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# 画像に基づく火炎相当領域の抽出 一中高層集合住宅の噴出火災性状に関する実験的研究（第2報）

高梨 健一，鈴木 健，山田 常圭，箭内 英治，関沢 爱，栗岡 均 $ ^{*} $ ，佐藤 博臣 $ ^{*} $

(平成13年1月29日受理)

中高層建物火災における上階延焼の危険性について検討を行う上で、火災室開口部から噴出する火災によって上階の壁面が受ける放射を定量的に予測することは重要であり、そのためには火災高さなどの火災性状を正確に把握しなければならない。本報では、ビデオ画像から単純な条件設定により火災相当領域を抽出し、領域の垂直方向噴出長さと水平方向噴出長さについて、従来用いられている目視による方法との比較検討を行った。煙の少ない条件下で適正な抽出条件を設定した場合に、画像処理によって得られた対象領域先端の平均位置は目視によって得られた対象領域先端の平均位置と精度良く一致した。更に、火災相当領域を抽出した結果から、火災相当領域の出現確率を求めた。その結果、抽出した領域の先端の平均位置は出現確率0.2の領域の先端にほぼ一致することがわかった。

### 1. はじめに

筆者らは縮尺1/7及び1/3の中高層集合住宅の模型（以下1/7模型、1/3模型と呼ぶ。）を用いて噴出火炎の火災実験を行って来ており $ ^{1-5} $ 、前報において鈴木らが1/7模型における熱気流の性状について報告を行っている $ ^{6} $ 。

東京消防庁により収集された火災事例データによれば $ ^{7} $ 、耐火造建物火災における上階延焼経路に占める外壁開口部の割合は大きく、外壁開口部からの噴出火炎の性状及び上階延焼のメカニズムについての研究は防火安全上非常に重要と考えられる。

中高層建物の噴出火炎による上階延焼危険を検討していく上で重要な要素と考えられているのは、開口部から噴出する熱気流による対流伝熱と噴出火炎からの放射伝熱である。放射伝熱の計算には火炎の長さ、厚みなど火炎の性状が必要とされているが、これまで火炎長さはビデオ画像等から観察者が目で見て判断することが多かった。このような手法では、観察者の主観が入るほか、労力を要するため大量に処理するのが難しい等の実用上の問題点が存在する。そのため、火炎の性状を工学的に検討する場合、客観的かつ精度の良いデータを大量かつ簡易に収集できる方法が必要とされている。

既存の画像処理に関する研究では、CCDカメラにより予混合層流火炎を撮影し、その色度座標からその発光スペクトルを予測する研究 $ ^{(9)} $ や、同様の手法から予混合火炎の当量比を推定する研究 $ ^{(10)} $ 、
Fig.1 Outline of 1/3 scale model.

プール火災の熱気流に現れる輝炎の出現確率などについて分析した研究 $ ^{[11]} $ などが報告されているが、噴出火炎の火炎高さにデジタル処理を適用して分析を行った研究は報告されていない。

本報では効率的に火炎長さに関するデータを収集する方法として、画像の画素の持つ色相、明度等色要素に対して閾値を設定する事により火炎あるいはそれに近い領域を抽出する方法について報告し、あわせて火炎高さとして従来用いられている目視による火炎長さと画像処理によって得られる火炎相当長さの関係について報告する。また、画像処理により得られる領域の出現確率について報告する。

### 2. 実験の概要

### 2.1 実験模型概要

実験に使用した1/3模型は外部風の影響のない、大規模な屋内実験場内（東西24m,南北24m,高さ20m,電気集塵機使用可）に設置した。

Fig.1に示すように、1/3模型は外形寸法6,000mm(w)×1,825mm(d)×4,000mm(h)であり、前報で使用していた1/7模型のほぼ倍の寸法の縮尺模型となっている。中高層集合住宅の5階層分の模型であり、各階層にバルコニーを設置可能である。壁体は厚さ25mmのセラミックボードで作製した。

火災室は一階とし、ステンレス板（厚さ1.2mm）で作られた内寸2,000mm(w)×1,200mm(d)×750mm(h)の形状としており、天井面及び室内壁面は、計100mmの断熱材でおおわれている。火災室
床面には315mm(w)×315mm(d)の多孔体バーナーを2段×6列の12基設置した。

バルコニーは、材料として厚さ25mmの不燃材を用い、深さを100mmから500mmまで100mm刻みで計5種類作成した。

また、バルコニーを支えるために、30mm(w)×500mm(d)×30mm(h)の鋼管で作成した支持具を各階層について4本ずつ準備した。バルコニーを使用しない場合には、この支持具を取り外すことも可能である。

### 2.2 测定系概要

実験における測定項目及び測定点数をTable.1に、また、熱電対等の測定位置をFig.2に示す。

開口部から噴出する熱気流の温度を計測するため

Table 1 Kinds of measurement and number of points.

Item	Device for measurement	Observation points
Temperature	Thermocouple of $ K $ type	428
Heat flux	Heat flux meter	5
velocity	Pitot tube	2
Video image	Digital video camera	2
Thermal video image	Thermal video camera	2

めに開口部の中心線を通り外壁に垂直な平面上に100mmメッシュの金網を設置し熱電対を取り付けた。更に火災階および火災室直上階のバルコニー下の温度分布を測定するため、壁面に細い棒を300mm間隔で設置し、壁面から100mm間隔で各棒あたり5点ずつ熱電対を取り付けた。また、火災室内の温度分布を計測するためにFig.1のA,B,Cの各点の位置に鉛直方向に等間隔となるよう8点ずつ熱電対を設置した。更に開口部の中心を通る線上の壁面に熱電対を設置した。

