避難走廊應用水平噴流式防煙系統可行性評估及研發

避難走廊應用水平噴流式防煙系統

可行性評估及研發

PG10001－0224 100301070000G1003

避難走廊應用水平噴流式防煙系統

可行性評估及研發

受委託者：社團法人台灣綠建築發展協會

研究主持人：鍾基強

研 究 員：蕭敬倫

研 究 助 理 ：顏志謙

目 次

表次………Ⅲ 圖次………Ⅴ 摘要………Ⅸ ABSTRACT………

x

I

第一章

緒論……….1

第一節 研究緣起與背景……….1 第二節 研究方法……….3 第三節 文獻回顧……….4

第二章

避難弱勢場所防排煙現況及改善……….…………7

第一節 醫療院所……….…7 第二節 安養中心………...…15 第三節 百貨商場………...25

第三章

水平噴流防煙系統之數值模擬………...…35

第一節 FDS 模擬軟體簡介………...35 第二節 空間外形與配置………...38 第三節 電腦模擬結果………...42

第四章

水平噴流防煙系統之實驗規劃………...57

第一節 實驗空間之幾何外型………...57 第二節 實驗設備及實體系統建構………...58 第三節 實驗空間現場說明………...64 第四節 噴流式防煙系統國內市場評估………...70

第一節 實驗參數說明………73 第二節 實驗結果討論………76 第三節 人員穿越之影響評估………..102

第六章

水平噴流系統設計規範草案………..105

第七章

結論與建議………..113

第一節 結論………..113 第二節 建議………..116

附錄

1 初審查意見及廠商回應一覽表……….119

附錄

2 期中審查會議紀錄……….123

附錄

3 期末審查會議紀錄……….129

附錄

4 專家學者座談會議紀錄……….135

附錄

5 水平噴流系統性能驗證於改變走道寬度、高度應用案例……….139

附錄

6 探討水平噴流式防煙系統於不同室內空間配置之性能……….141

附錄

7 結合自動偵煙系統與水平噴流系統連結之應用案例……….143

附錄

8 水平噴流式防煙系統裝設於走道連接電梯前室應用案例……….145

表 次

表.3- 1 數值模擬項目表 ... 40 表.3- 2 CO2 濃度預測值 ... 46 表.3- 3 不同火原條件下 CO2 濃度預測值 ... 51 表.3- 4 不同火源參數條件下溫度預測值 ... 56 表.4- 1 原規劃參數表 ... 69 表.4- 2 整體設備費用 ... 71 表.5- 1 新規劃實驗項目參數總表 ... 75 表.5- 2 噴嘴 30-30 度對吹實驗參數 ... 77 表.5- 3 噴嘴 30-30 度對吹 CO2濃度值（有排煙） ... 78 表.5- 4 噴嘴 30-30 度對吹 CO2濃度值（無排煙） ... 78 表.5- 5 噴嘴 30-30 度對吹點火前溫度值(有排煙) ... 79 表.5- 6 噴嘴 30-30 度對吹點火前溫度值(無排煙) ... 79 表.5- 7 噴嘴 45-45 度對吹 400KW 實驗參數 ... 81 表.5- 8 噴嘴 45-45 度對吹 400KW CO2濃度值（有排煙） ... 81 表.5- 9 噴嘴 45-45 度對吹 400KW CO2濃度值（無排煙） ... 82 表.5- 10 噴嘴 45-45 度對吹 400KW 溫度改變值(有排煙) ... 82 表.5- 11 噴嘴 45-45 度對吹 400KW 溫度改變值(無排煙) ... 83 表.5- 12 噴嘴 45-45 度對吹 1MW 實驗參數 ... 84 表.5- 13 噴嘴 45-45 度對吹 1MW CO2濃度值（有排煙） ... 85 表.5- 14 噴嘴 45-45 度對吹 1MW CO2濃度值（無排煙） ... 85 表.5- 15 噴嘴 45-45 度對吹 1MW 溫度改變值(有排煙) ... 86 表.5- 16 噴嘴 45-45 度對吹 1MW 溫度改變值(無排煙) ... 86 表.5- 17 噴嘴 45-45 度對吹 1.5MW 實驗參數 ... 88 表.5- 18 噴嘴 45-45 度對吹 1.5MW CO2濃度值（有排煙） ... 89 表.5- 19 噴嘴 45-45 度對吹 1.5MW CO2濃度值（無排煙） ... 89 表.5- 20 噴嘴 45-45 度對吹 1.5MW 溫度改變值(有排煙) ... 90 表.5- 21 噴嘴 45-45 度對吹 1.5MW 溫度改變值(無排煙) ... 90 表.5- 22 噴嘴 60-60 度對吹實驗參數 ... 93 表.5- 23 噴嘴 60-60 度對吹 CO2濃度值（有排煙） ... 93 表.5- 24 噴嘴 60-60 度對吹 CO2濃度值（無排煙） ... 94 表.5- 25 噴嘴 60-60 度對吹溫度改變值(有排煙) ... 94 表.5- 26 噴嘴 60-60 度對吹溫度改變值(無排煙) ... 95 表.5- 27 噴嘴 60-30 度 1MW 噴嘴對吹實驗參數 ... 97

