CNS 14705-2007 Method of test for heat release rate for building materials - Cone calorimeter method《建筑材料燃烧热释放率试验法－圆锥量热仪法》.pdf

1、1 印月961月 本標準非經本局同意得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 號 ICS 13.220.40 A338614705經濟部標準檢驗局印 公布日期 修訂公布日期 9112月9日 961月18日 (共13頁)建築材料燃燒熱釋放率 試驗法圓錐量熱儀法 Method of test for heat release rate for building materials Cone calorimeter method 1. 適用範圍：本標準規定建築物室內裝修材在其火災初期之耐燃性試驗方法。 備考 1. 各級之加熱時間如第5.3.5節之表1所示，配合其耐燃性級別，將建築物室內裝修材料曝露於輻

2、射熱源下，利用氧氣消耗原理測定所產生熱釋放率之試驗方法。 2. 耐燃一級之材料，須加做 CNS 6532建築物室內裝修材料之耐燃性試驗法第 2 節所規定之基材試驗。 2. 用語釋義 (1) 閃火 (flashing)：在物體表面上，短時間內 (0 1 秒之間 )所存在之火焰。 (2) 引燃 (ignition)：燃燒之起始。 (3) 輻照度 (irradiance)：投射在某一平面上之極小面積其輻射通量與該面積之比值。 (4) 氧氣消耗原理 (oxygen consumption principle)：燃燒期間氧氣消耗質量與熱釋放量間之比例關係，其關係為：每消耗 1 kg 氧氣約可釋出 13.

3、1103kJ 熱量。 (5) 持續燃燒火焰 (sustained flaming)：在試體表面維持超過 10 秒之火焰。 (6) 暫態燃燒火焰 (transitory flaming)：在試體表面維持 1 10 秒間之火焰。 3. 試驗裝置：整體試驗裝置如圖 1 所示。 2 CNS 14705, A 3386 圖 1 整體試驗裝置 1. 氣體差壓計 8. 引燃器 2. 限流孔板 9. 側屏 3. 熱電偶 (位於煙道中心處 ) 10. 排風馬達 4. 集煙罩 11. 試體 5. 排風機 12. 不銹鋼試體承盤 6. 圓錐輻射電熱器 13. 稱重裝置 7. 氣體取樣環 3 CNS 14705, A

4、 3386 3.1 圓錐輻射電熱器 (cone-shaped radiant electrical heater)(以下簡稱電熱器 )：如圖 2所示，電熱器外側應以雙層不銹鋼圓錐形筒 (其間充入厚度 13 mm 以上且密度約100 kg/m3之耐火纖維毯 )包封，並設有三支量測溫度用、外徑 1.0 1.6 mm 之套筒式熱電偶。電熱器須能在試體表面產生高達 100 kW/m2之輻射熱。輻射熱在試體中央之 50 mm50 mm 範圍內應為均勻，且差異在 2%以內。 圖 2 圓錐輻射電熱器 單位： mm 1. 內殼 2. 耐火纖維毯 3. 熱電偶 4. 外殼 5. 間隔墊片 6. 加熱元件 3.2

5、 輻射熱遮蔽板 (radiation shield)：電熱器應有一個移動式輻射熱遮蔽板，使試體在試驗開始之前不接受熱通量。該遮蔽板應為不燃材質，總厚度 12 mm 以下。 3.3 輻照度控制器 (irradiance controller)：輻射熱控制系統應經調校，使其電熱器熱電偶能與預定之溫度差值保持在 10以內。 3.4 稱重裝置 (weighing device)：稱重裝置之精度應在 0.1g。其量測能力應在 500 g以上，其 10 90%之回應時間應在 1 4 秒之間，其輸出讀數在 30 分鐘內之漂移誤差量應在 0.5 g。 3.5 試體承盤 (specimen holder)：如圖

6、 3 所示，承盤底部須鋪以密度約 65 kg/m3且厚度為 13 mm 以上之耐火纖維毯。電熱器底部與試體頂部之間距應調整為 (251100.5900.5800.51770.51970.53.20.1 460.5 650.5 130.5 501 3.20.1 4 CNS 14705, A 3386 0.5)mm。 圖 3 試體承盤 單位： mm 3.6 排氣系統 (exhaust gas system) 3.6.1 排氣系統應由離心式抽氣風扇、 集煙罩、風扇之吸入與排出風道及限流孔板壓差計 (orifice plate flow meter)構成，如圖 4 所示。集煙罩底部與試體頂部之間距應為

