第五章 電腦數值模擬結果
第三節 模擬結果分析
壹、釋熱率
各區劃空間火災係假設為 t2火災(T-Squared Fires)，在第 335 秒時達最 大釋熱率 5MW，火勢成長係數α為 4.44*10-5MW/Sec2(快速成長)，在沒有 自動滅火及排煙設備之啟動下，各區劃面積之釋熱率曲線如圖 2 及圖 3 所 示；另因防火鐵捲門關閉，導製密閉空間氧氣不足，區劃空間其釋熱率曲線 出現不穩定及釋熱率減少狀況，區劃空間愈小者愈明顯，從圖 5-2 及圖 5-3 得知，區劃面積 1,500 及 2,000 平方公尺，從第 1000 秒開始，其釋熱率顯著 減少，3,000、4,000 及 6,000 平方公尺並無明顯變化。
起火點1釋熱率曲線
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
HRR(kW)
圖 5-2 起火點 1 區劃空間釋熱率曲線
(資料來源：本研究自行整理)1500m2 2000m2
3000m2 4000m2
6000m2
起火點2釋熱率曲線
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
HRR(kW)
圖 5-3 起火點 1 區劃空間釋熱率曲線
(資料來源：本研究自行整理)貳、避難安全界定基準3
區劃空間火災人體危害極限時間不得超過人員避難至安全區域所需時 間，火場中影響人命安全之性能要件包括熱煙層高度、輻射熱、熱對流、毒 性氣體及能見度等。
在防火工程手冊 SFPE Handbook(1995)，Purser 摘錄出燃燒產生之毒性 氣體並提出火場人場危害評估方法，包括一氧化碳(CO)、氫化氰(HCN)、氧 氣(O2)、 二氧化碳(CO2)、熱流動、煙層溫度及煙層遮光程度等，紐西蘭設 計的設計指針(Design Guide)中火場危害指標即採用 SFPE Handbook 之內容，
規定如表5-2 所列。
英國 BSI 施行之設計法規(1994)採用燃燒產生之毒性氣體、煙遮光及熱 傳播對人體之極限值定為標準數值，如表 5-3 及表 5-4 所示:
3 George V. Hadjisophocleous and Noureddine Benichou, “Title Literature Review of Performance Based Fire Codes and Design Environment”, NRC, 1998.pp96~97.
1500m2 2000m2
3000m2 4000m2
6000m2
表 5-2 人體承受危害程度指標值分析表
危害類型 承受極限
熱對流 熱對流溫度≦65℃(不能超過 30min 以上曝露時間) 煙吸光率 在煙層下能見度不能低於 2 m
氧氣 CO ≤ 1400 ppm (小孩能承受之時間只有大人的一半) HCN ≤ 80 ppm
O2 ≥ 12%
CO2 ≤ 5%
(以上氣體濃度範圍一般僅能承受30min)
輻射熱 熱煙層輻射熱流 ≤ 2.5 kW/m2 (此範圍下，熱煙層溫 度約200°C; 高於此值，可承受時間將低於20秒)
(資料來源Buchanan, 1994)
表 5-3 燃燒產生毒性氣體人體危害極限值
5 min 曝露 30 min 曝露 化學產物 無法忍受 死亡 無法忍受 死亡
CO 6000 ppm 12000 ppm 1400 ppm 2500 ppm 低氧 < 13 % < 5 % < 12 % < 7 % CO2 > 7 % > 10 % > 6 % > 9 %
(資料來源：BSI,1994)
表 5-4 煙遮光率所能承受之極限值
場所 房間內最小能見度
小房間 2 m
其他房間 10 m
(資料來源：BSI,1994)
參、熱氣流溫度如表 5-2 所列，火場中熱氣流溫度不得超過 65℃(不可曝露超過 30 分 鐘)；經模擬計算各區劃空間走廊或通道中心剖面點熱氣流平均溫度如表 5-5 所及圖 5-4 所示；因起火點 1 位處區劃空間邊緣，導致熱氣流溫度分布不 均，其 15 及 30 分鐘之熱氣流分布狀況如圖 5-5 所示。