表.5- 31 噴嘴 60-30 度對吹溫度改變值(無排煙) ... 99 表.5- 32 改變排煙風量大小 CO2 濃度值 ... 101 表.5- 33 改變排煙風量大小溫度改變值 ... 101 表.5- 34 人員穿越 CO2濃度值 ... 102 表.5- 35 人員穿越溫度改變值(有排煙) ... 103 表.5- 36 人員穿越溫度改變值(無排煙) ... 103 表.7- 1 實驗結果總表 ... 115

圖 次

圖.1- 1 水平噴流防煙系統之防煙功能示意圖 ... 3 圖.2- 1 醫院樓層平面圖 ... 7 圖.2- 2 醫院樓層避難動線示意圖 ... 8 圖.2- 3 樓梯 B 上樓狀況 ... 9 圖.2- 4 樓梯 C 下樓狀況 ... 10 圖.2- 5 樓梯 B 前的護理站 ... 11 圖.2- 6 病房外的走廊 ... 11 圖.2- 7 醫院病房樓層火災煙流示意圖(一) ... 12 圖.2- 8 醫院病房樓層火災煙流示意圖(二) ... 13 圖.2- 9 醫院病房樓層火災煙流示意圖(三) ... 14 圖.2- 10 安養中心 B 區樓層平面圖 ... 16 圖.2- 11 安養中心 C 區樓層平面圖 ... 16 圖.2- 12 安養中心 D 區樓層平面圖 ... 17 圖.2- 13 安養中心 E 區樓層平面圖 ... 17 圖.2- 14 安養中心 C 區後安全門(一) ... 18 圖.2- 15 安養中心 C 區後安全門(二) ... 18 圖.2- 16 安養中心 C 區安全梯丙 ... 19 圖.2- 17 安養中心三樓 C 區志工室 ... 21 圖.2- 18 安養中心 B 區安裝噴流系統示意圖 ... 22 圖.2- 19 安養中心 C 區安裝噴流系統示意圖 ... 23 圖.2- 20 安養中心 D 區安裝噴流系統示意圖 ... 24 圖.2- 21 安養中心 E 區安裝噴流系統示意圖 ... 24 圖.2- 22 百貨商場樓層平面圖 ... 26 圖.2- 23 百貨商場樓層逃生避難示意圖 ... 27 圖.2- 24 百貨商場安全梯 A 與防火門相互干擾狀況 ... 28 圖.2- 25 百貨商場安全門上的突出物頂住門緣 ... 28 圖.2- 26 百貨商場安全門 C 無法關閉狀況(一) ... 29 圖.2- 27 百貨商場安全門 C 無法關閉狀況(二) ... 30 圖.2- 28 百貨商場安全門 D 外部狀況 ... 30 圖.2- 29 百貨商場安全梯 A 外部安裝噴流系統示意圖 ... 32 圖.2- 30 百貨商場安全梯 C 外部安裝噴流系統示意圖 ... 33 圖.2- 31 百貨商場安全梯 B 外部安裝噴流系統示意圖 ... 33 圖.3- 1 避難走廊防煙實驗空間立體示意圖 ... 38 圖.3- 2 避難走廊防煙實驗空間平面示意圖 ... 41 圖.3- 3 FDS 格點配置圖 ... 42

圖.3- 7 Case 10, 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s ... 45 圖.3- 8 Case 1 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=4.2 m/s ... 48 圖.3- 9 Case 3 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=5.3 m/s ... 48 圖.3- 10 Case 5 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=6.3 m/s ... 48 圖.3- 11 Case 7 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=4.2 m/s ... 49 圖.3- 12 Case 9 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s ... 49 圖.3- 13 Case 11 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=6.3 m/s ... 49 圖.3- 14 Case 13 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=4.2 m/s ... 50 圖.3- 15 Case 15 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=5.3 m/s ... 50 圖.3- 16 Case 17 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=6.3 m/s ... 50

圖.3- 17 Case 1 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour ... 53

圖.3- 18 Case 3 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour ... 53

圖.3- 19 Case 5 時間=300 sec., 火源=400kW, 流速=6.3 m/s, 溫度 contour ... 53

圖.3- 20 Case 7 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour ... 54

圖.3- 21 Case 9 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour ... 54

圖.3- 22 Case 11 時間=300 sec., 火源=1MW, 流速=6.3 m/s, 溫度 contour ... 54

圖.3- 23 Case 13 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=4.2 m/s, 溫度 contour ... 55

圖.3- 24 Case 15 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=5.3 m/s, 溫度 contour ... 55

圖.3- 25 Case 17 時間=300 sec., 火源=1.5MW, 流速=6.3 m/s, 溫度 contour ... 55

圖.4- 1 實驗空間配置圖 ... 57 圖.4- 2 機械排煙性能測試 ... 58 圖.4- 3 風管連接至室外風機 ... 59 圖.4- 4 發煙機 ... 59 圖.4- 5 TESTO 熱線式風速計 ... 60 圖.4- 6 DAQ-6029 資料擷取卡 ... 61 圖.4- 7 水平噴流系統之鼓風機與變頻器 ... 62 圖.4- 8 風管連接風機與噴嘴 ... 62 圖.4- 9 線性噴嘴於走廊兩端皆設置一組 ... 63

