正壓排煙

正壓排煙會造成閃燃還是避免閃燃?這2種理論你覺得哪個比較有道理

最後更新日期: 2022-11-15

感謝我們的朋友家瑋來信詢問關於 正壓排煙 、負壓排煙、水力排煙的問題。通風排煙是實務上很常見的消防戰術,不過大多數人可能多只用在「殘火處理」階段,將火場中剩餘的煙熱排出

事實上國外已有許多消防單位會在「滅火攻擊」階段用正壓排煙的方式輔助救災,不過這種做法的效果有很大的爭議,一派人支持也有一派人反對。今天就來介紹一下通風排煙的基本概念,也來看看支持與反對正壓排煙的理由

通風排煙基本概念

我們都知道火場中最危險的就是煙,而通風排煙顧名思義就是排除火場中的高溫濃煙有毒氣體可燃性氣體等,讓新鮮空氣進入以改善火場的危害環境。下面會介紹通風排煙的原理和方法,也會比較各種通風排煙方法的優缺點

原理

將濃煙從火場中排出的方向有兩個:垂直方向、水平方向。在垂直方向上能排煙是因為煙比空氣輕,在水平方向上能排煙是因為煙會從高壓處流向低壓處

煙比空氣輕

火災學有提到煙比空氣輕,在自然狀況下會往上跑,如果建築物內有樓梯、電梯井或其他垂直管道,煙就容易經由這些管道向上傳播,最明顯的例子就是煙囪效應(Stack Effect)。下面這部影片可以很清楚地看到煙向上的流動狀況

既然知道煙會往上跑,如果我們在建築物的屋頂或天花板附近建立開口,煙就會從這些開口自然排出,這也是為什麼消防排煙設備都要設在天花板附近

正壓排煙

延伸閱讀:消防排煙設備是什麼?如何決定自然排煙或機械排煙

煙會從高壓處流向低壓處

煙會由高壓處流向低壓處,在同一樓層中,起火居室因持續產生濃煙,室內空間壓力不斷升高,因此會向鄰近壓力較低的居室擴散

正壓排煙

既然知道煙會由高壓處流向低壓處,我們就可以借由外力來製造高壓處和低壓處,例如在起火居室內製造通往室外的開口(低壓處),用正壓排煙機將空氣送入(高壓處),這樣就能將濃煙排出

正壓排煙

進風與排煙

沒有外力介入時,一個開口可能為進風口也可能為排煙口,我們必須瞭解這個開口是進風口還是排煙口,才能知道哪邊要形成高壓、哪邊要製造低壓

中性帶」(Neutral Plane)是很好的判斷依據,F.I.R.E FD203 Enclosure Fires 這份文件中有完整介紹中性帶的定義

  • 當熱煙層蓄積到一定的高度時,會從居室開口(門、窗)的上部開始向外流出
  • 冷空氣會從開口的下部流入居室,取代排出的熱煙
  • 冷、熱氣流在開口進、出的交界面被稱為中性帶
  • 中性帶以上的熱煙會排出(因內部壓力較高),中性帶以下的冷空氣會流入(因內部壓力較低)
  • 在同一個開口上同時出現向外及向內的氣流,這種狀況稱為雙向氣流(bi-directional flow)

我們可以藉由中性帶的位置來瞭解建築物內不同位置的開口是用於進風還是排煙,如果用於排煙就可以考慮開啟,將熱煙層排出、增加視線。但如果開口是用於進風就要考慮關閉,避免新鮮空氣流入造成火勢擴大延燒

中性帶

分類

通風排煙有很多不同的分類,下面是幾種常見的分類方式:

煙流動的方向

  • 垂直(縱向)排煙
    (Vertical Ventilation)
  • 水平(橫向)排煙
    (Horizontal Ventilation)

驅動力

  • 自然排煙
    (Natural Ventilation)
  • 機械排煙
    (Mechanical Ventilation)
  • 水力排煙
    (Hydraulic Ventilation)

機械排煙又分為正壓排煙(Positive Pressure Ventilation, PPV)、負壓排煙(Negative Pressure Ventilation, NPV)。自然排煙、機械排煙、水力排煙都可以做垂直排煙和水平排煙,只是有沒有效率而已

