實驗設計

設定火源之大小為火災危險評估（fire hazard assessment）中最重要

的步驟，因為燃燒產生之熱量與濃煙等之實驗參數皆受其影響。通常火源 的大小有下列三種型式：

(1)Steady Fire：

一般自然狀態下火源為不穩定狀態，但將其理想化成穩定火源，較易描 述及做為研究之用。穩定火源其熱釋放率為一定值，一般應用上，通常採 用穩定火源做為簡便明確且保守設計之用。Morgan建議將商業、住宅區之 熱釋放率視為500kW/m²（44Btu/s-ft²），而辦公室建築之熱釋放率視為 225kW/m²（20Btu/s-ft²），在特殊大空間建築中依據可燃物多寡，將擁有 可燃物之熱釋放率視為500kW/m²（44Btu/s·ft²），而可燃物有限之熱釋放 率則視為225kW/m²（20Btu/s·ft²）［23］。由此可有一較簡便之方式可估 算火勢成長趨勢與大小。穩定火源設計之基準量如表2［24］

表 2 穩定火源設計基準表

空間中火源大小 Kw Btu/s

在大型空間中可燃物有限的最小火源 2,000 1,900 在大型空間中具有可燃物的最小火源 5,000 4,700

大型火源 25,000 24,500

(2)Unsteady Fire：

一般火源初期燃燒的熱釋放率非常低，當火源成長至某臨界點後，其熱 釋放率會與時間的平方成正比［25］，為了模擬火災初期至到達穩定期之 實際火災成長情形，可將此狀態以理想化的拋物線方程式描述為:

( ^{t t} ₀ ) ²

a

Q = −

(22)

其中

Q：火源的熱釋放率，kw(Btu/s) a：火源的成長係數，kW/s²（Btu/s²）

t：開始燃燒後的時間(s)

t

₀：著火時間(s) 因燃燒初期通常可忽略，故上式可簡化為：

at 2

Q =

(23)

其中

t:有效燃燒後的時間(s)

上式即為消防安全工程設計上通稱之" T-Squared Fires "。NFPA 92B（2000）

［26］中廣泛使用此時間-火勢成長的概念，成長時間t定義為有效燃燒釋 熱率達1055kW（1000Btu/s）之時間，表3列出常見火源模式及t之值。

表 3 T-squared 火源對照表

項目 成長係數 成長時間

T-Squared Fires curve

kW/s² Btu/s² t(s) 緩慢(Slow) 0.002931 0.002778 600 普通(Medium) 0.01127 0.01111 300 快速(Fast) 0.04689 0.04444 150 極快速(Ultra Fast) 0.1878 0.1778 75 (3)Measured Fire Growth Curve：

Measured Fire Growth Curve是利用Cone-Calorimeter或Bench-Scale

Test及Full-Scale Test等方法實際量測得到欲調查之可燃物的熱釋放率，

進而求出實際火災的熱釋放率。一般火源熱釋放率之決定係指火災發生時 灑水頭啟動並將火源熱釋放率侷限於一穩定狀態，使其閃燃現象不致發 生。目前各國標準對於各種可燃物之火災熱釋放率並無明確之定義，以美 國NFPA 130而言，其內文中並無可供參考之數值。故一般若採用此火源設 計需有先期之實驗研究得到欲研究釋熱率值，但此會增加實驗之成本及時 間，非經濟快速之方法，除非援用可用之前人研究數據。

(4)火源釋熱率之選定

本研究為符合條列式法規較保守之特性，且為得到較明確之結果並減少 其它因素影響，故選用steady fire火源設計。因本研究為代表一般性情境，

不考慮火載量大之場所或縱火外加助燃劑等特殊燃燒，故火源大小參考表2 設定為2MW之丙烷火源。

3.3.2 煙層高度判定

於代數方程式法或區域模式法中若欲求得煙層高度，可先將空間理想化 地區分為高溫煙層與低溫空氣層，並由兩層之間的煙層界面(Smoke Layer Interface)來定義煙層高度。但實際煙層沈積時，會在高溫煙層與低溫空 氣層之間存在一過渡區域（Transition Zone），而此過渡區域底部高度即 稱為初步煙層位置（First Indication of Smoke），如圖30。

圖 20 初步煙層位置示意圖

而由於模擬或實驗中並無法直接取得煙層的高度，須依據Cooper[27]所使 用的N-percent method所發現之煙層與溫度的關係，可依火場中的溫度變 化來推估煙層的沉降高度，其說明如下：