圖.5- 3 噴嘴 45-45 度對吹實驗配置圖 ... 80 圖.5- 4 400KW 火源大小實驗現場圖 ... 83 圖.5- 5 1MW 火源大小實驗現場圖 ... 87 圖.5- 6 1.5MW 火源大小實驗現場圖 ... 91 圖.5- 7 噴嘴 60-60 度對吹實驗配置圖 ... 92 圖.5- 8 噴嘴 30-60 度噴嘴對吹實驗配置圖 ... 96 圖.5- 9 人員穿越水平噴流系統-1 ... 104 圖.5- 10 人員穿越水平噴流系統-2 ... 104 圖.6- 1 遮煙性能 ... 106 圖.6- 2 水平噴流系統整體建構 ... 107

摘

要

關鍵詞：水平噴流系統、防煙、避難走道 ㄧ. 計畫緣起 採用水平噴流式防煙系統進行避難走廊或區域的防煙設計在日本已開始進行研 究，水平噴流式防煙系統之防煙原理，主要是由避難通道兩側牆壁吹出外氣氣流進行防 煙，本系統所具有的優點為在醫院、安養院等有避難弱者或是地下通道等有大量避難弱 者的場所，不會有妨礙避難者逃生的門或防煙幕等防煙設備。水平噴流式防煙系統與過 去傳統之梯間加壓的防煙設計是不同的，傳統之梯間加壓的防煙設計是指防止從火災室 到非火災空間的煙流出還有防止煙濃度的上升，關於防煙是由壓力差來達到防煙條件的 形式。而水平噴流式防煙系統是從兩側壁的吹出口，斜吹向防煙空間來進行給氣，因為 氣流的動壓在防煙空間的中央會復合補氣，且在吹出口附近區域藉由吹出氣流進行防 煙，包括由防煙空間所對應的防煙開口部，皆能夠達到高信賴的防煙性能。 二. 研就方法及過程 本計畫以實驗研究為主電腦模擬分析為輔，實驗規劃的水平噴流系統是由補氣的供 給而使合成氣流變化來改變防煙性能。這樣可針對於假設火源檢討適當所需的供風量。 而電腦模擬分析將以個案方式，比較實驗結果與電腦預測結果之差異，探討未來採用電 腦輔助設計水平噴流系統應用於避避難走廊或區域防煙之可行性，水平噴流系統防煙效 果的確認和適當的設計參數將是本計畫主要的研究內容。 三. 重要發現 經過實驗數據分析而得知，包括：不同噴流風速、不同火源大小、不同噴流對吹角 度、及有無機械排煙等各種參數，大部份實驗項次，煙流皆無法通過保護區進入逃生樓 梯，但在 60-60 度角對吹及 30-60 度角對吹之情形下，煙流很明顯由火源區進入保護區，

度角呈現最佳防煙及阻熱的效果。 四. 建議事項 本計劃綜合歷次專家學者座談會及報告審查會議之委員建議，提出後續研究發展的 要項如下所述： 建議ㄧ 對於水平噴流式防煙系統進行後續研究與實際測試：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 建議進行後續研究實驗並探討水平噴流式防煙系統於實際應用狀況之可靠度，本年 度研究計畫於實驗室內進行水平噴流煙控系統測試，屬於可控制環境條件的分析與研 究，已將水平噴流煙控系統基礎數據進行系統整理與設計參數之確定，但在實際有大 量避難弱勢人員應用場合，則面臨許多不同個案式之操作參數，水平噴流煙控系統是 否仍能提供所需的煙控性能將於本年度計劃進行驗證及必要的參數修正，因此提出幾 項改善和實驗研究延續案。本實驗為改變原來走道寬度和高度，來實驗水平噴流系統 對較大截面積之走道有效防煙及阻熱效果，機械排煙口位置不變，而CO2 量測點位置 也相同，利用電腦先進行模擬，採取電腦模擬值與實驗值來做對照，驗證水平噴流系 統在相同火源和風速下於較大截面積走道是否具有相同防煙效果。

建議二 研究於安全梯間出入口增設水平噴流式防煙系統：中長期建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 建議改善建築技術規則建築設計施工編第 79-2 條。條文中提到昇降機間出入口裝設 之門非防火設備但開啟後能自動關閉且具有遮煙性能，此處將得以裝設水平噴流式防煙 系統取代之不僅阻擋煙流進入梯間豎穴更利於避難逃生。本研究為模擬醫院、安養院及 其他有較多行動不便之老人及病患區域發生火災，因此逃生門開啟時間與次數也相對較 長，裝設水平噴流系統不但能防止煙流進入梯間，對於火災現場之避難弱者也可爭取更 多時間來避難逃生，此模擬在各對外出入口、逃生梯間及走道兩側加裝水平噴流系統， 防止煙流擴散可爭取較多時間讓人員避難逃生，對濃煙擴散程度也能有效控制。 建議三 研究於地下街、捷運、百貨商場等人口密集處裝設水平噴流式防煙系統：中長期建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 建議改善建築技術規則建築設計施工編第 203 條。條文中提到超過一層之地下建築 物，昇降機間出入口裝設之門非防火設備但開啟後能自動關閉且具有遮煙性能。此處得 已裝設水平噴流式防煙系統取代之且更利於避難逃生。本研究為模擬大空間、高密度人 口區域發生火災，機械排煙隨火災警報器啟動，但捷運與地下商場街位於地表下，排煙 較困難，以致煙流擴散迅速，此模擬若在各對外出入口、逃生梯間及走道兩側加裝水平 噴流系統，防止煙流擴散可爭取較多時間讓人員避難逃生，對救難人員的救援行動也較 有利。

