20160627-練乙錚:從消防學的「氣流通道論」看九龍灣火災

練乙錚:從消防學的「氣流通道論」看九龍灣火災
2016年6月27日


大事接踵而來。林榮基案還未銷,便有英國退盟震撼,而幾乎同時發生的,就是九龍灣迷你倉大火。後者燒了4天多,全港700萬市民眼巴巴看着兩位消防員在責任線上死亡(LODD──說「殉職」太隱晦)。事件已從專業範疇延伸到政治,不僅消防業界有人質疑火場指揮失誤,特區領導也受牽連,被指因為求心切而向有關部門不當施壓。情緒反應,可以理解,但更有意義的,是大眾因悲劇而對消防事務有多一點認識,因為除了有助思考目下發生的事件,以後還有利於自身、家人和鄰里的性命安全。


消防學:慘痛經驗的智慧累積

今天跟大家談消防。筆者10年前往英國修習遠洋帆航技術,MCA的海事專業資格試包含消防理論和實習單元,因此曾經到過Southampton的FireAid Academy受訓;在茫茫大海,「自己事故自己救」,因此不是鬧着玩的。實習在模擬火場裏進行,兩人一隊全副裝備以之前操練好的標準BA shuffle步法進入濃煙密布的斗室搜索「遇難者」,然後提着上了壓的消防喉摸黑從「危危乎」的樓梯通道進入火光熊熊的「第一現場」把烈火控制住,最後還要把已經「不省人事」的隊友「救」出火場。有此經歷,其後對消防事故和消防知識都特別留意。【註1】

消防ABC的第一個概念就是所謂的「燃燒三角」,講的是着火三要素,即燃料、熱度和氧氣(較新的提法是四角,多了「連鎖反應」這一環,但這裏從簡)。燃料中的可燃成分在適當的溫度之下急促而持續氧化,激發大量光和熱。下面就九龍灣迷你倉大火,分別指出談論三要素時應該特別留意的幾點。

燃燒不一定要有空氣,所需氧氣可以是從一些含氧物質釋出的,例如雙氧水。在狹小的九龍灣迷你倉裏,倉內小量空氣含的那20%氧氣本身不足以支持火勢持續,但如果存放了一些這種會於受熱時分解出氧氣的化學物品,起火之後也可以燒上幾天幾夜。

燃燒所需熱度一般稱作燃點,因不同物質而異,一般比所謂的「閃點」只高出10度左右(攝氏;下同)。例如,汽車內燃機潤滑油的燃點是250度左右。但是,火場裏的溫度通常在600至1000度之間;消防員的保護衣的燃點在200度以上,但是人的皮膚只能抵受48度(第一度燒傷的臨界點)。消防員在高溫之後出汗,更會加速外熱透過濕衣傳至皮膚。據一些受熱險死還生的消防員說,在火場裏,保護衣會突然失效,導致「像同一時間遭受1000個蜂螯」的感覺,幾乎馬上暈倒。

火災裏最危險的燃料是燒出來的黑煙。注意這裏說的是,黑煙的危險性,除了可令人窒息之外,還在於本身是一種可燃物。燃燒面對兩種制約,一是燃料制約,一是氧氣制約;在火災裏,絕大部分的燃燒都面對氧氣制約,所產生的缺氧/不完全燃燒,令原本的燃料裏的物質受熱裂解(pyrolysis),一部分氣化,一部分化成微粒,合而成為煙;煙愈濃密、顏色愈深,可燃物的含量便愈高、愈危險。據報道,九龍灣迷你倉大火中,第二位犧牲的消防員張耀升高級隊長進入火場之前,倉內及周邊通道已經濃煙密布。

消防員要懂得「讀煙」,即觀看火場冒出來的煙的顏色、速度、濃度、光澤,從而判斷火勢的現狀和變化。一般來說,滾滾而出的濃煙,已經飽含可燃物,本身已經成為氣化燃料,比原來的燃料更危險,因為可以在室內擴散,而且隨時着火甚至引發「回燃」爆炸(backdraft),只差一點氧氣。此時,濃煙湧處沒有火舌,會令人產生一種「比明火區較安全」的錯覺。大家可到youtube看一段消防局在八鄉拍的回燃短片,便知道厲害。【註2】

在狹小的多層建築物通道或樓梯裏,如果充滿濃煙的話,消防員要進入,有時需要借助「蓄意通風」(tacticalventilation),但這是高危之極的做法,下面大家會明白為什麼。