火炎の放射等壁面への熱流束を測定するため、火災室正面及び火災階をn階としたときに $ n+1, n+2, n+3 $ 階となる階の壁面に熱流束計を取り付けた。

画像記録としては、側面及び正面からデジタルビデオカメラによる可視光領域の撮影を行うとともに熱画像カメラによる撮影を行った。鮮明な噴出火炎の画像を撮影するため、模型の側方に黒い衝立を立てて背景とした。

### 2.3 その他、炎の撮影に関わる実験条件

本研究での実験は無風状態を仮定していたため排煙装置は稼働させないこととした。ただし、多量の煙が発生するため、外部風の影響が少ないことを確認の上、屋上の換気口を開放し、天井部換気口から自然光が入射する状況で実験を行った。実験は10:00～16:00の時間帯に行ったため、天井部

Fig.2 Experimental setting.
換気口から入射する自然光には雲等の影響による強弱の変化をのぞいて、夕焼け等の波長の大きな変化はないと考えられる。

### 3. 火炎相当領域抽出のための画像処理方法

画像処理の対象とした実験条件の一覧をTable 2に示す。実施した実験では、通常、火炎と呼ばれている輝炎部のみを対象とすると、バルコニーより上に立ち上がるものは多くなく、また、バルコニーの支持具や温度分布測定のために取り付けた熱電対がビデオ撮影の視野角内に入るために輝炎が遮られてしまうこともある等、解析事例が限定される。

これらの理由から、ビデオ画像から抽出を行う対象領域としては輝炎および放射伝熱に寄与すると考えられる、輝炎の外側の熱気流と共に伸びている赤く発光している部分（以下対象領域と呼ぶ）を対象とした。

画像処理は以下の手順により行った。

### 3.1 動画ファイルの作成

デジタルビデオカメラにより撮影したビデオ映像をビデオキャプチャボードを搭載したコンピュータを用いて取り込み、動画ファイルを作成した。

動画ファイルの抽出期間は、実験における燃焼が定常状態に近い状況が望ましいこと、コンピュータで処理可能なファイルサイズの制限があること等の理由から、各実験条件毎に燃焼継続時間の最後から1分30秒前から1分前の時点までの30秒間とし、毎秒30コマ、計900フレーム取り込んだ。

### 3.2 静止画ファイルの作成

動画ファイルから0.1秒毎の画像を選択し、静止画ファイル（300枚×24実験条件=全7200枚）を作成した。静止画像はフルカラーのBMP形式であり、一枚の静止画像は横720ピクセル、縦480ピクセルの画素からなっている。各画素それぞれが赤(R)、緑(G)、青(B)の各色について0から255の範囲の濃度値を持っている。静止画像の例をFig.3(a)に示す。

### 3.3 対象領域の抽出

#### 3.3.1 閾值処理

各静止画の画素の持つRGB各色ごとの濃度値に基づき、対象領域に含まれるか否かを判定し、領域を抽出する。対象領域に含まれないと判断された場合にはその画素のRGB各色の濃度値を0（黒）とした。なお、抽出条件は以下のとおりとした。

対象画素のRGBの値を（ $ r_{ij} $ ， $ g_{ij} $ ， $ b_{ij} $ ）（i,jは画素の座標）とすると

$ r_{ij}>120 $

$ b_{ij}<200 $

特に、 $ 120g_{ij} $ ， $ r_{ij}>b_{ij} $

これらの抽出条件の設定にあたっては、Table 2に示した各実験条件あたり3枚（3枚×24実験条件=全72枚）の画像を取り出し、閾値となるRGBの濃度値を変化させて領域抽出を行い、放射伝熱に寄与すると主観的に思われる火炎領域の形状と近似する抽出条件を選定した。抽出結果の例をFig.3(b)に示す。

#### 3.3.2 ノイズの除去処理

濃度値による閾値処理では、計測のために設置した金網や熱電対の配線のうち、煤が付着した場所は火炎等の光を反射しないため対象領域として抽出されない。一方、熱気流の通過する部分から離れた位置の金網や配線は光を反射するため対象

Table 2 Experimental parameters.

Heat release rate, Q, MW
0.17	0.25	0.29	0.33
d (cm)	0	12	10	12	10
10	12	10	12	10
20	12	10	12	10
30	12	10	12	10
40	12	10	12	10
50	12	10	12	10

The number in each cell stands for duration time of combustion under each condition. (Unit : min) Opening : 60cm×90cm

Q: heat release rate of fuel gas ejected from bumer assumed the complete combustion.
(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Fig.3 Procedure of image processing.

(a) Still picture

(b) Picture extracted under certain threshold of RGB values

(c) Picture reconstructed by the non-zero pixels modification

(d) Masked picture made from Fig.3 (c)

(e) Picture extracted by mask processing
領域として抽出されてしまう。また、熱流の通過する部分であっても金網上に付着した煤が剥離することにより、対象領域から離れた場所が一時的に光を反射する事例が存在すること等、領域抽出に支障となる部位が発生する。これらの部位は、以下に述べるマスク処理によりノイズの除去を行った。

① 閾値処理を行った各実験毎の画像全体のうち、同じ位置の画素の濃度値が0でないものを積算し、新たな画像を作成した（Fig.3(c)）。

② 画素を積算して作られた画像から、対象領域以外の領域を削除し各実験条件毎のマスク画像を作成した（Fig.3(d)）。なお、バルコニー下の熱電対等と接している領域については、目測により手作業で削除した。

③ ②で作成したマスク画像のある位置の画素のRGBの濃度値がすべて0の場合に、3.3.1で抽出した画像の対応する画素のRGBの濃度値をそれぞれ0とした（Fig.3(e)）。

### 3.4 画像処理結果の補正方法

画像処理結果の妥当性を検証するため、前報と同様に2種類のパラメータx,yをFig.4のように定義する。ここで点Dはバルコニー底面先端の点であり、点Eは対象領域上端の点である。

x：対象領域の水平方向噴出長さ（点Dから点Eまでの水平方向の距離）

y：対象領域の鉛直方向噴出長さ（点Dから点E

Fig.4 Flame configuration parameters.

