煙層

由 ISO 16735 說明，在封閉空間中，由火源產生有浮力的煙層是一複雜的熱 物理現象，可能是極度瞬變，或是接近穩態。煙層可包含牽涉有焰燃燒的區域以 及無燃燒發生的區域。除了浮力之外，煙層可能受到機械風機產生的動力所影 響。

煙是由燃燒產生，累積在封閉區間的上層，假設煙形成溫度與氣體濃度相當 均勻的一層，基於應用於煙層的質量、種類與能量守恆原理，可計算平均溫度、

煙濃度及界面位置。

資料來源：ISO 16735

圖 2-7 封閉區間中的火源煙層的熱量與質量守恆

Chen(2016)根據 IBC 、NFPA 101 及 NFPA 92，這些基準應用於分析模式模

擬結果確定煙層界面的（即，將煙層的高度保持在步行面上方至少 6 ft 處），如 表 2-4。

內政部建築研究所 2009 年出版之「大空間建築火災性能式煙控系統設計與 應用手冊」(2009)之性能判定基準乃依據 Australian Building Codes Board, Department of Building and Housing New Zealand, International Code Council and the National Research Council of Canada. 所 共 同 頒 布 之

「International Fire Engineering Guidelines」而來。手冊所提性能式煙控 系統設計，有關人員逃生避難空間之性能判定基準，如表 2-5。

熱流 質量流 羽流 控制體積

火源

通風氣流壁體熱吸收 通風氣流

通風氣流

表 2-4 性能設計評估基準

參數 基準說明 基準值

溫度 在步行面上方 1.83 m（6 ft）的高度溫度<60℃（140°F） 60℃

能見度 在步行面上方 1.83 m（6 ft）的高度處保持>10 m（33 ft）

的出口標誌的能見度

10 m CO 在步行面上方 1.83 m（6 ft）的高度處將 CO 濃度限制在

220 ppm，20 min，150 ppm，30 min。

220-150 ppm

資料來源：Virtual Compartment: An Alternative Approach To Means Of Egress Design In Airport Pedestrian Tunnel.

表 2-5 性能式煙控系統設計之模擬結果判定基準

項目 判定基準

(1)人員逃生避難空間之溫度 <60 ℃ (2)人員逃生避難空間之CO濃度 <1500 ppm (3)人員逃生避難空間之能見度 >10 m (4)人員逃生避難空間之輻射熱強度 <6.3 kW/m²

(5)人員逃生避難空間之煙層淨高 離地1.8 m

資料來源：「大空間建築火災性能式煙控系統設計與應用手冊」

本研究係以CNS 15937「煙控系統性能現場試驗法-熱煙試驗」為基礎，研 究可模擬火災發煙量歷程，提供造煙控制模式與煙量歷程測試法參考，CNS 15937 係規定在建築物內，於安全溫度內不造成建築物設施設備及室內裝修損壞條件下，

產生指定煙量之煙控系統熱煙試驗法，所需的試驗裝置、試驗程序和安全防護要 求，以及產生定量煙氣及確定熱煙試驗火源規模的方法。

此試驗法目的是作為建築煙控系統調適過程，以模擬火災情境係測試系統 之運作，作為管理機關認可之工具。不是做為每個已安裝之煙控系統執行熱煙試 驗之強制性要求。

試驗室以酒精(工業用)燃燒產生一個熱空氣羽流，然後填充示蹤煙氣。此 羽流觸動煙控制系統的性能監測，已與系統相比較供管理機關認可參考。

因在建築物內，於安全溫度內不造成建築物設施設備及室內裝修損壞條件 下所進行之試驗，故而性能設計評估基準之溫度、CO及熱輻射強度，在不造成建 築物設施設備及室內裝修損壞條件下將無法模擬實測，僅能以能見度與煙層進行 模擬試驗，但此二項基準應為Chen所述「在步行面上方1.8 m的高度處保持>10 m 的出口標誌的能見度」，以下將就煙層、能見度量測進行探討。

煙層部分依據ISO 16735計算：

標準之方程組適用於靜態環境中火源上方的煙層，若氣流受到與火無關現 象的顯著擾動，則方程組不適用。例如，暖通空調(HVAC)系統造成的氣流，或外 部風力之影響顯著時，宜計入考量。若主動滅火系統，例如撒水頭，與煙層有顯 著的交互作用，則方程組不適用。

火源必須足夠小，使平均火焰高度低於界面位置，特性羽流寛度小於封閉 區間的寛度 (受到用於獲得羽流特性的方程式附加的限制)。

計算煙層狀況的方法發展為適用於兩個限度的階段，其中一個限度階段為 火災初始階段之簡單的封閉區間煙霧注入過程 ( 通常為 t² 火源)，此時煙控設 備尚未動作。另一個限度階段為擬穩態通風狀況，當煙產生率與自煙層流出速率 相同時，中間的階段 (亦即煙霧仍在注入，但排煙系統正在動作)，不在此標準 附件的處理範圍。

