1

中華民國一百零七年五月

Vol. 27, No. 2

2

燃 燒 季 刊 Combustion Quarterly

第二十七卷 第二期 中華民國一百零七年五月出版

Vol. 27, No. 2 May 2018

目 錄

CONTENTS

編輯札記 3

蔡匡忠、侯順雄

隧道火災中水霧與排煙系統影響之研究

4 鐘偉庭、曾子彥、蔡匡忠

以紋影光學系統探討高大建築物自然式排煙系統之氣流分佈

11 蘇崇輝、王煊丞、楊咏璋、郭定睿

臺北車站火災安全性能量化評估 23 吳貫遠、簡賢文

一般居室火災爆燃現象成因分析 43 吳佳隆

創新油槽火災滅火藥劑:漂浮珍珠石顆粒及對 boilover 之抑制成效研究

62 曾子彥、蔡匡忠

油盤尺度對重油露天燃燒火焰行為及逸散污染物特性影響

鄭立新、蔡匡忠、黃麗珍、葉旗福、曾姿萍、陳明仁 71

徵稿說明 83

3

編輯札記

防火/消防一直是燃燒領域中重要的研究及應用項目，防火/消防與燃燒雖然

均探討同一主角：「火」，但分析方式截然不同。防火/消防探討人類不要的火

(unwanted fire)，燃燒學則多鑽研如何更有效益地使用人類所要的火(wanted fire)，

因此防火/消防所探討的火常有數種燃料同時出現，且燃燒的範圍亦隨時間改變；

更因為災害會造成人員或財物損失甚至結構體的破壞，因此防火/消防研究常加

入人員避難及結構火害議題。

本期燃燒季刊為以防火/消防為主題之特刊，為使本特刊能彰顯防火/消防之

特色，在邀稿時我刻意選擇我國及世界各國刻正面對的防火/消防應用課題，而

不鎖定火災相關基礎研究，主題包括1.蘇花改公路隧道因是我國第一次採用水霧

系統之隧道，因而衍生的隧道火災水霧及排煙相互影響之議題、2.建築物綠建築

設計概念下與火災設計之競合議題，談室內通風與排煙設計之衝突及紋影光學分

析法、3.複雜空間之消防及避難設計常需導入風險評估概念，談台北車站火災安

全性能之量化評估，包含結構物火害風險、4.消防救災人員最不想遇到的火災現

象是爆燃(backdraft)，談最新研究發現、5.油槽萬一發生火災，最嚴重的狀況是

Boilover，介紹創新油槽火災滅火藥劑：漂浮珍珠石顆粒、6.火災時常以救災為

先，談火災發生時造成空氣污染問題。

期望藉由本特刊之出版，讓國內wanted fire 及unwanted fire 之研究同仁有更

多交流，以促進未來更多的合作。

副總編輯 蔡匡忠 總編輯 侯順雄

4

隧道火災中水霧與排煙系統影響之研究 The interaction of water spray and ventilation in tunnel fire

鐘偉庭 1、曾子彥 1、蔡匡忠 2

Wei-Ting Chung1, Tzu-Yan Tseng2, Kuang-Chung Tsai3 國立高雄科技大學

Department of Safety, Health and Environmental Engineering, National Kaohsiung University of Science and Technology

摘要 長隧道因其地下化、密閉性之特殊空間發生火災時火災溫度易急遽升高以及搶救不

易。本研究進行全尺寸隧道火災實驗，在長 88 m 寬 10 m 高 8 m 隧道內，以 1 m2、4 m2、9 m2庚烷油盤對應火災規模為 2.5 MW、10 MW、25.7 MW 作為實驗火源，並設計兩種通風風速 1.5 m/s、2.5 m/s，以及水霧系統進行實驗，探討在不同通風條件下水霧系統對於隧道火災之效應。實驗發現通風及水霧系統皆開啟之狀態能有抑制火災初期成長以及

冷卻火場溫度與熱通量，保護隧道結構以及營造出利於逃生者之避難環境及爭取搶救時

間。

關鍵字：全尺度隧道火災實驗、水霧系統、通風系統

Abstract An experimental study of tunnel fire with both longitudinal ventilation and water

spray systems were conducted in Taiwan. The tunnel was 88 m long, 10 m wide and 8 m high. The fire used was heptane, and poured in 1, 4 and 9 m² fuel pans. The ventilation system can produce cross-sectional air flow with velocity of 1.5 m/s or 2.5 m/s. The water spray system can produce distributed water with volume per minute and unit area of 6 L/min*m². Four fire scenarios were applied, free burning, with water spray system, with ventilation system, and with both ventilation and water spray system. The data show that the ventilation system can strongly decreased the temperature and heat flux near fires, and can make a safe environment for evacuators and fighters. The water spray system even enhanced the performance of ventilation system. Additionally, the ventilation can reduce the temperature of tunnel structure, although the ceiling temperature downstream of the fires was still high. The water spray system can help decreased the downstream temperature of tunnel structure. Furthermore, the ventilation system can prevent the flame spread through vehicles.

Keywords: Road Tunnel, Tunnel Ventilation, Water spray system 1 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系(所)，博士 2 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系(所)，博士 3 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系(所)，教授，

E-mail: tsaikc@nkust.edu.tw

5

一、 前言 我國交通運輸需求增加與均衡區域發展之整體目標，近二十年來已興建（或

正計畫興建）數條公路隧道，長度甚至大於五公里之長隧道。然而長隧道若發生

火災，因其地下化、密閉性之特殊空間以及長隧道多興建於偏遠山區之故，除救

援可及性差，及時性不佳外，濃煙蓄積隧道內部[1、2]，隧道內部溫度急遽升高

[3、4]，且疏散困難、搶救不易，這些特性均阻礙初期應變。

1990年代歐洲即發生數起公路隧道重大火災事故，對人命及社會經濟造成嚴重之損失；我國去年五月雪山隧道火燒車意外雖造成二人因車禍喪生，其他用路

人均安全避難。我國自雪山隧道興建以來，即以高規格設計需求進行隧道火災消

防安全設計，然而在這二十年間隧道火災研究已累積許多研究成果，且消防設計

日新月異，多以「性能式設計」(performance-based design)方式，並參閱「蘇花改長隧道火災安全防護設施設備之設計原則」[5]內之公路隧道火災性能驗證基準指標(如表1)以達安全性能需求。

表 1.公路隧道火災性能驗證基準指標[5] 驗證

指標 模擬點位

模擬

參數

安全

臨界值

用路人

避難

安全性

距隧道底面高 1.8 公尺

火場

溫度

6

9m²三種正方形油盤對應火災規模分別為2.5 MW、10 MW、25.7 MW，水霧系統(啟動/關閉)、排煙系統(1.5 m/s、2.5 m/s)，共進行13組實驗(如表2)。

表 2.實驗變因表

火源

規模

水霧系

統 通風風速

1 m2

無 無(free burning)

1.5 m/s 點火後 3分鐘撒

水

無

1.5 m/s 2.5 m/s

4 m2

無 無(free burning)

1.5 m/s 點火後 3分鐘撒

水

無

1.5 m/s 2.5 m/s

9 m2

無 無(free burning) 點火後 3分鐘撒

水

無

2.5 m/s

2.2 水霧系統 本研究所使用之水霧系統設備之撒水頭規格為標準放流水壓力0.35 MPa、標

準放流水流量250 L/min、撒水頭裝置有效高度3~20 m、有效放水範圍40 m²，撒水系統包含撒水頭、消防管線、一齊開放閥、控制盤、火焰探測器。

使用10顆撒水頭設置於隧道之側牆高度4.5處，每顆撒水頭間隔為5 m，放水模式為手動放水，實驗點火後180 s時開啟水霧系統抑制火焰成長，當燃料消耗殆盡後即關閉水霧系統。 2.3 通風系統

利用全斷面排煙風機系統，將該排煙風機系統設置於隧道口，排煙風機啟動

後產生之氣流「均勻分布」於整個隧道斷面往下游移動。本研究設計通風風速為

1.5 m/s 及2.5 m/s，由12台風機所組成如圖3所示，本研究在實驗進行前須進行風速測定校正，確認隧道全斷面風速為「均勻分布」始得進行實驗。

7

圖1.全斷面通風系統

2.4 實驗儀器配置 本研究所設置之實驗量測點主要依據「公路隧道火災性能驗證基準指標」內

之安全基準所設置，圖2為實驗儀器配置圖，量測項目為溫度及輻射熱通量，使用之設備分別為K-Type熱電偶、熱通量計、閉錄式攝影機、雷射式煙層量測儀。

圖2.實驗儀器配置圖

三、結果與討論

3.1 隧道結構完整性 圖3分別為火源上方天花板以及火源上游5 m天花板、下游5 m天花板之溫度，

從實驗結果可觀察到在9 m²油盤「自由燃燒」之情境下，隧道天花板溫度都超過「隧道結構完整性」之安全臨界值500 ℃，在「開啟通風系統」之情境下觀察到通風系統明顯的降低隧道天花板溫度，至「隧道結構完整性」之安全臨界值500 ℃以下，在「開啟水霧系統」之情境下在180秒前之溫度曲線與「自由燃燒」之溫度曲線相似，但在180秒開啟水霧系統後，溫度抑制至安全臨界值500 ℃以下，然而「通風及水霧系統皆開啟」之情境下降低天花板溫度效果最佳，可避免隧道

8

結構遭受破壞。

圖3. 9 m2油盤燃燒之隧道天花板溫度

3.2 用路人避難安全性 「公路隧道火災性能驗證基準指標」中用路人避難安全性之臨界溫度為60

℃，因指標中並無明確說明此臨界溫度與火源之距離，故本研究探討距火源最近

之上游5 m量測點，圖4為9 m2油盤之火源上游5 m高度1.8 m之溫度，在「自由燃

9

燒」實驗時，溫度約達180 ℃，在只「開啟通風系統」之情境下觀察到通風系統可將帶有高溫之濃煙吹往火源下游使火源上游溫度降低，在「啟動水霧系統」情

境中當開啟水霧系統後因水霧可冷卻火場溫度，溫度曲線明顯下降至40 ℃，在「通風與水霧系統」皆開啟狀態下通風系統明顯抑制了上游火場溫度，其降溫幅

度最大。

圖4.火源上游5 m高度1.8 m之溫度

3.3 火勢延燒 在火源上游5 m各油盤實驗之熱通量值均不超過火勢延燒之安全臨界值12.5

kW/m2，並無火勢延燒之疑慮。

圖5.火源上游5 m高度1.5 m之熱通量

四、結論 1. 對於隧道結構而言通風與水霧系統皆開啟之情況下，能夠抑制火源上方天花

板溫度以及有效冷卻下游天花板溫度避免隧道結構遭受破壞。 2. 通風及水霧系統可有效抑制火場溫度及熱通量，冷卻火源上下游火場溫度營

10

造出良好避難環境，以及降低上下游之熱通量，避免火勢延燒、以及提升消

防救援可及性。 3. 水霧系統能抑制火場中溫度及熱通量，雖開啟水霧系統後因天花板濃煙迅速

被帶下至高度1.8 m處造成可視度降低但仍符合公路隧道火災性能驗證基準指標之安全臨界值10 m。

五、參考文獻 1. Se, Camby M.K., Lee, Eric W.M., Lai, Alvin C.K., Impact of location of jet fan

on airflow structure in tunnel fire, Tunnelling Underground Space Technology, Vol. 27, pp.30-40, 2012.