までの鉛直方向の距離)

これらについて、次に示す手順に従って関連するパラメータを計算し、比較・検討した。

① 全7200枚の抽出結果の画像に対して、画像を上から走査し、E点の座標を求めた。

② 比較対象である既存手法による領域高さを計算するため、3.2までの処理で作製した全7200枚の静止画を用いて、目視により対象領域の先端位置をマウスでポイントし座標を求めた。

③ ①、②により算出した合計14400組の対象領域先端位置座標について、撮影の際に発生した画像の傾きを補正するために座標補正を行った。Fig.5に示すように4点D,E,F,Gを定め、それぞれの座標を以下のように定義する。

$$ \mathrm{D}(\mathbf{x}_{1},\mathbf{y}_{1}),\mathrm{E}(\mathbf{x}_{1},\mathbf{y}_{1}),\mathrm{F}(\mathbf{x}_{3},\mathbf{y}_{3}),\mathrm{G}(\mathbf{x}_{4},\mathbf{y}_{4}) $$

F,Gの2点は、実験中には画像の傾きが変わらないものと仮定し、各実験条件ごとに静止画像からバルコニー端部やバルコニー支持具など水平になっている部分より採取し利用した。また、点Dは画像上ではバルコニーの影となり確認が出来ないため、金網や上下のバルコニーの位置から補間して求めた。

これらの4点と以下に示す(1)-(2)式を用いてx,yを求めた。

Fig.5 Schema of correction.
$$ \mathbf{x}=\mathbf{L}\cos\alpha $$

$$ \mathbf{y}=\mathbf{L}\sin\alpha $$

但し、

$$ \mathrm{L}=\sqrt{(\mathbf{x}_{1}-\mathbf{x}_{2})^{2}+(\mathbf{y}_{1}-\mathbf{y}_{2})^{2}} $$

$$ \alpha=\psi-\theta $$

であり、ここで画像の傾きを含んだ対象領域噴出角度Ψ(rad)と傾き補正角度θ(rad)は、それぞれ(5),(6)式のように表される。

$$ \Psi=\tan^{-1}((\mathbf{y}_{2}\mathbf{y}_{1})/(\mathbf{x}_{2}\mathbf{x}_{1})) $$

$$ \theta=\tan^{-1}((\mathbf{y}_{4}-\mathbf{y}_{3})/(\mathbf{x}_{4}-\mathbf{x}_{3})) $$

### 3.5 火炎相当領域の出現確率の算出方法

工学上、常に火炎が存在する領域を連続火炎域と呼び、一時的に火炎の存在する領域を間欠火炎域と呼ぶ。上階壁面が火炎から受ける放射量を計算する際、連続火炎域と間欠火炎域を区別して計算を行うことがある。ここでは、この区別を行うための前段階として、3.3.2までの処理を行った同一実験条件の抽出画像全体中、同じ位置の画素のRGB各色の濃度値が0でないものの割合を計上することにより、その画素の位置における火炎相当領域の出現確率を求めた。

Q	0.25MW	0.29MW	0.33MW
x	Result of image processing by PC (a)	x(mm)	x(mm)	x(mm)
0	0	0
Result obtained by observation (b)	x(mm)	x(mm)	x(mm)
0	0	0
Difference of average values between image processing and observation $ \Delta x = (b) - (a) $	$ \Delta x(mm) $	$ \Delta x(mm) $	$ \Delta x(mm) $
y	Result of image processing by PC (a)	y(mm)	y(mm)	y(mm)
0	0	0
Result obtained by observation (b)	y(mm)	y(mm)	y(mm)
0	0	0
Difference of average values between image processing and observation $ \Delta y = (b) - (a) $	$ \Delta y(mm) $	$ \Delta y(mm) $	$ \Delta y(mm) $

Fig.6 Effects of balcony depth on flame configuration.

$ \Delta x $ : Difference of average value of x between observation and image processing.

$ \Delta y $ : Difference of average value of y between observation and image processing.
### 4. 結果および考察

バルコニー深さdと画像処理から求めた対象領域先端座標および従来の目視による方法から求めた対象領域先端座標を補正して算出したx,yの関係と、バルコニー深さdと目視結果の平均値から画像処理結果の平均値を差し引いた結果の関係をFig.6に示す。ここで、 $ \Delta x,\Delta y $ は、それぞれx,yについて目視結果の平均値から画像処理の平均値を差し引いた値である。なお、バルコニーより上に対象領域が出現しない画像が含まれる実験条件(Q=0.17MWの場合およびQ=0.25MW, d=500mmの場合)は結果から除いた。

画像処理から求めた対象領域先端座標を補正して算出した結果（以下、画像処理結果と呼ぶ）と従来の目視による方法から求めた対象領域先端座標を補正して算出した結果（以下、目視結果と呼ぶ）の双方とも、発熱速度に関わらず、dが大きくなるにつれてyの平均値が小さくなる傾向を示した。また、発熱速度を一定にした場合、xの平均値はバルコニー深さdを変化させてもほとんど変化しなかった。

全体として、実験場天井部換気口からの自然光など環境条件が実験期間中大きく変わらなかったこと、同一燃料（プロパン）のため、解析する光の周波数の範囲が類似していたこと等が原因と思われる。

また、発熱速度に関わらず、dを大きくするとΔx,Δyともに大きくなる傾向が認められた。この理由としては、バルコニー深さdを大きくしていくと煙の発生量が多くなることが実験で観察されており、煙によって対象領域からの光が遮られることによってビデオカメラで撮影される対象領域の光量が減ることが考えられ、画像処理では一定の閾値の範囲外の画像を除去していることから実際の領域よりも小さい領域を抽出していることが推測される。

