The effect of water rnist characteristics on smoke control were investigated  S、 、 ア

基礎的研究

大 黒 正 敏

^*。

^**

Study on Smoke Control byヽ^{ヽ「aterヽ}

^/1ist

h′ ′ Iasatoshi DAIKOKU*and Takao TERAI Abstract

The effect of water rnist characteristics on smoke control were investigated  S、 、 ア

‐

/as adopted and newly designed as a ttrater Hlist generator  The spray characteristics of the atomizer、 、 「

y discussed, and the effects of the mist diameter and the no、 、 ア rate on smoke control Mァ ere clarified  Consequently, an optilnum diameter for smoke control ttras obtained in a model room ttrith nO heat source  Evaporation characteristics of the inJected 都/ater ■ list in the model room  、 vith a heat source were also investigated numerically, the optimum diameter、 、 「

vater damage in room lire  Ⅵras found

Key:炒 οrtJs: M/ater Hlist,smoke control,room lire,atonlization

1,は

じ め に

建物で火災が発生 した場合

体 に とって最 も恐 ろしいのは

よ りも煙である。実際

災では

が原因で死亡す る例が多数報告 され てお り

災発生時 における煙 の抑制 は

難 お よび救助双方立場か ら重要課題である。一方 ^, 消火活動 は放水 ,ス プ リンクラー

火剤等 に

より行われて きたが

年の

の進展 に伴 い

火後 の水損の問題 も無視 しえな くなって きた。また ,水 に代わ るハ ロンや C02を 用いて の消火 も

球環境や人体への影響 の問題があ り ,ハ ロンは廃止 される方向 ^1)に ある。そ こで ^, 水損が少な く

つハ ロン等の代替消火剤 とし て

年 ウォーター ミス ト ^(水 噴霧

注 目さ れ ,消 火特性

モデ リング ^3)に 関す る研究等が なされているが

煙 に関す る研究 は比較的少 ない ようである。

平成 10年 ^{10月 16日} 受理

*機

_{械工学科・助教授}

**機 _{械工学科・技師}

本研究 は

ォーター ミス トを用いた消火 。 消煙 システム構築 に関す る基礎 的研究 として

ミス ト発生用 ノズルの設計・試作 を液体微粒化 技術 の一応用分野 として とらえ

^{の ミス ト特}

性が消煙 にお よばす影響 を調べ ることを目的 と している。

本報では

ォーター ミス トノズルか ら噴霧 され る ミス トの粒子径

量 を変化 させ

デ ル室内での消煙効果 を実験的に検討す る。 さら に

源 の存在す るモデル室内での ミス トの運 動や蒸発 に関する数値解析 も併せて行 い

煙 に効果のある ミス トについて も検討す る。

2.ス

プ リンクラー とウ ォー ター ミス ト シス テム

2.1  スプ リンクラーユ 澪 0

スプ リンクラーは

般 に火災の初期状態で

の消火設備 として設置 され ,ス ^{プ リンクラー}

ヘ ッドと呼 ばれ る放 出口か ら水 を大量 に散布す

ることで消火す る設備である。その放水量 は ,ス

八戸工業大学紀要 第 18巻

プ リンクラー1個あた り毎分80L(リ ッ トル)

以上,散水径 は半径3m以上 と規定 され て い る。ただ し,ひとつのスプ リンクラーヘ ッドの 散水範囲 (有効散水半径)は,一般的事務室で 半径2.3m以下である。従来のスプ リンクラー では,ヘッ ド部分水圧 が^0.1〜l MPaと_{幅が あ} り,その結果,放水量が規定値80Lの 3倍以上 となって しまう可能性があった。改良型ヘ ッド では1個あた りの放水量 を毎分50L以上(事務 室等の場合)と し,ヘッ ドでの水圧 も01〜