2. Hu, L.H., Huo, R., Wang, H.B., Yang, R.X., Experimental and numerical studies on longitudinal smoke temperature distribution upstream and downstream from the fire in a road tunnel, Journal of Fire Sciences, Vol. 25, pp.23-43, 2007.

3. Yao, W., Zhang, J., Nadjai, A., Beji, T., Delichatsios, M., Development and validation of a global soot model in turbulent jet flames, Combustion Science and Technology, Vol. 184, pp.717-733, 2012.

4. Yao, W., Zhang, J., Nadjai, A., Beji, T., Delichatsios, M., A global soot model developed for fires: validation in laminar flames and application in turbulent pool fires, Fire Safety Journal, Vol. 46, pp.371-387, 2011.

5. 簡賢文，蘇花改長隧道火災安全防護設施設備之設計原則。

11

以紋影光學系統探討高大建築物自然式 排煙系統之氣流分佈

Air distribution of the tall building with a natural smoke exhaust system using Schlieren photography technique

蘇崇輝 1、王煊丞 2、楊咏璋 3、郭定睿 4 Chung-Hwei Su1, Xuan-Cheng Wang2, YongZhang Yang3, TingJui Kuo4

國立高雄科技大學 環境與安全衛生工程系(所) Department of Safety, Health and Environmental Engineering,

National Kaohsiung University of Science and Technology, Kaohsiung City, Taiwan

摘要 良好通風為永續建築物要件之一。惟，火災時的消防安全也應納入考量。高

大的空間內部氣流分布較為複雜。無論於平常或是火災時，對於高大空間內氣流

分布的瞭解均為一重要的課題。自然排煙方式具有一些優點，包含低投資成本、

無須動力即可運轉，及後續維修及保養費用低廉等。本研究之目的在於利用紋影

光學系統與熱電偶，利用無煙蠟燭進行 1/12.5 模型實驗。實驗成果不同於一般電腦模擬或以煙霧間接方式量測，而可立即、直接與準確地紀錄熱氣流的流動。

關鍵字：紋影光學系統、高大建築物、自然式排煙系統、模型實驗、氣流分析

Abstract Effective ventilation is one of the elements in the sustainable buildings. However,

fire safety in fires should also be considered. The air distribution in the large space is complicated. The analysis of airflow in the large space is an important issue whether in normal or fire situation. Natural smoke extraction approach has several advantages, including low investment cost, operating without electricity, and low repair and maintenance costs. The purpose of this study is to analyze the hot airflow use Schlieren Photography technique and the thermocouple. In 1 / 12.5 model, smokeless candles were burned to produce hot air flow. Unlike computer simulation or indirect measurement in tracer smoke, the results of the experiment show immediately, directly and accurately record the track of hot airflow. Keyword: kinetics, methane, bottom blowing, coolant, steelmaking

1 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系，副教授 2 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系，研究助理 3 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系，研究助理 4 國立高雄科技大學環境與安全衛生工程系，研究助理，

E-mail: derickuo2000@gmail.com

12

一、研究動機 1.1 高大建築物之氣流特性

一些工廠建築物因為產品特性或製程需要而具有較高的空間，例如機械設備

組裝業或金屬加工業等。高大的空間因具有較高的屋頂與較大的跨距，內部氣流

分布因此較為複雜。加上熱源分布不均，如地面層的設備發熱，上方屋頂的日照

等，空間內部將有氣流分層現象(stratification phenomenon)。一些研究利用數值分析方式探討內部氣流分布，例如空調建築物內部的氣流場和溫度場[1-3]。

當火災發生後，高大建築物內部將產生明顯的煙囪效應(stack effect)，並受補氣效應(make-up effect)影響[4]。無論於平常或是火災時，對於高大空間內氣流分布的瞭解均為一重要的課題。

1.2 自然通風與排煙 火場中濃煙(smoke)是造成人員致命的因素之一。煙的危害主要為具有高溫、

毒性及遮蔽的特性。如何進行有效排煙，為建築物興建時即須規劃的重要事項。

近年來工程界逐漸注重環境和節能，因此利用煙囪效應來實行自然通風概念已應

用在許多挑高建築物中，如圖 1 所示[5]。當發生火災事故後，可以自然通風方式轉換成自然排煙。

圖 1.自然通風概念

自然排煙方式具有一些優點，包含低投資成本、無須動力即可運轉，及後續

維修保養費用低廉等[6]。依據台灣地區「各類場所消防安全設備設置標準」規定，排煙口的開口面積須為防煙區劃面積之百分之二比例以上，並以自然方式直

接排至戶外。法條規定，當排煙口無法以自然方式直接排至戶外時，應設置排煙

機[7]。

1.3 研究目的 現行消防安全設備有關設計與查核方式僅為檢查開否面積是否符合規定，至

13

於是否能有效排至戶外，卻較少關注於其中。由於濃煙係由氣流的流動，加以帶

動而排除。有效掌握火場熱氣流的流動方式，將可以獲得濃煙的有效控制。本文

利用紋影光學系統作為研究工具，利用可視化方式探討挑高建築物不同進氣口位

置，造成熱氣流的分布為何。

二、研究方法 2.1 模型實驗理論

火場中的燃燒反應，因化學反應十分複雜，常無法僅由理論分析獲得正確的

解答。許多問題仍然要依靠實際的實驗進行印證。然而，進行全尺寸的實驗將花

費可觀的時間與費用。如果能以較短的實驗時間及較少的實驗費用，透過歸納分

析的經驗公式(Empirical Formula)，與數學推導出的公式做結合，將可以解決流體力學分析的問題。

一般的實驗室會以相似理論(Similarity Law)，利用模型模擬實際的流動狀態。在實驗中選擇適當比例的模型相當重要。要將實際煙流的流動狀態轉換成縮小模

型的相關縮小尺度法則(Scaling Law)有 Analog Modeling, Pressure Modeling, and Froude Modeling 等三種計算方法 [8]。Analog Modeling and Pressure Modeling 這兩種方法在模型的製作上需要有相當成熟的技術和成本上的考量，因此多數的研

究採用 Froude Modeling 為基礎的縮小模型，用於模擬熱煙的流動狀態。 在使用縮小模型獲得最佳與最真實的流場模擬，以準確的預測全尺度的部份

流場現象。但比例過大的模型將會使結果失真。本研究考慮準確性，以 1:12.5比例的模型進行實驗量測的對象[9]。模型的參數與全尺度的參數對應請參考表1。

表 1.縮小比例法則 Parameter Scaling Geometry Xm = Xf ( lm / lf ) Velocity Vm =Vf ( lm / lf )1/2

Time tm =tf ( lm / lf )1/2 Temperature Tm= Tf

Density ρm =ρf Pressure Pm =Pf ( lm / lf )..

Convective heat release rate Qm =Qf ( lm / lf )

5/2

The ratio between prototype and model lm : lf

2.2 紋影光學技術 光學可視化技術(Visualizing technology)為流體可視化實驗中常使用的一種

不破壞流體現象的非侵入式技術，利用光來通過不同的氣相介質，介質密度不同，

折射率也因而改變，折射現象使其產生明暗對比不同的影像，使人們能以視覺的

方式來觀察流體圖像。光學成像技術有影圖法(shadowgraph method)、紋影法

14

(Schlieren Photography)及全像干涉術(optic holography)等。 紋影法歷史悠久，1864 年 August Toepler 等人以當時較為進步的儀器取得一

維流場的黑白畫面。1981 年 G.S. Settles 以 RGB 三顏色環的彩色濾光片來取代刀片使其產生彩色的影像，紋影技術進而跨入具色彩的階段[10]。1999 年 G.P. Mercier 及 Y. Jaluria 利用模型的方式來搭配纹影技術，對梯間倉庫及住家大門進行火災時熱對流及熱傳導影響進行研究[11,12]。紋影法是利用光線與流場之間折射率的一次導數變化之方式，如公式(1)與(2)[13]：

dxdl ρ∝ (1)

ρ∝−1n (2)

其中，l: 光強度，ρ: 物質密度，n：折射率。

不同於僅在光線垂直方向顯現明暗對比之方式。現行技術可利用纹影法在屏

幕上讓流場顯現更為清晰與靈敏。常見的紋影法主要為單鏡式紋影法與多鏡式紋

影法，單面鏡紋影法與雙面鏡紋影法其原理如圖 2(a)與(b)所示。本次實驗以單面鏡紋影法，以一白色 LED 光線為光源射向方形凹面鏡，光線經由凹面鏡反射後會形成一焦點，將攝影設備上架設之刀口位置準確放置於此焦點位置，以屏幕接

受，形成影像。

圖 2(a).單面鏡紋影法原理圖

圖 2(b).雙面鏡紋影法原理圖

15

不同於一些研究以電腦模擬進行分析，或某些實驗以煙霧作為示蹤粒子，間

接觀測氣流的流動。本研究採用的紋影系統可直接、立即、準確獲得氣流場的分

布現象。

三、實驗設備 3.1 儀器說明

本研究採用之設備說明如下：

(1) LED 光源：以 LED 手電筒在其燈源位置加上一外蓋，並在外蓋上開孔直徑

1mm，作為穩定光源。

(2) 無煙蠟燭：以無煙茶燭作為火源。

(3) 方形凹面鏡：尺寸為 736mm(W)x 838mm(W)。面鏡焦距為 3100mm。如圖

3(a)。

(4) 彩色濾光片：使用彩色濾光片，使影像能呈現顏色之變化。

(5) 數位攝影機：在實驗中拍攝紋影之影像設備。

(6) 熱電偶溫度量測設備：實驗中量測每一探點之溫度變化設備。如圖 3(b)。

(7) 木板：用來封閉開口，能使玻璃模型具有多變的組合。

圖 3(a).系統架構

16

圖 3(b).溫度紀錄器

3.2 模型幾何尺寸 本研究模型以厚度 5mm 之玻璃所組成，並以矽膠黏著固定，具有良好之氣

密性。依各案例實驗需求，以木板封閉特定模型開口。如圖 4。 模型內各尺寸的標示如圖所示。對應之實體建築物如表 2 所示。不同案例之

符號說明如表 3。溫度測量方式以熱電偶線組架設測量。實驗過程避免熱電偶線貼附於玻璃牆壁、導致量測誤差。

圖 4.模型幾何尺寸

17

量測點分別為模型頂端之開口處 CH13，左側與右側之門 CH4~6、CH10~12(高度:0cm、8cm、16cm)，窗 CH3、CH9(高度:26.5cm)、排煙口 CH1~2、CH7~8(高度:72cm、80cm)、室溫 CH14~15，共 15 點測量點。從測量點取得之數據可分析不同實驗案例時各開口處溫度變化。

