東京理科大学「火災安全科学研究拠点」■研究成果概要報告書
研

究 課 題

研究代表者

所属

韓国火災保険協会

氏名

申問合せ先メールアドレス
受入担当責任者

大規模ファサード火災からの放射熱の測定方法及び推定アルゴリズムの構築のための実験的研究

氏名

実 施 年 度
平成 30 年度

易澈

shinyichul@gmail.com
大宮 喜文

１．研究の背景および目的
最近、韓国では堤川のスポーツセンター（死亡 29 人、負傷 37 人）及び密陽の世宗病院（死亡 51 人、負傷 141 人）など、重大火災が発生している。また、2010 年釜山のウシンゴールデンスイート火災から継続的に問題になったファサード火災に対する対応が喫緊の課題となっている。ファサード火災は多くの熱や煙が垂直方向へ速く伝播され建物の上層部在室者の避難が困難になる可能性が高い。一方で、ファサード火災から発生する放射熱によって隣接する建物へ燃焼拡大になる危険性を内包している。これらのファサード火災の危険性が顕在化した事例は、2015 年に発生した議政府アパート火災（死亡 5 人、負傷 125 人）である。当時ピロティ構造の建物の駐車場で発生した火災は建物の空間的特徴により、天井に沿った火炎の影響によりファサード火災に発展し、隣接する建物へ延焼拡大し、3 棟の建物が火災被害受け、重大な人命及び財産被害を発生した。また、国際的にも、英国グレンフェルタワーの火災事例の後、ファサード火災の危険性に関する認識が高まり、ヨーロッパやアジアの国家を中心に、国際標準である ISO 13785-2 の改訂作業を進めている。改正の主な内容は火源の設定及び熱流計の代わりに Plate Thermometer を使用する案について議論している。更に、ファサード火災時に発生する放射熱により、隣接する建物が受ける熱的影響を簡易的に評価できる手法について標準の制定作業が行っている。
したがって、本研究では、ISO 13785-2 ファサード火災試験装置を使用した実験を行い 、Plate Thermometer の水冷式熱流計代替の可能性について検討し、ファサード火災発生時の放射熱によって対向壁が受ける熱的影響の簡易評価手法の検証実験を実施する。また、開口アスペクト比が 1 から４までの条件で対向壁までの距離を変化して実験を行う。その結果を用い開口アスペクト比が 1 から４までの条件で壁面が受ける放射熱と対流熱の割合を調査し、最終的に簡易評価手法を改良することを目的とする。

２．利用施設及び利用日
排煙フード、流量計、データロガー、ガスバナー、熱流計、熱電対（2018 年 7 月 2 日 ～7 月 13 日）

2000

2000

5000
800

セラミックファイバー
ブランケット(25mm)
ケイカル板(25mm)

9000

アングル

4000

5000

火災室

5700
4000

2000

1200

305

500

800

500

1000

1000 ~ 4000mm

図 1． 実験施設-ISO 13785-2

３．実験方法・研究成果、および考察（申請時の計画に対する達成度合いも含む）※継続課題の場合は，前年度との関係性，進展度合いについても記載すること。
３．１ 実験方法
着火後の燃焼チャンバの火災性状が燃料支配型火災から換気支配型火災に転換され、これにより、燃焼チャンバ内の火炎は開口を介して外部へ噴出し、ファサード火災へ発展する。この時、発生したファサード火災によって、図２に示すように、建築物の外壁面と対向壁に及ぼす放射熱の影響を定量的に把握するため実験を行う。図３は、本研究に使用する
ISO 13785-2 ファサード火災の実験装置の概要図である。
実験は火源としてガスバーナーを使用する。実験の測定項目は図４に示したように温度と熱流束である。温度は燃焼チャンバ内と開口、壁面、対向壁面の温度を測定する。また、熱流束は外壁面及び対向壁面で測定する。

Wall

Central axis

zqrad

qrad

Q , Tfxmout
中性帯
minZn

H
Zn

Firesource
火源S

図 2 ファサード火災からの放射熱の影響

図3

ISO 13785-2 (単位：mm)

実験条件を表 1 に示す。本実験は開口アスペクト比が１から４の条件で 壁面から対向壁までの距離を 1～4m で変化させる。その結果を考察し、噴出火炎と壁面の間の空間で発生する対流熱及び放射熱の割合を算出し、図 5 の放射熱の簡易評価手法の信頼性を検討する。
また、Plate Thermometer の実効性を検証するために、Plate Thermometer を用いて熱流計と同じ位置で放射熱を測定し、その結果を比較して代替の可能性について検討する。
表 1． 実験条件
ファサード正面区分