ABSTRACT

Keywords: Horizontal air jet smoke control system, smoke prevention, evacuated corridor

1、Background

Recently, the horizontal air jet smoke control system for applying in evacuated regional or corridor has begun to study in Japan. The theory of horizontal air jet smoke control system is blowing air from the nozzles installed on both sides of the wall to prevent the smoke spread from fire sites. The system has the advantages for using in the hospitals, nursing homes, or underground tunnels places which have a large number of weaker evacuees that will cause trouble by fire door or smoke curtain and other smoke devices. The horizontal air jet smoke control system is different with the traditional design of the staircase pressurization smoke system. The traditional design is pressurized the staircase to prevent smoke from the fire room to a non-fire area and to prevent the concentration of smoke arise. The increase in pressure levels on the fire area is the conditions to achieve the function of smoke prevention. Due to the air dynamic pressure in the corridor, the blowing air on corresponding opening’s area will prevent the smoke from fire sites and to achieve high performance reliable smoke prevention function.

2、Research Method and Process

It is an experimental-based research project and supplemented by computer simulation work. The experimental planning will study the supply air jet parameters’ ranges for preventing the smoke into the staircase or opening. This project may review the appropriate required air volume for some assumed fire sources. The computer simulation results will be compared case by case with the experimental results. The feasibility in the future of using of computer aided design tool for horizontal air jet smoke control system in corridor is examined. The main research goal is to discover the appropriate air volume parameters and smoke

3、Important Research Results

After that analysis of experimental data, including: different jet velocity, different fire sizes, for different jet blowing angle, and with or without mechanical exhaust and other parameters, most of the experimental entry times, smoke flow into the protected areas are unable to escape stairs, but in the 60-60 degree angle of 30-60 degrees to the wind and the blowing of the case, it is clear of smoke from the fire source into the protected area, such as jet system and can not be expected to play a smoke thermal resistance of the resistance function, so we know from the experimental results, 30-degree angle jet system, and can not provide the momentum to prevent lateral flow into the smoke, but the corridor system is set up on both sides of the jet angle to 45 degrees of smoke and heat resistant showing the best results.

4、Main Suggestions

The comprehensive plan and report the previous experts review meeting of the forum members suggested that a follow-up research and development to term as follows:

Recommended Suggestion1:

Amend the existing legal buildings fire evacuation facilities improvements Sponsor institution: Ministry of the Interior Construction and Planning Agency

level of inter-jet system, to prevent the spread of smoke can make people more time for escape refuge , the extent of smoke spread can be controlled effectively.

Suggestion2:

Amend the existing legal buildings fire evacuation facilities improvements Sponsor institution: Ministry of the Interior Construction and Planning Agency

Cosponsor institution: Ministry of the Interior Building Research Institute, county and city governments.

This research simulate when fire happens in a large space or high-density population , the mechanical exhaust starts when fire alarm starts, but the MRT easy mall is located below the surface, it is difficult to let the smoke out, so it will be quickly proliferated. If we put the horizontal air jet smoke control system by the two sides of the hallway, exit , entrance, escape ladders to prevent the smoke proliferate, then we can have more time to let people escape.

Suggestion3:

Experimental and recommended follow-up study to explore the system level jet stream smoke condition in the practical application of the reliability of the current year research project conducted at the laboratory level jet smoke control system testing, is to control the environmental conditions of analysis and research, the level has been jet smoke control system based data system to determine the arrangement and design parameters, but in practice there are a large number of asylum applications vulnerable people, are facing a number of different cases, type of operating parameters, the level of jet smoke control system is able to provide the required smoke control year's performance plan will be verified and the necessary parameters of the amendment, so make a few improvements and experiments made on the continuation of the case. The experiment to change the original aisle width and height, to test the system on a larger level jet cross-sectional area of the walkway and effective smoke and heat resistance

the same, the first use of computers simulation, adopted computer simulation and experimental values were done to verify the system at the same level jet fire and wind speed in a large cross-sectional area of the aisle have the same smoke effect.

Actual test will be considered on-site aisle width, the width and height of the opening parts of the site parameters, and for the evacuation corridor or staircase entrance and other locations, due to mobility evacuation evacuation personnel often need time to open when the characteristics of a complete experimental analysis, to understand the without changing the structural condition of existing buildings, the smoke outside Canada for equipment, function improved smoke effects to enhance the fire occurred in a large number of vulnerable persons place of refuge shelter security.

