第七章 天花板空間蓄煙之排煙系統可行性研究
第二節 工法探討
7.2.1 電腦數值模擬
為探討天花板上方作為蓄煙空間之可行性，模擬仍將採用第五章模型及相關 邊界條件為基礎，針對探討需求進行部分尺寸及設備數量調整後，執行電腦數值 模擬及比對分析，藉以確認需求結果。
一. 模擬條件設定
（一）模型幾何：
本節模擬，採用同5.1.2節所使用模型條件，相關幾何如圖5.11所示。
（二）火源設計：
火源大小採1MW， t2 火源，成長曲線為 Fast fire （α = 0.0469）。
（三）排煙口及風機開啟時機：火災室內設有偵煙探測器，當探測器偵測煙霧動 作後30秒，連動排煙口開啟及風機起動。
（四）格點選定：
依據前述模型幾何及火源設定，火災特徵直徑（Characteristic fire diameret，
D*）參考 FDS 使用手冊[14]建議，熱釋放率𝑄𝑄̇ = 1 MW 時，D*為 0.96m，則 0.1
D*約為 0.1 m；考量本次模擬，主要目的為火災室增設蓄煙空間對排煙性能探討，
其所在位置於火源區域以外部分，因此，在格點設定上，火災室火源區部分以 0.1m 作為初步估計火源附近所需合理之格點尺寸，以外部分則以 0.2m 進行設定，
相關格點統計如表 7.2 所示。
表 7.2 格點 1 統計表
網格編號 網格尺寸 網格數 網格總數
MESH 1 0.10m×0.10m×0.10m 18，000.
306，000.
MESH 2 0.20m×0.20m×0.20m 288，000.
（資料來源：本研究整理）
（五）判定標準：
有關火場的可維生環境判別標準，通常係以 NFPA 130 附錄 B[19]之判別項目，
說明如後：
1、容許溫度
火場溫度在數秒內允許之最高溫為 60℃，最初 6 分鐘允許暴露之平均溫度為 49 ℃。通常人員在數秒內越過火場，其溫度採低於 60℃為判定基準。
2、CO 濃度
在數秒內允許之最高濃度為 2000 ppm，最初 6 分鐘暴露平均濃度不大於 1500 ppm，最初 15 分鐘暴露平均濃度不大於 800 ppm，其餘條件暴露平均濃度不 大於 50 ppm。通常允許人員逃生避難之環境採 CO 濃度低於 1500 ppm 為判定基 準。
3、能見度
火場煙流之能見度，在有照明的避難指標，能辨視的距離為 30 m，門及牆壁 能辨視的距離為 10 m。通常人員逃生避難環境之能見度採大於 10 m 為判定基準。
4、輻射熱強度
關於輻射熱 q"（Radiation Heat Flux）部份，在數秒內允許暴露值最大為 6305 W/m2 或 6.3 kW/m2，最初 6 分鐘允許暴露平均強度 1576 W/m2，其餘條件 之暴露平均強度為 946 W/m2。人員越過火場時接受到最大輻射強度，僅為數秒的 時間，故輻射熱強度採 6.3 kW/m2 為判定基準。
5、煙層底部高度
我國採用之容許煙層下降高度為距地板面高度 1.8m。
由於本研究係針對增加天花板上方空間蓄煙對排煙系統的影響進行探討，因 此，在温度、CO 濃度、輻射熱強度等項目，將不納入分析比對項目，僅利用煙 層下至 1.8m 高度時之能見度作為排煙性能優劣之判別標準。
二.火災劇本：
依據需求，預期模擬結果如下：
（一）我們預期以電腦模擬方式，以下列驗證結果，與法規設計之模擬結果進行 比較，以確認天花板上方蓄煙時之排煙口設計位置，與煙層下降時間之相 對關係：
1. 以天花板上方為蓄煙空間，並於天花板上方設置排煙口。
2. 以天花板上方為蓄煙空間，於天花板面設置排煙口。
（二）其次，考量溫度的影響，天花板上方之管線與設備，在以天花板上方為蓄 煙空間時，是否需考慮其防火或耐溫性能。
（三）再者，氣流對天花板結構，亦需納入考量，在天花板上方裝設排煙口，將 產生一定之壓力變化，是否造成天花板變形或破壞。
（四）另考量天花板上方，亦為管線容納空間，在結構樑與管線交錯之空間內，
其容積及空間斷面之有效流動面積對排煙性能之影響。
（五）最後，對於排煙區劃增加天花板上方空間蓄煙時，對於防煙區劃設置方式，