開口中心から 開口中心から50mm

火源
1800AH1/2

開口条件（B×H）（アスペクト比）

900.00500mm×1000mm(n=1)

case 1case 2case 31000mm

case 43000mm(200mm間隔)

K-type熱電対

case 75700

熱流計(対流+放射)1000mm1800.00

1000mm×1000mm
(n=2)

1200

4000mmcase 101287.98

1000mm×800mm(n=2.5)case 14case 18
case 193000

図 4． 実験の測定項目

単位：mmcase 203000mm
1000mm

987.151000mm×670mm(n=3)

2000mm
3000mm
4000mmcase 1720002000mm
4000mmcase 13

case 169003000mm
1000mmcase 15

ケイカル板2000mm

case 9case 12100mm
間隔3000mm

case 8case 11

開口部2000mm
4000mmcase 5case 6

隣接壁との距離（S）

1000mm636.401000mm×500mm(n=4)

2000mm
3000mm
4000mm図5．放射熱の簡易評価手法

３．２ 実験結果
１) 燃焼チャンバの温度
図 6 に時間変化に伴う火災室の平均温度（Tf）を示した。グラフは、火災室設置した 8 つの熱電対で測定した温度結果を平均した。その結果、温度は火源の着火後、急激に増加する傾向を示し、約 100 秒を基点で温度上昇曲線が緩やかになった。以後、約 1200℃で準定常状態になる傾向が見られた。

図6．燃焼チャンバの温度

２) 外壁面の温度分布
図 7 に外壁面の温度分布（ΔTF）と開口部の上部からの高さ（z）の関係を示した。全体
ケースについて 1m からの温度分布が減衰する傾向が見られた。各条件により温度差に対して高 0m〜1m の場合、噴出火炎が直接与える領域として、アスペクト比によって温度差が明確に現れた。全ての実験条件で高さ約 1m 以上の領域で温度勾配が z-1 に比例して減衰する傾向が見られた。

a) s=1mb) s=2mc) s=3md) s=4m

図 7．外壁面の温度分布３．３ 放射熱の放射熱の簡易評価
１）開口噴出火炎の形状
開口噴出火炎の形状は、式１の開口部の縦横比、すなわちアスペクト比によって決定される。
n=B( H − Zn )(１)H
1 + (T f / T∞ )1/3

(２)

Zn =

図 8 は、従来の研究 1,2）の結果をもとに開口アスペクト比に応じた噴出火炎の形状を示したものである。開口部から噴出した火炎の形状を正方形柱形状であると仮定した。噴出火炎の底面は、開口部の中性帯の高さに位置すると仮定した。

ZZtarget1

H-Zn

H-Zn
target2a) 開口アスペクト比5 以下の条件

ZZH-ZnH-Zntarget1

target2b) 開口アスペクト比5以上の条件
図8．開口噴出火炎の形状

２）開口噴出火炎の総発熱速度
開口部から噴出された火炎の発熱速度は、区画から噴出される火炎の熱量と区画から未燃焼ガスが外部に放出され、外気と会って燃焼するカロリーの合計で導出できる。
２．１）開口部からの放出されるガス流量
流量算出の際、火源の熱分解により、排出される気体の流量は、開口部に流動される空気量に比べて非常に少ないので無視する。開口部の質量流量は、式３によって計算される
3,4,5,6）。

=min m=0,5 A Hout(3)２．２）開口部からの火炎の発熱速度
開口部から噴出されたガスの発熱速度は、区画室の内部の温度と開口部からの質量流量を利用して、式 4 によって算出する。
(4)

Qe c p mout ∆T f=２．３）未燃焼ガスの発熱速度
区画内で開口部を介して火炎が噴出される限界発熱速度 Qvcrit は式 5 によって算出する
7）。火災が換気によって制御されている場合、区画内で未燃焼ガスが発生し、このガスは、開口部に排出され、外部の酸素と出会い燃焼することになる。未燃焼ガスの発熱速度 Qf は式 6 によって計算される 1）。
=
Qvcrit 150 AT 2/5 ( AB+=Z n )3/5 150 AT 2/5 ( A H )3/5nQ f = ∆H mb -150 AT 2/5 ( A H )3/5２．４）開口噴出火炎の総発熱速度

(5)
(6)

