一次看懂撒水頭的3個重要參數RTI、ADD、RDD

最後更新日期： 2024-11-27

在設置自動撒水設備的規範上，我國的各類場所消防安全設備設置標準是參考日本的法規，直接規範撒水頭的種類、水平距離、設置位置、放水量等。而歐美國家設置撒水設備時主要是參考NFPA 13的規範，會依據建築物的結構、用途、內部可燃物量將場所分類，然後再用單位面積的撒水密度來計算撒水頭的數量和水量

撒水設備能否即早將火勢抑制，常見的評量指標包含下面這幾個，這些都是跟撒水頭動作有關的參數，我們就來一次瞭解一下：

• 時間常數(τ，音讀套)
• 反應時間指數(Response Time Index, RTI)
• 實際放水密度(Actual Delivered Density, ADD)
• 必要放水密度(Required Delivered Density, RDD)

撒水頭的動作原理

撒水頭的構造中有一個感熱元件(一般是玻璃球)，當玻璃球受熱後就會膨脹、破裂，管線中的水就會流出撞擊頂端的迴水板，進而細化、分散成一個扇形的撒水形狀。詳細的動作原理可以參考下面這個影片：

由此可知，感熱元件什麼時候破裂，就影響了撒水設備的滅火效果。如果感熱元件很敏感，火災初期就能即時動作，就可以在火勢不大時將火災抑制。如果感熱元件比較不敏感，需要等火勢成長到一定程度才動作，就可能就會因為火勢太大無法抑制，而只能做火災控制

撒水頭的滅火效果

撒水設備對於火災的滅火效果可以分為消極的「火災控制」(Fire Control)和積極的「火災抑制」(Fire Suppression)，這兩個名詞在NFPA 13裡有明確的定義，可以區分他們的差別

火災控制

NFPA 13 定義：
Limiting the size of a fire by distribution of water so as to decrease the heat release rate and pre-wet adjacent combustibles, while controlling ceiling gas tempera­tures to avoid structural damage.
(透過水的噴灑來限制火災規模，以減少熱釋率並預先濕潤鄰近的可燃物，同時控制天花板可燃性氣體的溫度，以避免結構損壞)

造成撒水頭比較晚啟動，只能進行火災控制的原因，除了感熱元件的敏感度低以外，也有可能是因為場所的空間太大，溫度要上升到讓玻璃球破裂需要比較長的時間，這時火勢可能就已經發展到一定程度，撒水頭啟動就只能避免火勢繼續擴大燃燒

火災抑制

NFPA 13 定義：
Sharply reducing the heat release rate of a fire and preventing its regrowth by means of direct and sufficient application of water through the fire plume to the burning fuel surface.
(通過直接並充分地將水釋放到火焰上，使其穿過火柱到達燃燒的可燃物表面，從而顯著減少火災的熱釋率並防止其再次增長)

除了提高感熱元件的敏感度，使撒水頭能在火災初期啟動而達到抑制效果以外，也可以考慮使用火警探測器來連動撒水設備。火災初期最能比較快被偵測到的就是煙，如果火警探測器偵測到煙以後能連動開啟撒水頭，就能快速將火災抑制，不過這種做法在國內還是比較少見的

撒水頭的重要參數

感熱元件的敏感度是直接影響撒水頭早期抑制火災的因素，下面我們就來看評估敏感度的方法

時間常數(τ)

測量感熱元件敏感度的常用方法就是時間常數τ，他的公式如下：

當感熱元件質量愈大、比熱愈大、暴露於空氣中的表面積愈小，時間常數τ就愈大，代表熱敏感度就愈差、反應時間愈長。反之，時間常數τ愈小，熱敏感度愈佳、反應時間愈短

反應時間指數(RTI)

反應時間指數RTI也是判斷撒水頭反應快慢的重要指標，他的公式如下：

而撒水頭動作的時間公式則是下面這個：

時間常數(τ)、反應時間指數(RTI)和撒水頭動作時間(t0)的公式推導可以參考下面這個影片：

RTI值愈低，代表感熱元件的敏感度愈高、反應時間愈短。而NFPA 13有定義，快速反應撒水頭(fast response)的RTI是50或更低，而標準反應撒水頭(standard response)的RTI是80或更高

NFPA 13：
Sprinklers defined as fast response have a thermal element with an RTI of 50 (meters-seconds)or less. Sprinklers defined as standard response have a thermal element with an RTI of 80 (meters-seconds) or more.