7、 (210 50)mm。在標準之溫度、壓力下，排氣系統須能維持0.024 m3/s 之氣流量。 3.6.2 風扇進口風道應置有環形取樣器，距集煙罩 (685 15)mm(如圖 4 所示 )。氣體取樣環上計有 12 個直徑 (2.2 0.1)mm 之小孔，這些孔洞面向氣流之反向。 1061 1061 251 2.150. 25 5 CNS 14705, A 3386 圖 4 流量量測及氣體取樣設備之排氣系統 單位： mm 1. 氣體取樣環 2. 熱電偶 3. 集煙罩 4. 限流孔板 (內徑 57 3) 5. 氣體取樣環 6. 風扇 1145 限流孔板差壓計 AA6851522515250 350

8、 1145 1000.5 250.5 250.5 573573BBCCCCBBA A6 CNS 14705, A 3386 3.6.3 氣流之溫度應以外徑 1.0 1.6 mm 套筒接頭之熱電偶量測。 3.7 氣體取樣設備 (gas sampling apparatus)：氣體取樣設備如圖 5 所示。 圖 5 氣體取樣設備 ab c1. 氣體取樣環 a. 通往 CO2、 CO 分析儀 (選擇性 ) 2. 煙塵過濾器 b. 廢氣排放口 3. 冷凝器 c. 廢氣替代排放口 4. 泵 5. 水汽吸收器 6. CO2收集器 7. 氣流控制器 8. 氧氣分析儀 3.8 引燃器 (ignitor)：使用

9、10 kV 變壓器火星塞 (spark plug)或火花引燃器 (spark ignitor)。引燃器火花位置應位於試體上方 13 mm 處。 3.9 引燃計時器 (ignition timer)：精度須在 1 小時誤差 1 秒以內。 3.10 氧氣分析儀 (oxygen analyzer)：氧氣分析儀應為順磁式 (paramagnetic type)，其量測範圍至少為 0 25%氧氣。氧氣分析儀在 30 分鐘內之雜訊 (noise)及漂移(drift)應小於 50 ppm。氧氣分析儀之 10 90%之全幅回應時間 (full-scale response time)應小於 12 秒。 3.1

10、1 熱通量計 (heat flux meter)：熱通量計量測範圍為 (100 10)kW/m2。該儀器精度須為 3%，可再現性在 0.5%之內。冷卻水溫應維持在室溫 5之內。 3.12 校正燃燒器 (calibration burner)：為一具有方形或圓形孔口之筒形燃燒器，孔口面積為 (500 100)mm2，其上覆蓋可使甲烷氣均勻擴散之金屬網，校正燃燒器內部須包覆耐火纖維以增加氣流之均勻性。校正燃燒器應使用純度至少 99.5%之定量甲烷氣使產生 5kW 之熱釋放率，差壓計精度應為 2%。 3.13 數據收集與分析系統 (data collection and analysis syste

11、m)：數據收集與分析系統應具能記錄來自氧氣分析儀、限流孔板差壓計、熱電偶、稱重裝置及其他設備7 CNS 14705, A 3386 之輸出信號功能。數據收集系統之精度在氧氣量測上應為 50 ppm 氧氣，在溫度量測上應為 0.5，在所有其他頻道上應為全輸出刻度之 0.01%，在時間上應為 0.1%。該系統應能每 5 秒記錄一次資料，並持續一小時以上。 3.14 側屏 (optional side screen)：基於操作及安全之考量得在電熱器及試體承盤旁設置側屏。 4. 試體 4.1 試體數目：每一選定輻射強度及每一不同曝露表面，均至少須有三個試體。 4.2 試體尺度：邊長應為0 2100mm

12、 之正方形。試體厚度若為 50 mm 以下，則以全厚度受測，若大於 50 mm，則切削試體之非曝露面，使其厚度為 50 mm。 4.3 試體前置處理：試體於試驗前 應先於溫度 (23 2)、相對濕度 (50 5)%下處理至恒重 (1)。 註 (1) 恒重係指在相隔 24 小時，兩次稱重結果，相差小於試體質量之 0.1%或 0.1 g。 4.4 試體準備 4.4.1 試體包裝：經前置處理後之試體須以一層厚度 0.03 0.05 mm 之鋁箔包覆，鋁箔之亮面須朝向試體未曝面包封。 4.4.2 試體製作：所有試體均須連同固定框架一併接受試驗，如圖 6 所示。依下列步驟製作試驗用之試體： (1) 將固