是否需延伸至頂版問題，進行研討。
規劃模擬之火災劇本如表7.3所示。
表 7.3 2 模擬項目統計說明表
模擬項目編號 說明 模擬情況
CASE-A0-1 無排煙-無蓄煙（基本案例）
能見度 CASE-A0-2 天花板下方排煙（1cmm）-無蓄煙（基本案
例）
三、模擬結果：
（一） 增加天花板上方蓄煙模擬結果：
在煙層下降部分，係於火災室地板面上方 1.8m 處，平均設置 6 只能見 度感測器，偵測能見度降至 10m 之時間進行比對;由於火災室內各點之 煙層下降並非穩態，因此，在煙層下降時間之擷取，係以偵測之數值平 均結果為基準，進行比對分析。
CASE A 計有七組模型，其中 A0 組基本案例計有三組，依前述火源大 小及成長條件情況下，各組模擬結果如圖 7.3 及 7.4 所示，各組煙層下 降時間統計如表 7.4 所示。
圖 7.3 煙層下降時間比較（1）
（資料來源：本研究整理）
圖 7.4 煙層下降時間比較（2） CASE-A0-2 天花板下方排煙（1cmm）-無蓄
煙（基本案例） 118s 5s
（二）天花板上方溫度場變化情況模擬結果：
天花板上方溫度場部分，係於距地板面 3m 高度（天花板空間內），平均設 置 12 只溫度感測器，用以偵測火災發生過程中，天花板上各點之溫度變化 情況。圖 7.5 至圖 7.9 為利用天花板上方空間蓄煙之煙層溫度偵測情況。
圖 7.5 CASE-A0-3（無排煙-有蓄煙）天花板上方煙層溫度
（資料來源：本研究整理）
圖 7.6 CASE-A1 天花板上方煙層溫度
（天花板上方排煙-1cmm -有蓄煙-火災室外排煙口關閉）
（資料來源：本研究整理）
圖 7.7 CASE-A2 天花板上方煙層溫度
（天花板上方排煙-2cmm -有蓄煙-火災室外排煙口關閉）
（資料來源：本研究整理）
圖 7.8 CASE-A3 天花板上方煙層溫度
（天花板上方排煙-1cmm -有蓄煙-防煙區劃排煙口全開）
（資料來源：本研究整理）
圖 7.9 CASE-A4 天花板上方煙層溫度
（天花板上方排煙-2cmm -有蓄煙-防煙區劃排煙口全開）
（資料來源：本研究整理）
（三）天花板面壓力變化情況模擬結果：
天花板面之壓力變化情況，係於天花板面垂直軸向上下各 10cm 處，設置 12 處壓力偵測器，用以偵測並比對天花板面因排煙氣流所造成之壓力變化情況。
依本次模擬案例，我們直接討論以天花板上方蓄煙，火災室外排煙口關閉之 CASE-A2 之天花板各點壓力變化及壓差情況。本案例在模擬規劃時，係以火 災室之偵煙探測器，感測煙流後 30 秒開啟火災室排煙口，並啟動風機以全 區排煙量進行排煙，因此，相對於火災室而言，其排煙量將達到 2cmm/m2， 而火災室以外排煙口，依規劃將不開啟，如此，我們預期此一設計，在天花 板上方將產生本次模擬各組劇本之最大壓差，各點偵測結果，如圖 7.11 至 圖 7.15 所示。
圖 7.10 CASE-A2 第一點天花板上下壓力及壓差變化
圖 7.11 CASE-A2 第二點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.12 CASE-A2 第三點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.13 CASE-A2 第四點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.14 CASE-A2 第五點天花板上下壓力及壓差變化
圖 7.15 CASE-A2 第六點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
（四）天花板上方有效流動面積對排煙性能之影響模擬結果：