必要放水密度(RDD)

必要放水密度指的是「抑制火災所需的水量」。理論上，火災初期的RDD會比較小，因為火勢規模還不大，抑制火災所需的水量就不多，因此RDD應該是隨著時間經過而愈大

下面這篇文獻有針對RDD的估算做研究，如果你有興趣的話可以再看看：
Henry Persson-Evaluation of the RDD-measuring technique

實際放水密度(ADD)

實際放水密度指的是「撒水頭釋放出來並且確實到達燃燒之可燃物表面的水量」。火災初期的ADD應該是比較大的，因為火勢規模還不大，實際可以到達可燃物表面的水量會比較多。而到了火災中後期，火勢規模變大以後，水就很難穿透火焰到達可燃物表面，因此ADD應該是隨著時間經過而愈小

影響ADD的因素包含下列這幾個：

• 撒水頭的口徑
• 撒水頭的放射壓力
• 撒水頭動作時的火災熱釋率
• 撒水頭最初放射的個數
• 火源相對於撒水頭的位置
• 撒水頭的防護面積與配置形狀

如果我們將RDD、ADD與時間的關係圖畫出來，會是像下面這樣：

當ADD > RDD時，表示撒水頭釋放出來並且確實到達燃燒可燃物表面的水量，大於抑制火災所需的水量，這種情況下就能夠即時將火災抑制。反之，如果ADD < RDD，代表火勢已經無法得到控制。因此，在設計撒水設備時，一定要讓撒水頭在ADD > RDD時就啟動，才能達到抑制火災的效果

流量特性係數(K 值)

說到撒水頭的參數，還有一個很重要的就是K值。K值是用來表示撒水頭在特定壓力下，通過口徑的預期放水流量，在密閉式撒水頭認可基準中我們可以看到下面這個公式：

當我們使用1 kgf/cm²的放水壓力去測試一顆撒水頭的流量時，如果測得的放水量是80 L/min，那這顆撒水頭的K值就是80，表示為「K80」。而如果測得的放水量是114 L/min就表示這顆撒水頭是「K114」

從這個公式我們可以得知，撒水頭的放水量會因為放水壓力而改變，也就是說如果我們選用一顆K80的撒水頭，當放水壓力是1 kgf/cm²時，放水量會是80 L/min，而如果放水壓力是4 kgf/cm²時，放水量則會變成160 L/min

設置標準第50條有規定，撒水頭的放水量應在80 L/min以上，要符合這個規定，通常會選用一顆K80的撒水頭，然後設定放水壓力為1 kgf/cm²。但要注意的是，這個1 kgf/cm²其實是「末端」的撒水頭的放水壓力，而在末端撒水頭之前的其他撒水頭，實際的放水壓力其實都會大於1 kgf/cm²，因此實際的放水量都會超過80 L/min

我們的設置標準並沒有引入K值的概念，所以放水量超過80 L/min並沒有違反規定，因此大多數人就不會太在意，但這樣其實會影響到撒水密度(每平方公尺的放水量 LPM/m²)

NFPA 13在配置撒水頭時，會參考下面的表格確認撒水密度，選用不同K值的撒水頭，再針對放水壓力去做調整。設計的流程大致如下：

1. 建築物依照火災等級做區分，並依面積大小確認對應的撒水密度
2. 確認需多少撒水密度後選擇不同K值的撒水頭
3. 依Q＝K√ P 計算撒水頭放水壓力

消防署公告的倉庫自動撒水設備設計指引就有將K值的觀念納入，因此在指引中寫的是「標稱流量特性係數(K 值)應在OOO L/(min- bar^1/2)以上」，目的就是在規範必須採用大K值的撒水頭，而不是用小K值的撒水頭然後加大壓力

有人可能會問，選擇K160的撒水頭、放水壓力1 kgf/cm²，跟選擇K80的撒水頭、放水壓力4 kgf/cm²，根據公式計算，放水量不是一樣都是160 L/min嗎？為什麼一定要限制使用大K值的撒水頭？主要是因為當放水壓力加大時會影響撒水分佈

在密閉式撒水頭認可基準中有一個「撒水分佈試驗」，有提到「全撒水量之60%以上應撒在撒水頭軸心為中心之半徑300 cm(對r為2.3 m者而言)或半徑330 cm(對r為2.6 m者而言)或半徑360 cm(對r為2.8 m者而言)之範圍內」

也就是說撒水頭撒出來的水，60%必須撒在一個特定的範圍內(半徑300 cm、330 cm、360 cm範圍內)，在這個範圍內的水才被認為對火災控制、火災抑制有效

因此如果是選用小K值的撒水頭並且加大壓力，有可能導致在這個特定範圍內的水少於全撒水量的60%，也就是大部分的水都分散出去，屬於無效撒水。所以指引才會直接規範K值，不讓大家用加大壓力的方式來達到相同的放水量

總結

目前法規已經開放室內停車空間也可以選設自動撒水設備，因此撒水設備的重要性會愈來愈高，另外消防署也公告了倉庫自動撒水設備設計指引，把NFPA 13的設計觀念慢慢引入國內，因此未來做撒水頭配置時會愈來愈需要考量撒水密度、K值、RTI、RDD、ADD等參數了，之後做撒水設備的設計會變得比現在還要複雜許多！

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