√𝑯_𝒐

)

𝟏 𝟑

燃燒(熱)溫度計算:

(一)以「空氣消耗法」計算燃燒熱

由飽和烴烷類燃燒計算得知:燃燒每消耗 1g 空氣(

𝒎̇

𝐐 = 𝒎̇_𝒂𝒊𝒓(𝐠/𝐬𝐞𝐜) × ∆𝑯_𝒂𝒊𝒓(=3 kJ/g) 單位:(kJ/sec) 或稱為(kw)。

𝐐 = 𝒎̇_𝒂𝒊𝒓(𝐤𝐠/𝐬𝐞𝐜) × ∆𝑯_𝒂𝒊𝒓(=3 MJ/kg) 單位:(MJ/sec) 或稱為(Mw)。

單位換算: 1 kcal=4.2 kJ 練習題 1:

請依據空氣消耗法，計算乙烯在空氣中完全燃燒時之燃燒熱=?(kcal/mol) [解答]:

𝑪_𝟐𝑯_𝟒+ 𝟑(𝑶_𝟐 + 𝟑. 𝟕𝟔𝑵_𝟐) → 𝟐𝑪𝑶_𝟐 + 𝟐𝑯_𝟐𝑶 + 𝟏𝟏. 𝟐𝟖𝑵_𝟐 空氣分子量=28.95 (g/mol)

乙烯分子量=𝟏𝟐 × 𝟐 + 𝟏 × 𝟒 = 𝟐𝟖 (g/mol)

1mol 的乙烯完全燃燒所需的空氣重量=(𝟑 × 𝟏 + 𝟑 × 𝟑. 𝟕𝟔) × 𝟐𝟖. 𝟗𝟓 = 𝟒𝟏𝟑. 𝟒 (g)

1mol 的乙烯完全燃燒所產生的燃燒熱=𝟒𝟏𝟑. 𝟒 × 𝟑 = 𝟏𝟐𝟒𝟎. 𝟐 (kJ) 1 kcal=4.2 kJ

^{𝟏𝟐𝟒𝟎.𝟐}

𝟒.𝟐

= 𝟐𝟗𝟓

應用前述(通風控制燃燒型態)的流入空氣質量流率，計算熱釋放率:

𝒎̇

𝐐 = 𝒎̇_𝒂𝒊𝒓(𝐤𝐠/𝐬𝐞𝐜) × ∆𝑯_𝒂𝒊𝒓(=3 MJ/kg) 單位:(MJ/sec) 或稱為(Mw)。

練習題2:

(通風控制燃燒型態)已知居室之門高 2.1m x 寬 0.9m，窗戶高 1.2m x 寬 2.0m，

(1)空氣質量流率=? (kg/sec)

(2)室內可燃物的熱釋放率=?(kJ/sec)

(二)理論燃燒溫度: 可燃物以理論空氣量完全燃燒，產生的熱量無損失並全部 傳至燃燒生成物，此時之燃燒最高溫度稱為「理論燃燒溫度」。

𝐐 = 𝐕 × 𝑪_𝒑 × ∆𝑻 Q:可燃物之發熱量 (kcal) (注意其單位)

∆𝐓 =

𝑽×𝑪_𝒑 V: 燃燒生成物量(m³)或(mol)

𝑻

− 𝑻

=

𝑽×𝑪_𝒑 CP :生成物的定壓比熱(kcal/m³．℃)或 (kcal/mol．℃)

𝑻

=

𝑽×𝑪_𝒑

+ 𝑻

𝑻

=

∑(𝑽×𝑪_𝒑)

+ 𝑻

承上題，已知:乙烯燃燒熱 295(kcal/mol)，燃燒生成物的定壓比熱(kcal/mol．

℃):Cp如下述 CO2=0.52 ; H2O=0.45 ; N2=0.30，室溫 25℃，試求:乙烯在空氣中 完全燃燒時之理論燃燒溫度=?