依火災劇本，我們進行 CASE-A4 至 B4 等五組模擬，其變數為天花板上方分 間牆部分，分別改變其有效流動面積為 8%、6%、4%、2%、1%，並控制樑底 至天花板間距為 80cm、60cm、40cm、20cm、10cm 等。由圖 7.16 顯示，在本 研究設定之邊界條件下，改變天花板有效流動面積，火災室煙層在 1.8m 高 度，能見下降 10m 之時間，在 139 秒至 142 秒之間，其排煙性能並無太大差 距。但改變天花板上方有效流動面積的另一項影響，係為壓差變化，在分間 牆部分所產生之有效流動面積縮小，將造成天花板上方排煙口之所在空間之 負壓差生，而其負壓大小，將視有效流動面積之大小來決定，有效流動面積 愈小，預期負壓將愈大。
比照天花板面壓力變化之偵測方式，用以確認本組 1%之模擬結果，其六點 壓力變化及壓差情況如圖 7.17 至圖 7.22 所示。
圖 7.16 不同有效流動面積（8%、6%、4%、2%、1%）之煙層下降時間
（資料來源：本研究整理）
圖 7.17 CASE-B4 第一點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.18 CASE-B4 第二點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.19 CASE-B4 第三點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.20 CASE-B4 第四點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.21 CASE-B4 第五點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
圖 7.22 CASE-B4 第六點天花板上下壓力及壓差變化
（資料來源：本研究整理）
（五）天花板上方排煙區劃設置方式對排煙性能之影響模擬結果：
依據火災劇本，我們進行了 CASE-C1 之模擬，並與 CASE-A2 進行比較。前述二 組模擬，其邊界條件均使用天花板上方機械排煙（排煙量 2cmm/m2），天花板蓄 煙，分間牆上方淨有效流動面積 8%，火災室外排煙口關閉，二者不同在於 CASE-A2 為天花板上方四週為封閉區間，而 CASE-C1 則以防煙垂壁區劃，垂壁 下方仍保留部分流動面積，詳圖 7.23 所示。另由圖 7.24 顯示，在相同之邊界條 件下，改變天花板上方排煙區劃設置方式，對於火災室煙層在 1.8m 高度，能見 下降室 10m 之時間，CASE-A2 為 142 秒，而 CASE-C1 為 124 秒，且從模擬結果 顯示，煙流會從防煙垂壁與天花板間之區域，向天花板之其他排煙區域漫延。
CASE-A2（排煙區劃封閉） CASE-C1（排煙區劃開放）
圖 7.23 天花板上方排煙區劃設置方式差異比較
（資料來源：本研究整理）
圖 7.24 CASE-A2 與 CASE-C1 之煙層下降時間比較
（資料來源：本研究整理）
四.結果分析：
（一）增加天花板上方蓄煙空間，從圖 7.3、圖 7.4 及表 7.4 比較顯示， CASE-A0-1（無排煙-無蓄煙-基本案例）煙層下降時間為 113 秒，增加天花板上 方蓄煙空間後之 CASE-A0-3（無排煙-有蓄煙）為 117 秒，可增加 3.5%之 避難時間，與 CASE-A0-2（天花板下方排煙-1cmm-無蓄煙）之 118 秒相近;
另比對採用區域控制方式，僅開啟火災室排煙口，其餘空間排煙口則保持 關閉方式， CASE-A1（排煙量 1cmm）之煙層下降時間為 122 秒，與 CASE-A0-1 比較，可 增加 8%之避難 時間 ，如使用 CASE-A2（ 排煙量 2cmm），則煙層下降時間更可達 142 秒，較 CASE-A0-1 增加 26%之避難
另比對採用區域控制方式，僅開啟火災室排煙口，其餘空間排煙口則保持 關閉方式， CASE-A1（排煙量 1cmm）之煙層下降時間為 122 秒，與 CASE-A0-1 比較，可 增加 8%之避難 時間 ，如使用 CASE-A2（ 排煙量 2cmm），則煙層下降時間更可達 142 秒，較 CASE-A0-1 增加 26%之避難