陳弘毅火災學(第12版)在Ch1緒論中介紹火災的成長性時，新增了一些熱釋率(Heat Release Rate, HRR)的計算公式，而在介紹氧氣當量消耗法時有提到一個儀器叫「圓錐量熱儀」。這個儀器是什麼呢？我們又是如何利用它來計算熱釋率？熱釋率對我們來說又有什麼重要性？本篇文章會帶你一一來探討這些問題，讓你對熱釋率有更深一層的概念
圓錐量熱儀簡介
組成構件
圓錐量熱儀(Cone Calorimeter)主要由「樣品燃燒室」、「排氣系統」、「氣體分析系統」等構件組成(如下圖)
樣品燃燒室的「錐形加熱器」(圓錐量熱儀的名稱由來)和「火花點火器」(電子點火器)用於提供穩定熱源，使樣品受熱燃燒。樣品會放置在一個「試體承盤」內，承盤底部會鋪上耐火棉。試體承盤則放置在載重單元上
排氣系統的「煙罩」和「抽氣幫浦」用於抽取燃燒後的煙塵(廢氣)，內部也裝有一些檢測儀器，用於量測煙塵的濃度、壓力差、溫度、煙遮蔽率等數據。而這些數據進入氣體分析系統後，就能直接在螢幕上以圖像方式呈現
使用圓錐量熱儀的步驟很簡單，就是將樣品放在試體承盤上，以火花點火器將樣品點燃，樣品燃燒後就會開始量測各項數據。實際的操作方法可以參考下面2部影片
可測得參數
ASTM E1354和ISO 5660-1是使用圓錐量熱儀來量測樣品的「熱釋率」(單位時間內釋放出的熱量)的試驗標準。而國內這方面的標準則是CNS 14705-1
ASTM、ISO、NFPA也都還有其他的相關規範，可以用來測試、計算樣品的多項數據，例如：
- 總熱釋放量(Total Heat Released, THR)-測試期間內樣品燃燒所釋放的總熱量
- 質量損失速率(Mass Loss Rate, MLR)-單位時間內樣品燃燒失去的質量
- 臨界熱通量(Critical Heat Flux, CHF)-需要達到多少熱通量才會點燃
- 點燃時間(Time to Ignition, TTI)-在特定熱通量下需要多久才會點燃
- 有效燃燒熱(Effective Heat of Combustion)-每單位樣品所釋放的能量
- 煙塵總生成量(Total Smoke Release)
中尺度量熱裝置
由於圓錐量熱儀的試體承盤比較小，所以只能用來測試比較小的樣品，如果要測試比較大、有厚度的樣品，就必須使用「中尺度量熱裝置」(或稱為中型量熱儀 Intermediate Scale Calorimeter, ICAL)
ASTM E1623是使用ICAL來測定材料相關燃燒參數的試驗標準。利用「垂直輻射板」來對樣品加熱，樣品與輻射板平行放置，樣品受熱分解出可燃性氣體後，會再以熱金屬絲點燃，燃燒的產物會透過煙罩進行收集，並透過各種檢測儀器進行數據分析
大尺度量熱裝置
若要針對更大型的物體進行分析，則會使用「大尺度量熱裝置」(Large Scale Calorimeter, LSC)。可以直接針對大型的固體可燃物進行燃燒分析，甚至在國外也有許多研究是利用LSC來分析車輛火災的熱釋率、火勢蔓延狀況、有毒氣體種類等
ASTM E2067是測試大型物體火災行為的試驗標準，但ASTM使用的名稱是「全尺寸氧氣消耗量熱儀」(Full Scale Oxygen Consumption Calorimeters)
圓錐量熱儀、中尺度量熱裝置、大尺度量熱裝置是針對不同大小的樣品進行燃燒分析，由於樣品大小不同，因此所能測得的熱釋率就不同。這三種裝置的熱釋率量測範圍大致如下：
- 圓錐量熱儀：0.1 KW ～ 100 KW
- 中尺度量熱裝置：100 KW ～ 1000 KW(1 MW)
- 大尺度量熱裝置：1 MW ～ 50 MW或更高
熱釋率計算方法
熱釋率的計算方法主要是採用「氧氣當量消耗法」(Oxygen Consumption Calorimetry, OCC)。研究發現，消耗每單位氧氣所釋放的能量趨近於一個定值，約等於13.1 MJ/kg，也就是每消耗1 kg的氧氣就會產生13.1 MJ的熱能
所以我們可以利用「氧氣消耗速率」乘以13.1來計算出熱釋率