表 2.實體建築物對照表 原型(m) 模型(m)

高度 10 0.80 寬度 8 0.64 門高 2 0.16

排煙窗 淨高 1 0.08

比例：1/12.5

表 3.案例符號說明 符號 說明

O opening for smoke extraction

I inlet for make-up air

l left side

r right side

四、實驗結果與討論 4.1 熱電偶溫度

由圖 5(a)至(c)顯示三組案例溫度。由圖表看出穩定時間。案例 OrIl 穩定時

間約在 45 秒後，案例 OlIl 在 60 秒之後穩定，而案例 OrIlr 則是在實驗初期就趨

於穩定。在後續數據分析中觀察穩定數據，將選擇 60 秒後之實驗數據為參考基

準。

由圖形顯示的溫度可明顯發現，案例 OrIl 高溫平均約為 45 度、案例 OlIl 最

高溫為 50 度以上，而案例 OrIlr 則約只有 35 度，由此可發現雙入口之內部溫度

明顯較低，而單入口建築物內部溫度明顯偏高。圖 6(a)至(c)以溫度為橫軸，對應

高度為 Y 軸，可發現溫度分佈關係。案例 OrIL 與 OlIl 顯示溫度明顯蓄積，而案

例 OlIlr 相對地較為平均，集中於上方後往右側流動。

由圖表可以得知整體穩定時間約在 60 秒，因此選擇 60 秒作為代表性數據進

行三組實驗曲線合併比較。由圖形可以發現 OrIl 與 OlIl 底部溫度明顯高於案例

OrIlr，再次驗證 OrIL 與 OlIl 內部溫度明顯蓄積。

18

結果顯示雙入口的案例 OrIlr 溫度明顯較低但溫度會蓄積於頂部在流向出氣

口處，而單入口進氣，另一側無入口區域上方之人員會遭受到非常高溫的煙氣，

且煙氣會蓄積於建築物內部，使建築物內部之溫度上升至人無法忍受的高溫，造

成人員逃生上的阻礙。

圖 7(a)至(c)顯示各個案例的紋影圖形。

圖 5(a).案例 OrIl 之熱電偶溫度變化圖

圖 5(b).案例 OlIl 之熱電偶溫度變化圖

19

圖5(c).案例OrIlr之熱電偶溫度變化圖

圖6(a).案例OrIl_右側壁面溫度分布

圖 6(c).案例 OlIlr_左側壁面溫度分布

20

圖7(a).案例OrIl紋影圖像 圖7(b).案例OlIl紋影圖像

圖7(c).案例OrIlr紋影圖像

以溫度為橫軸，對應高度為 Y 軸，可發現溫度分佈關係。案例 OrIL 與 OlIl顯示溫度明顯蓄積，而案例 OlIlr 相對地較為平均，集中於上方後往右側流動。

五、結論 火場中之濃煙往往造成嚴重的災害，尤其像是高大型建築物內具有一些可燃

物質。因內部空間大，加上人員眾多，如排煙系統設計不良，將無法有效排除濃

21

煙，阻礙人員及時逃生。因此建築物之煙控設計對於消防安全來說是相當的重

要。 現行消防安全設備有關設計與查核方式僅為檢查開否面積是否符合規定，至

於是否能有效排至戶外，卻較少關注。由本研究之紋影影像可以明顯顯示熱氣流

流動狀況。利用紋影法來拍攝建築物模型內部熱流，能將一般肉眼無法看見之熱

氣流動可視化，即能加以判斷其當下燃燒時之動態趨勢。本研究另以熱電偶比較，

發現趨勢十分相近。本研究證明紋影光學法具有直接、即時與準確分析熱氣流流

動的特點。 另外實驗結果也發現，建築物內部之溫度具有在很大程度上受到通風之入口

面積比率，入氣口表面積越大，能使內部溫度越低。因此結果也顯示出，對於火

災之人員安全，以雙入口之熱蓄積來說，是相對安全的。而出氣口與入氣口位置

也與建築物熱蓄積有一定的關係，對於消防安全來說，是值得再去做更深入探討

的議題。

六、致謝 本文承蒙科技部研究計畫編號： MOST 102-2221-E-327 -039 -MY3之經費補

助得以順利完成，特此感謝。

七、參考文獻 1. Li Xiaodong, Gao Jun, Xu Shijie, Numerical Simulation and Discussion on

Stratified Air Distribution in Large Spaces. Building Energy and Environment, 2004.

2. Ding, W., Hasemi, Y., Yamada, T., Natural ventilation performance of a double-skin façade with a solar chimney, Energy and Buildings, Vol. 37(4), pp.411-418, 2005.

3. Sebzali, M. J., Ameer, B., Hussain, H. J., Comparison of energy performance and economics of chilled water thermal storage and conventional air-conditioning systems, Energy and Buildings, Vol. 69, pp.237-250, 2014.

4. Shi, W. X., Ji, J., Sun, J. H., Lo, S. M., Li, L. J., Yuan, X. Y., Influence of fire power and window position on smoke movement mechanisms and temperature distribution in an emergency staircase. Energy and Buildings, Vol. 79, pp.132-142, 2014.

5. Minegishi, Y., Wenting, D., & Hasemi, Y., Stack Effect Control as a Driving Force for Natural Ventilation and Smoke Control, A-A, 37500(22500), 15000.

6. 楊冠雄，大空間建築自然煙控設計之全尺度實驗與驗證，內政部建築研所專題研究計畫報告，92 年。

7. 內政部消防署，各類場所消防安全設備設置標準.編輯委員會，2013.5.

22

8. Klote, J. H., & Milke, J. A., Principles of smoke management (p. 377). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.

9. 以縮小尺度模型實驗印證反算法在預測火災發生地點與熱釋放率之準確度. 計畫編號: NSC94-2211-E327-008. pp.9408- 9507, 2002.

10. Settles, G. S., Color schlieren optics-A review of techniques and applications, In International Symposium on Flow Visualization, pp. 187-197, 1981.

11. Su, C. H., Ke, Y. P., Chow, W. K., Hsu, M. C., Application of Schlieren Photography to Study Neutral Plane in a Compartment Fire With Scale Models, In ASME 2013 Heat Transfer Summer Conference collocated with the ASME 2013 7th International Conference on Energy Sustainability and the ASME 2013 11th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology (pp. V002T05A011-V002T05A011). American Society of Mechanical Engineers, 2013.

12. Su, C.H. and Bai, J.H., Measurement of the neutral plane of an internal fire whirl using the background-oriented Schlieren technique for a vertical shaft model of a high-rise building, Measurement, Vol. 78, pp.151-167, 2016.

13. C.C. Ting, Stromungs- und Warmeubergangsmessung fur daszweistufige Raumtransportsystem ELAC, Verlag Mainz, Wissenschaftsverlag, Aachen, Germany, 2003. ISBN: 38-86130-189-X.

23

臺北車站火災安全性能量化評估 Quantitative fire safety risk assessment of Taipei station

吳貫遠 1、簡賢文 2 Guan-Yuan Wu, Shen Wen Chien, Yuan-Shang Lin

中央警察大學消防學系(所) Department of Fire Science, Central Police University

中央警察大學防災研究所 Graduate School of Disaster Management, Central Police University

摘要 台北捷運是台北主要的運輸系統，每日運輸量高達 40 萬人次以上。又加上

台北車站是一三鐵共構的場站，其特殊之環境特性及密閉構造，於發生火災時，

現場火勢所造成的高溫往往超過 1000℃，造成部份隧道結構體崩坍及旅客生命的危險。當火勢發展至最盛期時，會增加火災猛烈度及場站空間結構抗火失敗的

機率。因此，實有必要針對此空間，受火害後結構抗火失敗之機制與機率，做深

入的研究。本研究探討台北車站捷運月台層的結構抗火性能驗證，並依據結構抗

火失敗之三個機制(穩定性、隔熱性及完整性)，以可靠度設計為理論基礎，合理引用文獻中的相關數據資料，建構月台層結構抗火失敗機率之預測模式。文中亦

比較不同的評估公式，並運用蒙地卡羅模擬方法與一階二次矩分析結構抗火系統

之功能表現，以評估結構抗火失敗的機率。此外，本文使用火災模擬軟體(FDS)，建立三維結構空間並模擬不同的火災情境。模擬的結果可檢驗溫度是否會對結構

產生危害及煙流是否造成人命的危害。最後，本研究提出一些研究建議，供消防

實務界及後續研究者參考。

關鍵字：台北捷運、性能函數、結構抗火、蒙地卡羅模擬方法、一階二次矩、FDS

Abstract Taipei MRT is the principle means of transportation with over 400,000

person-times a day. In addition, there are three different transportation systems merged in the underground Taipei Main Station which has special environmental characteristics and enclosed structure, fires on the scene bring about over 1000 ℃ which can influence structure collapse and passengers’ safety. When a fire reaches fully-developed phase, it increases not only the fire severity but the probability of failure of structural fire resistance. As a result, it is essential to study the mechanism 1 中央警察大學消防學系(所)，教授，E-mail: una210@mail.cpu.edu.tw 2 中央警察大學消防學系(所)，教授 3 中央警察大學防災研究所，教授

24

and probability of failure of structural fire safety. The objectives of this paper are to discuss the validations of structural fire resistance of Taipei main station's platform storey in Taipei Metropolitan Rapid Transit system. Moreover, based on the reliability-based design and three mechanisms of structural fire resistance namely, stability, insulation and integrity, as well as the literatures and data from related documents, this study brings up the model for predicting the failure probability of performance functions of fire resistance in platform storey. Different formulas are compared in this study. Monte Carlo Simulation and First Order Second Moment are employed to analyze the system performance of structural fire resistance and estimate the failure probability of structural safety.

In addition, this study utilizes Fire Dynamic Simulator(FDS) software to construct the model with three dimensions and different fire scenarios. The simulation results show if the fire temperature would threaten the structure, the smoke would endanger passengers’ life. Finally, several suggestions are presented in this study. Some ideas for fire officers and future study for fire researchers are recommended.

