第三章 水平噴流防煙系統之數值模擬
第三節 電腦模擬結果
本採用 FDS 模擬空間格點(Grid)配置如圖.3-3，網格數共三十三萬五千格點。於 模擬研究初期，本研究進行格點分析以測試不同格點所計算之結果。於格點分析過程中，
使用每邊長一公分之均勻格點與每邊長五公分之均勻格點，其計算結果與目前所使用的局 部格點加密的計算結果誤差於 13%以內。為節省 CPU 計算時間，本研究將火災與遮煙區域計 算較為複雜的區域進行格點加密，左側保護空間內的格電較為疏散，每一格點邊長為十公 分，而火災區域與噴流周圍加密至邊長五公分之立方體，如錯誤! 找不到參照來源。。
圖.3- 3 FDS 格點配置圖 (資料來源：本研究整理)
貳. 火源成長計算
實際火源的成長通常是加速狀態成長，若要描述這成長狀態勢必使用兩次函式來 描述，故本模擬研究火源完全成長的時間將使用以下的方程式進行運算：
Equation of T-SQUARED fire
Q t
2(
3.1)
其中α為成長參數，隨各種不同物質有不同的數值。目前 T-SQUARED fire 的計 算方式被美國 NFPA 204M 的檢測方式所承認與使用，並且細分為非常快速(Ultra fast)、快速(Fast)、中等(Midium)與緩慢(Slow)的不同成長速率。本模擬火源成長 速率將以非常快速成長的假設下進行計算，在結果中將得到較高的安全性。對於到達 400kW、1000kW 與 1500kW 的火載量的所需要的時間分別為 45.9 秒、72.5 秒與 88.9 秒。為模擬真實燃燒時的情況，成長曲線之上下震盪的標準差(Standard diviation) 分別為 4.9、18.4 與 44.3 kW，如圖.3-4 所示。參. 噴流系統吹出角
本研究模擬採用類似日本大成建設所建議之 2 組不同角度進行試驗，其中一組以 與法線方向夾 45°角的方式噴流，而另外一組則使用與法線方向夾 30°角進行空氣噴 流。除了主要吹出的噴流外，在每一道噴流系統的邊界皆有較大角度，較小流速的速 度向量。此狀況是模擬於噴流邊界吹出口時，流速會因為無滑移條件(No-Slip condition)而減弱在法線方向的分量，在相同的切線分量下與法線所夾的角度自然增 大。
肆. 有、無啟動機械排煙設備之差異性比較
國內走廊的建築結構中，雖然一般不裝設排煙設備，但本模擬研究依然納入排煙設配進行 模擬，以便日後於實驗或應用的層面提供更完善資料。水平噴流系統前方有、無機械排煙 設備會影響噴流系統的阻煙能力。一般而言，若啟動遮煙空間前方的排煙設備後，遮煙空 間前方所堆積的濃煙便會藉由排氣設備得以排出不至於產生堆積，但是由模擬結果得以瞭 解到噴流系統需要更大的噴流流速來抵抗排煙設備吸入口周圍產生的牽引負壓。取 case 9 與 case 10 來說明將會更為清楚，在此二個模擬情境中有相同的火源大小(400 kW)與噴流 流速(5.3 m/s)，而 case 9 為有排煙設備，如圖.3-6 所示。case 10 則沒有排煙設備如圖.3-7 所示，可發現噴流系統阻煙能力的差異。在 case 10 的模擬情境下成功的阻擋濃煙入侵保 護空間，然而 case 9 則顯然風速不足以抵抗排煙設備所帶來的吸引作用，而使濃煙侵入 到保護區域 CO2濃度更相差約 3.4 倍，如表.3-2，因此若於噴流系統前端有排煙設備時將 需要考慮增加噴流流速來進行阻煙。
圖.3- 6 Case 9, 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 7 Case 10, 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s
表.3- 2 CO2 濃度預測值
火源大小 噴流流速 機械排煙 濃煙入侵保 護區
CO2平均濃度 保護區
CO2平均濃度 火災區
Case 9
1MW 5.3 m/s
是 是 248 ppm 13,599 ppm
Case 10 否 否 73ppm 14,857 ppm
(資料來源：本研究整理)
伍. 不同噴流速度與火源大小之阻煙性比較
case 1、case 3、case 5 於 t=300 秒時，如圖.3-8、圖.3-9、圖.3-10 所示。於 同為 400kW 的火源熱量下，水平噴流防煙系統於 case 3(流速 5.3m/s)與 case 5(流速 6.3m/s)皆能完善的阻隔濃煙侵襲，而 case 1 則有少許濃煙已經從上方流入保護區域 內。在保護區域內 case 1、case 3、case 5 的 CO2濃度偵測點平均值分別為 205 ppm、
55ppb、0.1ppb，以上數值皆為假設背景氣體中無二氧化碳的模擬條件。
第二組是將同火源大小為 1MW 的模擬情境相互比較。case 7、case 9、case 11 於 t=300 秒時，如圖.3-11、圖.3-12、圖.3-13 所示。其中，隨著火源大小增長到 1MW 的模擬情境下，可看見發煙量也隨之增加，此時就更清楚瞭解噴流流速對於整個系統 防煙性能的重要性，越大的發煙量需要更大的噴流速度才得以抵擋濃煙的侵襲。而在 case 7、case 9、case 11 的保護空間所測得的 CO2濃度平均值分別為 1360 ppm、249 ppm、31.6 ppm。相較於 400kW 的熱載量下，於噴流流速為 4.2m/s(case 7)的模擬條 件下明顯無法有良好的濃煙阻隔效率；於噴流流速為 5.3 m/s(case 9)的模擬情境下 已經有些許二氧化碳進入保護空間。
第三組則為火源大小為 1.5MW 的 case 13、case 15、case 17 模擬情境，於 t=300 秒時，如圖.3-14、圖.3-15、圖.3-16 所示。於噴流流速 4.2m/s (case 13) 和 5.3m/s (case 15)的條件下已經無法順利阻擋濃煙的侵襲。於 case 13、case 15、case 17 保護空間內的 CO2濃度測定點的平均值分別為 2140ppm、797ppm、174 ppm。由此處可 見，高噴流流速對於保護空間的防護有極大的幫助，在噴流流速 6.3m/s (case 17) 的條件下得以肯定對於大火所產生大量濃煙的防護能力。
水平噴流防煙系統在阻煙性上若有正確及足夠的噴流流速將可以使保護空間免
雖然僅相差 1m/s 但是對於防煙效能卻有極大的差異，由此可得知其臨界值介於此二 風速之間並且若風速低於臨界值時，防煙效能將大大的減弱。不同火源參數條件下 CO2 濃度預測值如表 3-3 所示。