比較

自然排煙多用在垂直排煙,工廠火警時常會在鐵皮屋頂上製造開口加速排煙,但這樣的作法風險較高,現在愈來愈少推廣屋頂破壞排煙戰術。自然排煙的水平排煙則會用在一般的炊事不慎案件,畢竟僅是簡單的小案件,只需將住戶內的窗戶都打開通風即可

機械排煙、水力排煙多用在水平排煙,在住宅或工廠火警中都可以用來加速排煙,而且效率比自然排煙好很多。用在垂直排煙也可以,但要注意上面提到進風口、排煙口的概念,大多數人比較沒有這個觀念,使用的效率就比較差

下面簡單介紹正壓排煙、負壓排煙、水力排煙的幾個優缺點,在排煙效率上是正壓排煙最好負壓排煙次之水力排煙最差

正壓排煙

正壓排煙的效率高,能快速移除火場中的濃煙和高溫,但是必須特別注意排煙口、進風口的建立,否則就很容易使用錯誤、造成火勢擴大燃燒。正壓排煙還有一個缺點是很吵雜,會造成現場人員溝通的困難

負壓排煙

建築物火警可能因窗戶破掉、門未關閉、牆壁有縫隙等,導致室內空間很難形成負壓,因此效率會比正壓排煙還低,但是用在開口較少的地下室火警就比正壓排煙的效果好很多

負壓排煙比較麻煩的是佈署風機、排煙管等,火場中的熱煙也會吸附在風機、排煙管上,甚至可能導致損壞,比較適合用於排除火場後期、溫度較低的煙

水力排煙

水力排煙的優點為快速,消防人員攜帶水線入室搜索、滅火時能立刻搭配使用。缺點為效率低、會造成水損

我曾經在幾次的工廠火警中有使用過水力排煙,當時在起火的隔間裡將火勢撲滅後,發現有一個通往戶外的開口,於是就直接對開口用水霧方式射水,大概3分鐘就有明顯改善能見度。不需要搬運排煙機,直接用原本進行滅火攻擊的水線就能排煙,我覺得效果還是不錯

正壓排煙會造成閃燃發生

案例

前面有提到,正確使用正壓排煙能快速將火煙排出,但如果使用錯誤可能導致火勢擴大延燒。我們可以看到很多使用正壓排煙結果導致火勢擴大的案例

依據

主張正壓排煙會造成閃燃發生或擴大延燒的人,主要是依據之前有提過的「建築物火災成長曲線

建築物火災成長曲線

當火災成長到一定程度後,室內的氧氣被消耗殆盡,缺氧環境下使得火災無法繼續成長、熱釋率下降,變成通風控制燃燒(Ventilation Controlled),也稱為衰退期(Decay Stage)。這個階段如果有開口產生(如消防員破窗、破門,窗戶燒破、天花板燒塌等),會使氧氣進到建築物內,造成火勢再度擴大燃燒

延伸閱讀:火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)

文獻資料一

Preventing backdraft through vertical ventilation 這篇文章有提到,當火勢撲滅或仍在悶燒時,在火勢成長的過程中有可能會回到閃燃(Flashover)、爆燃(Backdraft)或可燃性氣體爆炸(Smoke Explosion)階段

文章中還有提到,正壓排煙應該被重新命名為「火災後排煙」(Post-Fire Ventilation, PVF),因為正壓排煙應該要在火勢撲滅或完全熄滅後才能使用

本篇文章的作者不建議正壓排煙在火災成長階段搭配滅火攻擊戰術使用。網路上還有很多消防員、消防戰技專家、學者等發表過類似的文章,主張正壓排煙會讓室內溫度上升熱釋率增加,甚至使閃燃現象提早發生

文獻資料二

UL FSRI 的 Impact of Ventilation on Fire Behavior in Legacy and Contemporary Residential Construction 這份報告有詳細記載他們針對全尺寸1、2層建築物火災做的實驗數據和結果,要研究開啟不同大小的開口增加通風時,會導致室內溫度變化多大

UL FSRI 的原文很長,要讀完不太容易,因此可以 Influence of Ventilation in Residential Structures: Tactical Implications Part 8 這篇文章整理的一些重點。也可以參考雲林縣消防局吳宏毅提供的中文翻譯文章 水平通風排煙的謬思─通風排煙口建立越多越好嗎?

