高科技廠房消防安全設備－二氧化碳自動滅火高壓/低壓系統選用評估研究

前言

多數新建高科技廠房於設計階段，針對電氣室、變電站區域消防安全設備之選用，依國內消防法規及考量其電氣設備水損問題與復原時效性，多以二氧化碳自動滅火系統為主。其中又以高壓二氧化碳自動滅火系統最為多見，低壓二氧化碳自動滅火系統則較少(請參閱 表一、及 圖一)。在多數選用高壓二氧化碳自動滅火系統的廠房中，無論在防護區域的數量及防護體積，皆有一定的規模。

隨著高科技產業製程技術的不斷提昇，新建高科技廠房的建築面積，因其產能需求逐漸加大，相對的電氣室、變電站的數量與空間體積也隨之增加。高壓二氧化碳自動滅火系統的使用，直接影響的是建置成本的不斷提高及鋼瓶室面積與數量的需求增加。建置成本與廠房區域使用面積是新建廠時考量的主要因素。

高、低壓二氧化碳自動滅火系統於國外多有實績，且其功能與可靠度頗受使用者肯定。但為何國內新建高科技廠房較少使用低壓二氧化碳自動滅火系統？高壓與低壓二氧化碳自動滅火系統的優缺點與差異為何？是因對低壓二氧化碳自動滅火系統的不了解而未能採用，抑或是低壓二氧化碳自動滅火系統有其使用上的限制條件？這些問題都值得進一步探討。

文獻回顧

目前，新建廠房於設計階段，應依國內法規規定設計各防護區所應設置消防安全系統。就國內消防法規，各類場所消防安全設備設置標準第十八條所規定：發電機室、變壓室及其他類似之電器設備場所，樓地板面積在二百平方公尺以上者，得設置水霧、泡沫、乾粉、二氧化碳滅火設備。

一般建築物於核發建照執照後，開工前依法就建築物之高度、樓層、樓地板面積、使用用途等，要求設置消防安全設備，並繪製消防圖說送消防機關審查，以為裝置施工之依據。

何謂二氧化碳自動滅火系統

以二氧化碳氣體為滅火藥劑，結合火警警報自動偵測及控制系統設備：火警控制盤、火警感知器、手動啟動開關、手自動切換開關、延遲開關、警示閃燈、蜂鳴器、氣體放射指示燈，氣體輸送管路、氣體放射噴頭及氣體儲存設施。針對防護區域進行火警偵測及自動滅火。

二氧化碳滅火藥劑特性與滅火原理

二氧化碳為無色、無臭、無味的惰性氣體，在正常大氣溫度和壓力下，二氧化碳約為空氣的1.53倍重。空氣中二氧化碳的含量通常為0.03%。濃度若增加到5%，則呼吸會顯著增加並有頭痛、暈眩、冒汗及精神興奮等現象；如增加到10%-20%，會造成腦呼吸中樞癱瘓，人員可於數分鐘內死亡。為達到滅火的效果，防護區內的二氧化碳濃度須達34%以上，此濃度對於人員的安全構成嚴重的威脅。

氣相、液相、固相三種狀態共存點為-56.6℃在5.11atm，這點稱作三相點。溫度低於-56.6℃壓力低於5.11atm情況下，二氧化碳可為固體或者氣體。固態二氧化碳(乾冰) 在-78.5℃ 1大氣壓下產生昇華現象。二氧化碳的壓力隨溫度改變的變化(容積恒定) 。二氧化碳的臨界點為31.1℃在72.8atm。大於31.1℃在72.8atm的溫度和壓力下，二氧化碳無法以液態存在。低於臨界點之下，密閉容器中的二氧化碳部分為液體，部分為氣體。高於臨界溫度之上，二氧化碳全是氣體。

綜合以上說明其二氧化碳滅火藥劑有下列特性：

• 無色、無味的惰性氣體，比重約空氣的1.53倍。
• 無腐蝕性且具有不可燃性。
• 不損傷設備且噴灑後不留殘餘物。
• 噴灑時使用自身儲存於鋼瓶內的壓力。
• 氣態，能滲透及散佈於防護區的每一角落。
• 非導電性，適用於防護通電中的電氣設備。
• A、B、C類火災皆適用。

對於CO₂品質及產製部分，依據美國NFPA 12中規定CO₂滅火藥劑應有下列特性：

• 氣態CO₂不少於99.5% 。
• 液態CO₂含水率不得超過0.01%。
• 含油量按重量不得超過10ppm 。

二氧化碳滅火藥劑滅火原理

二氧化碳滅火原理主要是應用其不可燃的特性，降低空氣中之氧氣濃度至15%以下，以窒息的方式達到滅火效果，同時降低可燃物蒸氣之濃度，以阻斷燃燒過程。

二氧化碳自動滅火系統放射方式

二氧化碳自動滅火系統依放射方式可分為：移動式放射系統( Hand Hose Line System)、局部放射系統(Local Application System)、全區放射系統( Total Flooding System)。不同的放射方式應用，於設計時其危害分析主要考量為防護對象、火災類型、區域構造及系統架構。