更にQ=0.29MW, d=200mmの条件下で他の実験条件と異なり、yの画像処理結果の平均値が目視結果の平均値を大きく上回ったことがわかる。これは3.1で作製した動画像を確認したところ、取り出した30秒間のうち約8秒経過した時点から上部開口部からの自然光が強くなっており、約8秒経過後の抽出画像には目視によって対象領域の先端を求めた際には対象領域に含まれないと判断した領域が抽出されていた。これらのことから設定した閾値が不適切となったものと考えられる。

これらの結果より、同一光条件であって、なおかつ煙の少ない条件であれば目視によって数枚の画像から適正な閾値を設定することにより、画像処理によって火炎を含めて赤く発光している領域は正しく抽出できることがわかる。

Fig.7に発熱量Q=0.33MWの実験において、バルコニー深さdを変化させた場合の対象領域の出現確率の分布を示す。図中の●、◆、▲はそれぞれ画像処理結果の平均値の座標、目視結果の平均値の座標、D点の座標である。また、図中の塗りつぶした領域は対象領域の出現確率が1の領域である。その画素における出現確率をPとすると画像処理結果の平均値の座標は、バルコニー深さdの大きさに関わらずP≥0.2の領域のほぼ先端にあることがわかる。また、目視結果の平均値の座標はdが大きくなるに従って出現確率の低い側へ推移していることがわかる。

### 5. まとめと今後の課題

1/3模型における火災実験をデジタルビデオカメラで撮影し、そのビデオ映像を利用して対象領域の抽出を行い、抽出結果について、従来用いられている目視による方法から得られる結果との比較検討を行い、以下の結果を得た。

・煙の少ない条件下で適正な抽出条件を設定した場合に、画像処理によって得られた対象領域先端の平均位置は目視によって得られた対象領域先端の平均位置と良く一致する。

・自然光のように時間および天候により光環境が変化する場合、抽出条件を変更する必要がある。

また、抽出した画像を利用して対象領域の出現確率分布を示し、対象領域先端の平均位置と比較
(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Fig.7 Probability distributions of flame appearing area. (a) d=0mm (b) d=100mm (c) d=200mm (d) d=300mm (e) d=400mm (f) d=500mm

検討を行った。その結果、画像処理により得られた平均位置は出現確率0.2以上の領域の先端近くになることがわかった。

今後の課題としては、下記の項目があり、引き続き検討を行う予定である。

・環境条件に応じた抽出条件の設定手法の検討

・温度計測から求めた熱気流長さとの比較・検討

・熱画像との比較・検討

## 参考文献

1）鈴木健、栗岡均、佐藤博臣、関沢愛、箭内英治、山田常圭：“中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究（その2）”，日本火災学会研究発表会概要集，pp.314-317（1999）

2）佐藤博臣、鈴木健、栗岡均、関沢愛、箭内英治、山田常圭：“中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究（その3）”，日本火災学
会研究発表会概要集，pp.318-321（1999）

3）関沢愛、山田常圭、箭内英治、鈴木健、栗岡均、佐藤博臣：“中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究（その4）”，日本火災学会研究発表会概要集，pp.322-325（1999）

4）関沢愛、佐藤博臣、鈴木健、山田常圭、箭内英治、栗岡均：“中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究（その1）”，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.209-210（1999）

5）鈴木健、佐藤博臣、関沢愛、山田常圭、箭内英治、栗岡均：“中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究（その2）”，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.211-212（1999）

6）鈴木健、関沢愛、佐藤博臣、山田常圭、箭内英治、栗岡均、木村安良：“中高層集合住宅の噴出火炎性状に関する実験的研究（第1報）”，消防研究所報告，No.88，pp.51-63(1999)

## 7 ）東京消防庁：火災の実態

8）長尾真：“ディジタル画像処理”，近代科学社(1978)

9）藤田修、井原禎之、立田節雄、伊藤献一：“火炎色による可視発光スペクトルの予測（プロパン層流予混合火炎の場合）”，第28回燃焼シンポジウム梗概集，pp.395-397（1990）

10）立田節雄、井原禎之、藤田修、伊藤献一：“火炎色による炭化水素予混合火炎の当量比計測”，第28回燃焼シンポジウム梗概集，pp.398-400（1990）

11) Nobuhide Takahashi, Masataro Suzuki, Ritsu Dobashi, Toshisuke Hirano: “Behavior of luminous zones appearing on plumes of large-scale pool fires of kerosene”, Fire Safety Journal, No33(1) pp.1-10, (1999)
# Flame Configuration derived from Video Camera Picture -An Experimental Study of Ejected Flames of a High-Rise Building Part II-

(Abstract)

Ken-ichi Takanashi, Takeshi Suzuki, Tokiyoshi Yamada, Eiji Yanai, Ai Sekizawa, Hitoshi Kurioka $ ^{*} $ and Hiroomi Satoh $ ^{*} $

(Received January 29, 2001)

Since quantitative prediction of the heat flux into wall surface by ejecting flame is important for assessing upward fire spread in a high-rise building, configuration of flame, such as height, thickness etc. shall be well understood.

We have conducted a series of fire experiments by using reduced scale models to measure size of ejected flames from a fire room as well as temperature and radiation near the external wall.

In this paper, a method to extract flame area from the motion pictures obtained by digital video recorder is proposed, and the effects of balcony depth on flame shape is examined.

Also, discrepancy between this image processing method and primitive manual method is examined. Consequently, the both methods give nearly the same configurations as follows:

· The vertical position of flame tip decreases as the depth of balcony increases.

• The horizontal position of flame tip does not depend on the depth of balcony.