Keyword: Taipei Metropolitan Rapid Transit system, Performance function, Structural fire resistance, Monte Carlo, First Order Second Moment, FDS

一、前言 台北車站為台灣鐵路管理局縱貫線、台灣高速鐵路、台北捷運藍線與紅線的

鐵路車站，不但是台灣最繁忙的車站，也是目前大台北地區最大的交通樞紐。對

地下空間之運輸系統而言，累積至今的經驗明白指出，由於人為或非人為因素的

影響，造成系統中斷的情形屢有所聞，例如 2003 年 2 月 28 日，南韓大邱廣域市的地鐵車站因為人為縱火而產生火災，12 輛車廂被燒毀，198 人死亡，146 人受傷。由國外以往的案例中可瞭解，當定軌運輸系統地下化因各種事故發生火災時，

由於其特殊之環境特性及密閉構造，使得現場火勢所造成的高溫往往超過 1000℃，造成部份地下車行隧道結構體崩坍及設備毀損，除阻礙初期救災外，更會造

成重大的人命死傷。 由過去災例分析發現[1-5]，在地下車站各種災害當中，除了人為的蓄意破壞

行為（如爆裂物）可能造成內部人員直接之傷亡外，火災之發生將直接對內部人

員生命產生威脅。由於地下場站具有避難困難、消防隊進入搶救不易及火煙發展

與避難狀況難以掌握等特性，更增加了人命危險性。 台北車站的空間特性屬於地下共構運輸系統，有眾多安全梯、直通樓梯及手

扶梯，平時月台有眾多候車的旅客，當發生火災時，旅客必由安全梯、直通樓梯

及手扶梯往其他樓層避難，若火勢初期未受控制，火勢蔓延的機會極可能增加，

持續性的燃燒將會導致結構抗火性能的失敗。

25

一般而言，一個工程系統的設計過程，因相當多的不確定因素，可能會造成

此工程系統無法執行其預定的功能，在這種情形下，工程系統難免會有失敗機率

的發生，故一個工程系統的可靠度可以定義為此系統正常執行其預定功能（或系

統的功能函數成功操作）的機率。火災發生可以視為一具有發生機率的隨機事件，

依建築物的火災危險性、火載量和通風條件的變化、火勢的影響及結構抗力均存

在大量的隨機性。因此，運用機率論和數理統計為基礎的可靠度理論分析，來評

估在火災條件下和高溫後的結構特性是一個實際可行的方法，其結果具有工程上

的意義[6]。 建築物結構防火性能及評估方法各國有不同的評估方式，我國因與日本國情

相近，現行建築技術規則之訂定亦多受日本影響[7]，為了確認台北車站捷運月台層之各項結構構件是否能滿足所需的防火性能，及確定在一定的作用荷重下不

會崩塌的臨界點的結構耐火時間須大於火災的持續時間，本研究採用結構防火性

能驗證法進行評估[8]，以決定設計是否安全與適當。 另外有關捷運火災研究至少可分為實體實驗、模式試驗以及電腦模擬三種。

本研究除結構失敗機率之評估及結構防火性能驗證之評估，於月台層空間火災可

能的發展情境及對結構與人命安全可能產生的影響，本研究採用火災動力模擬軟

體 FDS，針對車站之捷運月台層樓層空間，假設捷運南港線一旦發生車廂底盤起火、月台中央處遭縱火等情形，將可能的火災情境導入，進行結構抗火之評估，

以 FDS 進行火煙模擬情境、人命安全及火害分析所得結果，希望對台北車站整體安全的量化評估提供另一種參考。

透過本文的研究期望達到： (一) 經由蒐集國內外相關文獻資料，整理出可利用之有效實驗數據或統計資料，

並依文獻理論及可靠度設計原理為基礎，建構月台層空間結構穩定性、完整

性及隔熱性之功能函數，利用蒙地卡羅模擬及一階二次矩方法求解該功能函

數，了解整體空間發生火災時，結構可能崩毀或失敗的機率。 (二) 本研究是以台北車站地下三層捷運轉乘區月台層(南港線)及地下四層月台

層樓層(淡水線)空間為研究對象，考量相關結構參數，結合不同火害情境下假設的火載量，如靠站列車底盤起火、月台層候車處遭人縱火等。配合火災

危險度評估方法中之機率型模式結合可靠度設計原理[9]，來預測台北捷運車站內各種假定情境火災發生時結構抗火失敗的危險度，進而了解不同火災

情境的火載量造成結構失敗的機率為何？預期能求得與真實火害情境更為

貼合的參數，更精確的建立評估的模式。 (三) 本文將利用 FDS 軟體對捷運月台層火災進行數值模擬，研究火災時月台層

之結構安全及對人命造成危害之因子的變化，作為未來有關結構以及人命危

害的計算或模擬結果，可供管理單位日後於新建變更樓層結構設計或防災規

劃之參考，也可供日後其他地下車站結構抗火研究之參考。

26

二、結構抗火危險度評估及方法 結構抗火危險度評估方法，大略可分為機率型模式與決定型模式兩種。其中，

決定型模式描述火災過程或結構抗火過程時，並不考慮機率的問題，是基於相關

的物理及化學定律，利用數學方程式來表示及運算。而機率型模式則泛指涉有機

率運算的評估模式，其所強調的乃在於火災前的理論推導，其中一些理論與基本

假設或許已利用相關實驗數據及火災統計資料，來預測火災發生可能造成的危險

[10]。其中，火災危險度量化分析可將火災安全評估建立在合乎科學基礎假設上，且以合理量化的方法將相關變數(不確定性)考慮進來[11]，其結果可以機率的型態呈現如因火災而受傷害或受破壞的機率、產生危害的機率、或其他不欲事件發

生的機率數值等[12]。 實際上預測失敗機率 Pf，是為了評估建築結構抗火系統的可靠度，一個工

程系統的可靠度可以定義為功能函數成功操作的機率，例如若要考慮空間或居室

的結構抗火是否可靠，可以考量結構的抗火性能(R)是否大於火載量(W)，若 R>W則結構抗火就不會失敗；反之，若 R

27

數常態分配，故修正 R 與 W 所服從的機率分配為對數常態分配。J. A. Purkiss 針對結構的穩定性能，建構以時間為考量的極限方程式，若 tcollapse-te

28

組合會產生一個特定的功能表現。由於每次所得的結果就如同一組實驗值，可進

一步作統計分析。因此，利用蒙地卡羅模擬方法可模擬評估本文欲探索之結構抗

火性能系統的失敗機率或可靠度。

3.2 一階二次矩方法 所謂「一階二次矩」係指泰勒(Tayler)展開式一階展開與統計上前兩個動差

(moment)，予以線性化的意思。其理論基礎即利用線性或非線性功能函數的一階近似值(first order approximations)，來估計功能函數的平均值與標準差，進而使線性或非線性功能函數，均能建立可靠度指標 β值的表示式[19]，因此，本文採用一階二次矩方法，以估計月台層空間結構抗火性能失敗的機率。

3.3 結構抗火之機率模式 月台層空間結構防火系統的三個功能函數可以定義為：

ecollapse1 ttG −= , ae,ul2 ttG −= , es3 ttG −= ( 1 )

其中三個功能函數中，其相關參數的定義如下： G1：結構穩定性之功能函數；G2：結構隔熱性之功能函數；G3：結構完整

性之功能函數；tcollapse：標準火災測試中，阻隔元件發生崩塌現象的時間(分鐘)，te：等價時間(分鐘)，係指月台層空間的結構元件在標準火災測試下，達到與真實火災相同火災猛烈度所需的時間，tul：標準火災測試中，阻隔元件發生隔熱性失敗的時間(分鐘)，te,a：修正等價時間(分鐘)，ts:標準火災測試中，阻隔元件發生完整性失敗的時間(分鐘)。

本研究針對目前車站的月台層空間，以計算 R.C.樓板經火勢侵害後發生結構崩塌的時間 tcollapse，歸納其計算流程所得經驗公式[17]，如下式(2)：

( )373.86.82c0.0019

A1.151.57558logtcollapse ++×−

= ( 2 )

其中，c 值為保護層的厚度(mm)，由於捷運車站之構造為鋼骨鋼筋混凝土構造，依建築技術規則設計施工篇，樓板為 2 小時防火時效，保護層為 5 公分，故 c 值為 50，則 tcollapse= 10(2.761856-1.0847A)。A 值為 W0(環境達最終極限狀態的設計載重)與 WF(火場中的設計載重)的比值，且介於 0.625~0.75 之間。

本文對目前車站的月台層空間，所採用防火時效為二小時之阻隔元件，即其

防火等級時效值取 120 分鐘，則可假設為服從平均數 130.6 分鐘，標準差為 7.1分鐘之對數常態分配，可記為 tul~lognormal(130.6,7.1)。對於車站月台層鋼筋混凝土的構造，採用防火時效為二小時之阻隔元件，則可假設為服從平均數 132分鐘，標準差為 15.84 分鐘之對數常態分配，可記為 ts~lognormal(132,15.84)。

3.4 等價時間 te的計算

29

(一) 以溫度為評估基準之等價時間 等價時間 te在 Eurocodes and British Standards 中經過多次修正，可以方程式

(3)示之： te=qf,d kb wf kc (3)

其中 te為等價時間(min)，qf,d 為樓地板單位面積火載量(MJ/m2)，kb 為熱慣量

的參數之適當值(min．m2/MJ)，wf 為通風因子，kc 是一個新的修正因子，混凝土

及有防護構造的鋼 kc為 1。

(二) 以熱荷載為評估基準之等價時間 依熱量貫穿空間周界之傳遞情形，考量通風因子與空間火災燃燒釋放熱比例

(δ)等影響因素，再參考許多試驗的結果與標稱熱載量(HN)(s0.5K)之定義，混凝土

元件之等價時間計算式可以方程式(4-2-4)表示[20]：

2N

9N

4e H107.8H109.66.6t

−− ×+×+= (4)