13、定框架面朝下放置在平坦之表面上。 (2) 將以鋁箔包裝之試體曝露面朝下插入固定框架中。 (3) 將耐火纖維毯 (每層厚度 13 mm 以上，密度約 65 kg/m3)分層鋪在樣品上方，直到至少一整層，且不超過兩層之厚度高於固定框架邊緣。 (4) 將試體承盤放置到耐火纖維毯上並將其壓下。 (5) 由固定框架底部鎖入固定螺釘。 8 CNS 14705, A 3386 圖 6 固定框架 單位： mm 4.5 試驗環境：試驗環境應為無風效應環境 (draught-free environment)，其大氣相對濕度 20 80%之間，且大氣溫度在 15 30之間。 5. 試驗步驟 5.1 基本預備工作

14、5.1.1 檢查 CO2吸收劑及水分吸收劑。若有必要則更換吸收劑。洩除冷凝器分離室內之所有積水。冷凝器之正常工作溫度為 0 4。 5.1.2 確認電熱器、排氣風扇及各項分析量測設備之電源打開。 5.1.3 設定排氣流量為 (0.024 0.002)m3/s。 5.1.4 調整電熱器底板與試體表面之距離為 (25 0.5)mm。 5.1.5 執行第 5.2 節校正程序後，於稱重裝置頂台上放置填滿耐火纖維毯之試體承盤。 5.2 試驗前校正：每日開始試驗之前，原 則依下列順序執行校正，若使用之儀器其操作手冊另有規定，則依其規定之校正步驟執行。 5.2.1 稱重裝置準確度：每日開始試驗 之前，須執行以

15、與試體質量相當之標準法94 0.555 0.5111 1541 1111 940.5 1.9 0.1 9 CNS 14705, A 3386 碼作稱重裝置校正。校正前，電 熱器應停機，且溫度應恢復為室溫。將置有 (250 25)g 法碼之試體承盤放到稱重裝置上，讀取稱重裝置之讀數，然後以機械或電子方式將讀數歸零。將質量介於 50 200 g 之法碼輕輕添加置於承盤上，並在穩定後讀取讀數。 重複此一程序四次，校正結束後，承盤上之法碼總質量應為 500 g 以上。稱重裝置之準確度為法碼質量與稱重裝置讀數間之最大差值。 5.2.2 氧氣分析儀校正：每日開始試驗 之前，先校正並歸零氧氣分析儀。並設定排

16、氣風扇之排氣流量為 (0.024 0.002)m3/s。歸零時，將無氧之氮氣與試體氣體相同之流量壓力充入分析 儀。調整分析儀之讀數使介於 (0.00 0.01)%之間。應使用乾燥之大氣空氣作相同 試驗，並調整讀數使介於 (20.950.01)%之間。 5.2.3 熱釋放率校正：每日開始試驗之 前，執行熱釋放率校正以決定限流孔板差壓計校正常數 C。開啓排氣風扇，並設定排氣流量為 (0.024 0.002)m3/s。每5 秒鐘收集一次資料，並持續至少 1 分鐘。使用經校正之差壓計以相當於qb=(5 0.5)kW 之流量將甲烷充入校正燃燒器。在所有設備之輸出到達平衡後，每 5 秒鐘收集一次基本資料，

17、並持續至少 3 分鐘後。計算限流孔板差壓計校正常數 C。 5.2.4 電熱器校正：每日開始試驗之前 或輻照度大小改變之後，應作本項校正。熱通量計插入校正位置 (參照第 5.1.4 節 )時，不得使用任何試體或承盤 (用於保護稱重裝置隔熱棉除外 )。電熱器至少須穩定維持在設定點 10 分鐘，校正完成後並在校正前確認控制器位在其比例區內。 5.3 加熱試驗 5.3.1 收集為時至少 1 分鐘之基本資料。 5.3.2 將輻射遮蔽板插入定位，並移開 保護稱重裝置之隔熱棉。將待測之試體及試體承盤放到稱重裝置上。將火花引燃器放到定位。 5.3.3 將輻射遮蔽板於 10 秒鐘內移開，立即開始作試驗。若使用水