We have examined the probability distribution of flame appearing area obtained by image processing. Consequently, the average coordinates of flame tip have given good agreement with the tip of area which probability is 0.2.
# 火災室上階壁面への熱流束 一中高層住宅の噴出火災性状に関する実験的研究（第3報）

山田 常圭，高梨 健一，箭内 英冶，鈴木 健，関沢 愛，佐藤 博臣 $ ^{*} $ ，栗岡 均 $ ^{*} $

(平成13年2月6日受理)

多層連続バルコニーを有する中高層集合住宅等での外壁開口部からの上階延焼危険、バルコニーの延焼阻止効果を把握するため、一連の模型実験を行ってきた。本報では実物の約1/3縮尺模型実験で得られた火災階壁面への熱流束データ及びビデオ映像をもとに、壁面への流入熱流束に及ぼすバルコニーの影響、火炎からの放射熱について考察した。その結果、火災階の上階壁面への熱流束はバルコニーが深くなると共に指数関数的に減ずることが明らかとなった。また映像情報から得られた火炎形状より、火炎放射のモデル化を行い、火災階直上階での壁面への熱流束測定結果から火炎面の放射強度を推定した。その他、噴出火炎から上階への放射熱を予測する既往の予測計算法を本実験結果に適用して妥当性の検証を行い、改良の必要性があることを確認した。

### 1. はじめに

筆者らは中高層集合住宅等での外部開口部を介しての上階への延焼危険およびバルコニーの上階延焼防止効果を定量的に把握するため、実大の約1/7と1/3縮尺模型を用いた実験を行ってきた。実験結果のうち、開口部から噴出する熱気流性状、火炎の形状については、既に前報 $ ^{1,2)} $ で報告した。火炎の上階延焼では、火炎から窓等外壁開口部から屋内へ入る放射熱および高温の熱気流からの放射・対流による熱移動が重要な役割を果たす。このうち、特に重要と考えられる外部噴出火炎からの放射熱による延焼危険の予測手法は簡易な予測式 $ ^{3)} $ が提案され実用に供されている。しかしながら、その妥当性は殆ど検証されていなく、またバルコニーがある場合の火炎の形状、放射率や放射強度についての系統的な研究報告は少ない。それ故、本報では放射熱の解析上必要となる炎の形状データが画像より得られている1/3縮尺模型を用いた実験における火炎階の上階壁面への熱流束データ及び温度測定データをもとに、1)上階壁面に入る熱流束へのバルコニーの深さの影響、および2)既存の延焼危険予測手法の妥当性について考察を行ったので得られた知見を報告する。

### 2. 実験の概要

実験は、Fig.1に示すような集合住宅の一部分を想定した実大の約1/3縮尺の模型を用いて実施した。本模型は、高さ方向は5階層分、水平方向では1住戸半分に相当する。各階層毎に模型の幅全
面にわたるバルコニーが設置できる構造となっており、バルコニー深さは無設置の条件を含め、10cm（実大で0.3mに相当、以下併記された（）内は、実大での相当長さを示す）から50cm（1.5m）まで、10cm（0.3m）刻みで計6水準の実験を実施した。

模型実験では住戸の一居室、下から2層目の階（N階）で火災が発生し破損した開口部から炎が外部に噴出した場合を想定している。火災室ではガスバーナー（31.5cm×31.5cm）を2段6列の計12基設置し、プロパンガス燃料をマスフローコントローラで毎分約300リットル迄安定して供給可能な構造となっている。火災室前面には高さ60cm（1.8m）の開口部を設け、開口幅を30cm（0.9m）〜120cm（3.6m）まで、30cm（0.9m）刻みで変化させた条件で実験を行った。なお本報では、一連の実験の内、火災の噴出が顕著でその形状データが整理されている開口幅90cm（2.7m）の場合につ

Fig.1 Outline of 1/3 scale model for studying upward fire spread by ejected flame

いて解析を行っている。

開口部近傍には、10cmメッシュで熱電対を設置し噴出する熱気流の温度を計測した他、バルコニー下部および火災室内の温度分布も計測した。また火災階の上階壁面への熱流束を測定するため、Fig.1、Fig.2(a)に示すように直径2cmの熱流束計を火災階直上階（N+1階）~N+3階の火災室開口部の中心軸上、各階のほぼ中央壁面上に設置した。熱流束計として、火災にさらされるN+1階部には高熱流束対応型（フルスケール100kW/m²）のgardon型、炎の到達しないN+2階，N+3階部には低熱流束対応型（フルスケール20kW/m²）のBolter-schmit型を設置し、これらの熱流束計は実験中水冷し一定温度に保持した。

実験では、バルコニー深さおよび開口条件を設定した後、投入発熱量を0.17MW,0.25MW,0.29MW及び0.33MWの4水準で、各々10分毎にステップ状に上昇させていき、温度・熱流束データは5秒間隔でPCに収集した。実験中、温度・熱流束とも時間と共に徐々に上昇していくが、時間変化が毎分3％以内で準定常状態と考えられる、点火後および発熱量を変更した時点より6分～9分後の3分間の測定値を対象にデータ解析を行った。

### 3. 熱流束の実測結果と考察

### 3.1 上階における壁面温度分布と噴出炎形状

Fig.2(a)は、熱画像カメラで撮影した正面からの実験模型前面の熱画像例である。本熱画像カメラは、3μm～5.3μmの赤外域に感度を有する電子冷却型赤外検出器（HgCdTe）を内蔵しており、撮影時の温度範囲は0～800℃に設定している。図中の画像は、濃淡で温度を表しており、濃い部分ほど温度が高くなっていることを示している。火災室外壁部分は、火災室からの壁体からの熱伝導により全体的に表面温度が高くなっており、また、上階では火災室から噴出する熱気流及び火炎によって火災室の中心線上をピークとする三角形状の等温度分布領域が形成される。特に開口直上部ではFig.2(b)で見られるような斜め上方に伸びる噴出火炎からの放射によって画像温度は高くなる。
(a) Installation of heat fluxmeter and an example of thermoview image: charac teristic wave length = 3 to 5.3 $ \mu $ m, temperature range = 0 to 800 $ ^{\circ} $ C