0＜HN≦9×104

其中

+

+=

21

Vt

f6

N

L)h1810(AckA

1.6)LA(11δ10Hρ

，h表通風開口之高度(m)，實測得5(m)；

Av為垂直開口面積(m2)，實測得123.227(m2)；Af為樓地板面積(m2)，實測得

4132.7(m2)；At為內部總面積(m2)，實測得9984.4(m2)；L表火載量(kg/m2)， ckρ

(Jm-2s-0.5K-1)之定義同前(混凝土之熱慣量為2142.43Jm-2s-0.5K-1)，δ為空間中火災燃燒釋熱比例(無因次)。

四、FDS 模擬建構 4.1 模擬限制與範圍 (一) 本研究所探討之火災情況，係以月台層樓層空間為主，其他如火勢經由安全

梯、直通樓梯及手扶梯或開口(列車隧道進出及相關管線管道間等)途徑蔓延

之型態，宜另闢專題研究。

(二) 本研究所評估地下三層，其空間範圍尺寸，因取得實際圖面困難，所以空間

之評估範圍只以月台層長度及其向上延伸為模擬範圍，故超出之部份於本研

究中不做考慮。

(三) 本研究所用火災模擬軟體 FDS，由於衡量時間有限，對於月台上列車起火之

情境，實際繪製真實之列車將會花費相當之時間，超出本研究能力，因此本

30

研究對於列車模型建構，材質設定長方體鐵塊做為火災模擬對象，且不考慮

延燒至其它車廂之境況。其次對於月台縱火之情境，每個月台皆設為混凝土

構造，天花板上裝潢物不列入火災模擬考量。

(四) 特徵火源直徑 D*與無因次參數 R*的使用，FDS 模擬火災產生的溫度分佈及

煙的流動問題等，計算模型的格點的解析度須達一定尺寸，方可收斂，以確

保計算結果的正確。因 FDS 以 LESmodel 計算時，模擬對象的格點必須使

次格點度模式( sub grid-scale(SGS) stress model) 精確計算出流暢的黏滯應

力(viscous stress)。由於非黏滯項控制的較大尺度流體運動與所謂火源尺寸

大小的火災特徵直徑 D* (characteristic fire diameter)有關。所以，FDS 軟體使

用在大型室內空間，會因為使用者格點配置的設定方式不同，如火源位置的

格點數與長寬比例，而導致不同結果，當火源位置的格點數不足會造成低估

火焰溫度的情形發生。本研究所採用 R*值為 0.1，因此所用格點尺寸為 0.1D*，

相關說明可參考文獻[21]，將本研究所考量之火災熱釋率值代入特徵長度

D*(如公式(5)所示)，以求出最小格點尺寸，R*如公式(2)所示。

52

p gTcQD

=

∞∞

•

∗

ρ (5)

其中Q‧是火源熱釋放率(kW)，ρ∞是空氣密度(kg/m3)，T∞是空氣初始溫度(K)，cp 空氣比熱(J / kg-℃)，g 是重力加速度(m/s2)。

( )∗

∗ =D

δzδy,δx,maxR (6)

其中 R*是無因次參數， δz δy, δx, 是正向的格點尺寸(m)，D*是特徵火源直徑(m)。

4.2 模擬情境假設 對於捷運火場之模擬，學者 Kang [22]是以 t-squared 中型規模火災(medium

growth fire)進行討論，4 分鐘時設定熱釋率約為 2.5MW；而學者 Park 等人是以

列車情境進行探討，並設定其最大熱釋率為 12MW[23]，學者 Roh 等人[24]則是

以車廂起火 5 分鐘達 35MW 來計算最大熱釋率。由於火災時人員對避難路徑的

選擇十分重要，產生的濃煙甚至造成避難失敗而使人傷亡，因此，有些學者以軟

體模擬來進行煙的危害(如 CO)，及可視度(visibility)對避難的影響。惟就單一站

體研究而言，學者 Kang 於發表的捷運模擬火場研究結論中提出：在典型島式月

31

台的地下捷運車站，t-squared中型火災成長的條件下，中間車廂起火 2-3分鐘後，

車站就會佈滿濃煙，而 4 分鐘後穿堂層則會達到 90%遮煙率（smoke obscuration）

等結論。此正說明，模擬數據於站體防災應變的重要性。

因此，本研究參考上述研究結果，取其熱釋率 3MW 與 12MW 為基準，並

將起火可能的情境主要分為月台中央遭人縱火（3MW）、列車底盤起火（12MW），

再分別依通風狀況不同，模擬時間皆為 10 分鐘（600 秒）。假設在此段時間內火

勢未受滅火設備的影響，10 分鐘後，自衛消防編組應已開始介入運作。然而，

若考量自衛消防編組未能及時介入或消防設備未有任何動作下，則模擬時間將可

再延長。有關月台層風機動作及風機數據，因為捷運公司没有實際量測數據，故

以捷運標準站體(公館捷運站)[25]之設定做為本研究之模擬基準，如表 1 所示。

表 1.風機平時動作及火警時動作比較 情境一： 月台中央遭縱火

(3MW)

月台排風機 月台：平時保持排氣 2m/s

兩側隧道口 火警時，負壓抽風 5m/s

情境二： 單側軌道列車底

盤起火(12MW)

月台排風機 月台：平時保持排氣 2m/s

兩側隧道口 火警時，負壓抽風 5m/s

4.2.1 情境一之設計火災 假設月台層中央遭人汽油縱火，引火源燒到乘客攜帶的行李，火勢快速成長

後衰退，熱釋率最高為 3MW，火災成長係數α =0.1876(kw/s2)(極快速)，模擬時

間 600 秒，火源成長係數如表 2 所示[26]，情境一究熱釋率模擬結果如圖 1 所示。

表2.火源成長係數[27]

t-squared fires項目 火源的成長係數α (kW/s2) 成長時間tg(sec)

緩慢(slow) 0.0029 600

普通(medium) 0.0117 300

快速(fast) 0.04689 150

極快速(ultra fast) 0.1876 75

32

圖 1.情境一：熱釋放率 3MW 模擬圖(單位：秒)

4.2.2 情境二之設計火災 一般列車外部起火燃燒，起火原因多為抵抗器過熱所致，故針對列車底盤起

火之情況，設定火災規模為 400 秒成長至熱釋率最高為 12MW，火災成長係數α

=0.075(kw/s2)(大於快速)，模擬時間 600 秒，情境二熱釋率模擬結果如圖 2。

圖 2.情境二：熱釋率 12MW 模擬圖(單位：秒)

4.2.3 月台層建構情形及火源位置模擬

4.2.3.1 情境一之模擬 本研究情境一月台層建構情形及火源位置是假設月台中間遭人縱火，探討其

對人命安全所造成的影響，火源位置設於位於第 7 及第 8 根柱之間，在 4 處樓梯

口，高度為 1.8 公尺處放置偵測點，分別為點 1、2、3、4。另外也在平面圖上火

源的左右 3 公尺處設置 5、6 兩偵測點，其偵測點分佈位置圖如圖 3 所示(圖內 1~6

之表示為偵測點，7、8 為月台柱子的序號)。

HRR kW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 100 200 300 400 500 600 700

HRR kW

02000400060008000

1000012000140001600018000

0 100 200 300 400 500 600 700

33

圖 3.情境一：火源與偵測點分佈位置圖

4.2.3.2 情境二之模擬 此考量到三鐵共構空間，平時出入人員眾多之情形，且旅客有其不定性，南

港線的研究與之前相關地下場站的研究[7,19,20]不同，在於其軌道間有一較大的水平開口，且直通台北車站 U1 及 U2 層。火災情境模擬時，煙流對於場站環境的影響，將同時對台北車站地下三層的空間產生威脅，因此模擬結果將具有一定

的參考價值。此情境的模擬著重在人命安全的探討，由於列車車體的阻隔加上軌

道上方的大型水平開口，使得在月台層及樓梯口位置之旅客受到煙流、溫度以及

輻射熱可能性不大。因此，另外向上建構 U1、U2 穿堂層空間，務使模擬過程更加準確，模擬月台模型如圖 4、5 所示。

圖 4. FDS 模擬台北車站南港線月台層模型

圖 5.南港線月台煙流模擬過程

34

4.2.3.3 格點配置 本研究所採用 R*值為 0.1，因此所用格點尺寸為 0.1D*，有關 FDS 各情境模

擬，由於空間太大，無法精算每一空間範圍。故將空間區分為：火源中心、火源

區、火源外圍區與最外圍區。使得最近火源處出處的起始數據能夠精確的計算。

依據特徵火源直徑特徵長度 D*及無因次參數之適用範圍(如公式 5 及 6)，本研究所用格點配置，如表 3 所示。

表 3.南港線模擬之格點配置

情境 分區 格點尺寸 (m) D*特徵火源直徑 R*無因次

參數 格點數目（長

x 寬 x 高） 情境一

火源區 25.53×23.6×52.5 1.512 0.1 375×72×48=

1,228,500 火源外圍區 57.45×53.1×52.5 3.60674 0.1

情境二 火源區 25.53×23.6×52.5 1.512 0.1 375×72×48= 1,228,500 火源外圍區 57.45×53.1×52.5 3.60674 0.1

五、結果與討論 5.1. 蒙地卡羅模擬結果

有關三大功能函數的求解方法，本研究另運用蒙地卡羅模擬技術並配合電腦

程式設計，以彰顯其結果，透過程式設計能自動取得具有特定分配的隨機數值，

並能處理繁瑣的重複計算模擬過程。以下就以電腦設計程式配合蒙地卡羅模擬方

法，針對月台層空間結構抗火系統之功能函數進行模擬評估，以估計此空間受火

害後結構抗火性能失敗的機率，圖 6 係蒙地卡羅模擬流程圖，總共模擬十萬次。 利用蒙地卡羅法評估月台層空間結構抗火性能失敗機率時，為了比較不同條

件下的設計效果，將火載量 W 的統計資料以不同的值代入，同樣經過十萬次的模擬，得出不同的失敗機率 Pf 值，亦可得知不同設計組合的功能表現。若月台層空間的其他參數假設為已知之固定值，對於不同火載量 W 的統計資料 Wμ 及

Wσ 值，W~lognormal( Wμ , Wσ )，假設變異係數 δW為定值 0.15，依序選取，進行模擬，所得結果可與此空間所要求的安全水平進行比較，以選擇適當火載量的設

計值，或控制此月台層空間的火載量。以下分成以溫度為主功能函數-蒙地卡羅模擬，及以熱負載主功能函數-蒙地卡羅模擬討論。

由導入不同火載量電腦模擬所得數值，繪製如圖 6，並得知當火載量在600(MJ/m2)以上時結構整體失敗機率與穩定性的失敗機率相近，此時失敗機率為穩定性最高、隔熱性次之，最後為完整性；而當火載量在 1800(MJ/m2)以上時，結構整體失敗機率，以穩定性最高、完整性次之，最後為隔熱性。

由導入不同火載量電腦模擬所得數值，繪製如圖 7，並得知當火載量在68.42(kg/m2)，即 1300(MJ/m2)上時結構整體失敗機率與穩定性的失敗機率相近，此時失敗機率為穩定性最高、隔熱性次之，最後為完整性。

35

圖 6.蒙地卡羅模擬結果(溫度為主功能函數)之曲線圖

圖 7.蒙地卡羅模擬結果(熱負載為主功能函數)

因此，蒙地卡羅模擬結果結論如下: (一) 觀察淡水線之蒙地卡羅模擬結果，其整體功能函數失敗機率在火載量不超過

1300(MJ/m2)時以隔熱性失敗發生為主，此與 D. G. Platt 的研究報告[27]，指出混凝土阻隔元件發生結構抗火失敗主要是以隔熱性失敗為主的結論相符。

