首部曲-初略概念 | 神奇的水雾点放技术

 作者丨吴宏毅

编辑｜璇娥     修改丨橙Sir 

写在前面

消防员在建筑物内部的火场里面，存在着两个相当大的风险因子，首先是因热辐射产生的可燃性浓烟，其次是中性带上方的炙热高温。现代消防灭火技巧中讨论相当热烈的水雾点放技巧，就是利用释放出适当的水量到中性面（后台留言：中性面，可看清晰大图）到上方的热烟层中，使其烟层中的温度下降，也降低烟层燃烧的可能性。

听起来相当的简单且很合理，然而，当我们运用在实务中时，却发现这其中的变化相当的复杂，甚至有国内及国外消防员在尝试使用水雾点放的技巧后，开始质疑该技巧的冷却成效，提出「为何中性面在点放后反而会下降？」或是「点放后温度似乎并没有像理论中提到的快速降温」等疑虑，使得该技巧无论在国内或国外都呈现了两方面不同的说法。

笔者在CFBT-US LLC训练机构的网站中(http:///index.html)发现相关理论的文章，并发现它可以利用简单的数学来完全解开目前消防人员对于水雾灭火的疑虑与盲点，而在结论部分，也明确了告诉大家「什么时候中性面会下降？什么时候中性面会上升？」，是相当值得目前国内消防人员了解及参考的文章。以下笔者就它整篇文章的内容作一翻译及整合

首部曲——水雾冷却的疑问

为什么国外非常推崇水雾降温冷却？它的效用到底在哪？我们假设一个空间内的热烟层温度为500℃，当水雾喷到这个烟层中，热烟层的热能量会与水作能量转移，假如技巧好的话，这个动作不但会使烟层降温，更可使烟层的中性面上移(或维持原本高度)，使消防员有更多的作业空间。

1.这么少量的水真的可以达到这么显著的降温效果吗？

2.实战中进行水雾点放时，常会发生烟层下降的情形，跟点放理论所谓的「中性面上移」似乎有所违背。

3.当水成为水蒸气时，100℃会膨胀1,700倍，那么中性面真的会上移吗？

上述的问题，只要利用简单的数学，就可以解释出为什么水雾会有这么好的冷却效果。当然最棒的答案则是要用较复杂的数学去解释(最后会提到)，这边先用最简单的数学概念来让大家了解。

一、水雾冷却的功效

当水上升到100℃时会气化成水蒸汽，气化的过程会带走烟热层中巨大的热能量，也就降低了烟热层的温度。当烟热层温度降低时，它的体积也会减少(这是理想气体定律，之后会解释)。

水在气化后，由液态转换成水蒸气并膨胀1,700倍，这个膨涨的比率也是相当惊人的。然而，在这个能量转换过程完成后，若「缩小后的烟热层体积」+「膨胀的水蒸气体积」<「刚开始烟热层的体积」，那么中性面就会上升。

为什么水滴的降温效果相当好？关键就在于水的「比热」以及水滴气化时的「气化潜热」（即水滴吸热变为气体所需热量）。

根据Särdqvist(2002)及Yuen & Cheung(1999)提出的数据，烟的比热大约是1.0 KJ/Kg，也就是说，烟每1Kg上升或下降1℃时所需的能量为1.0 KJ/Kg；水的比热则是4.2 KJ/Kg，而更重要的是水气化成水蒸气所需的气化潜热为2,260 KJ/Kg。也就是说，水每1Kg每上升1℃所需的能量是每1Kg烟层的4.2倍，另外当1Kg水气化时，则能够吸收2,260KJ的能量。如下图所示。

当烟层温度下降时，在相同的压力下，烟层体积会跟着变小，而变小的程度是依据「绝对温度」来比较的。绝对温度的算法就是摄氏温度加上273.15度，单位为K。以摄氏500℃的烟层降至摄氏100℃而言，绝对温度就等于从773.15K降至373.15K，烟层体积减少的比为773.15比373.15，约减少一半的体积。

二、用模型来说明理论功效

水雾可以冷却的能量来源已经了解后，接下来大家的疑问一定是「那究竟这样少量的水能够发挥多大的作用」？让我们设定一个模型来计算看看。假定一个室内的空间，长宽分别为5m及4m，高3m，内部充满了浓烟并形成中性带，中性带厚度为2m(如下图)。烟层的起始温度为500℃，那么要将烟层从500℃降至100℃需要多少水量？