(b) Peocessed ejected flame image from VCR picture and parameter of flame configuration

Fig.2 Measurement of heat flux to wall surface and flame shape

実験では側面から熱画像カメラ、デジタルカメラおよびビデオカメラで火炎の撮影を行っており、その形状は、ビデオ画像をもとに火災階直上階のバルコニー端部からの火炎先端位置（x,y）がデータとして整理された $ ^{2)} $ 。これらの噴出火炎の画像情報をもとに後述の三角形の火炎モデルを提案した。

### 3.2 上階壁面への熱流束とバルコニーの影響

1）上階壁面への入熱：Fig.3は異なった投入発熱量の場合の各種バルコニー条件下での鉛直方向の熱流束分布を示したものである。バルコニーがある場合、上階になるほど熱流束の低減率は大きく、バルコニーが深いほどその効果は大きくなる。しかしバルコニー深さが30cm（0.9m）以上の場合には、バルコニーの深さによる熱流束の低減効果には顕著な差はみられない。一方、バルコニーが無い場合にN+2階よりN+3階において熱流束が大きくなっている。この理由の一つとして、当該部分が本模型の最上階にあたり、その上部に壁体がないため熱気流が壁体背後へ周り込みを起こし、N+3階部分で熱気流の再付着があると目視観測より推察しているが、詳細は今後の検討課題である。その他、投入発熱量が0.17MWと小さく上階へ火炎が到達しない場合、火災直上階とさらにその上の階での入熱には大きな差がない結果となっている。これらの結果は開口幅が120cm（3.6m）の場合もほぼ同様である。

2）バルコニーによる熱流束低減効果：Fig.4は、バルコニー深さが熱流束に及ぼす影響を示したものである。いずれの場合もバルコニーが深くなると熱流束実測値は指数関数的に減少する。特に4階部での減衰効果は$\exp\left(-7.1x\sim-7.2x\right)$（xはバルコニー深さ（m））と大きく、発熱量によらずほぼ同じになる。また、N+1階、N+2階では、発熱量が大きい0.33MWのN+1階（(Fig.4(b)）を除き、ほぼ同じ割合（$\exp\left(-2.8x\sim-3.2x\right)$）で減衰する。これらの場合、目視観測では火炎のバルコニー上への立ち上がりが少なく、上階壁面への熱移動は、熱気流からの対流及びその放射によると考えられる。その減衰の割合は、階毎同じになる傾向がみられ、そのうちN+3階においてバルコニー深さによる減衰が大きい結果となっている。
(a) Supply heat source $ Q_{f} = 0.17MW $

(b) Supply heat source $ Q_{f} = 0.33 MkW $

Fig.3 Vertical profile of heat flux to wall surface under different depth of balcony

(a) Supply heat source $ Q_{f} = 0.17MW $

(b) Supply heat source $ Q_{f} = 0.33MW $

Fig.4 Mitification effect of balcony width on heat flux to wall surface
Fig.5 Model of sheet flame and its configuration factor to element on wall surface

これはバルコニーによる表面のラフネスによって熱気流の乱流境界が発達し、上階に行くにしたがって周囲空気の巻き込みが促進され熱気流温度が下がることによると推察される。

一方、発熱量が大きい0.33MWの場合のN+1階では、発熱量の小さい場合に比べ、バルコニー深さによる壁面への熱流束の減衰は大きくなっている。この条件下ではN+1階に火炎が達しており、火炎からの放射が壁面への熱移動の支配的要因であると考えられる。また他の階に比べ火炎階と直上階の2層のバルコニー間に濃い煙層が滞留することが目視で観測されており、バルコニーが深くなると煙層による放射熱の吸収も多くなることがこの結果に現れていると推察している。バルコニーによる壁面への熱流束低減効果の詳しい分析は今後の課題であるが、本結果は系統的な実験をもとにバルコニー深さによる上階壁面への熱流束の減衰効果の工学的定式化が可能であることを示唆している点で重要である。

### 3.3 火炎の画像情報と実測値に基づく放射強度の推定

放射熱の計算では、火炎の厚みλ(m)（Fig.2(b)）から決まる放射率εfと火炎温度Tf(K)で決まる放射強度（Ef=σTf⁴、ここでσはStefan Boltzman常数（5.67×10⁻¹¹(kW/K⁴m²)）が必要であるが、今回の模型実験でみられる噴出火炎のように火炎の
厚さが薄い場合、これらの値を工学上どのように与えるかは明らかではない。ここでは熱流束測定値と壁面近傍の温度及び前報 $ ^{2)} $ で得られた火炎の形状データをもとに、Fig.5に示すような火炎が直上階のバルコニーから斜め前方に三角形上に立ち上がっているシート状の火炎を仮定し、火炎面からの正味の放射度強度（ $ \varepsilon_{f}E_{f} $ ）を逆に推定した。その手順は以下のとおりである。