開口噴出火炎の総発熱速度 Qef は噴出される火炎の熱量と未燃焼ガスの熱量の合計した
式 7 によって計算できる。
Qef = Qe + Q f(7)３）開口噴出火炎の中心軸無次元温度
開口噴出火炎の温度分布は大きく図 9 に示すよう火炎領域と間欠火炎領域に区分される。
火炎領域の温度は 1093 K であり、 間欠火炎領域は 977 K と仮定する 9,10）。

図９．開口噴出火炎の温度設定３．１）開口アスペクト比 5 未満の条件
開口アスペクト比が 5 未満の条件がで噴出火炎の中心軸温度を無次元化したΘは式 8 によって計算する 2）。
Θ=∆Te r05/3(8)
1/3

 T∞ Qef  2 2  cP ρ e g 2

パラメータ r0 は区画の長方形の開口部の面積に応じた等価半径である。このパラメータ
は、区画開口と同じ面積を持った円形開口の半径で式 9 で計算する。
r0 =B( H − Z n )π(9)３．２）開口アスペクト比 5 以上の条件
開口アスペクト比が 5 以上の条件がで噴出火炎の中心軸温度を無次元化したΘは式 10 で計算する。

∆Te ( H − Z n )Θl =1/3
 T∞ (Qef / B ) 2 22 cP ρ e g (10)４）開口噴出火炎の高さ
本研究では、開口噴出火炎の高さを算定する際、安全値を考慮して、火炎の中心軸の長さを高さと仮定して計算した。
４．１）開口アスペクト比 5 未満の条件
開口アスペクト比が 5 未満の条件がで開口噴出火炎の中心軸の長さ z'は式 11〜13 によって計算できる。

z ' = ( −4 ln(2Θ) )5/4r0 − ∆z∆z =0,04Q ∗ef 2 r0
Q ∗ef =(11)
(12)

Qef

(13)

cP ρ∞T∞ g 1/2 r05/2

４．２）開口アスペクト比 5 以上の条件
開口アスペクト比が 5 以上の条件がで開口噴出火炎の中心軸の長さ z'は式 14〜16 によって計算できる。

z ' = ( −4 ln(2Θl ) )5/4( H − Z n ) − ∆zl=
∆z 0,04Q ∗l ,ef 2 ( H − Z n )Q ∗l ,ef =Qef / BcP ρ∞T∞ g 1/2 ( H − Z n )3/2

(14)
(15)
(16)

５）開口部の上部から噴出炎の水平距離
開口部の上部から噴出された火炎の水平距離は図 8 に示すように、開口部の火炎噴出面の高さの半分であると仮定して、式 17 によって計算される。
H − Znx=2(17)６）対向壁の熱流束
上記の計算結果をもとに、最終的に開口噴出火炎からターゲットが受ける熱流束は、式18 によって算出される。
4q&rad = εσ ∑ FTi in(18)i =1

実験による測定値と評価法による計算値を比較した結果を図 10 にまとめた。横軸は、外壁と対向壁の離隔距離であり、縦軸は開口噴出火炎からの熱流束である。熱流束は、離隔距離が近づくにつれて形係数が大きくなるため、数値が増加することが分かった。すべての実験条件で実験値と計算値が概ね一致する傾向が見られた。本結果から、隣接する建物での火災拡大の危険性評価法の信頼性が検証され、今後の建築物の設計時の簡易評価法として活用可能と判断される。

a) s=1mb) s=2mc) s=3md) s=4m

図 10．実験値及び計算値の比較

３．４ Plate Thermometer 及び熱流計の放射熱の測定結果の比較

1） Introduction
It was found from KICT that durability of total heat flux meter has a problem during the Façadetest. When total heat flux meter is exposed to fire for long such as façade test, most of themused are break down. It is motivated to seek alternative technology for measuring heat flux
having better durability than normal total heat flux meter.
In this study, plate thermometer is used to check its measurement performance as alternative
heat flux measuring technology. The large scale façade test is prepared for measuring andestimating radiant heat flux on the façade face and wall which is few meter apart from façade,and the test was performed in Tokyo University of Science (TUS).

2） Test method and set-up
The total heat flux meters were substituted by the plate thermometers according to EN 13631. Plate thermometers were used along with the total heat flux meter. Each plate
thermometer was accompanied by stainless steel sheathed thermocouple (type K). Figure 1
shows instrumentation of the heat flux meter. The plate thermometer is comprise of 3
thermocouples as shown in Fig. 2. Tg , TPT, Tg1 measures gas temperature, surface
temperature on the plate thermometer, temperature between plate thermometer and wall,respectively.