顯式方程式適用於沒有排煙之封閉區間的暫態煙霧注入過程，及在自然或 機械式排煙之下的擬穩態狀態。

一、封閉區間煙霧注入程序

直到煙層界面向下移動至垂直開口的上沿之前，煙霧是累積在封閉區間的 上部，如圖 2-8 所示。由於熱膨漲的效應，多餘的空氣被排出封閉區間（只要 煙層底部高於開口的上沿，此假設均為有效，在煙層下降至開口的上沿以下，當 新鮮空氣流入封閉區間時，煙流出封閉區間之外）。

資料來源：ISO 16735

說明

1 因熱膨漲造成的過量空氣 2 樓地板面積 A

圖 2-8 質量守恆在封閉區間注入煙霧期間 下列為熱釋放率建立的方程式

Q t αt (2-22) 其中，

Q：火源的熱釋放率(kW) α：火災成長率(kW⋅s^-2) t：時間(s)

n = 0 表示穩定燃燒的火源，n = 2 表示隨時間平方增長的火源。

熱釋放率中以輻射釋出部分 χ，火源對流熱釋放率是由下列公式表示 Q_c 1 χ Q 1 χ αt (2-23)

在火源上方高度 z 的火羽流氣體的質量流率m 公式。

m 0.076 1 χ ^⁄ Q ^⁄ z ^⁄ (2-24) 此方程式只在上述的平均火焰高度有效，若得出的界面位置低於平均火焰

高度，則計算結果可能不準確的。

界面位置是依羽流質量氣流以均勻密度累積在上層的計算。

z t ^{. ⁄ ⁄} t _⁄ ^⁄ (2-25)

其中

ρ^s：煙密度(kg⋅m^-3)

A：封閉區間的樓地板面積(m²) H：封閉區間的高度(m)

要計算界面位置，必須先假設煙密度，在實際的應用中，ρ^s = 1.0 可讓大 空間封閉區間初期煙霧注入程序有守恆的結果。

煙層溫度是以火災熱釋放的熱量將體積 A(H-z) 的煙層加熱的方式計算。

封閉區間邊界的吸收熱量予以忽略。

T_s t ^{1 λ} T (2-26) 符號 λ 為封閉區間邊界的熱吸收部分，除非羽流、煙層及封閉區間之間 的熱輻射交換的計算是耦合的，建議假設 λ = 0，亦即熱量全部用於加熱煙層。

在實際的應用中，ρ^s = 1.0 可讓大空間封閉區間初期煙霧注入程序有可接受的 結果。

計算範例：

封閉區間中火源 Q = 0.05t² (α = 0.05 kW/s², n = 2, D = 1m) 如圖 2-8 所 示。

封閉區間樓地板面積 A 為 100 m²。

封閉區間高度 H 為 8 m。門口開口高度 H^u 為 2 m。

假設熱釋放的輻射部分 χ, 為 0.333。

封閉區間邊界的熱吸收予以忽略 (λ = 0)。

CO² 產率 η 為 7.61 × 10⁻⁵ kg/kJ。

計算在第 60 秒時，界面高度與溫度。

使用方程式 (2-24)，界面高度為

z ^0.076

ρ_s

1 χ ^{⁄ ⁄}

A t _⁄ ^⁄ = ^0.076

1.0

1 0.333^{1 3⁄} . ^⁄

100 60

1823⁻ 32=5.04

煙層溫度

T_s ^{1 λ} T _{. .} ^. _. ^. 20 32.2

要使用羽流方程式，火焰高度必須低於界面高度。在此特殊情況下，平均 火焰高度遠低於界面高度，即

L 1.02D 0.235Q ^⁄ 1.02 1.0 0.235 0.05 60 ^⁄ 0.86 此為依據 ISO 16734:2006 附錄 A 的計算。

以類似的方式，計算煙層高度與溫度，如圖 2-8 所示。為了方程組的有效 性，煙層底部必須高於平均火焰高度及門口開口的上沿。在此範例中，第 126 秒 時，平均火焰高度與煙層高度幾乎相同

z ^._. ^{. ⁄ . ⁄} 126 _⁄ ^⁄ 2.39

L 1.02D 0.235Q ^⁄ 1.02 1.0 0.235 0.05 126 ^⁄ 2.38 在第 142 秒時，煙層高度與門口開口的上沿高度幾乎重合。

z ^._. ^{. ⁄ . ⁄} 142 _⁄ ^⁄ 2.01 因此，使用此方程組限制於 126 秒之前的期間。

資料來源：本研究依 ISO 16735 所列方程式繪製

資料來源：ISO 16735

說明

1 流入空氣 2 排氣系統

圖 2-10 在機械排煙系統煙控期間質量守恆 界面位置是依質量排氣率等於羽流質量流率的計算。

z _{. ⁄} ^⁄ (2-29)

要計算界面位置，煙層密度(如溫度)必須已知，可由假設守恆或是組合下 列方程式計算。

ρ (2-30)