① 熱流束計測定値（q_{measure}）より、対流成分 $ ^{4)} $ を差し引き、放射成分（q_{rad}）を推定する。

$$ \mathrm{q_{rad}=q_{measure}-\alpha_{conv}(T_{s}-T_{w})} $$

$$ \alpha_{\mathrm{c o n v}}{=}0.197\times10^{-3}\left(\mathrm{T}_{\mathrm{s}}-\mathrm{T}_{\mathrm{w}}\right)^{1/4} $$

$$ \begin{aligned} ここで T_{s}: 熱流束計直近の実測気流温度 [K]\end{aligned} $$

$$ T_{w}: 壁面温度 [K]\ ( 雰囲気温度 で代表 ) $$

$$ \alpha_{conv}: 対流熱 伝達率 [kW/m^{2}K] $$

② 放射による熱流束を、Fig.5中に示すモデル

火炎の形態係数 $ F_{d1-2} $ で除す。

$$ \varepsilon_{\mathrm{f}}\mathrm{E}_{\mathrm{f}}=\mathrm{q}_{\mathrm{rad}}/\mathrm{~F}_{\mathrm{d}1-2} $$

なお、バルコニー上の三角形モデル火炎の底辺長さは、Fig5(b)に示すように開口幅を基準に、三角形の火炎を壁面に投影したバルコニー位置での横幅として設定した。また熱流束計の受熱面は火源からバルコニーの深さd(m)の離隔距離をおいた高さh(m)にある微小面として与えた。

以上の手順で得られた正味の放射強度を、バル

Fig.6 Relation between net radiant emissivity of sheet flame and balcony depth

コニー深さで整理した結果をFig.6に示す。一部のデータにばらつきがみられるが、投入発熱量が小さい0.27～0.29MWの場合には概ね30～40kW/m²の範囲にあり、バルコニーの深さには影響されない。これに対し投入発熱速度が大きい0.33MWの場合には、バルコニーが深くなると正味の放射強度が低下する結果となっている。これは、既に3.2で述べたように、火炎からの放射熱がバルコニー直下に形成された煤の多い煙層に吸収されていることによると推察される。

今回の実験結果では、一般的に用いられる火災時の火炎面の放射強度黒体で約100kW/m²（温度で880℃）と比べ、3割～4割と低い値となっている。これが縮尺模型実験における火炎が薄いことによる放射率の変化によるものか、火炎モデルの影響なのかは今回の実験の範囲では論じられない。実火災では炎の厚みが厚く、放射率は1に近くなるため炎の放射率についての実用上の支障はないと考えているが、模型実験の場合、放射率、放射強度が燃焼状況に大きく依存する可能性があるため、これらの影響については、詳細な温度分布解析をはじめ、異なったスケール等他の実験条件下での火炎形状および熱流束データをもとに今後検討を進めていく予定である。

### 3.4 既往の火炎からの放射熱予測手法に基づく予測結果と実測値の比較

建物火災で上階への延焼危険を予測する手法として、火災室からの噴出火炎長を火災室温度より求め、その炎から上階の壁面への放射熱を類推する以下の簡易手法 $ ^{3)} $ が一般的に用いられている。

① 火災室の平均温度と開口部の形状から、浮力換気によって対流で火災室から噴出する発熱量 $ Q_{f} $ (kW) を計算する。

$$ \begin{aligned}&Q_{f}=2/3\alpha W Z^{3/2}\\ &\quad\times(2g\rho_{f}(\rho_{0}-\rho_{f}))^{1/2}C_{p}(T_{f}-T_{o})\\ & ここで、\alpha: 開口係数 (=0.7)\\ \end{aligned} $$

$$ \mathrm{W,H}: 開口幅 (\mathrm{m}),\mathrm{ 開口高 }\mathfrak{s}(\mathrm{m}) $$

$$ \rho: 空氖密度 \ (=353/T)\ (kg/m^{3}) $$

$$ Cp: 空気の定压比熱 \ (=1kJ/kg\ K) $$

T：気体の絶対温度(K)
g : 重力加速度 $ (=9.8m/sec^{2}) $

Z：中性帯位置（噴出する熱気流の最下端位置に相当）から開口部上端までの高さ(m)で、以下の式で与えられる。

$$ Z=\mathrm{H}-(\mathrm{H}/(1+(\rho_{0}/\rho_{\mathrm{f}})^{1/3})) $$

[添元字] f火災室，o周囲雰囲気

次にこの発熱量と同等の発熱量の線火源を想定する。なお、火源幅の代表長さD(m)としてZ(m)を用いる。火源の設定位置は中性帯位置とする(Fig.7(a))

② 火炎の高さ $ L_{f}(m) $ を求め、Z(m)及びバルコニー深さd(m)、その他手摺り・スパンドレル等の放射が遮蔽される立ち上がり部分e(m)を差し引いた値を、長方形火炎面の高さ $ h_{f}(m) $ とする。火炎面の横幅は、火災室開口幅B(m)とする。(Fig.7(b))

$$ \mathrm{L_{f}}=\gamma\mathrm{Q_{f l}}^{\star\mathrm{n}}\mathrm{D} $$

$ \gamma=2.8 $ （連続火炎域）、4.5（間欠火炎域）

$$ \begin{aligned}n=&2/3,\ Q_{fl}^{*}=\ (Q_{f}/W)\ /\ (C_{p}\ \rho_{o}\ T_{o}\ g^{1/2}D^{3/2})\\&( 線火源としての無次元発熱量 )\end{aligned} $$

火災階上方階への放射熱による熱移動に寄与する火炎面の高さは次式で与えられる。

$$ \mathrm{hf=L_{f}-~(Z+d+e)} $$

③ 微小面に正対する長方形火炎面の形態係数 $ \left(\mathrm{F}_{\mathrm{d}1-2}\right) $ を算出し放射による入射熱 $ \left(\mathrm{q}_{\mathrm{rad}} \mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}\right) $ を計算する。(Fig.7(c))

$$ \begin{aligned}&q_{rad}=F_{d1-2}\varepsilon_{f}E_{f}\\& ただし \quad E_{f}=\sigma T_{f}^{4}\\& ここで \\&\varepsilon_{f}: 炎面 \sigma 放射率 ( 一般に黑体 1.0\tau 仮定 )\\&T_{f}: 炎 \sigma 絶対温度 \end{aligned} $$