另外，結果顯示火載量在 1900(MJ/m2)以上時，完整性失敗機率有快速增加的跡象，此火載量可視為結構抗火中之最大設計火源或結構抗火性能所能達到

的最大理想目標值或極限值。 (二) 在模擬南港線以溫度為考量的功能函數中發現，當火載量在 1200(MJ/m2)以

36

上時始發生隔熱性失敗機率，而當火載量在 2000(MJ/m2)以上，穩定性功能函數始超越隔熱性失敗成為主要決定整體功能函數失敗機率的函數。值得注意

的是完整性功能函數的失敗率於火載量 3000(MJ/m2)後大幅增加，依據淡水線月台模擬曲線可以預想若持續提高模擬的火載量，則最後影響整體功能函數

失敗的函數應該是完整性功能函數。 (三) 南港線月台層以熱荷載為主的功能函數，由模擬結果可以看出與以溫度為主

的功能函數結果差異較大，而與淡水線月台層以熱荷載為主的功能函數結果

相當接近。此乃因為南港線月台層的水平開口較大，而以熱荷載為考量的功

能函數，其並無考慮水平開口參數，加上兩月台層大小尺寸差距不大，所以

以熱荷載為主的功能函數的兩個月台會有相似的結果。實際上空間的水平開

口越大火煙的蓄積機率越小，溫度無法有效提昇，自然其結構抗火失敗的機

率會比開口小的空間來的小。由此可看出以溫度為主的功能函數評估抗火性

能時，對於水平開口較大的空間能更加符合實際情況。 (四) 以熱荷載為主之功能函數，其未考量水平開口參數，所以當改變場所水平開

口時，模擬結果將無明顯差異。而以溫度為主之功能函數，其計算過程中，

已考量空間面積大小、用途類別，及消防設施等因子的影響，因此本研究認

為使用以溫度為主要考量的功能函數，應較適宜。

5.2. 一階二次矩求解結論 分別以溫度為主的功能函數，及熱負載為主的功能函數，依照 Rackwitz 提

出之一階二次矩運算流程，所得結果，如表 4 所示。

表 4.一階二次矩求解結果比較 考量火載

量 100(MJ/m2)

5.26(kg/m2) (100÷19≒5.26)

功能函數

評估 以溫度為主之評估 以熱負載為主之評估

β 值 機率值 β 值 機率值 穩定性 22.348 Pf1≒0 145 Pf1≒0 隔熱性 1.9777 Pf2≒0.023 18.3807 Pf2≒0 完整性 7.801 Pf3≒0 8.3034 Pf3≒0 比較 Pf2＞Pf3＞Pf1 Pf3＞Pf2＞Pf1

由表 4 可知使用溫度為考量的功能函數，等價時間的計算是以(MJ/m2)為考量單位，因此參考車站可能的的火載量 100(MJ/m2)，本研究假設其為服從 (μ,σ)=(100,15)的對數常態分配，進行三個功能函數的運算，結果三個功能函數失敗的機率可由 β 值的大小判斷，β 值愈小，機率值愈大，故溫度為考量的功能函數以隔熱性最高，Pf2=2.3％、次為完整性，最後為穩定性。

37

使用熱負載為考量的功能函數，等價時間的計算是以(kg/m2)為單位，且為木材等價，因此參考車站可能的火載量 100(MJ/m2)，依木材的燃燒淨熱值為19(MJ/kg)，換算得車站的火載量是 5.26(kg/m2)，本研究假設其為服從(μ,σ)=(5.26,0.789)的對數常態分配，進行三個功能函數的運算，結果三個功能函數的 β 值得知完整性最高、次為隔熱性、最後為穩定性，但失敗的機率中則三者皆是趨近於 0。 5.3. FDS 結果與討論

5.3.1. 情境一模擬結果 由於本研究對人命危害的評估主要是依據 NFPA130 列出人命危害因子之容

忍極限值(如表 5 所示)。對於結構安全部分，由模擬結果顯示在這兩種可能起火的情境下，結構柱溫均不超過 300℃，對於結構均不致造成毀壞，因此，結構設計在如此的情境下是安全的。

此情境是假設在南港線月台中央有人縱火，火源大小為 3MW，其人命危害因子判定結果為表6，從表6可以看出月台中間縱火情境火源左右的偵測點(點5、6)，其能見度、輻射熱皆超過 NFPA130 人命安全因子容忍值，可能造成人命的危害。本研究人命避難參考重點，而縱火物以汽油為本項的模擬物品，縱火的位

置在月台層中央，經模擬後得知樓梯口點 1 至 4 之各項人命危害因子，皆在安全範圍內，不致造成人命危害。如果縱火處是在樓梯口位置，當然易造成樓梯口達

到人命危害的環境。

表 5.NFPA130 人命安全因子容忍值

人命危害因子項目 人員逃生安全環境要求

逃生環境氣體溫度 ＜60℃

逃生路徑 CO 濃度 ＜1500ppm

能見度 10 公尺（門或牆可目視辨別）

逃生路徑熱幅射強度 ＜2.5 2kW m

表 6.南港線情境ㄧ ：人命危害因子判斷表

偵測點於平

面圖之相關

位置

點 1 (樓梯 U3-1)

點 2 (樓梯 U3-2)

點 3 (樓梯 U3-3)

點 4 (樓梯 U3-4)

點 5 (火源左方 3m)

點 6 (火源右方 3m)

溫度（℃） 最大值

24℃ 28℃ (242 秒)

72.89℃ (140 秒)

26.1℃(230 秒)

40.4℃ (253 秒)

46.4℃ (146 秒)

38

CO（ppm）最大值

0ppm 2.76ppm (242 秒)

0.9ppm (192 秒)

0ppm 5.03ppm (159 秒)

7.1ppm (146 秒)

能見度（m）最小值

30m 30m 30m 30m 6.8m (112 秒)

1.5m (135 秒)

輻射熱

（ 2kW m ）最大值

0 2kW m 0 2kW m 0 2kW m 0 2kW m 13.88

2kW m (126 秒)

15.732kW m

(163 秒)

判斷結果 安全 安全 安全 安全

能見

度、輻射

熱超過

標準

能見

度、輻射

熱超過

標準

5.3.2. 情境二模擬結果 情境二的火煙模擬結果0~600秒示意圖及月台煙流模擬過程，如圖8所示中。

其中，熱釋率 12MW 火災成長曲線為約 400 秒，達到 12MW 之設定值後開始穩態，火煙溫度在 400 秒至 600 秒間為最盛狀況。在模擬過程中，此情境不若前面各情境將偵測點設於月台柱體、火源附近點及樓梯口，因模擬得知煙層由於軌道

上方之開口，火煙可侵入 U1、U2 層，造成人命的危害。基於此概念將偵測點設在 U1 層，以 U1 層中心為基準點，包含中心點左右各 3、5、10 公尺處設置共 7處偵測點。另外，因偵測點距離火源處較遠，且有風機的動作，加上 U1 層的開口較大，故 CO 濃度及輻射熱數值變化在 1.8 公尺的高度皆很小，在此不做討論。因此，模擬結果僅溫度及能見度結果。

(a)100 秒 (b)200 秒 (c)300 秒

39

(d)400 秒 (e)500 秒 (f)600 秒 圖 8.情境二，0 到 600 秒的火煙模擬結果示意圖

5.3.3. FDS 的模擬結論如下： 1. 本研究藉由火災模擬軟體 FDS 模擬兩月台層可能的火災情境，一為假設月台

上人為縱火燒到旅客行李之情境，另一為假設列車底盤起火。所採用模擬時

間為 10 分鐘，10 分鐘後即有消防隊的介入，此 2 種情境，模擬結果顯示，淡水線月台中央起火，由於鄰近兩樓梯開口接面向火源，當發生火災時煙流

往兩樓梯開口流動，煙層的蓄積將會使得兩樓梯口產生危害。雖不致造成結

構安全的損壞，但由於火煙的高輻射熱以及能見度的快速下降，會使人員產

生恐懼心理，除在此兩樓梯口附近人員外，將使用剩餘的兩避難樓梯出口，

此時人員的疏導，將會是避難成功的重要關鍵。淡水站於列車底盤起火的模

擬情境中，結構柱體所受溫度皆不高，沒有結構安全的疑慮，但樓梯 U4-4鄰接起火底盤側，所以煙霧直接流經樓梯口，使得能見度降低，造成人命危

害。 2. 捷運南港線台北車站月台中央發生縱火的情境時，考量到火災發生時，煙流

直接經由樓梯口出入，可能造成燃燒毒氣(CO)、能見度及溫度等直接的危害，更重要的是出口數的減少，可能造成阻塞、擁擠等避難移動問題。此時人員

將因恐慌等心理因素，導致推擠、踐踏、跌倒等不可預期的傷亡。因此，對

於此模擬情境的應變，需要透過內部管理人員的加強宣導及危難時的緊急避

難疏散，配合全天候的監視設備，方可發揮及時有效的避難策略。

另外，在南港線底盤起火的情境模擬可知，當有一較大面積的水平開口時，

由於煙層向上流竄，煙霧將不會蓄積於月台樓層對旅客造成直接的傷害。但煙層

竄升的所在位置正好位於通往高鐵、台鐵之穿堂層，此為三鐵共構匯流空間對人

命有重大威脅，又加上人員避難方向與煙流方向相同，因此管理人員的初期作為，

40

將會是避難行為成功的關鍵因素。 「行政院公共安全管理白皮書」以「防火避難」、「火災應變」及「消防救助」

為地下場站及隧道防火安全之必要項目，要求此類場所於新建、改建、擴建時，

其設計、建造之初便須詳細規劃各項防火避難與消防安全設施(備)，並需考量未來經營管理時所需面對之災害應變及救災規劃準備，確保地下場站與隧道的安全。

為因應社會、政治、經濟、國際形象之需求，臺北車站等此類共構空間作為關鍵

基礎設施，必須在災變中維持必要安全機能持續運作之能力；因此，針對重要交

通設施其人為災害潛勢分析及控制技術，應該進行既存風險控制系統有效性評估

及改善，以及提高災害發生情境分析及風險評估的科學性研究。 本研究對於臺北車站火災安全性能評估，基於及早預防災害，提升減災應變

作業能力之目的，進而提出應辦事項建言，期望相關主管機關能參考推動辦理。

而為了強化共構場站空間安全管理與應變作為，針對目前我國營運中、興建中、

規劃中之共構場站，提出在火災模擬、避難時間計算、應變作業模式等重要議題

上，所需注意、改善或強化之處。而本研究評估方法應可適用於工程設計階段、

施工規劃階段與營運管理階段之審查作業主管機關之參考，亦可為設計、施工、

營運機關應辦理事項之參考。 六、參考文獻

1. 簡賢文、沈子勝、鄭震崇、趙勇維，地下捷運車站火災時人員避難安全評估之探討，第九屆運輸安全研討會，頁 AT72-AT73，2003。

2. 行政院公共安全管理白皮書，鐵路隧道及地下場站安全管理，行政院災害防救委員會，民 93 年。

3. 東京消防庁，地下鐵道火災に関する検討委員會報告書，2004 年。 4. 渡部 勇市，地下鐵火災における自然換氣時の駅構內の煙流動ｼﾐｭﾚ－ｼｮﾝ--

韓國大邱市の地下鉄中央路駅の場合，平成十六年度研究發表会概要集，日

本火災學會，2004 年。 5. 吳貫遠，簡賢文，捷運系統地下場站空間災害危險潛勢分析， 警學叢刊，

頁 199-221，2006 年 11 月。 6. 周昕，可靠度評價在建築防火設計的應用，武警學院學報，第 18 卷，第三

期，頁 41，2002 年 6 月。 7. 丁育群，建築技術規則性能防火法規轉換之研究，內政部建築研究所，1998

年。 8. 謝煒東、蔡銘儒，建築物構造防火性能驗證技術之火災持續時間研究，中華

民國建築學會「建築學報 64 期增刊(技術專刊)」，頁 39-58，2008 年 6 月。 9. 林元祥，火災危害分析與火災危險度分析之概念性架構，中央警察大學，行