消防知識的重要發展:氣流通道論

氣流通道(flow path)指的是火場內的空氣、煙、火3者的主要流通路徑,現存的或潛在的。過去10年,西方消防界裏,由美國Underwriters'Lab(UL)牽頭發展出一套以氣流通道為中心的消防理論,既解釋了很多場嚴重火災過程裏的火勢變化和結局,又可指出如何對症下藥,道理卻很簡單,而且特別適合應用在多層結構。本欄作一介紹,或有助大家了解九龍灣迷你倉大火特別調查委員會將來提交的報告,說不定更有一天還可以賴以防身。

設想樓宇內一所房間起火。如果房間的門窗是全部關閉的,這個火很可能自行熄滅,因為空氣中的氧氣會用罄。如果房間有一個窗(或一扇門)是打開的,則火勢會延續,新鮮而比較低溫的空氣從窗口的底部進入,含煙的熱氣層在天花板下面累積愈來愈厚,終於從窗口的頂部向外溢出,兩者形成一個雙向對流【見圖 1】。如果有兩口窗都是打開的,而窗口高度一樣,則會產生兩個這樣的雙向對流【見圖2】。這種對流速度比較慢,流量比較低,因為彼此之間有頂撞,而且相反的兩個流要分用同一個進出口。但是,流速低、流量小的結果,燃燒受氧氣制約,致令房子裏積聚大量近千度高溫的濃煙──危險!(記得濃煙是燃料!)

此時,如果有人忽然開通了一個和原來的唯一通風口的高度不同的第二通風口(例如有人從外面打破氣窗、鑿開樓頂、或者打開了一扇比窗口要高的門),則先前的雙向對流馬上變成單向,新鮮而比較低溫的空氣,瞬間從比較低的開口進入,含煙的熱氣層在較高的開口湧出【見圖3】。這種單向的氣流速度高得多,時速可達15公里,進來之後首先經過原來的燃燒物,供給新的氧氣,使燃燒更旺盛;跟着,先前在房間內累積的近千度高溫濃煙此時順勢從較高口一湧而出,所過之處,便是穿着保護衣的消防員也可能在幾秒鐘之內不支,遑論其他人畜。高溫濃煙湧出之際,遇到新的氧氣,更可能發生回燃爆炸!(比上面提過的八鄉消防短片裏的爆炸更厲害,因為那只不過是一次流速低、流量小的單開口雙向對流引起的回燃而已。)

由此可見,如果忽然改變或增加火場的空氣進出口,就會影響場內的火勢,改變氣流通道、增加流量、提高流速,令原來累積的高溫氣體燃料擴散,帶來意想不到的嚴重後果。


新知識修正舊想法

這個「氣流通道論」指出了一些「傳統智慧」的危險一面;例如,以前認為在火場頂部打開通氣口是好的,有助冷空氣進入,降低場內溫度至燃點之下;殊不知,打開氣流通道的同時,改變場內氣流特性,引入更多的新氧氣,結果更危險。UL的研究顯示,便是在房子的屋頂打開一個4英尺乘8英尺的大洞,冷卻效應還是不敵單向氣流,傳統消防智慧裏的vent high,於是證明是一種謬誤。

UL做的多次火災善後調查還證明,最先失火房間周圍的其他房間(或其他同途的空間),如果是密封的,多半能夠幸存;如果是打開了門窗的,就凶多吉少,一如「氣流通道論」的邏輯所預估的。這順帶給出了一個重要提示:通常建築物裏(如樓層之間)的防火門要常閉,重要之處不是在於阻隔火舌或者濃煙侵襲,而是在於能夠防止處於不同高度的通氣口連成一氣,製造出十分危險的單向氣流。

還有的是,如果火場裏有了單向氣流通道,人員要進出火場,應該通過較低的開口,就算這個開口於火堆的距離較近,也應如此,因為這個通口之內的氣溫較低,也不是極高溫可燃氣流或濃煙最集中通過的路徑。

「氣流通道論」啟示了在火場開通新的氣口的危害性,但火災發生了,營救力量很多時還是必須破門窗而入的,有時更要作tacticalventilation(例如消息指九龍灣迷你倉大火過程中一度用過鼓風機,把新鮮空氣打進火場),兩者都會增加場內氧氣含量、改變氣流特性,增加危險。如何是好呢?辦法有多種:破窗而入之後,趕快裝上一種臨時屏風;破門而入之後順手關門;搜索過的空間盡量封閉之。【註3】


用鼓風機?