Figure 1 Installation of plate

Figure 2 Instrumentation

thermometer on the façadeof the heat flux meterand wall apart from facade

By use of temperature from Tg , TPT, Tg1, the incident radiation, 𝑞𝑞̇ 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ´, calculated accordingto19,20)

Where4𝑞𝑞̇ 𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤 ´´ = 𝜎𝜎𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃−

̇1𝑑𝑑𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃
�ℎ𝑃𝑃𝑃𝑃 �𝑇𝑇𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 � + 𝐾𝐾(𝑇𝑇1 − 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 ) − 𝐶𝐶�𝜀𝜀𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑑𝑑𝑑𝑑

Tg

gas temperature, in K

Tg1

temperature between PT and façade, in K

TPTtemperature of PT (steel plate), in K

𝑑𝑑𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝑡𝑡𝑖𝑖 ) 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑖𝑖+1 − 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑖𝑖−1≈𝑑𝑑𝑡𝑡
2 ∙ ∆𝑡𝑡
Formula(1)Derivative of TPT approximated by Centred Diﬀerencing

T1 = w1.Tg1 + w2.TPT

w1 =0.5∆t = 1 min = 60 s

time period

σ = 5.67E-08 W/(m2K4)

Stefan-Boltzmann constantεPT =0.77

emissivity of stailess steel (0.7 mm plate)hPT =11 W/(m2K)

convection heat transfer coefficient

K =40

thermal conduction coefficient

W/(m2K)

heat capacity

C =3548.96 J/(m2K)

The incident radiation calculated from equ. (1) is then compared with radiation directly taken from total heat
flux meter.

3） Results
In order to check the performance of the plate thermometer, results are only shown whenn=3.
Figure 3 shows (a) temperature of the plate thermometer and (b) heat flux calculated fromtemperatures taken from plate thermometer and heat flux measured from total heat flux
meter at height of 600 mm from top of the opening on facade. Here, Qinc_pt, corresponds toheat flux calculated by Tg and TPT, Qinc_g1 corresponds to heat flux calculated by Tg and Tg1,
Qhfm is heat flux measured from total heat flux meter. It is found that heat flux between plate
thermometer and total heat flux meter doesn’t shows big deviation.

Temperature
800.0
600.0
400.0
200.0
0.00500
Tpt

1000

1500

Tg1

Tga. Temperature of the plate thermometer

2000

Heat Flux (KW/m2)
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0-100

400
Qinc_ptb. Heatflux

900

1400

Qinc_g1

comparison

Qhfm

betweentheplatethermometer(Qinc_pt, Qinc_g1) and total heat flux
meter(Qhfm)
Figure 3 Temperature of the plate thermometer and heat
flux from plate thermometer and total heat flux meter atheight of 600 mm from top of the opening on façade

Temperature
600.0
400.0
200.00.00500

1000
Tpt

Tg1

1500

2000

Tg

a. Temperature of the plate thermometer

Heat Flux (KW/m2)
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0-200-5.0300
Qinc_pt800
Qinc_g1

1300
Qhfm

1800

b. Heatflux

comparison

betweentheplatethermometer(Qinc_pt, Qinc_g1) and total heat fluxmeter(Qhfm)
Figure 4 Temperature of the plate thermometer and heat flux
from plate thermometer and total heat flux meter at height of1600 mm from top of the opening on façade

Figure 4 shows (a) temperature of the plate thermometer and (b) heat flux calculated fromtemperatures taken from plate thermometer and heat flux measured from total heat flux
meter at height of 1600 mm from top of the opening on facade. Heat flux from total heat flux
meter shows about 10 kW/m2, while averaged heat flux calculated from plate thermometershows approximately 5 kW/m2. It means that heat flux measured from total heat flux meteris 2 time larger than that calculated from plate thermometer.

Temperature
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.00500

1000
Tpt

Tg1

1500

2000

Tg

a. Temperature of the plate thermometer at height of 600 mm
from top of the opening on façade

Heat Flux (KW/m2)
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0

-10.0 0b. Heat

500

1000

1500

Qinc_pt

Qinc_g1

Qhfm

flux

comparison

thermometer(Qinc_pt,between

Qinc_g1)

and200

thetotal

heatplateflux

meter(Qhfm)
Figure 5 Temperature of the plate thermometer and heat flux
from plate thermometer and total heat flux meter at wall at sameheight to top of the opening on façade

Figure 5 shows (a) temperature of the plate thermometer and (b) heat flux calculated fromtemperatures taken from plate thermometer and heat flux measured from total heat flux
meter at wall apart from façade. It is located at same height to top of the opening on façade.
Heat flux from total heat flux meter shows about 50 kW/m2, while averaged heat flux
calculated from plate thermometer shows less than 20 kW/m2.