政警察研究所，中央警察學報第 35 期，頁 473-494，民 88 年。

http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp##http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/guide/search_result.jsp?la=ch&dtdId=000075&search_index=JT&search_value=%E8%AD%A6%E5%AD%B8%E5%8F%A2%E5%88%8A$

41

10. 陳建志，區劃空間結構抗火失敗機率之預測-以住宅用途為例，中央警察大學消防科學研究所論文，頁 2，2001 年 6 月。

11. Aua, S.K., Wang, Z.H., Loa, S.M., Compartment fire risk analysis by advanced Monte Carlo simulation, Engineering Structures, Vol. 29, pp.2381-2390, 2007.

12. 林元祥，火災危險分析與火災危險度分析之概念性架構，中央警察大學，行政警察研究所，中央警察大學學報第 35 期，頁 473-495，1999 年。

13. 林元祥，建築物結構抗火安全之隨機評估，中央警察大學災害防救學報第 1期，中央警察大學，消防科學研究所，頁 81，2000 年。

14. Lie, T.T., Optimal fire resistance of structures, Journal of the Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineering, Vol. 98, pp.215-232, 1972.

15. Gross, D., Aspects of stochastic modeling for structure fire safety, Fire Technology, Vol. 19, No. 2, pp.103-114, 1983.

16. Melinek, S.J., The distribution of fire load, Fire Safety Journal, Vol. 20, pp.83-88, 1993.

17. Purkiss, J.A., Claridge, S.L., Durkin, P.S., Calibration of simple methods of calculation the fire safety of flexural reinforced concrete members, Fire Safety Journal, Vol. 15, p.245-263, 1989.

18. Andrew H. Buchanan, Structural design for fire safety, University of Canterbury, New Zealand, p.111, 2001.

19. 林元祥，建築物火災危險度評估與實證調查研究，中央警察大學出版社，頁148，民 89 年。

20. Law, M., A review of formulae for T-Equivalent, Fire Safety Science: Proceedings of the fifth international symposium, Hemisphere Publishing Corporation, p987, 1997.

21. Ma, T.G., Quintiere, J.G., Numerical simulation of axi-symmetric fire plumes: accuracy and limitations, Fire Safety Journal, Vol. 38(5), pp.467-485, 2003.

22. Kang, K., A smoke model and its application for smoke management in an underground mass transit station, Fire Safety Journal, Vol. 42, pp.218-231, 2007.

23. Park, W.H., Kim, D.H., Chang, H.C., Numerical predictions of smoke movement in a subway station under ventilation, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 21, pp.304-315, 2006.

24. Roh, J.S., Ryou, H., Park, W. H., Jang, Y.J., CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 24, pp.447-453, 2009.

25. Chen, F.L., Smoke control of fires in subway stations, Theoret. Comput. Fluid

42

Dynamics, Vol. 16, pp.349-368, 2003. 26. E. Arthur., P.E. Cote, Fire Protection Handbook 20th Edition, NFPA, Section 3, p.

3-150, 2008. 27. Platt, D.G., Fire resistance of barriers in modelling fire spread, Fire Safety

Journal, Vol. 22, pp.404-412, 1994.

43

一般居室火災爆燃現象成因分析 An Analysis to the Onset of Backdraft Phenomenon in

Typical Compartment Fires 吳佳隆 1

Chia Lung (Farian) Wu1 英國愛丁堡大學防火工程系 英國建築研究院消防安全中心

BRE Centre for Fire Safety Engineering, University of Edinburgh, UK

摘要 火災爆燃現象，一直以來為火災科學中的一個難題，目前並無方法去判斷其

是否會發生。以往的研究多以固定火源進行相關實驗，然與實際可能之爆燃現象

可能有所不同。若未將火災成長列入考量，則獲得的資訊除無代表性外，亦可能

造成讀者之誤解；此外，火災空間溫度分布對於爆燃現象的關係性，並從未得到

測試或驗證。本研究第一部分以火災成長階段為出發主軸，討論平均溫度與爆燃

發生的關係。實驗結果顯示了，當火災成長到穩定成長階段後，即可能發生爆燃，

此外空間內平均溫度越高，其發生爆燃的機率亦提升，但值得注意的是，較高溫

度的分布不為爆燃現象的必要條件。第二部分，針對不同熱電偶進行分析，發現

到其室內最高偵測溫度高於 350ºC，為其臨界溫度，若能將其控制於此溫度下，則能大大抑制爆燃的發生。

關鍵字：爆燃、臨界溫度、平均溫度、火災成長

Abstract Backdraft phenomenon is a difficulty in fire science, there is no a holistic

approach to predict a possible backdraft in fire scenes. In previous backdraft research projects, most of them used a fixed/ controlled fire to conduct experiments, results may show some useful results, however, those conclusions are still a long way to provide information on backdraft. The reason is that stages of fire development were never taken into consideration, it makes obtained information is non-representative, at the same time, may mislead readers. Also, the relationship between the temperature distribution to the occurrence of backdraft has never tested.

The first stage of this research focuses on the fire growth to the onset of backdraft, to discuss if the average temperature of the fire compartment plays a role to trigger backdraft occurring. Result shows that backdraft can be triggered as the fire has developed to the steady-state stage, the higher the average temperature is, the

1 英國愛丁堡大學防火工程系，博士候選人

44

more likely a backdraft may occur. But it should be noted that a higher average temperature before door opening is not a necessary condition for backdraft to happen. The second part is to investigate every thermocouple used in the experiments, it is found that when the maximum temperature observed is above 350 ºC, a backdraft can be triggered, however, when the value is lower than 350, there is no possibility for backdraft to occur. That is, an effective way to mitigate backdraft is to reduce the temperature to be lower than this value, the lower the value the better.

Keywords：Backdraft, Critical temperature, Average temperature, Fire development

一、前言 隨著技術的進步，現今許多建築物都是採用最先進的技術建造，這些建築物

除了具備多種不同使用型態，在民眾的居住、或是商業的使用上，不僅利用靈活

性建設，而且使社會生活更輕鬆。但是，即使建築、消防法規有其規範，然而由

於這些複雜性的使用型態，人們使用的習慣，即使在合乎法規規範的前提下，其

造成火災風險仍難以掌握。此外，經濟的挹注及持續維護保養相關安全設備亦為

國內建築物火災風險的極大問題，將消防安全設備成本投入資金的壓低，是當下

大多數建築物面臨的問題。基於上述，相關利害關係人，包括業主和有關當局在

內，很難通過現有的安全法規和法規來了解建築物的安全。 實際上，合法建築物不夠安全，因為在未經政府批准的情況下改變了原有設

計使用型態。在這種情況下，由於保護不足，這些建築物容易引發火災，尤其是

那些未被強制列管檢查的非供不定特定人使用、進出的場所，如一般住家。 為了使人們免於火災，消防員總是冒著生命危險進入建築物。在救援任務中，

爆燃現象往往導致嚴重的悲劇。當火災已成長到極盛期(Fully-developed period)並處於限制通風狀態(Ventilation-controlled)，當消防員搶救時突然從起火戶突然打開窗戶或大門時，容易引發爆燃現象。這種現象往往導致爆炸並造成嚴重的傷

亡，很遺憾的是，大部分傷亡都是消防員。 雖然這種現象總是造成消防人員的嚴重傷亡，由於此現象涉及限制通風燃燒

及複雜的物理及化學反應，人們對於爆燃這個現象的成因，仍處於未知的階段，

在火災科學領域中，仍是付之闕如[1]。此外，以往的研究多著重於以甲烷(CH4)作為燃料的爆燃現象研究[2-7]，並以未燃燒之可燃性氣體濃度作為判定是否引燃爆燃的條件，忽略了溫度的影響性。

若火災爆燃現象可視為火災之某種特殊形態，基於火災成長的三要素之概念

(燃料、氧氣及熱)，之前相關研究僅討論了充足燃料下給予足夠新鮮空氣(忽然間的開啟門窗以增加通風)，則忽略了熱的影響。其原因在於，在這些研究中，總是以提供熱源作為點火源(如：點子火星、加熱線圈等)，然而，溫度對於爆燃現象的影響卻目前仍不得而知。

45

而實際上，一般建築物的爆燃現象，純以甲烷類似氣體的型態實屬少數，值

得一提的是，甲烷極易在室溫溫度下被點燃。而在住家中，多存在著固體燃料(例如：室內裝修材料、木材、塑膠等等)，宜以實際火災發生可能之材料為燃料進行試驗，才具有其代表性。

有鑑於此，對於爆燃現象應該有其更深入的認識，有鑑於此，本研究將針對

於可能性的爆燃現象，利用固體材料進行爆燃現象的根本成因分析，此外並用於

了解是否火災燃燒階段與爆燃的生成有其相關性。

二、實驗設備與研究方法 2.1 實驗設備

本研究實驗係探討火災爆燃現象的成因分析，由於目前對於此現象的了解不

甚清楚，過於複雜的設計將會使得對於爆燃成因的分析產生過多的變數，因此，

在實驗設計的部分，採取與以前相關類似研究之居室空間配置。由於 Bolliger[8]已提出此現象發生之可能性與空間大小並無直接關聯性，為減低爆燃造成之實驗

室周遭影響，固以縮尺度的方式進行。 實驗空間相關配置，見圖 1。縮小尺度空間為 0.8m × 0.4m × 0.4m，為相關

重要研究之 1/3[2-4]及 2/3[5-7]大小。共採 7組熱電偶樹，分別具 2個熱電偶(TCT2)、3 個熱電偶(TCT3-1、TCT3-2、TCT3-3、TCT3-4)及 5 個熱電偶(TCT5-1、TCT5-2)，用以測量實驗前後的空間溫度分布。