至於tactical ventilation,例如出動鼓風機,UL則這樣說:那是十分十分危險的做法,如果一定要用,必須和其他很有把握減少燃料的辦法同步進行(用水澆濕燃料等於減少燃料)。UL的研究顯示,鼓風機開動之後,如果消防員的水龍頭不能同步對火堆底部噴射,那就壞事,火勢會變本加厲,甚至會有特別強烈的爆炸發生,再補救也來不及。在較小的失火建築物或氣流通道較狹小的火場裏,這樣的「同步時差」不可以超過1分半鐘;在較大的建築物裏,也不能超過3分鐘。

在九龍灣火災裏,張耀升隊長的犧牲,是不是和動用鼓風機的策略有關呢?是不是在同步的問題上失敗導致的呢?按上述分析,有可能。但這不等於說一定如此,更不就此意味什麼人要負什麼責任,因為一個決策於事前(ex ante)正確,不等於目的一定可以圓滿達到,因為中間有太多的不可控因素導致失誤,尤其在電光火石秒秒必爭的火場裏。希望調查報告可以揭示足夠的資訊,讓真正的消防專家作扎實的判斷。


消防知識和觀念的更新

讀者有興趣知道更多關於「氣流通道論」的話,可到youtube觀看美國馬里蘭州防火處製作的3齣詳細介紹這套知識的片子,內容十分豐富、清晰,很專業卻卻很容易聽得懂。片子共長3個多小時,如果沒有那麼多時間的話,從第三齣55:50之後介紹的模型操作看起,便知梗概。【註4】

消防效率很大程度繫於策略、硬件和消防策略,但建築物的設計、構造、用料,室內可燃物如家具、燃料等的成分,幾十年來不斷改變,不斷迫使業內的觀念更新;科學研究也提示了不少改變的方向。上面介紹用以分析火災的「氣流通道論」,在香港的通俗消防知識裏還未看到。例如,香港紅十字會推介的「青年防火課程」裏,談及不行被困災場時,建議「盡量打開窗戶讓空氣流通」,但顯然,這個提議如果不加條件,是有一定危險的。【註5】

後記:兩位香港消防員許志傑和張耀升不幸殉職,筆者感到難過,特別寫這篇文章,聊表心意。多一些人關心消防事務,也許是紀念逝者的一個最好方式。


練乙錚

註1:筆者識少少、扮代表,所以本文談及的消防知識不一定完全準確,讀者有興趣鑽研,應看這方面的專書,例如國際消防訓練協會IFSTA出版的Essentials of Fire Fighting and Fire Department Operations(6th ed.)。上面提到的BA shuffle(帶呼吸裝備的曳步式)看起來笨拙可笑,見https://www.youtube.com/watch?v=1-byxtHI9J8。
註2:香港消防局拍的回燃(backdraft)
短片連結在:https://www.youtube.com/watch?v=GZywJTonLHQ。
註3:救火之時要盡量避免讓新鮮空氣進入燃燒範圍,不僅在陸上火災如是,在海上發生的亦然。例如,一般小帆船的設計,輔助輪機的機房都有封蓋,可以減少噪音,也可以防止轉動的皮帶傷及船員。輪機由於少不免會滲出微量燃油或潤滑油,開動的時候溫度又高,一旦着火,船員也不可以打開機房封蓋滅火,因為一打開,火便會變大好幾倍撲出,這在細小的船舶裏尤其危險。一般設計,是在封蓋上預留一個比掌心還小的洞,船員便可以把滅火筒的噴嘴對着小洞往裏面噴射滅火劑。燃料輕於水,所以內燃機起火不能用水灌救,而必須用特殊的化學泡沫。如果灌救無效,船員應該把小洞塞住,離開船艙,把船艙的所有對外通氣口堵死;裏面的火就由它燒一會,好運的話會自動熄滅,因為艙內的氧氣用完了。
註4:三套片子的連結在:https://www.youtube.com/watch?v=QVtlfUD7sqA,https://www.youtube.com/watch?v=rWZAlUHHJx8,https://www.youtube.com/watch?v=3L_U6TXvEKo#t=2913.893304。
註5:見紅十字會推介的「青年防火課程」第三課「火警發生時應變方法」的第36頁面;連結在:http://www.slideserve.com/mallory-gonzalez/6527986。

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