移動式放射系統 Hand Hose Line System

二氧化碳氣體儲存設施直接與高壓軟管及放射噴頭連結。設置於鄰近防護對象附近，以手動方式啟動二氧化碳氣體滅火。

局部放射系統 Local Application System

二氧化碳氣體儲存設施以高壓軟管連結管路及放射噴頭，並與火警警報自動偵測控制系統整合。可以自動或手動方式啟動二氧化碳氣體直接放射於防護對象或區域內，使局部區域達到滅火濃度。

全區放射系統 Total Flooding System

二氧化碳氣體儲存設施以高壓軟管連結管路及放射噴頭，並與火警警報自動偵測控制系統整合。可以自動或手動方式啟動二氧化碳氣體直接放射於防護對象或區域內，使防護對象或區域全區達到滅火濃度。

二氧化碳自動滅火系統型式

二氧化碳自動滅火系統依二氧化碳氣體儲存方式分為：高壓二氧化碳自動滅火系統(High Pressure System)及低壓二氧化碳自動滅火系統(Low Pressure System)。

a. 高壓二氧化碳自動滅火系統(High Pressure System)

係指二氧化碳氣體以常溫儲存於壓力容器，稱為高壓系統(21℃/ 850PSI) 。

b. 低壓二氧化碳自動滅火系統(Low Pressure System)

係指二氧化碳氣體以低溫控制條件下儲存於壓力容器，稱為低壓系統(-18℃/ 300PSI)。

二者的二氧化碳均以液態儲存於壓力容器中，高壓系統以壓力使二氧化碳液化儲存，低壓系統以低溫方式使其液化儲存。

藥劑儲存區域場所規定

a.滅火藥劑容器儲存場所外四周

環境規定︰

• 設置防護區域外：於緊急狀態下，不需經由防護區劃即可進 出鋼瓶室，逕自手動啟動鋼瓶容器閥之開放裝置。
• 環境溫度需在40℃以下、溫度變化少的地方。
• 不得有日光曝曬雨水淋濕之處。
• 為防止藥劑鋼瓶、容器閥、開放裝置、電磁閥端子等鏽蝕，藥劑容器不宜置於室外，即使搭設棚架防止日曬雨淋，仍應考量室外溫度、濕度等大氣環境變化之影響。

b. 滅火藥劑容器儲存場所內之規定

• 充足的照明設備。
• 確保供操作及檢查維修空間。
• 應設有保持內部通風狀態之設備。

二氧化碳自動滅火系統動作流程

二氧化碳自動滅火系統啟動方式，可分為自動啟動及手動啟動。自動啟動方式是以火警感知器動作將訊號傳至二氧化碳控制盤，手動啟動方式是由人員以手動方式開啟手動釋放開關，二氧化碳控制盤收到火警感知器動作訊號或手動釋放開關動作訊號後，送出訊號啟動電磁閥組，將儲存二氧化碳滅火藥劑容器開啟及選擇閥開啟，二氧化碳氣體經管路至防護區內由噴頭將氣體放射滅火。

研究方法

研究範圍與限制

本研究所選用之二氧化碳自動滅火系統廠牌，以2002年至2011年間，新廠建廠或擴建時，廠區電氣室及變電站最多使用之廠牌ANSUL為研究分析對象。

廠區電氣室及變電站二氧化碳自動滅火系統設計條件為：

放射方式：全區放射系統( Total Flooding System)。

藥劑濃度計算：全區放射方式深層火災，二氧化碳濃度50%為設計基準。

藥劑需求量：所有防護區，最大區需求量設計。

研究流程：如 圖十所示

防護區vs高低壓系統二氧化碳藥劑量

在不同的防護區體積設計，依據NFPA12全區放射方式深層火災所需高低壓系統二氧化碳藥劑量。 表二

防護區vs高低壓系統二氧化碳藥劑儲存設備佔地面積

高低壓系統二氧化碳藥劑儲存設備佔地面積計算均不考慮選擇閥所需面積，單就儲存設備本身及操作空間所需面積計算。

高壓二氧化碳鋼瓶佔地面積計算說明

目前大部份使用鋼瓶規格為100lb/68L鋼瓶，每支直徑約27-28公分，若每支鋼瓶佔地取整數以30公分正方形計算，得鋼瓶每支佔地面積0.09平方公尺(30公分x30公分)，鋼瓶間走道為80公分，主走道1公尺。