圖.3- 8 Case 1 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=4.2 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 9 Case 3 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=5.3 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 11 Case 7 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=4.2 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 12 Case 9 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 14 Case 13 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=4.2 m/s (資料來源：本研究整理)
圖.3- 15 Case 15 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=5.3 m/s (資料來源：本研究整理)
表.3- 3 不同火原條件下 CO2 濃度預測值 CO2濃度平均值(ppm)
火源大小 噴流流速 保護空間 排煙設備前 火災空間末端 case 1
400kW
4.2 m/s 205 3770 4590 case 3 5.3 m/s 105 223 4970 case 5 6.3 m/s 95 113 3600
case 7
1MW
4.2 m/s 1360 9010 8400 case 9 5.3 m/s 249 6700 1360 case 11 6.3 m/s 131 3500 10700
case 13
1.5MW
4.2 m/s 2140 11600 12200 case 15 5.3 m/s 797 8330 13700 case 17 6.3 m/s 374 7660 19800 (資料來源：本研究整理)
本模擬研究之阻熱性比較亦針對同一火源大小、不同噴流流速及有排煙設備的情 況下進行說明與探討。對於 66℃以上的熱空氣及濃煙即會造成人員皮膚燒傷、熱虛 脫、脫水及呼吸道閉塞……等症狀。在未有噴流系統啟動的情況下 1.5MW 的火源大小 於保護空間內的測量點最高溫度達到 157℃，此溫度對避難人員將是一大威脅。
在 case 1、case 3、case 5 的溫度 contour 圖於 t=300 秒時，如圖.3-17、圖.3-18、
圖.3-19 所示。在保護空間內的溫度皆無明顯的升高，其最主要原因為火源僅有 400kW，其熱輻射量對保護區域不足以產生溫度變化，因為水平噴流防煙系統的保護，
使得在火災中常灼傷避難人員的濃煙無法進入保護區域內，讓保護空間的溫度處於室 溫讓人員得以於此空間內避難與等待。
在火源大小為 1MW 的模擬條件下，case 7、case 9、case 11 的溫度 contour 圖 於 t=300 秒時，如圖.3-20、圖.3-21、圖.3-22 所示。隨著火源的熱載量增加於火災 空間的末端所量測到的溫度平均值也增加約 50∼100℃，於保護空間內的測量點平均 溫度除了噴流流速為 4.2 m/s(case 7)的模擬情境溫度有明顯的升高外，其餘噴流流 速為 5.3m/s(case 9) 與 6.3 m/s(case 11)的條件下並沒有對溫度有明顯的影響。排 煙設備的吸入口隨著噴流流速的增加，使濃煙無法靠近並且冷卻了熱煙使得量測到的 溫度也隨之減小。由此再次證明水平噴流防煙系統噴流流速越高時有較佳的防護效 果，噴流流速為設計時的一個重要參數。
case 13、case 15、case 17 為火源大小為 1.5MW 的模擬情境，其中溫度 contour 圖於 t=300 秒時，如圖.3-23、圖.3-24、圖.3-25 所示。隨著噴流流速不足的條件下 (4.2m/s 與 5.3m/s)已經無法順利阻擋濃煙於保護區域外，但是對於溫度的阻熱上卻
比較下，在通過水平噴流防煙系統後其溫度較為偏藍、較為降溫並且前後溫差約 50
℃∼70℃，藉此來研判藉由水平噴流防煙系統所吹出的室溫氣流可為濃煙稍微降溫，
使濃煙少量侵入保護區域時，保護空間內溫度不至於影響避難人員。不同火原條件下 溫度預測值如表 3-4 所示。
圖.3- 17 Case 1 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 18 Case 3 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 19 Case 5 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=6.3 m/s, 溫度 contour
圖.3- 20 Case 7 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 21 Case 9 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 23 Case 13 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 24 Case 15 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour (資料來源：本研究整理)
圖.3- 25 Case 17 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=6.3 m/s, 溫度 contour
表.3- 4 不同火源參數條件下溫度預測值 溫度平均值(℃)
火源大小 噴流流速 保護空間 排煙設備前 火災空間末端 case 1
400kW
4.2 m/s 21.8 37.2 44.4 case 3 5.3 m/s 20.2 34.3 51.2 case 5 6.3 m/s 20.0 30.1 53.4
case 7
1MW
4.2 m/s 32.3 45.3 63.7 case 9 5.3 m/s 22.7 42.5 67.2 case 11 6.3 m/s 20.3 39.6 67.3
case 13
1.5MW
4.2 m/s 38.8 62.5 84.4 case 15 5.3 m/s 28.5 57.6 88.3 case 17 6.3 m/s 22.1 52.6 91.9