18、冷式之遮蔽板，則可容許其放置 1 分鐘。 5.3.4 啓動引燃計時器，接著打開火 花引燃器電源，開始記錄閃火或暫態燃燒之時間。發生持續燃燒後，記錄當 時之時間，關閉火花引燃器電源並移開。若火苗在移開火花引燃器後即熄滅，則重新插入移開之火花引燃器，並在 5秒內重新打開電源，且不得移開 火花引燃器，直到整個試驗完成為止。試驗報告須詳述經過情形。 5.3.5 試驗加熱時間依表 1 規定，並自點火開始起算。 10 CNS 14705, A 3386 表 1 試體加熱時間 耐燃性級別 加熱時間 (min) 耐燃一級 20 耐燃二級 10 耐燃三級 5 5.3.6 移開試體及試體承盤。 5.3.7 每種設

19、定試驗條件下至少測試 3 個試體並製作報告。 3 個試體在 180 秒內之平均熱釋放率應相互比較，若任一讀數偏 離算術平均值 10%以上，則須重作 3 個試體，報告中須敘述該 3 個或 6 個試體之算數平均讀數。 5.4 計算 5.4.1 氧氣消耗分析之校正常數 (calibration constant for oxygen consumption analysis)計算如下： 222O0OO3bXXX5.1105.1pTe)10.1)(1054.12(qC= (1) 式內， C=限流孔板差壓計校正常數， (m1/2g1/2K1/2) qb=校正燃燒器甲烷之熱釋放率 ( kW) Te=限流孔

20、內氣體之絶對溫度 (K) p =限流孔壓差 (Pa) 2OX=氧氣分析儀讀數，為氧氣所占之摩爾比例 0O2X=氧氣分析儀起始讀數，為氧氣所占之摩爾比例 12.54103=甲烷氣之hc/ro(kJ/kg)，其中hc(kJ/g)為淨燃燒熱 ro為氧與燃料質量比 1.10=氧與空氣分子質量比 5.4.2 熱釋放率 (heat release rate) 由下列公式計算熱釋放率 q(t) 222OO0OocX5.1105.1XXTepC)10.1)(r/h()t(q= (2) 式內， q(t)=熱釋放率於時間為 t 之讀數 (kW)(2) 註 (2) 試體之 hc/ro若無更精確之數值，則選定為 13

21、.1103 kJ/kg，0O2X 則為氧氣分析儀在一分鐘基本資料收集期間之讀數平均值。 5.4.3 質量損失率：係指在加熱時間內最終損失之 10 90%質量損失率，由下式計算而得： As1ttmmMLR10909010= (3) 式內， MLR=在 10%與 90%質量耗損間之平均質量耗損率 g/( m2 s) 11 CNS 14705, A 3386 m=mi mf，試體質量總損失量 (g) mi=試體於引燃時間之質量 (g) mf=試驗結束後之試體質量 (g) m10=mi 0.10m，於 10%總耗損時之試體質量 (g) m90=mi 0.90m，於 90%總耗損時之試體質量 (g) A

22、s=試體最初曝露面積 (m2) 5.5 判定：在 50 kW/m2水平配置加熱熱通量下，第 5.3 節所規定之加熱試驗結果，各個試體均符合下列 (1) (3)項之規定時視為合格。耐燃一級之材料，並須通過CNS 6532 所規定之基材試驗。 (1) 總熱釋放量，為 8 MJ/m2以下。 (2) 最大熱釋放率無持續 10 秒以上超過 200 kW/m2。 (3) 無防火上有害之貫穿至背面之龜裂及孔穴。 6. 試驗報告 (1) 委託人、製造商或代理商名稱。 (2) 加熱條件 (加熱時間、電熱器溫度、電熱器輻照度、排氣流量等 )。 (3) 試體之規格 (形狀、尺度、質量、材料、數量等 )。 (4) 試