[解答]: 計算 1 mol 的乙烯

𝑪_𝟐𝑯_𝟒+ 𝟑(𝑶_𝟐 + 𝟑. 𝟕𝟔𝑵_𝟐) → 𝟐𝑪𝑶_𝟐+ 𝟐𝑯_𝟐𝑶 + 𝟏𝟏. 𝟐𝟖𝑵_𝟐 𝑻_𝟏 = ^{𝟏×𝟐𝟗𝟓}

𝟐×𝟎.𝟓𝟐+𝟐×𝟎.𝟒𝟓+𝟏𝟏.𝟐𝟖×𝟎.𝟑+ 𝟐𝟓 = ^𝟐𝟗𝟓

𝟓.𝟑𝟐𝟒+ 𝟐𝟓 = 𝟓𝟓. 𝟒 + 𝟐𝟓 = 𝟖𝟎. 𝟒℃

(三)火場煙氣溫度

針對火場煙氣溫度(計算點)的平均溫度:

𝑻

= 𝑻

+ ∆𝑻

∆𝑻 =

𝒎̇×𝑪_𝒑

𝑸_𝑪: 火源釋熱率轉成對流熱部分: 取𝟎. 𝟕 × 𝐐 (0.7~0.6 之間) (單位:kw) 𝒎̇: 煙氣生成率(kg/sec)

𝑪_𝑷: 煙氣的定壓比熱(kJ/kg．K) 取 1.02

練習題 4:

如下圖所示，已知:Y 煙層位置點的煙霧生成率(質量流率)𝒎̇=80(kg/sec)，環境 溫度 30℃， 煙氣的定壓比熱: 𝑪_𝑷 = 𝟏. 𝟎𝟐(kJ/kg．K)，火源釋熱率 Q=5 MW，

其中𝟕𝟎%轉成煙氣的對流熱，請問火場煙氣的溫度=? (K)，此時煙氣的體積流 率=?(m³/sec)

𝒎̇

T1

Y (煙層位置點) Q To

輻射能回饋效應

滾燃(Rollover)

NFPA 定義 滾燃：來自於起火點、尚未燃燒的可燃物(熱裂解物質)，蓄積 於天花板且達到足夠的濃度(達到爆炸下限或以上)時，這些可燃物起火燃燒的 現象稱為滾燃。沒有引火物仍可能發生滾燃現象。

閃燃 (Flashover):

1.在 1960 年代英國科學家 Thomas 是全球第一位以“閃燃”(flashover)術語來描 述建築物火災成長中快速轉變的現象。

2.1968 年美國學者 Waterman 提出“閃燃”地面上所需輻射熱通量為 20 kw/m²， 當時是全球第一位量化“閃燃”發生的標準。

3.英國科學家 Thomas 亦於 1981 年提出了著名的 Thomas 閃燃公式 (Thomas’Flashover Correlation)

𝐐 = 𝟑𝟕𝟖𝑨

√𝑯

+ 𝟕. 𝟖𝑨

McCaffrey 閃燃的熱釋放率:

依據 McCaffrey 研究結果顯示，閃燃發生於室內溫度 500℃~600℃。

𝑸 = 𝟔𝟏𝟎(

𝒉

× 𝑨

× 𝑨

×

𝑯

Q:閃燃所需能量條件 (kw) 𝒉_𝒌: 牆壁熱傳係數=^{𝒌(熱傳導係數)}

𝜹(牆壁的厚度)

AT :室內全體表面積(需扣除開口面積)

NFPA 265 閃燃量化定義:

1. 上層煙氣之溫度達 500 至 600 ℃。

2. 火焰總釋熱率達 1MW。

3. 到達地板之熱通量為 20 kw/m²。 4. 火焰從門口竄出。

5. 地板上之紙張產生自燃現象。

練習題 4:

某居室的長寬高(6m×2.5m×2.6m)，有一開口寬 1 公尺，高 1.5 公尺，試依據 Thomas 公式，計算該居室發生閃燃所需的釋熱率=?(MW)

閃燃時間(F.O.T)

F.O.T 愈大，愈有利於避難逃生。

依據日本建設省建築研究所實驗結果，影響 F.O.T 最大之三種因素:

1.內部裝潢材料:

(1)使用裝潢材料之位置：裝潢材料中，影響最大之部位為天花板板面，其次 為壁面，影響最小者為地板面。

(2)裝潢材料之燃燒性：耐燃者 F.O.T 愈大.