第一章

緒論

第一節 研究緣起與背景

壹. 研究緣起 隨著時代發展和環境改變、建築技術提昇、人口密度增加、台灣高密度的居住型態 導致建築物皆往大行化、高樓層發展，其中包含辦公大樓、醫院、住宅公寓、展覽館、 百貨公司等，這些場所擁有的共同點就是具有大量的人口，特別是在醫院或是百貨公司 會有許多老弱婦孺等人員，萬一在這些建築物內發生火災，除了火源本身會造成人傷 害，但是對逃生人員最大的影響因素就是＂煙＂。根據國內外火災研究報告顯示，大部 分火災傷亡的人員是被濃煙嗆死而非被火燒死，因當人體感受到高溫立即會逃離此區 域，而濃煙則是會造成避難人員的視覺障礙導致避難逃生困難。濃煙中含有毒性氣體會 使人體機能喪失甚至喪命。根據日本消防白皮書【1】顯示，因濃煙之毒性氣體造成人 員死亡比例約占 40 %，若加上濃煙造成避難人員逃生困難，導致昏迷致死則其比例高達 70 %。根據歐美各國火災死因分析報告【2】顯示，死亡人員之 80 %皆與濃煙毒性有關。 而在火災中煙的危害與火熱造成的危害使人員傷亡的比例約為 6:1，且由於一氧化碳、 二氧化碳、氰化氫等氣體與人體中血紅蛋白的絡合作用很強，使氧氣失去了與血紅蛋白 的絡合作用，人會因缺氧而導致死亡，根據以往在國內外發生的建築火災中，火災時因 缺氧、煙氣侵害而造成的人員傷亡可達火災死亡人數的 50—80%。由此可以見得煙的殺 傷力遠高於熱的傷害，且在火災時管道間往往會成為煙流垂直流動的管道，這是由於管 道間之維修門或其本身之壁體未具備良好之防煙性能，所以會使煙流藉由煙囪效應而四 處流竄至各個非起火區域，進而造成逃生時的困難及人員傷亡，所以確保避難走廊的防 煙性才能創造出良好的避難路徑以利人員逃生。 貳. 研究目的 國內常見大樓內的緊急逃生路徑多是藉由防火門設置於排煙室與避難路徑間來建

情境下之壓差時，具有漏煙通氣量不超過規定值之能力。且最新 98 年 01 月 05 日修正 的建築技術規則設計施工編中第 79-2 條、97 條、99-1 條、203 條、242 條中提到，無 論是緊急昇降機前空間或是安全梯出入口之防火設備 必須具備防煙性能。在傳統設計 中用於防火區劃之防火設備，其防火性能面臨到改革與精進，其中又以防煙性能之法規 要求為新趨勢。國內目前法規對於豎穴防煙的要求與設備工法相對薄弱，尤其是使用中 的建築物之梯間及逃生出口及避難走廊，往往是煙流水平和垂直擴散之必經路徑，雖然 現階段有採用梯間加壓的方式，防止濃煙進入梯間或排煙室，但由於國內的前室（安全 區劃）空間的非正常使用，常常造成防火門無法如預期關閉，因此造成梯間加壓防煙容 易失效，而且梯間防煙需針對整棟建築物之樓梯空間進行加壓，往往造成設備費用龐 大，管路設備空間也相對增加，因此對於業主是一額外負擔，且在使用中的建築物，根 本無可再加設風管、風機所需的空間，因此本研究針對水平噴流式防煙系統應用於避難 走廊或區域，探討其防煙性能參數及可行性，希望能提出建築物結構體可容易安裝不佔 空間且有效的防煙系統，達成使用中建築物或新建建築物以更經濟有效的防煙方式，提 升其避難走廊及出口之安全性。

第二節

研究方法

水平噴流防煙系統最主要的概念是將空間加壓之作法加以區域化，也就是將所欲防 煙的區域設置水平噴流之外氣給予一定之壓力，防止濃煙流入避難走廊或所欲防護的避 難區域，而非起火區域之噴流設備不需全部啟動。此部分的工法可完全克服目前國內梯 間防火門經常不關閉而造成加壓防煙失敗的問題，水平噴流防煙設計示意圖，如圖.1-1 所示。 火 災 室 走 廊 高 保 護 空 間 [ 側 視 圖 ] 給 氣 噴 嘴 遮 煙 空 間 火 災 室 走 廊 寬 保 護 空 間 [ 俯 視 圖 ] 給 氣 噴 嘴 逃 生 門 圖.1- 1 水平噴流防煙系統之防煙功能示意圖 (資料來源：本研究整理) 為達以上之功能，許多水平噴流的防煙設計及功能參數須加以研究驗證，包括排煙 設備對防煙之影響及噴流角度及外氣量範圍等參數。因此本研究將以數值模擬研究為 主，希望未來可採用電腦輔助來設計噴流系統，確認其防煙性能，而不須再反覆進行耗 時、耗工的實尺寸實驗。