（一般的に連続火炎域として $ E_{f}=100kW/m^{2} $ （炎温度 $ 880^{\circ}C $ （ $ T_{f}=1153K $ ）相当）を採用。）

なお、実際の設計においては安全側の予測として、間欠火炎領域からの放射を考慮し炎の平均温度を500℃（ $ T_{f}=773K $ ）（ $ E_{f}=20kW/m^{2} $ に相当）と設定する場合があるため、本報では双方の場合について計算した。

以上の手順を今回の火災実験に適用した結果をFig.8に示す。連続火炎域を火災面と仮定して計算

(a) Line heat source model derived from one layer zone assumption in fire room

(b) Simple model of effective flame length

(c) Calculation of heat flux to target element from rectangular flame sheet

Fig.7 Conventional prediction model for ejected flame radiation to wall surface
Fig.8 Comparison between prediction and measurement of heat flux to wall surface

した場合、実測値の熱流束が2kW/m²以下では予測計算では連続火炎が上階のバルコニー高さまで届かないため、対流成分を全く考慮していない既存の予測手法による予測値は危険側となる。

それ以上の範囲では、連続火炎域で評価した場合は実測値と近い値をとる。しかしながら、今回の実験では火炎の放射率が小さく実スケールにおいて測定値は高くなると考えられるため、連続火炎域での放射熱予測は危険側の想定になると考えられる。一方、間欠火炎域で予測した場合には、実測値に比べ約5倍も高い想定値となる。3.3で述べたように実験の火炎は、予測値で与えた半分以下の放射率と考えられるため、実験で得られた正味の放射強度を与えた場合、予測値と実測値の差は小さくなるが、それでもなお実測値より過大となっており、間欠火炎域を含めた火炎面のモデルは物理現象を合理的に再現していない。

以上より、既往の火炎からの放射による簡易モデルは、実験による上階への伝熱を再現するには不十分であると考えられる。今後、より適切な火炎のモデル化およびバルコニー間に滞留する高温の煙層の放射・吸収および対流伝熱を考慮した工学的な熱収支モデルについて実験を通じ検討をしていく予定である。

### 4. まとめ

火災階の上方階の壁面への熱流束を測定し、バルコニー深さによる低減効果を調べた。またビデオ映像情報をもとにした火災面の放射強度の推定および火災室温度をもとにした従来の火災階直上階への放射熱予測手法について測定結果との比較検討を行った。主な結果は以下の通りである。

1）火災階の上方階壁面への熱流束は、バルコニーによる深さと共に指数関数的に減ずる。

2）火災階直上階においてビデオ映像情報から得られた火炎の形状と、壁面への熱流束測定結果から火炎面の正味の放射強度を求め、30～40kW/m²の値を得た。また発熱量が大きくバルコニーが深い実験条件では、バルコニー間に濃い煙層が形成され火炎からの放射熱が減じる事象が観察された。

3）既存の上階延焼危険に用いられる放射熱流束予測では、連続火炎域を火炎面に想定すると、火炎が小さい場合、考慮されていない対流熱伝達が主要な熱移動要素となるため危険側の予測となる他、全体的に実測値より低めの予測値を与える傾向がある。一方、間欠火炎域を含む領域を火炎面に想定した場合、実測値の5倍ほど高い結果を与える。この予測は実験による炎の放射率を考慮した場合においても実測値に比べ高めの値を与え実現象を再現していないと考えられる。

今後、上階への熱流束予測のモデルについて、火炎及び熱気流からの輻射・対流の総合的な熱移動を考慮した改良が必要である。
## 参考文献

1）鈴木健、関沢愛、山田常圭、高梨健一、箭内英治、佐藤博臣、栗岡均：“中高層集合住宅の噴出火炎性状に関する実験的研究（第1報）”、消防研究所報告、第88号 pp.51-63 (1999)

2）高梨健一、鈴木健、山田常圭、箭内英治、関沢愛、栗岡均、佐藤博臣：“画像に基づく火炎相当領域の抽出（中高層建物の噴出火炎性状に関する実験的研究第2報）”、消防研究所報告 第91号、pp.48-58（2001）

3）臨海部防火委員会：「臨海部における大規模建築物群の総合的な防火安全に関する調査・検討報告書」，日本建築センター（1992）

4）渡辺要：「建築計画原論」、丸善出版p.58、(1975)

5) Siegel Howell: “Thermal Radiation Heat Transfer”, p.207-214, McGraw Hill (1972)
# Heat Flux to Surface Wall above Fire Floor Level -An Experimental Study of Ejected Flames of a High-rise Building PartⅢ

(Abstract)

Tokiyoshi Yamada, Ken-ichi Takanashi, Eiji Yanai, Takeshi Suzuki, Ai Sekizawa, Hiroomi Satoh $ ^{*} $ , and Hitoshi Kurioka $ ^{*} $

(Received February 6, 2001)

A series of experiments have been conducted by using reduced scale models for understanding fire spread mechanism from a fire room to upper floors and effectiveness of balcony to prevent fire spread in case of high-rise building fire. Based on the heat flux data measured and VCR pictures of the flame taken in the 1/3-scale model experiment, the effectiveness of the balcony on the heat flux into surface wall and radiant intensity of a simple flame model are examined. It is found that the heat flux decreases with depth of balcony exponentially, and the net radiant intensity of triangle flame sheet is in the range of 30 to 40kW/m². Moreover a conventional prediction method for estimating radiant heat flux from ejected flame to surface wall in upper floors is validated with experimental data. The conventional prediction with steady flame region assumed as emissive flame sheet tends to give less heat flux than experiments, while prediction with intermittent region assumption gives five times higher heat flux. Further development of flame radiation model will be needed for predicting fire spread by ejected flames in a case of building fire.