0.4

MPaと しているため,過剰放水の可能性 も最大 で50Lの 2倍以下 と小 さ くなっている。 また

,

有効散水半径 は事務室 の場合,従来型 の

23m

(10.58m2)か ら3.25m(21.Om2)と _{向上 し},面

積では約2倍_{を消火可能であるが},い^ずれにし

て も大量 の水 を散布 す る ことには変 わ りが な い。

ス プ リンクラー は,室内の温度 上昇 を捉 えて 放 水 開始 す るため,火災 時 の信頼性 が高 い とい う長所 はあ る ものの,いった ん放水 を開始 す る と,制御 弁 等 を操作 しない限 り,停止 す る こと が で きない とい う短所 もあ る。 その ことが建築 物 お よび収容 物 に対 す る水 損 被 害 の拡 大 とな り,消火後,速や か に放水 を停止 で きるスプ リ ンクラーが望 まれてい る理 由で あ る。

2.2 ウォーター ミス トシステム9

ウォーター ミス トによる消火 は,環境 にや さ しく,人体 にも無害で,しか も前述のスプ リン クラーに比べ小流量であるため,水損 も最小限 にす ることが可能であるが,水損の程度 にも関 心が向けられ,火災規模 に対 して適正 な水量 の 検 討,すな わ ち発 熱 速 度 と必 要 散 水 密 度,

(Required Delivered Density:燃 焼 物表 面 に 散水 させれ ば初期消火 が達成 で きる最低散水 量)の調査・ 研究等 も行われている。

これは消火・消煙 に有効 な水滴粒子径の研究 の必要性 を意味 している。実際 に水滴が火炎 を 貫通 し,火源 に到達す るに必要な粒子径 は,ス

プ リンクラーが作動する規模 の火災では,直径

0.8mm以上,そして0.5mm以_{下の水滴 は,雰}

囲気冷却 に有効 といわれている。 また,液体火 災 (水溶性液体 を除 く)では,水滴が火炎 を貫 通 して液体 中に沈降す ると消火効果 を失い,一

方では,小さな水滴 は炎のア ップ ドラフ トによ り火炎中に進入で きない等の現象がある。

ゆえに,ウォーター ミス トシステムの消火・

消煙能力が比較検討 され,さ らに性能が改善 さ れ,従来の消火・消煙設備 よ りも大幅 に少ない 水量で,同等あるいはそれ以上の効果 を得 るこ とがで きれば,火災安全工学上 きわめて有益で ある。

3.実 _{験 方 法}

3.1 ウォーター ミス トノズル

消火・消煙用 ウォーター ミス トシステムを構 築す る場合,確実 に作動 し,保守・点検が容易

,

低 コス ト等 の条件 を満 たす必要 が あ る。 した がってノズル に要求 され る重要な条件のひ とつ に微粒化エネルギーを安価 に得 るとい うことが ある。 そ こで,スプ リンクラー と同様 に,基本 的 には建築物の「高 さ」 を利用 してエネルギー を得 ることとし,圧力噴射弁 を使用す ることに した。 そこで,本研究では設計法が確立 されて いる渦巻 き噴射弁^0'つ を用いることとした。

ミス ト特性 の消煙効果への影響 を詳 し く調べ るためには,広範囲の粒径,流量で実験す るこ とが好 ましいが,単一の渦巻 き噴射弁では,そ

れが困難である。そ こで,噴口径 の異なる複数 のノズル を設計・ 製作 し,噴射圧力 を変化 させ て,流量一定で ミス ト径の消煙への影響,あ^る

いは ミス ト径一定で流量の影響 を調べることに した。 なお,噴霧角 (設計値)は^{いずれのノズ}

ル も

^80°

3.2 _{消煙実験装置}

図1にウォーター ミス トノズル を用いた消煙 の実験装置系統図 を示す。直方体のモデル室寸 法 は,高さ176m,床_{面 は一辺が}1.17mの_正方

表 1  粒子径測定結果 流量

(mL/s)