以14支、27支、51支、68支為例，以最節省空間方式排列規畫，得每支鋼瓶操作面積約0.22、0.26、0.21、0.16平方公尺，因排列規畫方式會影響單支操作面積，故取均值0.2平方公尺作為計算基數，如 圖十一 ~ 圖十四所示。

a.14支鋼瓶儲存面積計算說明

鋼瓶所需儲存面積：(1+2.1)x1.4=4.34平方公尺

鋼瓶佔地平均：2.1x0.3x2=1.26平方公尺

操作空間平均：4.34-1.26=3.08平方公尺

3.08平方公尺/14支=0.22平方公尺/支

b. 27支鋼瓶儲存面積計算說明

鋼瓶所需儲存面積：(1+2.7)x2.5=9.5平方公尺

鋼瓶佔地平均：2.7x0.3x3=2.43平方公尺

操作空間平均：9.5-2.43=7.07平方公尺

7.07平方公尺/27支=0.26平方公尺/支

c. 51支鋼瓶儲存面積計算說明

鋼瓶所需儲存面積：(1+3)x3.9=15.6平方公尺

鋼瓶佔地平均：3x0.3x4=3.6平方公尺，0.3*3.3=0.99平方公尺

操作空間平均：15.6-3.6-0.99=11.01平方公尺

11.01平方公尺/51支=0.21平方公尺/支

d. 68支鋼瓶儲存面積計算說明

鋼瓶所需儲存面積：(1+5.1)x(0.3*4+0.8*2)=17.08平方公尺

鋼瓶佔地平均：5.1x0.3x4=6.12平方公尺

操作空間平均：17.08-6.12=10.96平方公尺

10.96平方公尺/68支=0.16平方公尺/支

低壓二氧化碳鋼瓶佔地面積計算說明

目前所使用儲槽規格佔地面積計算，以原廠所提供之低壓桶槽尺寸表為依據，如 表三所示。儲槽前後需預留1.2公尺維修空間，主走道1公尺。

依據表二中針對不同防護體積所需之高低壓二氧化碳系統藥劑量計算其二氧化碳儲存容器所需佔地面積，如 表四所示。

結果與討論

高低壓系統儲存設備面積分析

依 表五針對不同防護體積所需之高低壓二氧化碳系統藥劑量儲存容器所需佔地面積，進行保護體積大小與儲存空間大小之比較，如 表六所示，並以防護體積為橫軸，儲存空間為Y軸繪圖，可知防護體積大於2,300立方公尺時，高壓系統所需之佔地面積皆明顯高於低壓系統；當防護體積小於2,300立方公尺時，低壓系統之佔地面積高於高壓系統。由佔地面積來看，防護體積小於2,300立方公尺時應選擇高壓式系統。反之，則應選用低壓式系統，其趨勢 圖十六所示。

高低壓系統儲存設備成本分析

高壓二氧化碳自動滅火系統，二氧化碳藥劑儲存一般使用100磅 二氧化碳高壓無縫鋼瓶，鋼瓶本身儲壓為850psi/21℃，以美國之標準需使用D.O.T.3AA 1800(最大工作壓力1800psi)之無縫鋼瓶，並使用固定架做為支撐連結，鋼瓶上方設置放射軟管與集合管再連結後，串聯成大集合管連結區域選擇閥。因此，分析儲存設備成本時，以鋼瓶至選擇閥一次側為分析比較範圍。

而對於低壓二氧化碳自動滅火系統而言，二氧化碳藥劑之儲存乃是使用ASME CODE所規範之壓力儲槽，其最大工作耐壓為350psi儲存槽須施以保溫披覆，及加設冷凝壓縮機組用以降低並維持二氧化碳儲存槽內之溫度及壓力，正常使用下二氧化碳透過冷凝儲壓值為295psi至305psi。除儲存槽外另設有啟動管線連結選擇閥一次側，以成為一套密閉空間裝設二氧化碳儲存槽之安全系統，故依上述之設備做為估算成本之依據。

依 表二針對不同防護體積所需之高低壓二氧化碳系統藥劑量結果，進行儲存設備成本比較，如 表六所示。發現當防護體積介於450立方公尺至2,300立方公尺之間，其高壓式系統所需二氧化碳藥劑量約0.6至3公噸，其二氧化碳鋼瓶數介於14至68支範圍內，以每支鋼瓶費用36,000元估算，其儲存鋼瓶費用為504,000至2,448,000元。依上述之保護範圍所需之劑量，低壓式系統所需之桶槽規格為0.75至3.75短噸，經計算過後高壓系統之成本均低於低壓系統。