實驗區劃空間之設置，以保溫材料(膨脹蛭石板)以兩層配置，以模擬建築節能結構，以防止熱量過度散失，其工作溫度可達 1,100ºC。

另外，與之前相關爆燃實驗研究有所不同的是，本研究之控制開口處為設置

於接近於空間底部 1/3 高度的位置，其目的有二：

一、 減少所需要之燃料：因為爆燃之原因往往涉及限制通風之燃燒狀態，利用此開口位置的設計，得以加速可燃性氣體(濃煙)之蓄積，進而達到通風控制燃燒。

二、 方便觀察實驗火災之變化及爆燃之引發及成長：由於爆燃實驗涉及空間的關閉，在不完全然燃燒下，往往造成濃煙密布，不容易在內部設置社

攝影器材，僅得以在外部設置。在初步實驗設計時，若參考之前研究，

將開口設置於中央 1/3 位置開口，發現到前方設置之攝影設備無法有效觀察其完整發展，若開口調整至下方位置，則得以有效觀察；而本研究

之主要目的在於了解爆燃之成因，故採用此位置作為本研究之設置。

46

圖 1.實驗空間配置圖

此外，本研究所使用的燃料為聚丙烯之塑膠顆粒，並利用正庚烷作為促燃劑，

並發現到當比例為 2:1 時，其火勢燃燒成長較為穩定；此外，當使用 300 克的聚

丙烯與 150 毫升的正庚烷時，則能有效達到閃燃狀態[9]，並且不會造成過多的

燃料殘留。

2.2 建立多孔介質模組 由於爆燃現象與限制通風況狀有關，其發生的引發條件是「忽然間的通風」，

使得新鮮空氣與內部未燃氣體得以混和，而達到爆燃的適合條件，所謂的適合

條件，由於類似研究往往利用甲烷進行實驗，其結果是否得以應用與所有可能

之材料種類目前仍不得而知。但確定的是，需要改變其通風狀況，所以這個改

變通風的程序(Switching opening procedure)，是本研究調查爆燃現象的核心。

本實驗研究之程序如下述：

(1) 點燃燃料並置放在固定位置(位置詳如圖 1)。 (2) 控制燃燒時間，並觀察其中性帶位置，以了解燃燒空間是否仍屬於有效燃燒

狀態，並得以了解屬於本設計火災的哪個火災成長階段。

(3) 關閉開口，使空間內之燃燒僅得以殘存空氣燃燒，進而熄滅。 (4) 通風開啟時間，以 30 秒為一個基數，以包圍式方法(Bracketing)進行試驗，

用以了解其開口關閉時間長短、爆燃之發生、室內平均溫度之關聯性。

47

三、結果與討論 3.1 溫度分布與爆燃

發現到這個設計火災，在燃燒 6 分鐘到 12 分鐘期間，其溫度屬於穩定成長，

在 12 至 14 分鐘，除了溫度劇烈增加外，亦發現其中性帶急速下降，約於 15 分

鐘時，達到閃燃(判斷方式：火焰自空間內部濃煙向外部延燒)，其每個熱電偶溫

度均達到約 700ºC，詳如圖 2。

圖 2.不同高度平均溫度變化與燃燒時間關係圖

有鑑於此，由於不知道爆燃會發生在火災成長的哪個階段，故將其分成三組

實驗，作為開口關閉之判斷基準，據以進行比較分析，

1. 第一組：火災穩定期-前半(6.5-9.5 分鐘)。 2. 第二組：火災穩定期-後半(9.75-11 分鐘)。 3. 第三組：火災成長期-12 至 14 分鐘。 4. 第四組：閃燃發生後。

此外，並以所有熱電偶所測得之平均數據，以了解火災空間內溫度，用以了

解其與爆燃之關係，典型的爆燃，如下圖 3 所示：

48

圖 3.爆燃成長示意圖(自爆燃的開始、成長到火球至消失)

從表 1 中，可以看到，在第一實驗群組中，大部分的實驗無法有效產生爆燃，只有在火災成長至 9.5 分鐘之後才得以引發此現象。

表 1.第一組實驗結果

實驗編

號

開口關閉前燃

燒時間

( 單位：分)

開口關閉時

間

(單位：秒)

平均溫度

(單位：ºC) 爆燃 (B) 或熄滅 ( E)

1 6.5 30 331.71 E 2 6.5 60 272.21 E 3 8 60 270.63 E 4 8 30 312.22 E 5 8.75 33 294.2 E 6 9 30 307.04 E 7 9.25 35 316.61 E 8 9.5 30 323.24 B 9 9.5 60 293.08 E

49

在第二組的實驗中(如表 2)，相較於第一組的實驗，其能有效產生爆燃的機會大了許多，且發現到在平均溫度達到 310 ºC 以上，則均會產生爆燃現象。

表 2.第二組實驗結果

實驗編號

開口關閉前燃燒時

間

( 單位：分)

開口關閉時間

(單位：秒)

平均溫度

(單位：ºC) 爆燃 (B) 或熄滅 ( E)

10 9.75 60 306.15 B 11 9.75 88 286.92 E 12 9.75 57 296.55 E 13 9.75 60 292.63 E 14 9.75 55 303.45 B 15 9.75 32 324 B 16 10 30 333.42 B 17 10 60 309.68 B 18 10 59 334.7 B 19 10 91 311.16 B 20 10 120 305.15 E 21 10 109 298.29 E 22 10 52 301.02 B 23 11 97 300.48 E 24 11 101 301.3 E 25 11 113 310 B

一般而言，一樣的設置火源，在固定的邊界條件下，應具有較高的平均溫度，

所以在表 2 及表 3 中可看到，同樣的開口關閉時間(實驗編號，17 及 26)，其平

均溫度差異近 60ºC，代表不同階段火災下空間溫度之差異性，雖然每個實驗火

災仍存在極大的不確定性。

在第三組的實驗中，發現到，即使燃燒時間較長，平均溫度較高，不代表爆

燃現象一定會發生，從實驗編號 30 及 31 可看到，即使平均溫度已達到了 320 ºC

左右，高於第二組產生爆燃的條件，爆燃仍無法發生。

50

表 3.第三組實驗結果

實驗編

號

開口關閉前燃燒

時間

( 單位：分)

開口關閉時間

(單位：秒)

平均溫度

(單位：ºC) 爆燃 (B) 或熄滅 ( E)

26 12 60 377.89 B 27 12 90 331.33 B 28 12 120 321.57 B 29 12 135 311.18 E 30 12 150 320.13 E 31 12 150 318.19 E 32 12 164 301.4 E 33 12 175 305.36 B 34 12 86 311.01 B 35 13 152 311.15 B 36 14 247 319.82 B

此外，從實驗編號 33 中，在經歷了三分鐘的開口關閉冷卻，即使平均溫度

已降至約 305ºC 仍有可能發生爆燃。

實驗第 37 到 64，是先讓火災發展到閃燃後再關閉開口，並調整開口時間卻

瞭解是否會引發爆燃。從表 4 中可發現，即使平均溫度達 327ºC 左右，仍無法引

發爆燃，這代表著平均溫度無法作為判定爆燃是否發生的標準。

表 4.第四組實驗結果

實驗編

號

開口關閉前燃燒時間

( 單位：分)

開口關閉

時間

(單位：秒)

平均溫度 (單

位：ºC)

爆燃 (B) 或熄

滅 ( E)

37 閃燃後 154 363.11 B 38 閃燃後 303 311.75 B 39 閃燃後 260 320.14 B 40 閃燃後 244 332.2 B 41 閃燃後 32 466.6 B 42 閃燃後 120 394.55 B 43 閃燃後 180 353.46 B

51

44 閃燃後 60 423.66 B 45 閃燃後 333 309.41 B 46 閃燃後 414 326.49 E 47 閃燃後 86 403.28 B 48 閃燃後 116 390.97 B 49 閃燃後 376 311.39 E 50 閃燃後 374 310.89 E 51 閃燃後 368 327.37 E 52 閃燃後 120 394.89 B 53 閃燃後 328 304.86 E 54 閃燃後 374 308.95 E 55 閃燃後 360 310.38 E 56 閃燃後 321 307.18 E 57 閃燃後 279 307.64 B 58 閃燃後 293 310.35 B 59 閃燃後 318 314.07 E 60 閃燃後 328 321.98 B 61 閃燃後 217 345.36 B 62 閃燃後 367 325.48 B 63 閃燃後 391 313.99 E 64 閃燃後 244 332.2 B

3.2 各熱電偶溫度值與爆燃的關係 雖然從 3.1 中以了解平均溫度對於是否產生爆燃，無直接證據，故本研究的

下一個步驟就是將各高度位置的數值結果予以拆解分析，熱電偶相對位置及編號

如下圖所示，以高度分別予以討論。

52

圖 4.熱電偶不同高度下其相對位置配置

3.2.1 接近樓地板的位置 (TC-1021 及 TC-1031) 總共有兩個熱電偶用於量測接近地面的溫度，約高於其樓板 0.5 公分，並無

直接觸到其樓板表面，以避免偵測到的溫度為保溫材料本身的溫度，而非火災空

間之氣相溫度，其結果如下圖所示： 以測得的溫度，由低到高排列，分別分成冷區(淡藍色)、暖區(鵝黃色)及熱

區(淡紅色)表示可能發生爆燃的機率，在熱區內，爆燃一定會發生；在暖區內，爆燃可能發生，亦可能不發生；在冷區以下，爆燃沒有發生的可能。

圖 5.溫度高低與爆燃發生之關係(接近樓面之熱電偶)

菱形的代表第四組，以下討論亦同。

53

從圖 5 可看到，當 TC-1021(位置剛好在該實驗空間的正中央)溫度值高於

330ºC 的時候，爆燃必定會發生，然而介於 250ºC 至 330ºC 之間，是一個相當模

糊的空間，可能造成熄滅也可能發生忽然間的爆燃；當 TC-1031(位於燃燒室中

央距離開口處 10 公分位置)溫度值高於 300ºC 的時候，爆燃必定會發生，然而，

當溫度低於此值，或低於 200ºC 時，仍有爆燃發生的可能性。

3.2.2 與地面距離 10 公分的位置 (TC-1011、TC-1032、TC-1006、TC-1026、TC-1022、TC-1011、TC-1002)

相對應的溫度變化及爆燃的發生如圖 6。