理論上，氧氣消耗速率應該要用「進入燃燒區的氧氣質量流率」減去「燃燒產物的氧氣質量流率」來計算。而燃燒產物的氧氣質量流率又等於「燃燒產物的質量流率」乘以「燃燒產物的氧氣比率」
但實際上我們很難準確地量測進入燃燒區的氧氣有多少，而排氣系統內的氣體質量流率比較容易量測。所以我們會改成分析排氣系統內，燃燒前、燃燒後的「氧氣比例差值」
燃燒前，排氣系統抽取的是「乾淨空氣」，而空氣中氧氣的重量百分濃度大約是23%。燃燒後，排氣系統抽取的是「燃燒產物」，燃燒產物中氧氣的重量百分濃度是多少，就由氣體分析系統來量測
假設經過氣體分析系統量測，燃燒產物中氧氣的重量百分濃度是14%，那燃燒反應中實際消耗的氧氣百分比就是23%-14%=9%。由於抽氣幫浦是以固定的速率在抽氣，因此排氣系統抽取的「乾淨空氣的質量流率」會等於「燃燒產物的質量流率」
氧氣消耗速率就是「排氣系統抽取燃燒產物的質量流率」乘以9%。若要再計算熱釋率，則是再乘以13.1
總結來說，我們可以將「氧氣當量消耗法」的公式簡化整理如下。「排氣系統抽取燃燒產物的質量流率」、「燃燒產物的氧氣比率」都可以由氣體分析系統來量測，只要將這兩項數據代入公式，就能快速計算樣品的熱釋率了
不過要注意的是，使用圓錐量熱測出來的熱釋率並不是一個單一數值，而是會隨著時間變化。因為燃燒是一個動態的過程，每個階段消耗的氧氣比率不同，熱釋率就會有所上升或下降
正常來說，一個物質的燃燒過程會大致會經歷成長期、穩態燃燒期、衰退期，所以我們就能畫出下面這張熱釋率隨時間變化的曲線，一般我們稱為「火災成長曲線」
熱釋率的重要性
熱釋率是防火工程領域的一個重要參數，它的重要用途包含下面幾項：
評估火災的強度
熱釋率是評估「火災強度」(Fire Intensity)的重要指標。熱釋率愈大，表示火災瞬間釋放的熱能愈多，火災強度就愈強。而火災強度愈強，就代表火焰溫度愈高、輻射熱通量愈強、火勢蔓延速度也會愈快
評估火災的成長速度
熱釋率與時間的關係是評估火災成長速度的重要指標。從上面的火災成長曲線可以看到，成長期階段的熱釋率是一個向上的曲線，當曲線上升愈快、斜率愈大，代表火災成長速度愈快。火災成長速度愈快，代表閃燃時間(FOT)愈短、避難容許時間(ASET)愈短
NFPA 92B有畫出不同火災成長速度，其熱釋率與時間的關係，也有列出幾種不同材料分別屬於哪一種火災成長速度
用於防火工程設計
一個場所是否安全，最重要的評估指標就是看人員是否可以在火災發生時順利避難逃生，也就是場所的「避難容許時間」(ASET)是否大於「避難所需時間」(RSET)
防火工程的目的就是依照場所的熱釋率、火災成長速度等來設計警報設備、自動撒水設備、排煙設備等，也就是決定：
- 火警探測器的種類、靈敏度
- 撒水頭的動作時間、撒水密度、K值
- 排煙設備的啟動時間、排煙量
作為火災模擬參數
防火工程設計一般都會使用火災模擬軟體，輸入熱釋率、初始環境條件及相關參數，模擬火災的煙與熱的流動變化、計算閃燃發生時間，以達到火場預測的目的
目前最常用的火災模擬軟體是由美國國家標準技術研究所(NIST)所開發的「FDS」(Fire Dynamics Simulator)。它是以「流體動力學」為基礎，模擬濃煙、熱量的流動與傳播
下面這個影片是利用FDS來模擬舊金山一場真實住宅火災的煙熱流動情形
陳弘毅火災學還有提到另一款由NIST開發的「CFAST」(Consolidated Fire and Smoke Transport)，這個軟體就不是用流體動力學來計算，而是假設建築內部被分成上、下兩個均勻分布的氣體層(上氣體層溫度較高、下氣體層溫度較低)來模擬火災產生的熱與煙霧在區域內的流動，算是一個比較簡化的火災模擬工具
下面這個影片是CFAST軟體的操作示範和模擬畫面
總結
圓錐量熱儀是量測分析一個材料的熱釋率、總熱釋放量、質量損失速率、臨界熱通量、有效燃燒熱等數據的重要工具，而熱釋率與火災強度、火災成長速度有關，是防火工程設計的一個核心參數，對於我們研究火災發展行為、評估火災風險、提出防火對策都非常重要！
延伸學習：
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