在多數工程計算中，煙層經常被認定為近似理想氣體。

煙層溫度的計算是基於流入煙層的熱流等於排氣與封閉區間表面吸收之熱 量損失總合。

T T (2-31)

有效熱傳導係數是依據封閉區間邊界構造材料所計算，熱傳導可由熱厚型 行為 (半無限體近似) 或熱薄型行為 (薄材質的穩態溫度曲線) 近似。

h

√ D 4

D 4

(2-32)

特性時間 t^c 通常定為 1000 s。

計算範例：

圖 2-10 中，火源位於封閉區間的中央。

封閉區間的樓地板面積 A 為 100 m² (10 m × 10 m)。

封閉區間高度 H 為 8 m。火源的熱釋放率 Q 為 300 kW。

火源的輻射部分 χ 為 0.333。

火源直徑 D 為 1.0 m。

機械排煙率 V^e 為 4 m³/s。

封閉區間邊界是由 100 mm 厚度的混凝土版所構成。

混凝土的熱性質假設為 k = 0.0015 kW/m⋅K，C^v = 2026 kJ/m^3⋅K.

參考溫度 T⁰ 為 20 °C (293 K)，其相應的參考密度 ρ⁰ 為 1.205 kg/m³。

界面位置與溫度的方程組為相關聯的，這些方程式是迭代求解。

1) 假設界面高度為封閉區間總高度的 50 % ，如下：

z 4.0

2) 由方程式 (2-24) 計算界面高度的羽流質量流率：

m_p 0.076 1 χ ^⁄ Q ^⁄ z ^⁄ 0.076 1 0.333 ^⁄ 300 ^⁄ 4 ^⁄ 4.48 3) 由方程式 (2-32) 計算有效的熱傳導係數：

封閉區間邊界假定為熱厚型行為，如下：

4 t 4 ^. 1000 0.108 0.1 因此，有效的熱傳導係數為

h ^{√ √ . .} 0.049

4) 由方程式 (2-31) 計算煙層溫度：

A 100 40 8 4 260

T T _{. . .} 20 37.4

5) 由方程式 (2-30) 計算煙層密度：

ρ _. 1.137

6) 由方程式 (2-27) 計算機械排煙系統的質量流率：

m ρ V 1.137 4.0=4.55

7) 由方程式(2-28) 修正界面高度，使得羽流質量流率等於質量排氣率：

z _{0.076 1 χ}^me _{⁄ ⁄} ^⁄ _{. .} ^. _{⁄ ⁄} ^⁄ 4.04

8) 重複步驟 2) 至 7) 直到羽流質量流率與質量排氣率一致。

在此特殊範例中，三次迭代便足以獲得結果，如下 z = 4.04 m， T^s = 37.4 °C， m m 4.55 kg/s

9) 要使用羽流方程式 (2-24)，平均火焰高度必須低於界面高度。在此特 殊範例中，此條件達成，由於

L 1.02D 0.235Q ^⁄ 1.02 1.0 0.235 300 ^⁄ 1.28 4.04 此為依據 ISO 16734:2006 附錄 A 的計算。

三、水平通風口的穩態煙控

如圖 2-11 所示，煙由自然通風排出。假設新鮮空氣可由封閉區間下部流 入。計算在熱量與質量平衡的擬穩態之煙層性質。質量流率平衡如下：

m m m (2-33) 在此方程組中，熱釋放率假設為常數。由方程式(2-24) 可得羽流質量流率。

依據 ISO 16737 計算通過通風口的質量流率。

資料來源：ISO 16735

說明

1 樓地板面積 A a A^vent

b A^open

圖 2-11 在水平通風口煙控期間的質量守恆

使用方程式(2-29) 計算界面位置，質量排氣率由方程式(2-34) 計算。

使用方程式(2-30) 計算煙層密度。

使用方程式(2-31) 計算煙層溫度。

使用方程式(2-32) 計算有效的熱傳導係數。

排煙的質量氣流率是由計算通過開口的氣流量之方程式計算。

m C A 2ρ ρ ρ g H z ∆p (2-34) 樓地板高度的壓差是由慣用的方程式應用在較低處開口計算通過開口的氣 流量。

∆p (2-35)

計算範例：

圖 2-11 中，火源位於封閉區間的中央。

封閉區間的樓地板面積 A 為 100 m² (10 m × 10 m)。封閉區間高度 H 為 8 m

水平通風口的面積 A^vent 為 2 m²。 較低處進氣口面積 A^open 為 4 m²。 火源的熱釋放率 Q 為 300 kW。

火源的輻射部分 χ 為 0.333。

火源直徑 D 為 1.0 m。

參考溫度 T⁰ 為 20 °C (293 K)。

封閉區間邊界是由混凝土所構成，特性與機械排煙系統所進行的穩態煙控

封閉區間邊界是由混凝土所構成，特性與機械排煙系統所進行的穩態煙控

在文檔中 建築火災煙控性能設計現地排煙驗證精進計畫 (頁 50-70)