ザウタ平均粒径 :SMD(μ m) ノズル

346 170 117 95

∝

∝

∞

∝

∞ ０

︵ 口 引 日 ・

︼ 日 ︶ ＼ 白 や 円 ﹄ 日     Φ ヽ ﹁   ■ 〇 図 1  実験装置系統図

形である。隣接す る 2側 _{面 は透明アク リル}

り 2面 と天丼 は合板 を使用 し

部 は金網 を付 置 した排水装置 となっている。煙発生源 には線 香 を用いた。モデル室内が一定の濃度 になるま で煙 を発生 させた後 に

丼部 に取 り付 けたノ ズルか ら噴霧 を開始 して

節で述べ る減光係 数の時間的変化 を測定 して

煙 の性能 を評価 す る。

3。3 

減 光係 数測定 法

一般 に火災時 に発生 す る煙 の濃度 を表 すパ ラ メー タ として

光 係 数 CsOが あ る。減光係数 の値 が大 きけれ ば視界 が妨 げ られ る こ とを意味 して い る。本研 究 で は ,光 源 に フラ ッ ドラ ンプ

セ ンサー に CdSセ ル を使 用 して ,光 源 の光 強度

FO,距 離 と にお け る光 強 度

間 に成 り立 つ

Lambert Beerの 法則

F=Foexp(―

を利用 して減光係数 を決定 し ,  ミス トによる消 煙の効果 を評価す ることにした。

4.実

験結果 および考察 4.1  ウォーター ミス トノズル特性

表

_{本研究で用いた} 3種 類 のノズルのザウ タ平均粒径

液浸法 によ り測定 した結 果 を示す。流量一定 (10 mL/s)の 場合 ,  ^{ミス ト} 径の範囲が約 ^{90〜 170}  μ

煙への影響 を 調べ ることが可能である。

‑400‑300‑200‑ 200 300 400

Radial distance  mm

図 2  分散量分布測定結果

(ノ

ズル B:噴 射圧力 2 MPa)

図

ノズ ル

射 圧 力

つ い て ,ノ ズル中心か ら鉛直下方約 1̲5mの 水平平 面上で互 いに直行す る 2方 _向 (図 中○および△

について ミス トの分散量分布 を測定 した結果で ある。一般 に渦巻 き噴射弁か らの ミス トは中空 円錐状であることが知 られてお り

際にノズ ル噴 口近傍 を観察す ると

^{の ようになってい}

る。 しか し

分散量分布測定のように ,ノ ズ ルか らじゅうぶん下方では

^{ン トレイメン ト}

等 の影響 でモ デル室 内 に ミス トが拡散 してお り ,中 心軸上で最大値 をとる。ことがわか る。な お ,こ の傾 向 はいずれの実験条件 で も同様 で あった。

4.2  _消煙実験

図

流量 を一定 (10 mL/s)に 保 ち ,  ^{ミス ト} の平均粒径 を 91,109,170  μ

変化 させて,モ デル室内の械光係数の時間的変化 を

^れぞれ

求めた結果 (図 中○

ある。 ここで の減光係数 は ,ミ ス トを噴霧す る直前の値 (Cs)O

ノズル B

ノズル A

)△

O

△ Ｏ

6

1

Q

6 2

Ｏ

△

O

61

O

転

八戸工業大学紀要 第18巻

……

O SID=91 μm

△    lo9

□   170

α5

〇︵∽Φ︶＼∽Φ

O△

△

10     20     30

Tine  min

図3 減光係数の時間的変化 (@=10 mL/s)

10     20     30

Tine  nln

図4 減光係数の時間的変化 (SMD=100 μm)

00 40

1

α5

〇︵∽Φ︶＼∽〇

で無次元化 した ものである。なお,図中の破線 (Time=O minに てCs/(Cs)。=1)は , ミス トを 噴霧 しない場合,すなわち煙を充満 させ放置 し た場合の減光係数変化を求めた ものである。