當火源點燃一段時間後，每一組熱電偶量得之最高溫度減去該熱電偶之環 境溫度

( ) [ (

_all

) ]

_amb

( )

_all

ref t T z t T z

T = −

Δ max , (24) 其中 Δ^T_ref

( )

^t :煙層下降至測點之溫度與環境溫度之差

T ( z

_all

, t )

:煙層至某測點之溫度(℃)

)

)

T_amb

(

z_all :當時所在環境溫度(℃)

設

^T

_amb

( ) ( ^z

_all

^{= t z}

_all

^{, t = 0}

(25) 如熱電偶於t=0時所測溫度可假設為當時之環境溫度，則

( ) = max [ ( , ) ] − ( , = 0 )

Δ T

_ref

t T z

_all

t T z

_all

t

(26)

在N-percentage rule中，在時間t下熱電偶有一溫度升高 N T

( )

t

Δ

ref

100

即^T

( )

^z_i ^t

⁻

^T_amb

( )

^z_i

^≥ _⎢⎣ ^⎡

^N

^Δ

^T_ref

( )

^t

_⎥⎦ ^⎤

, 100

(27) 則此時即可判定煙流已沉降至該熱電偶之高度，如圖31所示。

圖 21 N-百分比法原理示意圖

一般而言N值取愈小對於煙控設計愈保守安全。NFPA 92B指出判斷First Indication of Smoke的N值為10~20，而計算Heskestad煙捲吸率的N值則取 80~90。本研究為得出一較安全保守之結果，N值取10做為計算依據。

3.3.3 空間設計

依各類場所消防安全設備設置標準第 28 條規定那些場所應設置排煙設 備，由其第 1 項第 2 款規定「樓地板面積在一百平方公尺以上之居室，其 天花板下方八十公分範圍內之有效通風面積未達該居室樓地板面積百分之

二者」，得知應設排煙之最小面積為 100m²居室。又依該標準第 188 條第 1 款規定「每層樓地板面積每五百平方公尺內，以防煙壁區劃。但戲院、電 影院、歌廳、集會堂等場所觀眾席，及工廠等類似建築物，其天花板高度 在五公尺以上，且天花板及室內牆面以耐燃一級材料裝修者，不在此限」，

知樓高若超過 5m 且天花板及室內牆面以耐燃一級材料裝修者則免用防煙壁 區劃，故本實驗樓高選定為 4.5m，周邊牆面為水泥牆，面積為 20m×50m，

長邊正中設防煙壁將空間分為各 500m²。

3.3.4 模擬格點選定

格點配置為運用LES model準確預測建築物內火災產生濃煙之流動與熱傳 問題之一重要課題，其重點在於格點之解析度。模擬對象之格點尺寸必須 小於一定的尺度始能使subgrid-scale stress model精確計算出中流場的 黏滯應力［5］。而火災煙柱最小長度尺度為火災特徵直徑由(19)式得知為

又依3.2.1節FDS驗證研究中及國內學者柯建明文以一個20cm

×

20cm的油盤 燃燒研究格點的解析度結果中得知［24］，當格點尺寸=0.1 時LES模擬之 時間平均軸心速度與溫度才會與McCaffery之實驗回歸公式吻合［28］(如 下表)。因此利用LES model模擬火災時之煙沈積與流動現象的最大格點尺 寸為0.1 。

D*

D*

圖 22 不同格點之時間平均軸心速度（熱釋放率＝24kW）

圖 23 不同格點之時間平均軸心溫度（熱釋放率＝24kW）

故本研究之模擬格點尺寸為0.1 =0.1257(m)，採均一格點方式，模擬空間 共計400

×

160

×

36=2304000格點。

D*

3.3.5 排煙設備設計

依各類場所消防安全設備設置標準第188條第1項第8款「排煙機應隨任 一排煙口之開啟而動作。排煙機之排煙量在每分鐘一百二十立方公尺以 上；且在一防煙區劃時，在該防煙區劃面積每平方公尺每分鐘一立方公尺 以上；在二區以上之防煙區劃時，在最大防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 二立方公尺以上。但地下建築物之地下通道，其總排煙量應在每分鐘六百 立方公尺以上」。故本實驗模擬一防煙區劃面積定為500m²，則風機之排煙量 最小應為500m³/min。排煙口面積採用一般尺寸60cm×60cm。

在文檔中 防煙壁與排煙口位置對煙層高度影響之研究 (頁 62-70)