第三節

文獻回顧

早期建築物內之防排煙系統設計不論是垂直豎穴或水平區劃防煙皆是以垂壁或實體 門牆達到防排煙功能。到了 90 年代的期間，對於垂直豎穴加壓防排煙系統的想法與概念 已經被某些國家所普遍應用，如中兵慎司等人【3】發現日本辦公大樓已經普遍使用梯間 加壓的方式來保護安全梯，在當時也被納入建築物的安全評估當中。為了研究與證實梯 間加壓防煙的效果，便實際於大阪市一棟地下三層至地上十四層樓的高樓建築物進行研 究。研究內容針對高樓建築物中兩座樓梯與兩座電梯垂直豎穴的不同進氣量來量測樓梯 間的溫度、與前室之間的壓力差、門縫間隙所產生漏氣量、安全門開關的壓力損失、排 煙位置…等，多種假設與實驗來進行瞭解梯間加壓的防煙效果。 在 2004 年的時候，有些學者對梯間加壓的防煙系統提出一些想法【4】。這些想法 包含了梯間加壓系統容易受到安全門未關閉而無法穩定於一預期的壓力，防火門於人員 逃生過程中開啟與關閉容易影響阻煙能力，必須計算並有效的控制梯間區域的進氣與前 室的排氣量方能形成一穩定壓差…等缺點與問題，使得採用空氣幕來阻隔濃煙的想法被 提出而且開始進行研究與實驗。首先，利用了上下進氣的方式來製造一空氣幕來達到防 煙效果之實驗。實驗中包含三組不同角度(切線方嚮往火災方向吹出 20°、45°和 70°)、 兩組不同的風速及不同火災溫度來進行實驗。結果顯示空氣幕吹出的角度與垂直方向夾 較大角度的遮煙效果較好並且需要經過調整才能使火災空間的濃煙被吹往地面時較不會 流向非火災區域。在火災區域的排煙設備是需要的，並無法單靠空氣幕的遮煙。在未來 的課題將可以深入探討其煙流的控制。 到了 2006 年之後，原 哲夫及嵐城太郎等日本學者利用 2 年的時間，從提出水平噴

升，並且於在較高的補氣風量下有明顯的遮煙與隔熱效果。 隔年 2007 年，中兵慎司等日本學者再次提出水平噴流防煙系統的相關文獻【6】。 於 2006 年的初步實驗中已經證實水平噴流防煙系統有一定的效能後，同一研究團隊深入 對 CFD 的模擬計算，火災空間與保護空間的壓力差與在火災空間加入排煙風機進行實 驗。研究外型上沿用了於 2006 年所提出的形狀，尺寸上並沒有太大的差異，排煙風機裝 設於天花板較靠近走廊火災區的盡頭，而火源則放置於地面較靠近水平噴流系統。實驗 項目中包含兩組不同的進氣量與三組不同的排氣量進行實驗，實驗結果顯示由保護區域 到走廊空間中所產生的壓力差與補氣量是無關的，保護區域的壓力會比火災區域壓力僅 會高一點，證明並不會由於過大的壓力差造成避難上的阻礙。在 CFD 的計算方面已經研 究出與實際實驗相符合的關係與趨勢，但是對於準確度的執掌控仍成為了日後的課題。 在同一年當中也另外提出於保護區預測定 CO2濃度、走廊換氣能力與避難人員通過 水平噴流防煙系統對遮煙效果的影響進一步實驗【7】。此次實驗外形上沿用 2007 年所 提出的外形並且於保護空間的盡頭離地高度 125 公分處開一圓孔進行 CO2的樣本採集。 CO2的採集點位置有：排煙風機的吸入口、保護空間的中心點與保護空間盡頭所開的孔… 等。實驗結果顯示出此三個位置的取樣點中 CO2的濃度皆有升高，但是將火災空間與保 護空間的 CO2濃度上升值拿來相互比較後，可得到保護空間的 CO2濃度上升值是相對的 低。藉由三組不同的風速進行試驗時，可發現風速越低的情況下遮煙效果將明顯的下降 甚至無法抵擋濃煙的侵襲。藉由換氣量的實驗當中得到，於給氣風量於 15,000 m3 /h 與 18,000 m3 /h 的時候，在二分鐘內 CO2的濃度就會被衰減完畢。在人體通過水平噴流防煙 系統的判定中，藉由 CO2的濃度增加來斷定對於系統遮煙性的影響，結果中顯示人員經 過水平噴流防煙系統時並不會強烈的影響遮煙效果。 學者們認為水平噴流防煙系統已經有足夠的實驗資料與模擬經驗後，於 2008 年的時 候發表了系統若延後啟動對於保護空間的影響【8】。在實驗過程上，將火盤點燃後於 2 分鐘後才啟動水平噴流防煙系統，並藉由量測溫度與 CO2濃度來評定保護空間的安全狀 況。由實驗結果中指出，藉由水平噴流防煙系統的啟動，可以抑制火災室的濃煙侵入到 防護空間內，且藉由換氣效果可以確認防護空間的煙會被排到火災室(走廊)。在啟動水 準噴流防煙系統的三分鐘後，從原本未啟動系統前保護空間溫度與初始溫度的溫差為 84