隨著防護體積增加，當防護體積超過2,300立方公尺時，高壓式系統儲存藥劑之鋼瓶費用成長快速，但低壓式系統之桶槽費用上升之程度較為平緩，藉由兩者之費用進行比較，發現低壓系統之費用皆低於高壓系統。當防護體積大於3,700立方公尺時，兩系統之成本差異更加明顯。

因此當防護體積較小時，高壓系統之設置成本低於低壓系統；當場所中使用二氧化碳之防護區域，其體積大於4,900立方公尺時，儲存設備之費用差距均達百萬元以上，以二氧化碳設備造價而言，低壓式二氧化碳系統確實為大空間之防護考量選項之一。其趨勢如 圖十七所示。

新設管線及選擇閥成本比較

不管是高壓二氧化碳自動滅火系統或低壓二氧化碳自動滅火系統除了儲存設備外，尚有滅火管路、控制及電氣等項目的搭配，才能成為一套滅火系統，其中控制及電氣設備不論高低壓系統，只要動作方式一樣其電控設備項目不會有太大差異，但二氧化碳管路確有其規格上之差異，如 表七所示。

高壓二氧化碳自動滅火系統目前製造商使用管路上重要配件之一選擇閥，最大尺寸到4吋，故一般管路在流量計算上最大僅到5吋或6吋，而最大選擇閥僅到4吋，如此限制了其放射流量最大約為7,700 LB/min CO₂藥劑量，而高壓二氧化碳自動滅火系統因其為常溫高壓液態儲存，放射時壓力由850psi在21℃內部儲壓放射到末端300psi之末端壓力，且又是液相轉氣相中間相位的變化有極大膨脹壓力故管路等級，將至少需SCH 80 高壓無縫管路。

低壓二氧化碳自動滅火系統因儲槽儲存量較大管路壓力由儲存壓力300psi到末端放射壓力150psi，故廠商目前使用管路除選擇閥一次側外其他均為SCH40無縫等級，及選擇閥尺寸可到8吋其放射流量最大可達24,000 LB/min。

因高低壓系統管材規格不同其價位比較，如 表八所示。高低壓系統所使用之選擇關因耐壓程度不同，選擇閥價位之比較，如 表九所示。

藥劑放射充填費用比較

當高低壓二氧化碳系統滅火藥劑釋放後，須進行相關復原之工作，以恢復二氧化碳滅火系統之功能。高壓二氧化碳自動滅火系統藥劑釋放後，假設若以防護區3,700立方公尺所需110支100磅二氧化碳鋼瓶放射，約4.95公噸之二氧化碳藥劑，需要4人一天之工時，進行鋼瓶拆卸及搬運至灌充廠灌充二氧化碳，填充費用分攤金額每公斤約為55元計算，其填充費用為272,250元。而低壓二氧化碳自動滅火系統藥劑釋放後，不需人員進行相關搬運作業，僅需二氧化碳槽車至現場灌充即可恢復功能，其填充費用每公斤約25元，5.44噸之二氧化碳藥劑填充費用為136,050元，此部份不需要搬運人力，也不需二氧化碳分裝之工作，其復原工作於一天內即可完成，與高壓系統復原之成本進行比較後，發現低壓系統復原費用相對較低，如 表十所示。

結論與建議

二氧化碳高低壓系統之設計流程，並無明顯差異，但由儲存面積以及藥劑費用、藥劑儲存設備、放射管線與配件之設置、後續測試與維護檢點進行比較。結論如下：

若使用藥劑未超過6公噸時，低壓式滅火系統儲存設備之費用如桶槽，皆高於高壓式系統；但防護面積增加，其滅火藥劑使用量大於6公噸後，用低壓系統之儲存設備可使成本降低，顯示低壓式滅火系統適用於大型防護區域。

當防護體積小於2,300立方公尺，以鋼瓶儲存之高壓系統佔地面積小於以桶槽儲存之低壓式系統；但若防護空間增加，低壓式系統之佔地面積成長趨緩，反觀，高壓式系統佔地面積成長快速，其藥劑成本也顯示相同之結果。

進行二氧化碳系統維護測試，經藥劑放射後之鋼瓶搬運、填充，以及運送等復原工作之評估，進行兩種系統之成本差異，可了解低壓式系統可直接使用槽車進行二氧化碳藥劑之充填，著實能減少人員之使用，進而減少相關費用之使用。

由以上所述之儲存占地面積及其藥劑費用、閥件與管材、儲存周邊設備、維護測試等，進行成本綜合比較與評估，高壓式二氧化碳滅火系統可選用於防護空間較小之區域；雖然低壓式滅火系統需使用電力維持儲存藥劑，但經由防護空間大小與成本評估後，若防護空間之體積大於2,300立方公尺時，可考慮選擇設置低壓式二氧化碳滅火系統進行空間之防護。