首先我们先来了解烟以及水的特性如下表。

要降低烟层温度，就要通过热能量的转移。以上图的烟层体积为40m³而言，烟层重量总计有40×0.71=28.24Kg(重量=密度×体积)。烟的比热是1.0KJ，也就是每1kg的烟要降1℃需要释放1.0KJ的能量。所以要将上层28.24Kg的烟层从500℃降到100℃，共需要释放的能量为：

相较于水而言，40m³烟层从500℃降至100℃仅需要11,296KJ的能量。

接下来让我们计算水的能量。就上例而言，每1Kg水从20℃吸收热量到100℃然后气化成水蒸气这个过程，我们把它称作水的「理论冷却能量」，理论能量算法为将水从20℃提升至100℃，共计上升80℃，所需的能量即为4.2(KJ/Kg)×80(℃)=336(KJ)，加上液态水从100℃气化成水蒸气所需的气化潜热2,260(KJ)，共计为336+2,260=2,596KJ。

整理如下：

1.上方烟热层要从500℃降至100℃所需的能量为11,296KJ。

2.每1公斤的20℃水的理论冷却能量有2,596KJ。

3.那么所需要的水量即为11,296/2,596=4.35(Kg)。

不过，这种100%的能量转移在实际中是不可能成立的。在射水冷却的过程，部分的水滴会在烟热层中气化；部分的水滴则会穿过烟热层而接触到天花板等热表面气化；其余的水滴则会提升温度但未气化而掉落地面，这种种的情况导致冷却能量无法100%转移。

根据文献所提出的实验数据(Hadjisophocleous & Richardson, 2005; Särdqvist, S., 1996)指出，实际灭火行动的水冷却效率为理论实验数据的0.2~0.6倍；Särdqvist(1996)提出在室内火场中使用水雾水枪，它的冷却效率为理论实验数据的0.2倍；Barnett (as cited in Grimwood, 2005)则提出直流水柱效率为0.5倍、水雾的效率为0.75倍。事实上，不同的水枪设计会有不同的冷却效率。在我们这里的例子，则暂以0.6倍的冷却效率来计算。所以在0.6倍的冷却效率下，实际的所需水量计算如下：

       1.每1公斤的20℃水的理论冷却能量有2,596KJ。
       2.每1公斤的20℃水的实际冷却能量为2,596×0.6(倍)=1,557KJ。
       3.实际冷却所需要的水量即为11,296/1,557=7.25Kg。

接下来我们根据一般水枪所可提供的流量来计算需要多少时间能够达到该预期的水量，汇总如下表：

依上表显示，在流量115L/min(1.92L/s)的情况下，可能只要两至三次的点放即可达到预期水量(3.78秒)；流量475L/min(7.92L/s)的情况下，可能只要单次点放即可达到预期水量(0.92秒)；若超过475L/min(7.92L/s)的流量，极可能超出所需的水量，而且流量越大，水滴越大颗，相对的气化的效率也越差，这一点务必注意。

三、上述的模型是错误的！

上述的模型只是利用最简单的方法来计算冷却烟层需要多少水量，也是告诉大家「水雾冷却为什么会有效」最简单的例子。Box and Draper(1987, p. 424)曾经提到一个相当重要的概念，「所有的实验模型都是错误的，但概念是对的」，因为实际上会有多样的变量影响结果。以下几点便是水雾冷却理论中要注意到的几项较复杂的因子：

1.需要转变的烟热层能量多寡是要考虑烟层的质量及烟层的温度。

2.不是所有水雾都会在热烟层中气化，有些水滴会穿越热烟层然后接触到如天花板的热表面然后气化，有些则是不会气化而滴到地板。

3.真正的火场内烟热层的温度不会是以单一温度的型态存在(上述模型仅设定为单一温度)。

4.真正火场内浓烟和高温是会从火点不断产生的。

5.热对流及重力的影响，使得火场内的热烟层及冷气流不断的流动，而非静态。

在实际火场中，消防员不用花时间去计算冷却水量的需求多寡，但是很重要的一点是，消防员必须去了解「水枪流量」以及「点放持续时间」对于烟热层冷却效率是有影响的。另一个重要的一点便是上述流量及点放的「冷却概念」，与直接攻击火点或是大面积的空间的「灭火概念」是不可一同适用的。

接下来的第二部曲，将会告诉各位「水」更进一步的特性解说，当然包含了一些简单的初高中理化概念，第三部曲则是会套用这些理化概念来告诉各位「在实际中为什么会与理论上差很大？」以及「如何运用理论达到实际中更好的技巧？」当然接下来两篇文章，数理概念都会比本篇复杂哦！还是老话一句，如果懒得看的，就等第三部曲的结论吧。