6000ppm 衰減至約 100 至 200ppm，有著顯著的成效【9】。

從以上相關文獻探討結果發現水平噴流式系統對於避難走廊或區域之防煙性能有一 定之效果。因此本研究將參考國外技術，建立起水平噴流式防煙系統之模擬設計能力， 希望能提供國內防煙系統一種創新的工法與技術，不僅達到有效防煙且更有助於避難弱 者避難逃生之防煙系統。

第二章

避難弱勢場所防排煙現況及改善

第一節

醫療院所

壹. 實地訪查 本研究中，對醫療院所進行了調查與探勘的工作，並實際於南部某醫院進行相關 察看。該院總病床數超過五百床，佔地面積達到三萬六千多平方公尺。在探訪的過程 當中，瞭解到此醫院是由舊大樓與一新蓋的大樓結合成一棟醫療大樓使用。因為舊大 樓與新大樓的建立時間不同，在此醫院中不免發現舊大樓與新大樓的差異，如圖.2-1 所示。 圖.2- 1 醫院樓層平面圖 (資料來源：本研究整理) 護 理 站 病 房 病 房 病 房 病 房 病 房 機電室 污衣室 配膳室 電 梯 電梯 電梯 值 班 室 病 房 病 房 護理站 病 房 病 房 病房 病房 污 衣 室 配 膳 室 電梯 電梯 看護 中心 病 房 病 房 醫師 研究室 醫 品 室 護 理 部 外包 清潔 公司 女廁 男廁 電梯 電梯 病 房 護理部 護理站 _製劑室化療 醫師 研究室

樓梯如圖.2-2 所示。此五支樓梯僅有樓梯 A 樓梯擁有防火門可以稍微阻隔熱輻射與濃 煙的侵襲，其餘的三支樓梯 是沒有任何的防護措施與保護。其中樓梯 E 為手術室逃 生使用，於病房樓層封閉無法使用。當火災發生時，如沒有任何的防護設備必將使火 災濃煙透過窄長的走廊，水平擴散至火災樓層的各個區域，並侵襲於人員休息的區域 或辦公處，如；手術室外部的家屬等候區或病房的護理站。一旦濃煙流竄到樓梯間時， 樓梯如沒有任何防護的情形下，將因為煙囪效應的關係而流竄到其他樓層形成垂直擴 散的情形，此狀況也將對其他樓層的病房患者、家屬與護理人員造成生命上的威脅。 護 理 站 病 房 病 房 病 房 病 房 病 房 機電室 污衣室 配膳室 電 梯 電 梯 電梯 值 班 室 病 房 病 房 護理站 病 房 病 房 病房 病房 污 衣 室 配 膳 室 電梯 電梯 看護 中心 病 房 病 房 醫師 醫 品 室 護 理 部 外包 清潔 公司 女廁 男廁 電梯 電梯 病 房 護理站 _製劑室化療 醫師 研究室 A B _C D E

此醫院第三樓層以上為病房空間，按照不同的科別於每個樓層的患者也不盡相 同，病房樓層的格局大致雷同，由樓層平面圖.2-2，可清楚瞭解樓梯口便是護理站。 樓梯沒有任何的防護下，火災時所產生的濃煙一旦侵襲樓梯時，就會藉由煙囪效應垂 直擴散到各個樓層，如圖.2-3、2-4 所示，而首當其衝的影響護理人員的安危，也減 少了一支可以用來逃生避難的樓梯。許多病患因無法以較低的姿勢貼近地面或正常行 走來進行逃生避難，在避難上屬於弱勢需要更多的心力來協助逃難。 護理站是一重要提供避難資訊並協助指揮該樓層避難的重要區域，若護理站經濃 煙侵襲，人員無法於護理站得知逃生訊息，也將使得逃生人員漫無目標的隨意奔跑、 擦撞與推擠，使火災現場更加混亂而導致救災上的困難。若濃煙一旦於樓梯間堆積， 逃生避難人員也就無法再使用此樓梯進行避難，而靠近充滿濃煙的樓梯的逃生避難人 員(如：病患、家屬、醫護人員...等)則必需要選擇更遠而未受到侵襲的樓梯進行 逃生，反而拉長了所需要的逃生距離。此一情形不但造成病患逃生的不便，也使得病 患將耗費更多、更長的時間在逃生避難。使得原本就為逃生弱勢的病患，增加不少其 逃生的困難程度。 圖.2- 3 樓梯 B 上樓狀況

圖.2- 4 樓梯 C 下樓狀況 (資料來源：本研究整理) 當火災濃煙開始垂直擴散至其他樓層之病房時，因為護理站與樓梯、電梯為互相 面對的，所以首先將影響護理站並隨之又向雙方走廊侵襲如圖.2- 5 所示。然而，走 道的狹長外型(圖.2- 6)無法提供大量人員同時疏散，也因濃煙容易堆積與熱浮力的 不足而沉降，避難人員在逃生時較容易遭受濃煙的威脅。由於走道的狹小，一旦火勢 由走廊引起或蔓延至走廊時，則此一逃生通道便無法順利通過避難人員，濃煙也向著 走廊的雙方擴散，侵襲同樓層的兩個護理站(圖.2- 7)。對於病房中的病患，將是一

