第五章 自然排煙案例研究與數值模擬 第一節 案例研究
5.1.1 實設案例選定
本研究整理排煙室面積標準，依內政部 95.6.19 台內營字第 0950803499 號解釋函，
有如下說明：「按緊急昇降機機間係供消防人員攜帶救災裝備器材執行救災工作所需 使用，並據本部消防署查日本（東京消防廳預防事務審查檢查基準）規範，每座緊急 昇降機門廳之樓地板面積應在 10 平方公尺以上。故有關建築技術規則建築設計施工編 第 107 條第 1 款第 6 目規定「每座昇降機間之樓地板面積不得小於 10 平方公尺」，上 開規定機間面積之計算範圍，不包括機道或機廂所占面積。」，故建築物緊急昇降機 機間排煙室面積設計，以大於 10 平方公尺為基準。
另於建築設計施工編第 97 條第 1 項第 5 款規定：「建築物達十五層以上或地下層 三層以下者，各樓層之特別安全梯，如供建築物使用類組 A-1、B-1、B-2、B-3、D-1 或 D-2 組使用者，其樓梯間與排煙室或樓梯間與陽臺之面積，不得小於各該層居室樓 地板面積百分之五；如供其他使用，不得小於各該層居室樓地板面積百分之三。」，
且同條第 2 項規定：「安全梯之樓梯間於避難層之出入口，應裝設具一小時防火時效 之防火門。建築物各棟設置之安全梯，應至少有一座於各樓層僅設一處出入口且不得 直接連接居室。」，準此，本研究即依前述規定為案例選定依據。
經篩選可獲得之自然排煙設備設置案例，選擇較具代表性的典型排煙設計，做為 本研究之實際建築物案例，並以此做為本研究基礎模型，發展後續模擬計劃。其規模 及設備檢討情況分述如下說明：
一、案例概述：
案例一：某辦公大樓（建築物如圖 6、平面圖如圖 7）
圖 6 案例一建築物外觀
（資料來源：本研究整理）
圖 7 案例一平面圖
（資料來源：本研究整理）
第五章 自然排煙案例研究與數值模擬
(一)建築結構：RC 構造，地上 15 層，地下四層 (二)建築面積：2065.87 平方公尺
(三)樓層高度：58.1 公尺。
(四)緊急昇降機間排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。
(五)特別安全梯排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。
(六)法規適用情況：
１、本場所符合各類場所消防安全設備設置標準第 28 條第 5 款規定，為應設置緊急昇 降機間及特別安全梯排煙室排煙設備之場所。
２、本建築排煙室依各類場所消防安全設備設置標準第 189 條規定檢討設計設置。
案例二：某辦公大樓（建築物如圖 8、平面圖如圖 9）
圖 8 案例二建築物外觀
（資料來源：本研究整理）
圖 9 案例二平面圖
（資料來源：本研究整理）
(一)建築結構：RC 構造，地上 15 層，地下 4 層 (二)建築面積：483 平方公尺
(三)樓層高度：49.64 公尺。
(四)緊急昇降機間排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。
(五)法規適用情況：
１、本場所符合各類場所消防安全設備設置標準第 28 條第 5 款規定，為應設置緊急昇 降機間排煙設備之場所。
２、本建築排煙室依各類場所消防安全設備設置標準第 189 條規定檢討設計設置。
第五章 自然排煙案例研究與數值模擬
5.1.2 差異性分析
一、案例一：
本研究案例排煙室 A(緊急昇降機間排煙室)，為典型的梯間排煙設計案例，其排 煙口位置，設於排煙室長向牆面。本案例排煙室為專用，其面積依規定設計為 2 ㎡，
有效高度於天花板高度之 1/2 以上，排煙室尺寸為 4.3m(L) x 2.95m(W) x 3m(H)，面積 約為 12.7 ㎡。由於排煙口設置之牆面位於較寛之長向，為 4.3m，故自然排煙窗設計可 依外牆情況有多種位置及型狀之變化。此種長向配置型態之設計案例，將設定為本研 究之第一種研究類型，用以探討排煙口配置與排煙性能之相互關係。
本案例另設有特別安全梯排煙室 B，其排煙口位置亦設於排煙室長向牆面，惟排 煙室尺寸僅 2.97m(L)x1.38m(W)x3m(H)，面積約為 4.1 ㎡，其餘設計與排煙室 A 同，
此種面積小於 10 ㎡之梯排設計案例，將設定為本研究之第二種研究類型，用以探討排 煙室面積與排煙性能之相互關係。
二、案例二：
本研究案例緊急昇降機間排煙室，為另一種典型的梯間排煙設計案例，其排煙口 位置，設置於排煙室短向牆面，因排煙室為專用，其面積依規定設計為 2 ㎡，有效高 度於天花板高度之 1/2 以上，排煙室尺寸為 5.85m(L) x 2.6m(W) x 3m(H)，面積為 15.21
㎡。由於排煙口設置之牆面寛度僅約 2.6m，故設置 2m(w)x1m(h)之自然排煙口於此牆 面時，其上下方向及左右向位置相對已無多餘的移動空間，因此，在此種短向配置型 態之梯排設計案例，將設定為本研究之第三種研究類型，用以探討短向排煙口配置與 排煙性能之相互關係。
兩案例差異性分析詳表 8 說明。
名稱 設置位置 排煙室面積 排煙窗配置 備註