(3)裝潢材料之熱傳導率：熱傳導率低之材料，由於保溫性良好，熱之擴散緩 慢，溫度顯著增高，縮短 F.O.T。

(4)裝潢材料之厚度：材料厚度愈薄者愈容易燃燒， F.O.T 愈小。天花板及牆面 部份使用耐燃、熱傳導率大且厚度大之材料，F.O.T 愈大。

2.火源大小

定義:可燃物表面積/室內全體表面積，火源愈小，F.O.T 愈大。

3.開口率

定義:開口面積/室內牆壁面積，開口率愈小，F.O.T 愈大，當開口率小至 1/16 以下時，則不易有 F.O 出現。

複燃(Backdraf):

的情況下，突然有大量的新鮮空氣湧入火場，導致高溫及燃燒不完全的可燃性 氣體，產生瞬間激烈的燃燒、爆炸現象稱為複燃(Backdraf)。

閃燃與複燃之差異

(1)在火場中，閃燃現象則較常發生，複燃現象發生的機率較少。

(2)閃燃則是火勢快速發展的一種現象，複燃現象為一種爆炸現象，其所釋放出 的能量常造成門窗的破壞。

(3)造成閃燃的原因則為熱，造成複燃發生的原因為空氣。

(4)火災發展過程中，閃燃僅可能發生在成長期，複燃發生在成長期或衰退期。

滾燃與閃燃之差異

綜上所述，二者之間差異點，分述如下：

(1) 滾燃是濃煙混合火焰向外擴展傳播。閃燃是全面的燃燒。

(2) 火場發生滾燃現象，消防救災人員應儘速進行射水降溫或排煙，閃燃一發 生，消防救災人員恐無生存希望。

(3) 滾燃是閃燃發生的前兆。

建築材料防火性

2020 年 4 月 26 日，台北市林森路錢櫃 KTV 發生火警，造成 6 人罹難、

67 人受傷，建築防災的安全議題再度被廣泛討論。回顧歷年災情，據消防署統 計，台灣 2017～2019 年平均每年發生 2 萬 7,084 次火災，類型以建築物火災、

森林田野火災為主，其中建築物火災最令消防員膽顫心驚的，是鐵皮屋大火，

往往因結構不穩固、耐燃等級低、金屬板易導熱造成高溫，容易加速火勢延 燒，燒破屋頂、門窗並導致建築因高熱變形而坍塌，也燒去寶貴的逃生時間；

一房難求的雙北市，大量木造隔間的違建出租套房，近年也火災頻傳，易燃材

質在 3～5 分鐘內快速燃燒，短短數分鐘幾乎令住戶措手不及，錯失最佳逃生

時間。其建材不耐燃，壓縮了逃生時間，建築材料的防火性已然是防災的重要 角色，如今政府、建築業界都積極推廣使用通過耐燃等級的防火建材，減少室 內可燃物，延緩火勢或讓火源熄滅，增加黃金逃生時間。

物質的熱慣性(kρC)

燃燒是物質外部供給之熱能，傳遞到物質內，提升其溫度，釋放出足夠的 可燃性氣體與氧結合達到燃燒界限濃度，進而發生燃燒之現象。代表物質熱傳 能力之熱傳導係數 k (thermal conductivity)、代表物質內部緊密程度之密度 ρ (density)以及代表物質儲存熱量能力之比熱容量(specific heat capacity) C 三者 之乘積，即為決定物質是否容易因受熱而燃燒的基準之一，通常稱之為熱慣性 (thermal inertia)或熱阻抗，其 kρC 值越高，物質內部越不容易被提升溫度，

需更多的能量才能被點燃，反之，物質的 kρC 值越低，物質內部越容易達到被

點燃之溫度。舉例來說，耐燃合板較聚苯乙烯更難被點燃，其原因在於耐燃合 板具有較高之熱慣性。於防火工程中也因此特性，而將物質之熱慣性視為防火 材料之選用標準之一下表所示:

聚苯乙烯及耐燃合板之熱慣性影響 kρC 之影響

國內法規對建築物之防火材料之使用依其規模、用途以及範圍等不同之 限制，期以防止火災之發生，分述如下: (一)防焰材料(二)耐燃材料(三)防火設 備（門窗）及構造材料。

(一)防焰材料

防焰材料泛指具有防止因微小火源而起火或迅速延燒性能的裝修薄材料類 或裝飾製品。消防法指定之防焰物品種類包括如下：

1.地毯：梭織地毯、植簇地毯、合成纖維地毯、手工毯、滿舖地毯、方塊地 毯、人工草皮與面積二平方公尺以上之門墊及地墊等地坪舖設物。

2.窗簾：布質製窗簾（含布製一般窗簾，直葉式、橫葉式百葉窗簾、捲簾、隔 簾、線簾）。

3.布幕：供舞台或攝影棚使用之布幕。

4.展示用廣告板：展示用合板或廣告用合板。

5.其他指定之防焰物品，係指網目大小在 12 公厘以下之施工帆布。

(二)耐燃材料

室內裝修材料在火災初期及高溫時，不易著火延燒，且發熱、發煙及有毒 氣體的生成量均有限者，可稱為「耐燃材料」。

室內裝修材料可分為「耐燃一級」、「耐燃二級」、「耐燃三級」材料及級外 材料（不符耐燃三級者）。營建署《建築技術規則建築設計施工編》，依序為

「不燃材料」、「耐火板」、「耐燃材料」。 1.不燃材料（耐燃一級材料）

(1).不燃材料係指混凝土、磚或空心磚、瓦、石料、鋼鐵、鋁、玻璃、玻璃纖 維、礦棉、陶瓷品、砂漿、石灰、矽酸鈣板及不因火熱引起燃燒、熔化、破裂 變形及產生有害氣體之材料。

(2).耐燃一級材料指火災初期，不易產生燃燒發熱及有害的濃煙及氣體，其單 位面積的發煙係數低於 30，同時在高溫下，不會具有變形、融化、龜裂等不良 現象之材料。

2.耐火板（耐燃二級材料）

(1).耐火板指木絲水泥板、耐燃石膏板。

(2).耐燃二級材料係指在火災初期時，僅會發生極少燃燒現象，燃燒速度極 慢，其單位面積的發煙係數低於 60，同時在高溫加熱下，不會具有變形、融 化、龜裂等不良現象之材料。

3.耐燃材料（耐燃三級材料）

(1).耐燃材料係指耐燃合板、耐燃纖維板、耐燃塑膠板、石膏板。

(2).耐燃三級料係指在火災初期時，僅會發生有限燃燒現象，燃燒速度緩慢，

其單位面積的發煙係數低於 120，同時在高溫加熱下，不會具有變形、融化、

龜裂等不良現象之材料。

耐燃等級由 CNS 14705 系列標準「建築材料燃燒熱釋放率試驗法」來判 定，用電熱器對材料施加 50kW／m²的輻射熱，測得建材的熱釋放率、煙產生 率和質量損失率，有助於量化建材的燃燒性或阻燃程度，以此判定建材的耐燃 等級。

在上述加熱條件下，耐燃一級是經過20 分鐘後，總熱釋放量低於 800MJ

／m²，最大熱釋放率無法持續 10 秒以上超過 200 kW／m² ，以及材料本身沒 有貫穿背面的龜裂和孔洞；耐燃二、三級規範相同，只是加熱時間分別縮短為 10、5 分鐘。

上述管制建築物室內裝修材料的熱釋放率，有助於延遲火災的成長速度。

營建署《建築技術規則建築設計施工編》第八十八條也針對不同空間類型，規 定其建築物室內裝修材料的耐燃等級。

以為數最多的住宅為例：

＜必須使用耐燃一級＞：逃生必經路線（門廳、走廊、安全梯間、緊急升降機 之排煙室）；存放危險物品的空間。

＜須使用耐燃二級以上＞：使用燃燒設備的空間（如廚房）；11 層以上的居 室；無窗戶居室；地下層。

＜未限制耐燃等級＞：住宅裡的浴廁、陽台、儲藏室等非居室空間，裝修材料

則不受限制。

使用部位之優先順序:

依據火災成長過程，耐燃材料使用位置依序為，第一天花板，第二上部壁 面，第三為下部壁面，第四為地板面。所以儘可能將最耐燃材料、厚度較厚之 材料優先於天花板，上部壁面等室內高處位置使用。

室內裝修選擇符合耐燃等級的材料更能保障人身安全，增加火災發生時的 黃金逃生時間。

(三)防火設備（門窗）及構造材料

為防止火災產生之延燒及利於逃生，除對特殊用途的建築物室內裝修材料 加以限制外，同時規定建築物應具防火區劃，以提高建築物之公共安全。防火 區劃的構成係指具防火時效的防火構造及防火門窗。防火構造主要包括柱、

樑、牆、樓地板、屋頂部份及樓梯等構造，所謂防火時效係將試驗構體置於模 擬火場之燃燒溫度下，檢視構體足以負荷載重應力且未破壞之可燃時間。以下 就防火構造、防火門窗之種類與定義加以說明。

1.防火構造：

根據建築技術規則建築設計施工編，其樓層在三層或面積超過 300 平方公 尺以上之建築物，應為防火構造建築物或防火建築物。防火構造之建築物的主 要構造（包括柱、樑、牆、樓地板及屋頂部份）及樓梯構造，至少應符合建築 技術規則建築設計施工編第七十條規定的防火時效及構造。此外，對建築物之 柱、樑、牆壁及樓板等主要構造，分別為 1/2、1、2、3 小時防火時效之構造。

2.防火門窗：

依建築技術規則規定，建築物於避難通道或避難出入口處等防火區劃開口 處應設防火門窗等防火設備。另依設計施工編第七十六條，防火門窗係指防火 門及防火窗，其組件包括門窗扇、門窗樘、開關五金、嵌裝玻璃、通風百葉等 配件或構材；防火門窗是防火組件系統，並非單一構材各自認可驗證。

依建築技術規則規定，所謂「阻熱性」，係指在標準耐火試驗條件下，建 築構造當其一面受火時，能在一定時間內，其非加熱面溫度不超過規定值之能 力。凡經由經濟部指定認可的實驗室，依中華民國國家標準 CNS 11227/A3223 防火門耐火試驗法測試合格，並取得經濟部標準檢驗局核發驗證登錄證書及授 權標識者，稱之為防火門。且視防火門試體加熱試驗結果，符合「加熱試驗中 試體最高非加熱面溫度未超過 260℃」條件者，視為具阻熱性（A 種）防火 門；否則視為不具阻熱性（B 種）防火門。一般消費者在室內裝潢時，選購類 似產品，也可從防火門本體上的「建築用防火門驗證登錄 商品檢驗標識」加 以判讀。

例如: f（60A）表示具有 60 分鐘防火時效且具有 60 分鐘阻熱性；f（60B）

表示具有 60 分鐘防火時效但未具阻熱性。依此，可分為「半小時防火時效

防火填塞(防火阻絕)應用場合，如下圖:

示:

（30B）」、「1 小時以上防火時效（60B）」、「1 小時以上防火時效及半小時以上 阻熱性（60B+30A）」、「1 小時以上防火時效及阻熱性（60A）」、「2 小時以上防 火時效（120B）」等五種等級。

3.貫穿部位防火構造：

貫穿防火區劃牆壁或樓地板之空調風管、管路管線（如電力管線、通訊管 線及給排水管線或管線匣等），應在風管內貫穿部位裝設具防火時效之防火閘 門或閘板，或在管路管線貫穿部位使用適當之防火填塞(防火阻絕)材料（Fire Stop）以維持防火區劃構造的完整性。依建築技術規則規定，防火閘門或閘板

為1 小時以上防火時效之防火組件，貫穿部的防火填塞材料，分為「1 小時防

火時效」、「2 小時防火時效」兩等級。

金屬管穿牆處填塞工法

風管貫穿防火區劃處設置防火閘門