Temperature
300.0
200.0
100.0
0.0

0500

1000
Tpt

Tg1

1500
Tg

a. Temperature of the plate thermometer

2000

Heat Flux (KW/m2)
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
-50150350

550

Qinc_ptb. Heatflux

750

950

Qinc_g1

comparison1150

1350

Qhfm

betweentheplatethermometer(Qinc_pt, Qinc_g1) and total heat flux
meter(Qhfm)
Figure 6 Temperature of the plate thermometer and heat flux
from plate thermometer and total heat flux meter at wall atheight of 600 mm from top of the opening on façade

Figure 6 shows (a) temperature of the plate thermometer and (b) heat flux calculated fromtemperatures taken from plate thermometer and heat flux measured from total heat flux
meter at wall apart from façade. Plate thermometer is located at 600mm above the opening
on façade. It shows very big deviation in heat flux between plate thermometer and total heat
flux meter.

Temperature
200.0
150.0
100.0
50.0
0.00500

1000
Tpt

Tg1

1500
Tga. Temperature of the plate thermometer

2000

Heat Flux (KW/m2)
15.0
10.0
5.0
0.0

0500

1000

Qinc_pt

Qinc_g1

1500

2000

-5.0b. Heat

flux

comparison

thermometer(Qinc_pt,Qhfm

between

Qinc_g1)

andthetotal

heatplateflux

meter(Qhfm)
Figure 7 Temperature of the plate thermometer and heat flux
from plate thermometer and total heat flux meter at height of1600 mm from top of the opening on façade

Figure 7 shows (a) temperature of the plate thermometer and (b) heat flux calculated fromtemperatures taken from plate thermometer and heat flux measured from total heat flux
meter at wall apart from façade. Plate thermometer is located at 1600mm above the opening
on façade Heat flux from total heat flux meter shows about 10 kW/m2, while averaged heatflux calculated from plate thermometer shows about 5 kW/m2. Heat flux measured from totalheat flux meter is almost double as compare to heat flux calculated from plate thermometer.

4） Conclusion
The plate thermometer was installed in the real scale façade experiment to compare heat
flux measured form total heat flux meter. Results shows that heat flux calculated from theplate thermometer has big deviation as compare to that directly measured from total heat
flux meter. It should be investigated what parts has to be improved in the plate thermometerto get better accuracy. Therefore, it would be better to check its performance in small scaleheat flux measuring facility in this year. After getting reasonable accuracy in small scale
facility, performance of the plate thermometer will be checked again in large scale test.

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University of Technology, Luleå, 2009.

４．今後の展望（今後の発展性，見込み等についても記述）
本研究では、ISO 13785-2 ファサード火災試験装置を使用した実験を行い 、PlateThermometer の水冷式熱流計代替の可能性について検討し、ファサード火災発生時の放射熱によって対向壁が受ける熱的影響の簡易評価手法の検証実験を実施した。
実験結果を考察した結果、隣接する建物での火災拡大の危険性評価法の信頼性を確認し、今後の建築物の設計時の簡易評価法として活用可能と判断される。

５．成果の公表状況（学会への発表，学術誌への投稿等を記述。予定も含む）
研究結果の学会発表成果- 申易澈、建築物の外壁火災時の熱流束の推定メカニズムに関する実験的研究、韓国火災
消防学会、2018- 申易澈、朴桂源、建築物の火災時の開口噴出火炎からの熱流束危険性推定標準に関する研究、韓国標準学会、2018
６．経費の使用状況

消耗品費・会議費・印刷費等事

項

噴出火炎実験区

金額(円)

旅費
事

項

人件費金額(円)

199,800

7 月 4 日～14 日 4 名
旅費
宿泊費

314,816
69,000199,800

小計383,816

画制作・実験補事 項助

小計

東京理科大学 負担分 総計 583,616 円

防災試験研究院 負担分 総計 583,616 円

小計金額(円)※スペースが足りない場合はページを増やしても構いません。
※上記 5 に記載された成果公表については，別刷１部をご提出願います。PDF ファイル等の電子データでも構いません。
※本成果報告概要書に記載された内容は，本拠点の成果報告として Web 等で公開されることをお含み置き下さい。
※本成果報告概要書と併せて，研究報告書を提出頂いても構いません。(フォーマットは問いません。)※後日開催予定の成果講評会で使用されるプレゼンテーション用の電子ファイルについても提出願います。(学内での報告に使用)