案例一 緊急昇降機間 12.7 ㎡ 設於排煙室長向牆面 第一種研究類型 特別安全梯 4.1 ㎡ 同上 第二種研究類型 案例二 緊急昇降機間 15.21 ㎡ 設於排煙室短向牆面 第三種研究類型
（資料來源：本研究整理）
5.1.3 排煙性能影響因子分析
火災生成的煙，受各種驅動力作用影響，會漫延飄散至建築物各處，形成煙害，
其主要驅動力有煙囪效應、熱浮力、氣體膨脹、外部風、空調系統、電梯活塞效應等。
而良好的建築防火避難設施設計規劃，在火災的情況下，可提供一定能力的防火 排煙性能，供人員逃生避難。從避難路徑的觀點而言，自然排煙室的設計，屬於相對 安全的第二次安全區域，其位置於走廊通道及安全梯之間，藉由排煙室防火區劃及排 煙設備，阻隔火煙，提供一個相對無煙的區域，供人員順利避難，在正常操作情況下，
其出入口以常閉式防火門，或與火警系統連動之常開式防火門設置，以確保排煙室的 區劃完整。
在功能正常的情況下，煙只有一種情況會進入排煙室，也就是火災室煙流已進入 走廊通道（第一次安全區域），隨著避難人員開啓防火門進入排煙室同時，煙流一併 進入排煙室內；人員進入排煙室防火門關閉後，煙流停止進入，已流入之煙層，則由 排煙設備進行排除。
影響排煙室自然排煙窗性能相關因素，經考慮有以下部分：
一、排煙驅動力 (一)熱浮力作用
從驅動力而言，已經流入排煙室之煙層溫度 Tf，與建築物外部大氣溫度 TO，仍保 有一定之溫差，從（5.1）式，可得到因溫差產生的壓差△Pfo，方程式表示如下：
第五章 自然排煙案例研究與數值模擬
= ( ) h
( 5.1 )
在此：
＝建築物外部大氣溫度（K）
＝排煙室之煙層溫度（K）
h＝煙層高度（m）
g＝重力加速度
Patm＝大氣壓力（絕對壓力）
R＝空氣氣體常數
此壓差，即為自然排煙主要驅動力之熱浮力作用。
當煙層進入排煙室後，排煙用偵煙式探測器動作，連動開啓自然排煙窗進行排煙；
從（5.1）式得知，在不考慮排煙口效應及其他外力情況下，當（1/TO - 1/Tf）項大於 0 時，浮力作用所產生的壓差可使煙流排出排煙室，而當（1/TO - 1/Tf）項等於 0 時，也 就是煙層溫度下降至於外氣溫度時，排煙室內的浮力即消失不再作用。
(二) 氣體膨脹
而煙層溫度 Tf，也會造成氣體膨脹，產生壓差驅動流場；氣體膨脹之體積流率比，
與溫度比成以下關係：
( 5.2 )
在此：
流出之煙流體積流率（m3/s）
流入之煙流體積流率（m3/s）
流出之煙流溫度（K）
流入之煙流溫度（K）
之高溫煙層，其體積於防火門關閉後已呈固定，在火源無法對煙層加熱，煙流進入排 煙室後與部分低溫空氣混合，並與外界進行熱交換，使得煙層溫度呈下降趨勢，在溫 度未再升高情況下，氣體膨脹作用對排煙效果不會產生太大影響。
(三)外部風
外部風作用於建築物牆面的風壓 PW，可從（5.3）式獲得，其方程式表示如下：
( 5.3 )
在此：
風壓係數（無因次）
外部空氣密度（kg/m3） 外部風速(m/s)
風壓係數 CW ，與建築物的幾何外型、風向及周遭建築物和地形有關，Klote[16]
提出，在無地形地物阻礙的地區，典型的建築物外牆風壓係數 CW分佈情況如圖 10，
矩型建築物風壓係數 CW分佈情況如圖 11。
第五章 自然排煙案例研究與數值模擬
圖 10 建築物外牆風壓係數 CW分佈情況
（資料來源：參考資料 16）
圖 11 矩型建築物風壓係數 CW分佈情況
（資料來源：參考資料 16）
提出，在迎風面上的平均風壓，當風向角θ在 0°~90°時為正值，90°~ 180°時為負值。
上述文獻說明，在建築物牆面與風向呈正交時，風壓係數 CW有極大值，亦即，
在此種情況下，外部風會產生最大正壓，作用於自然排煙系統上。
（四）驅動力交互作用
在排煙口尚未開啟前，排煙室煙流主要受熱浮力作用影響；在排煙口開啟後，煙 流則受到熱浮力作用與外部風效應二種作用力驅動。將熱浮力驅動的自然排煙行為視 為自由對流現象，則受外部風效應影響的排煙情況則可視為強制對流現象。在排煙室 自然排煙的過程中，兩種驅動力將持續交互作用，至排煙過程結束。
從避難者的觀點而言，排煙室內的煙流必須愈少愈安全，而進入排煙室的煙流，
可否能由自然排煙窗順利排出，為本研究所需探討的重點，如前所述，自然排煙窗有 其排煙的限制因素，其主要驅動力之熱浮力作用，端視煙流的溫度，理論上，煙流溫 度愈高，排煙效果愈好，但高溫煙流不利人員可維生環境；另一驅動力為外部風作用，
在過去研究中，外部風一直被認為是不利自然排煙之因素，但從高樓層居室的開窗經 驗上判斷，不管居室是否為密閉，在有外部風的情況下，開窗後均會產生部分對流現 象，對流會造成室外新鮮空氣進入排煙室，其流率是否有助於降低室內溫度，稀釋煙 的濃度，甚至煙粒子藉由對流現象帶出室外，達到排煙效果，將為本研究另一個探討 的項目。
二、地表風與樓層高度
地表風為典型的流體流動現象，受到無滑動條件（no-slip condition）及地面障礙
地表風為典型的流體流動現象，受到無滑動條件（no-slip condition）及地面障礙