有幾個重要的實驗結果整理如下:

  1. 在1層樓建築火災實驗中,實驗1(僅開啟門)、實驗14(開啟門及4個窗戶)增加通風排煙都導致熱釋率、室內溫度顯著上升,且實驗14的最高溫度是實驗1的1.6倍
  2. 在2層樓建築火災實驗中,實驗1(僅開啟門)、實驗15(開啟門及4個窗戶)增加通風排煙都導致熱釋率、室內溫度顯著上升,且實驗15的最高溫度是實驗1的1.5倍
  3. 增加通風排煙會讓起火居室、煙流路徑、鄰近居室的環境都更惡劣。在1層樓建築火災中觀察走廊的最高溫度,實驗1大約是200℃、實驗14則達到約900℃
  4. 沒有任何火勢控制(Fire Control)的作為時,增加水平通風排煙只會讓熱釋率上升,甚至可能發生閃燃而進入火災成長全盛期。不會讓火災成長變回初期的燃料控制燃燒,甚至改善火場內的惡劣環境

UL FSRI 的實驗結果也比較偏向通風排煙可能造成閃燃發生的結果,而且通風量愈大可能讓室內環境變得更惡劣

正壓排煙能避免閃燃發生

案例

國外也有許多人在實際火場、訓練時會使用正壓排煙來輔助救災,他們認為正壓排煙能將火場中的濃煙、高溫、可燃性氣體等排出,藉以避免閃燃、爆燃發生,增加入室人員的能見度

他們在入室搶救前都有先製造進風口和排煙口,然後用正壓排煙機將新鮮空氣送入室內,讓火場內的火煙排出,以前面提到的UL FSRI的實驗來看,這種作法是相當危險的!

依據

目前我沒有找到任何資料能夠作為這種正壓排煙戰術的理論基礎,會有這種作法應該是因為國外透過大量的實務操作、大量的練習,累積相當程度的經驗才能有效執行

文獻資料一

Positive pressure ventilation: The rights and wrongs 這篇文章有提到,通風排煙可以降低達到閃燃、爆燃所需的環境參數,排出大量的、來降低室內溫度能避免發生閃燃,排出缺氧的可燃性氣體能避免發生爆燃

文章中也有提到,使用通風排煙最大的原因是,將火場中的高溫、濃煙排出後,能讓待救者所處的環境變得更有利於生存,能提升待救者的存活度,也能提升入室救災人員的能見度和救援效率

不過本篇文章的作者在最後也有提到,每個人都可以選擇是否要使用通風排煙戰術,但必須要小心,千萬不能將這種戰術用在每一種情況下

文獻資料二

下面這部影片有更詳細地介紹如何安全、有效地執行正壓排煙攻擊戰術(Positive Pressure Attack)

首先也最重要的是,每個人都必須接受過完整的訓練,瞭解如何執行、何時能執行。如果有人沒有建立好適當的排煙口,或不清楚排煙路徑,就有可能造成人員傷亡

執行正壓排煙攻擊戰術時必須遵守下面幾個步驟:

  1. 指揮官必須360度環繞火場,瞭解建築物的佈局、嘗試找到起火點
  2. 其他人員同時將排煙機搬到門前,將其對準之後要進入的門口並啟動
  3. 消防人員必須在準備入室的位置預先接好水線
  4. 如果指揮官有找到火點,應該要利用各種器材(如火鈎、翹棒等)來建立排煙口
  5. 排煙口的大小必須是進風口的2~3倍
  6. 確定排煙口已經建立完成後,消防人員就能開啟排煙機送風
  7. 排煙機必須距離門口3~6呎(約0.9~1.8m)
  8. 啟動排煙機後如果發現煙熱從開口上方竄出,就必須要適時調整。但如果發現有火煙竄出,千萬不能進入
  9. 入室時應伴隨水線、跟著新鮮空氣的氣流移動,這樣就能在能見度佳、溫度低的狀況下移動,也能更快找到火點

影片中也有提到,根據 NIST 的研究,使用正壓排煙可以讓火場中的溫度在幾秒內從1000℃降到200℃,這能讓受困者處在一個比較適宜生存的環境

消防署訓練教材

消防署火災搶救初級班訓練(FF1)的教材中有提到正壓排煙五大禁忌

正壓排煙時應使審慎考量,當有下列情況時嚴禁使用正壓排煙:

  1. 建築物內部可能有待救人員(民眾或消防員),貿然的使用PPV將擾動內部煙流,更有可能加速內部人員的傷亡
  2. 既有的滅火戰術已經有效,即不需再運用可能擴大火勢的PPV戰術
  3. 不確定火點位置時,隨意的PPV有可能造成火勢擴大延燒
  4. 建築物已產生過度加壓時,代表內部的排煙開口不足以將PPV得正壓卸除,此時極有可能使熱流反像衝向進風口造成傷害
  5. 有任何致命危機的火災現象徵兆產生時(如閃燃、爆燃前兆),嚴禁PPV加速其現象的發生

由上面幾點可以看出消防署比較傾向不使用正壓排煙攻擊戰術,當然主要也是因為我們對這項技術的操作次數比較少,也缺乏技術背後的理論基礎,所以消防署才會用比較保守的方式來教學,避免大家在沒有完全瞭解的狀況下使用,造成更嚴重的傷亡

總結

正壓排煙的使用效果一直存在很大的爭議,正反兩邊都有經過很多實驗、實務操作來驗證,沒辦法說哪一邊是對的。但我們也不用管對與錯,更重要的是要懂得正確使用通風排煙的技巧,運用這些技巧來輔助救災、盡快將災害處理完畢才是我們想要的

正壓排煙會造成閃燃還是避免閃燃,你比較支持哪一派的說法呢?歡迎在下方留言告訴我,一起討論你的想法喔!

延伸閱讀:
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在〈正壓排煙會造成閃燃還是避免閃燃?這2種理論你覺得哪個比較有道理〉中有 6 則留言

  1. 徐豐勝

    請問水力排煙,水對窗的覆蓋率是60-90還是90以上,瞄子離窗戶大約多遠?

    1. 就我自己所學水力排煙的最佳效率是以涵蓋開口90%以上,可以先距離開口約60公分、水霧角度30~60度,之後再慢慢微調

      不知道你學的是不是也差不多呢?

      1. 有朋友回饋,上面說的「距離開口約60公分」是傳統的教法

        NFPA 1700 有提供新的指引:
        應盡可能離排煙口(窗戶)遠一點,從UL的數據中得知,距離排煙口9英尺的排煙能力會比距離3英尺多2倍

  2. 想請問最後國內的消防訓練教材,關於正壓排煙五大禁忌中的第四項所提及『建築物已產生過度加壓』是指建物內部缺氧燃燒進入假性衰退時,其中之氣體壓力嗎?還是是指已經開始實行PPV後,發現進氣量遠大於出煙量時,須適時停止,以免無法釋出的壓力反衝回進氣口?
    此外,若是火點居室的排煙口不夠大,又不適合以破壞牆體增大排煙口時(若排煙口不夠大而評估後牆體可稍作破壞,有可能進行這樣的決定嗎?還是對於不熟悉的建物之熱載重能力的布料解,通常不會做這種決定?),可否於排煙處加設負壓抽風,使通氣路線能更加明確且確實排出可燃氣體?較先摸清正壓排煙的國外有做過類似的舉動嗎?若有,臺灣有案例嗎?或是因為擔心負壓抽風設備損耗,或是臺灣地狹人稠,房屋建設也常緊鄰故此法並不適用?

    1. 消防署的教材是指執行正壓排煙後,進氣量大於排煙量造成的正壓。這是因為排煙口的面積可能太小,煙排不出去時可能就會從我們送風的開口衝出來

      比較不會破壞牆體來製造排煙口,通常都是破窗、破玻璃,或在屋頂製造開口,破壞強體確實風險比較大,可能會有倒塌風險,所以比較不會這樣做

      排煙時正壓送風+負壓抽風理論上是可行的,但實際執行起來可能有點難度,因為很難建立一個很完美的排煙路徑,確保煙一定能從負壓那邊被排出去,建築物的結構比較複雜,很能控制煙流動的方向

      目前實務上大多還是會正壓或負壓選一個來執行,比較少兩個同時使用,這需要大家互相配合,還有大量的訓練

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