いずれの粒径 の ミス トで も噴霧直後 は,モ^デ

ル室 に充満 した煙 に加 えて, ミス ト自身が光 を 遮 断す るた め,減光 係数 が いった んわずか に上 昇 し,その後 は時間 とともに減少 す る ことがわ か る。 ミス ト粒径 が小 さ くな るにつれて,減光 係数 が よ り早 く減 少す る ことがわか る。これ は,

同 じ流量 の場 合,粒径 が小 さい ほ ど粒子表面積 の総和 が増 す こ とにカロえて,粒子 のモ デル室 内 での沈降速度が小 さ くな り,煙の吸着 が良好 に 行 われ るた め と考 え られ る。 じゅうぶ ん時間が 経過 す る と,減光係数 の値 は変化 しな くな るが

,

これ は各平均粒径 の ミス トのみが存在 す る場合 の減光係数 (図下部 の3本の破線,鎖線)に^ほ

ぼ一致 してお り, この時点 で,消煙 の完 了 を意 味 して い る。なお,各 条件 にお ける噴霧終 了(0,

▲,■)以降 の減光 係 数 は,いずれ も0に_漸近 す る こ とも確認 された。

避 難設備 の計 画上,視認 限界距離^1の は重要 な 要素 で あ るが,これ は周囲の照明 の状況や煙 の 性状 等 で異 な る。本研究 にお ける一連 の実験 で は,煙が充満 して視界 が妨 げ られてい る初期状 態 か ら,黒色 の壁 面 に記 した 白色 のマー クが確 認 され る時間 を求 めた(図中 ↓)。 いずれの場合

もCs/(Cs)0=0.4程度の値であり,ま た粒径が

ノ」ヽさいほ ど早 く確認 され る ことがわか る。

図4は_{粒径 をほぼ一定値}

₍₁₀₀ 

虹 No lnjection

Q=5 mL/s

15

一

〇

△

光係数の時間的変化 を求 めた結果である。流量 の増加 に ともない

光係数が急激 に減少する ことがわかる。これは

量の増加 によって,モ デル室内の ミス ト粒子数が増 え

面積の総和 が増加 し

の吸着が促進 され るため と考 えら れ る。

消煙 と消火 とでは目的は異 なるが

ウオー ター ミス トノズルの噴射流量 は

大の場合で も単位面積・ 単位時間あた りでスプ リンクラー の約

_{度以下であ り} ,小 流量で も効果があ ることがわか る。

5.モ

デル室内における ミス トの挙動解析 前節 の消煙 実験 は

源 のないモ デル室 で 行 ったが ,  ミス ト泣子 の運動や蒸発特性 は火災 時 に存在す る上昇流 ^(プ ルーム

によって大 き く変化す る。 そ こで

源の存在するモデル 室内での粒子の挙動 を数値解析 し

煙 に効果 のある ミス ト径 0を 検討す ることにした。

流れ場 は計算の簡便性か ら

回のない軸対 称 2次 元 (直 径 lm× 長 さ

円筒

常流 とし ,燃 料噴霧の蒸発解析

同様 の手法 を用 いた。乱流モデルは 乃―ε 2方 程式モデル ,液 滴 との相 互 干 渉 に よ る気 流 の生 成 頂 に は ^PSI―

Cellモ デルを用い

子の運動 はラグランジェ 的 に解析 した。計算領域 にはスタッガー ド格子 を適用 して

により計算 した。

図

床面 か らの高 さが約

お ける半径方向の (1)温 度

よび (2)速 度分布 の計算例である。 これは常温 (300K)の 室内空 気中に熱源 (直 径 170 mm)か ら高温気流が一様 (温 度 1,200K,流 速 ^0.lm/s)と こ流入す る場合で あるが