在一定之釋熱率大小下，區劃空間愈大者，因稀釋熱能之容量愈大，火 場中熱氣流溫度愈不易達到 65℃臨界點。保守分析，不考量曝露超過 30 分 鐘之時間，僅以熱氣流溫度不得超過 65℃為限，不論起火點為 1 或是起火點 2，在最大釋熱率為 5MW 條件下，區劃面積在 3,000 平方公尺以上者(同時天 花板高度達 3.5 公尺以上)，在 30 分鐘時間內，熱氣流平均溫度低於 65℃。
表 5-5 火場中熱氣流平均溫度
區劃 面積
起火點 1(℃) 起火點 2(℃) 時間
(Sec)
1500 2000 3000 4000 6000 1500 2000 3000 4000 6000 180 21.95 21.44 20.96 20.73 20.47 22.08 21.53 21.00 20.76 20.49 360 32.88 29.99 26.95 25.26 23.50 33.45 30.28 27.12 25.43 23.70 540 44.93 39.79 34.04 30.84 27.47 47.19 40.42 34.27 31.01 27.76 720 53.33 46.44 39.22 34.99 30.42 57.44 48.47 39.66 35.18 30.73 900 59.48 51.42 42.94 37.98 32.62 64.60 54.42 43.89 38.43 33.04 1080 64.07 55.28 45.76 40.25 34.32 70.07 58.80 47.22 41.01 34.91 1260 66.48 58.08 48.07 42.01 35.67 74.12 62.31 49.86 43.09 36.43 1440 67.19 59.89 49.88 43.46 36.76 75.10 65.40 52.00 44.80 37.69 1620 66.96 60.78 51.28 44.70 37.67 74.30 67.74 53.79 46.25 38.75 1800 66.30 60.86 52.39 45.78 38.74 72.77 68.43 55.35 47.52 39.67 65℃
(sec)
1140 ∞ ∞ ∞ ∞ 910 1420 ∞ ∞ ∞ (資料來源：本研究自行整理)
區劃空間平均熱氣流溫度
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
溫度(℃)
起火點 1：
——■——1500 ——◆——2000 ——▲——3000 ——●——4000 ——■——6000 起火點 2：
──■──1500 ──◆──2000 ──▲──3000 ──●──4000 ──■──6000
圖 5-4 各區劃空間平均熱氣流溫度曲線
(資料來源：本研究自行整理)1500：900s 1500：1800s 2000：900s 2000：1800s 3000：900s 3000：1800s 4000：900s 起
火 點 1
4000：1800s 1500：900s 1500：1800s
2000：900s 2000：1800s
3000：900s 3000：1800s
4000：900s 起
火 點 2
4000：1800s 說
明
圖中黑色等溫曲線係65℃臨界溫度曲線。
圖 5-5 火場中 30 分鐘末熱氣流平均溫度示意圖
(資料來源：本研究自行整理)
肆、熱煙下降時間
另一火場安全評估指標係考量火場中煙層下降之時間，依內政部建築研 究所『建築物防火避難安全性能驗證技術手冊』規定4，造成避難障礙之高度 係指煙層下降至樓地板面以上 1.8 公尺；經模擬計算各區劃空間走廊或通道 中心剖面點煙層下降平均高度如圖 5-6 及圖 5-7 所示，將各區劃空間，於不 同起火位置下，煙層下降之 1.8 公尺臨界點所需時間整理如表 5-6 所示；由 表 5-6 得知，在一定之釋熱率大小下，區劃空間愈大者，因可蓄煙容積愈 大，煙層下降 1.8 公尺臨界點之時間愈長。
起火點1：平均煙層高度曲線
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
煙層高度(m)
圖 5-6 起火點 1 熱煙下降平均高度曲線
(資料來源：本研究自行整理)
4 內政部建研究所，『建築物防火避難安全性能驗證技術手冊』，2004，p3.
