View Factor กับการวิเคราะห์อันตรายจากเพลิงไหม้
อันตรายจากการเกิดเพลิงไหม้ หลักๆแล้วเกิดจากการแผ่รังสีความร้อน (Radiation) ซึ่งเป็นการถ่ายเทพลังงานในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ความยาวคลื่นจากการแผ่รังสีความร้อนนี้จะอยู่ในช่วงอินฟราเรด (Infrared) วัตถุที่เป็นจุดกำเนิดรังสีความร้อนมักถูกสมมติเป็นวัตถุดำ (Black Body) ซึ่งถือเป็นวัตถุในอุดมคติ (วัตถุดำจะดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบทั้งหมด ทำให้การแผ่รังสีจากผิวของวัตถุดำมาจากพลังงานที่ปลดปล่อยจากตัวของมันเองเท่านั้น) เพื่อความสะดวกในการคำนวณ
อัตราการแผ่ความร้อนของ Black Body ต่อหน่วยพื้นที่ผิว (Heat Flux) จาก Stefan-Boltzmann Law สามารถคำนวณจากสมการ
ตัวอย่างการแผ่รังสีความร้อนที่เราเจอในชีวิตประจำวันคือพลังงานแสงอาทิตย์ ที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 K (ราวๆ 5,527 องศาเซลเซียส) ดังนั้น พลังงานที่ปลดปล่อยจากผิวดวงอาทิตย์จะมีค่า 64,200 kW/m2 แต่พลังงานจาก Solar Radiation ที่วัดได้เหนือชั้นบรรยากาศของโลกนั้นเฉลี่ยอยู่ที่ 1.3 kW/m2 เท่านั้น [1] และเมื่อผ่านชั้นบรรยากาศลงมาพลังงานจากรังสีดวงอาทิตย์จะเหลือเพียง 0.34 kW/m2 (รูปที่ 3)
ความแตกต่างของพลังงานต่อพื้นที่ที่ผิวดวงอาทิตย์และผิวโลกนี้ขึ้นกับ 3 ปัจจัยหลัก ได้แก่
1) ระยะห่างระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ ซึ่งพลังงานต่อหน่วยพื้นที่จะลดลงเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น
2) ตำแหน่งบนผิวโลก มุมที่รังสีจากดวงอาทิตย์ตั้งฉากกับผิวโลกจะให้ค่าพลังงานต่อหน่วยพื้นที่สูงสุดและจะเปลี่ยนแปลงตามองศาที่ผิวโลกทำมุมกับรังสีจากดวงอาทิตย์
3) ตัวกลางที่สามารถดูดซับพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ ในที่นี้คือชั้นโอโซนของโลกทำให้พลังงานจากการแผ่รังสีความร้อนของดวงอาทิตย์ลดลงจาก 1,300 W/m2 เป็น 341 W/m2 [2] โดยตำแหน่งบนผิวโลกที่เปลี่ยนไปทำให้ความหนาของชั้นบรรยากาศที่ดูดซับรังสีเปลี่ยนไปด้วย (รูป 3 ขวา) นอกจากนี้ในชั้นบรรยากาศที่เราอาศัยยังมีทั้ง ไอน้ำ และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆเช่นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ หรือ มีเทนเป็นต้น ที่ดูดซับพลังงานไว้บางส่วนอีกด้วย
หากพิจารณาปัจจัยที่ 1 และ 2 คือระยะห่างจากผิวโลกถึงผิวดวงอาทิตย์ และตำแหน่งบนโลก ปัจจัยทั้งสองนี้จะส่งผลต่อมุมมองบนผิวโลกที่มีต่อพลังงานจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ในการคำนวณการถ่ายเทพลังงานจากการแผ่รังสีความร้อน เราอาจรวมผลจากปัจจัยทั้งสองโดยใช้ตัวแปรใหม่ที่แทนค่าเรียกว่า View Factor – ค่านี้แสดงถึงสัดส่วนของพลังงานที่ตัวรับได้รับเทียบกับพลังงานที่แผ่จากผิววัตถุต้นกำเนิด ซึ่งขึ้นกับขนาดพื้นผิวของเปลวไฟที่มองเห็นได้จากพื้นผิวของตัวรับพลังงาน
หากวัตถุต้นกำเนิดที่มีการปลดปล่อยพลังงานและตัวรับพลังงานไม่ได้มีขนาดเล็กจนสมมติให้เป็นจุดได้ ค่า View Factor นี้จะขึ้นกับรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุต้นกำเนิดและตัวรับพลังงานอีกด้วย นอกเหนือจากระยะห่าง และตำแหน่งของตัวรับเมื่อเทียบกับวัตถุต้นกำเนิด
ตัวอย่างสำหรับการคำนวณค่า View Factor จากวัตถุ 1 ไปยังวัตถุ 2 ที่มีรูปทรงเป็น Planar Surface ทั้งคู่ สามารถคำนวณได้ตามสมการ [3] ในรูป 4
ในตอนที่ 2 เราจะพูดถึงค่า View Factor ที่มักใช้เพื่อการคำนวณสำหรับอันตรายจากการเกิดเพลิงไหม้ และเปรียบเทียบผลจาก View Factor ที่แตกต่างกัน และวิธีการคำนวณค่า View Factor ในซอฟแวร์สำหรับทำ Consequence Modelling
[1] https://earth.gsfc.nasa.gov/climate/research/solar-radiation
[2] https://www.nasa.gov/mission_pages/terra/news/decade-orbit.html
[3] http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/tc3/Radiation%20View%20factors.pdf