方 に向か うにつれて高温気流が拡散 してい く様子がわか る。

表

本 シ ミュレーションに用いた ミス トの 条件 を示 している。 ここで

出速度り はノズ ル寸法

験条件か ら算出 して ,  この場合 は約

60m/sで

ある。

図

^5で 示 した流れ場 におけるこの ミ

ぎ

02 R(m)

(2)速 度分布

図

モデル室内温度分布・速度分布

表 2  シ ミュレー シ ョンに用いた ミス ト 粒度分布 抜山・棚沢式

割数

平均粒径

μ

大粒径

μ m)

流   量

10 mL/s

噴 霧 角 半頂角

準偏差 ^5°

噴射速度

準偏差 10m/s)

ス トの挙動 を示 している。大粒子 (197  μ

高温域 を貫通 して壁面 に衝突 し

泣子 (例 え ば ⁸⁴  μ

噴出後 に円筒中心付近の高温域で 瞬時 に蒸発が完了す ることを示 している。 この 計算条件の場合 には

較的大 きな ¹⁶³  μ

粒子が

発完了 して消失す る時 に床面 に到達 す ることがわかる。

1000

ビ︶ト

02 R(m〉

(1)温 度分布

04

︵聖 Ｅ

︶

X=150m

X=100m

X=154m

X=106m

八戸工業大学紀要 第 18巻

6。

本研究では,ウオーター ミス トによる消煙・

消火の基礎的研究 として, ミス ト粒子径,流量 を変化 させ,消煙効果の検討 を行 った。

(1)ウオーター ミス トによる消煙・消火用の 渦巻 き噴射弁 を設計 して,その特性 を調 べた。

(2)消煙効果の実験的検討では,粒径が小 さ く,流量が多いほ ど高い消煙効果が得 ら れた。

(3)熱源の存在 す るモデル室 内での ミス ト 粒子 の挙動 の シ ミュレー ションを行 い

,

消煙 に効果のあるミス ト径 を検討 した。

今後 は ミス トによる消火・消煙のメカニズム 解明のためのモデ リング,基礎実験 を継続す る 方針である。

謝

本研究の数値 シ ミュレーションには弘前大学

理工学部稲村隆夫教授 の御指導 。御協力 を賜わ りました ことに深甚 なる謝意 を表 します。 また 実験遂行 にあた り,平成8年_{度卒研生上 田学,神} 山智則,松本敦志各君の多大 なる協力 を得た こ

とに深 く感謝 します。

引 用 文 献

1)次郎丸誠男,「はじめての ビル防災」,p80,オ^ー ム社

,(1995)。

2) "Iawhinney, JR, Dlugogorski, BZ,, and Kiln, A,, Proc  4th lnternational Sympo‐

siuHi on Fire Safety Science,(1994),pp 47‑

60̲

3) HadJisophocleous,G,Kttm,A̲,and Kni■ _,K., Proc  lnternational COnference on Fire Research and Engineering,(1995), pp 389‑

394.

4)高木任之,新版「 イラス ト建築防火」,p39,全

国加除法令出版,(1991)

5)稲村勝正,日^{本火災学会誌},Vo1 44, No 3, (1994),pp 31‑34

6)辻正一

_,「

(1981)

7)小林清志 ほか2名_{,「燃焼工学」},p83,理工学 社,(1988)

8)植竹徹 ほか3名 ,平成8年度 日本火災学会研究 発表会概要集,(1996),pp̲178181

9) Bayvel, L, and Orzechowski, Z,  Liquid Atonュization", p 141, Tay10r & Francis,

(1993)

10)堀_内二郎(監修

),「

11)稲村隆夫,第 5回微粒化 シンポジウム講演論文 集,(1996), pp 264‑269

12) Lefebvre,A.H, Atomization and Sprays", p165,Hemisphere,(1989)

∝    ﹈    

︵０ ９

Ｅ

︶

∝ 02

01

05        1

X(m〉

図6 ミス ト粒子 の挙動

15 SMD=90μm,u脚=60mys,wI=,O Og/s

141μm

,07μm

84μm

197μm