23、體製備及準備過程 (膠合方式、組合方式、校正常數等 )。 (5) 試驗結果之概要 (持續燃燒時間、暫態燃燒時間、熱釋放率曲線、點火後 180 秒之平均熱釋放率、有效燃燒熱及平均值、質量損失率及平均值、其他燃燒現象 )。 (6) 有無防火上有害之貫穿至背面之龜裂及孔穴。 (7) 試驗日期、試驗室名稱及地址、測試者及報告簽署人。 12 CNS 14705, A 3386 附錄 A 校正操作說明指南 A.1 前期校正 A.1.1 稱重裝置反應時間 (weighing device response time)：在本試驗中不必對電熱器送電。將置有 (250 25)g 法碼之試體承盤放到稱重裝置上，該法

24、碼係用以替代本試驗中所用到之固定框架。讀取稱重裝置之讀數，然後以機械或電子方式將讀數歸零。達到平衡狀態後，輕輕地將第二個 (250 25)g 法碼放到稱重裝置上，並讀取稱重裝置讀數。待其達到平衡狀態後，輕輕地由承盤上移開第二個法碼，再次讀取稱重裝置讀數。以稱重裝置由最終讀數 10 90%所需時間之平均值作為稱重裝置之反應時間。 A.1.2 稱重裝置輸出漂移 (weighing device output drift)：將稱重裝置的位置調到測試含固定框架試體時高度之同一高度。將一片隔熱板放在稱重裝置上。打開電熱器與排氣風扇之電源。設定輻射熱為 (50 1)kW/m2，排氣流量為 (0.024 0

25、.002)m3/s。在電熱器溫度達到平衡後，移開隔熱板，並改置以置有 (250 25)g 法碼之試體承盤，該法碼係用以替代本試驗中所用到之固定框架。待其達到平衡狀態後，讀取稱重裝置的讀數，然後以機械或電子方式將讀數歸零。輕輕地將第二個 (250 25)g 法碼放到稱重裝置上，並讀取稱重裝置讀數。 30 分鐘後記錄稱重裝置的讀數。以起始讀數與最終讀數間差額之絶對值作為稱重裝置之漂移量。 A.1.3 氧氣分析儀之延遲與反應時間 (oxygen analyzer delay and response times)：在本試驗中不必對電熱器送電。打開排氣風扇之電源。設定排氣流量為 (0.024 0.00

26、2)m3/s。判定氧氣分析儀之延遲時間，係利 用校正燃燒器並輸入等於5 kW 能量之甲烷流量，於排風罩以外之地方點燃，並使火焰穩定下來。迅速地將校正燃燒器引入排風罩下，並使校正燃燒器在該位置停留 3 分鐘。接著，從排風罩底下把校正燃燒器移走，並關閉甲烷氣源。記錄由校正燃燒器進入排風罩底下起算，至校正燃燒器離開排風罩後 3 分鐘期間之氧氣分析儀讀數。此外並監控排氣限流孔之溫度。起動延遲即是插入並點燃校正燃燒器之時間，與氧氣分析儀讀數到達其最終讀數 50%時間之時間差；同理可計算關閉燃氣之延遲 時間。而延遲時間 td係至少三次起動及關閉延遲時間之平均時間。任一時 間之氧氣濃度應取 td後之濃度值。

27、氧氣分析儀之反應時間為起動與關閉試驗中氧氣分析儀讀數由 10% 90%最終讀數所需之時間。 A.1.4 氧氣分析儀輸出雜訊與漂移 (oxygen analyzer output noise & drift)：在本試驗中不必對電熱器送電。打開排氣風扇之電源。設定排氣流量為 (0.0240.002)m3/s。將無氧之氮氣送入 氧氣分析儀。三分鐘後將排氣風道之乾燥空氣調回與樣本氣體相同之正常流量壓力。到達穩定狀態後，調整氧氣分析儀之輸出為 (20.95 0.01)%。開始每 5 秒鐘記錄一次氧氣分析儀之讀數，並持續記錄 30 分鐘。在各數據點之間以最小平方誤差之運算方法找出一條誤差最小之直線。 0 分與 30 分之讀數與此一直線之差距為短期漂移。以各數據13 CNS 14705, A 3386 點相對於此一直線之標準差作為雜訊之大小。以 ppm(百萬分之一 )氧氣為單位記錄此一平方根雜訊值。 引用標準： CNS 6532 建築物室內裝修材料之耐燃性試驗法 相關標準： ISO 5660-1：2002 Reaction-to-fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method)