1500m2 2000m2
4000m2 3000m2
6000m2
起火點2：平均煙層高度曲線
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
煙層高度(m)
圖 5-7 起火點 2 熱煙下降平均高度曲線 (資料來源：本研究自行整理)
表 5-6 熱煙平均下降達 1.8 公尺所需時間分析表
區劃面績(m2) 起火點1(Sec) 起火點2(Sec)
1500 367 363 2000 405 374 3000 551 474 4000 710 532 6000 1127 713 (資料來源：本研究自行整理)
伍、能見度
如表 5-4 所列火場能見度臨界值在小房間為約 2 公尺，在其他空間為 10 公尺；經模擬計算各區劃空間走廊或通道中心剖面點平均能見度達 10 公尺所 需時間分別如表 5-7 及圖 5-8：由表 5-7 得知，在一定之釋熱率大小下，區 劃空間愈大者，因可蓄煙容積愈大，能見度達 10 公尺臨界點之時間愈長。另 位置 2 之起火點比起火點 1 能見度達 10 公尺臨界點之時間快。
1500m2 2000m2
3000m2 4000m2
6000m2
表 5-7 各區劃空間能見度
區劃面積
起火點 1(m2) 起火點 2(m2) 時間
(Sec)
1500 2000 3000 4000 6000 1500 2000 3000 4000 6000 180 27.09 27.64 28.18 28.52 28.84 26.42 27.13 27.90 28.27 28.73 360 20.63 22.23 23.88 24.89 26.10 18.71 20.49 22.86 23.95 25.30 540 15.07 16.89 19.43 21.04 23.00 13.32 14.71 17.11 18.95 21.43 720 11.81 13.25 15.72 17.83 20.21 10.48 11.49 13.30 14.87 17.53 900 9.82 10.95 13.02 15.10 17.93 8.76 9.54 10.92 12.20 14.50 1080 - 9.40 11.09 13.00 16.11 - - 9.31 10.38 12.32 1260 - - 9.69 11.38 14.49 - - - 9.06 10.71 1440 - - - 10.12 13.07 - - - - 9.50 1620 - - - 9.29 11.91 - - - - - 1800 - - - - 10.55 - - - - - 10m(sec) 890 1000 1220 1470 +1800 760 860 1000 1120 1394
(資料來源：本研究自行整理)
各區劃空間平均能見度
0 10 20 30
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
時間(Sec)
能見度(m)
起火點 1：
——■——1500 ——◆——2000 ——▲——3000 ——●——4000 ——■——6000 起火點 2：
──■──1500 ──◆──2000 ──▲──3000 ──●──4000 ──■──6000
圖 5-8 各區劃空間能見度示意圖
(資料來源：本研究自行整理)陸、CO 及 CO2 分析
如表 5-2 所列，火場其他危害指標包括一氧化碳及二氧化碳等，其碳臨 界值分別不得大於 1400ppm 及 5％，惟經模擬分析，達危害臨界值所需時間 遠久於熱氣流溫度達 65℃、煙層下降達 1.8 公尺及能見度低於 10 公尺所需 時間，於此不再贅述。
柒、危害指標臨界時間分析
綜觀以上，將熱氣流平均溫度、煙層下降及能見度等危害指標達臨界點 時間彙整如表5-8 所示；經比較說明如下：
一. 無論起火點位置為何，區劃空間面積愈大者，其熱容量亦大，各危害 指標達臨界點時間愈久。
二. 對於相同之區劃空間面積，起火點於區劃中心附近者(起火點 2)，其 達危害臨界點時間較起火點位於區劃邊緣者(起火點 1)快速。
三. 在最大釋熱率為 5MW，天花板高度 3.5 公尺條件下，區劃空間面積 在3,000 平方公尺以上者，其 30 分鐘末氣流平均溫度不超過 65℃。
四. 在比較氣流平均溫度、煙層下降及能見度等危害指標達臨界點時間後 發現，以煙層下降至 1.8m 臨界點所需時間最短，具人員避難安全設 計決定性角色，各不同區劃空間面積皆然。
表 5-8 各危害指標臨界時間分析
臨界時間(Sec) 區劃面積
(m2) 氣流平均溫 度達65℃
煙層下降至 1.8m
能見度底於 10 公尺 1500-(起火點 1) 1140 367 890 1500-(起火點 2) 910 363* 760 2000-(起火點 1) ∞ 405 1000 2000-(起火點 2) 1420 374* 860 3000-(起火點 1) ∞ 551 1220 3000-(起火點 2) ∞ 474* 1000 4000-(起火點 1) ∞ 710 1470 4000-(起火點 2) ∞ 532* 1120 6000-(起火點 1) ∞ 1127 +1800 6000-(起火點 2) ∞ 713* 1394 (資料來源：本研究自行整理)