圖.2- 5 樓梯 B 前的護理站 (資料來源：本研究整理)

圖.2- 6 病房外的走廊 (資料來源：本研究整理)

圖.2- 7 醫院病房樓層火災煙流示意圖 (資料來源：本研究整理) 貳. 水平噴流防煙系統之應用說明 若能有效的於火災時控制其所產生的濃煙並且妥善保護特定空間不受濃煙的侵 襲，護理人員將會有更多的時間幫助需要護理人員來進行逃生的避難弱者【10】(如： 需攙扶、輪椅使用者、推病床...等)，更可以為避難弱者在逃生上爭取更多的時 間來進行逃生，以增加其避難的安全性。 若水平噴流防煙系統能有效的運用在醫院的某些特定區域，將提升其醫院逃生避 難的安全性。以本研究團隊所探訪的醫院為例，可能因為原有的舊大樓與新大樓的合 併，使得舊大樓的樓梯不像新大樓的樓梯有防火門的防護，濃煙的侵襲是很容易垂直

病

房

值

班

室

病

房

病

房

護理站

病 房

病房

病房

污 衣 室 配 膳 室 電梯 電梯

病 房

保護

區域

濃

煙

濃

煙

圖.2- 8 醫院病房樓層火災煙流示意圖 (資料來源：本研究整理) 假設火源發生於手術室樓層上如圖.2-9 所示，若使用水平噴流防煙系統來保護手 術室外的家屬等候區域亦將使得手術室的保護更為完善。濃煙藉由水平噴流防煙系統 的阻隔，無法大量進入到手術室內影響其內部的病患與醫護人員。此時醫護人員可爭 取更多的時間來幫助手術室內正在手術或於恢復室中的病患病患脫離災害現場。

圖.2- 9 醫院病房樓層火災煙流示意圖 (資料來源：本研究整理) 使用水平噴流防煙系統時，因為濃煙無法進入保護區域使得搭乘電梯時不會因為 電梯所造成的活塞效應而使得濃煙擠壓到其他樓層，濃煙也不至於進入電梯影響搭乘 的人員。對於必須躺臥於病床上的病患，在逃離災害現場上將是很便利且方便的方 式，減少了避難逃生所需要耗費的時間。 在醫院安裝水平噴流防煙系統，可應用於病房樓層的護理站，將護理站、樓梯與 電梯保護住，使得濃煙無法透過梯間而形成垂直的流竄。護理站也可以使重病患者或 病 房 手 術 室 麻 醉 科 恢 復 室 心 導 管 室 麻 醉 前 諮 詢 室 祈 禱 室 男 廁 電 梯 電 梯 電 梯 家 屬 等 候 區 濃 煙

第二節

安養中心

壹. 實地訪查 針對避難弱勢的年長者，本研究團隊選擇位於中部某老人養護中心進行勘查與分 析。此老人養護中心建築物佔地約 1.8 公頃，包含行政區域、醫療保健區、服務區及 院舍區。其中，院舍區又劃分為平房式院舍與公寓式院舍。由於公寓式院舍區在逃生 避難時有上、下樓層的狀況，較平房式院舍複雜。所以，本節將針對公寓式的安養中 心院舍區域進行研究與說明。 民國八十七年元月十五日淩晨，位於新北市的「慈民安養中心」發生的火災事件 中，消防檢討報告清楚的指出罹難人員距離出口僅不過十餘公尺，卻無法自行脫逃出 火場的狀況。此一訊息顯示出老人安養中心的院民幾乎無法靠著自己的力量脫困火 場，而是需要其他的人力與更安全的空間區劃來使院民有更多避難時間等待他人的協 助。 本團隊所探訪的安養中心內，其公寓式院舍分成 A、B、C、D、E 五個區域，又因 為 A 區域多屬行政區域，所以重心將擺放於院民所居住的 B、C、D、E 四個區域。於 B、 C、D、E 四個區域中，院民擁有的安全梯分別為安全梯甲、乙、丙、丁、戊、己、庚， 共七座安全梯如圖.2- 10 至圖.2- 13 所示。其中， a、b、c、d 為室外緩降機，B 區 與 D 區分別擁有一座與兩座電梯如圖.2- 10 與圖.2- 12 所示。

女廁 復健室 復健室 復健室 辦公室 男廁 大 禮 堂 復健室 A區 C區 甲 乙 a 圖.2- 10 安養中心 B 區樓層平面圖 (資料來源：本研究整理) 房間 房間 房間 房間 房間 交誼廳 交誼廳 天主教 教堂 基督教 教堂 B區 丙 丁

樓層平面圖

C 區

隔離房 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 淋浴間 庫房 辦公室 交誼廳 C區 E區 戊 己 c

樓層平面圖

D區

圖.2- 12 安養中心 D 區樓層平面圖 (資料來源：本研究整理) 隔離房 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 庫_房 交誼廳 餐廳 D區 庚 d

樓層平面圖

E區

圖.2- 13 安養中心 E 區樓層平面圖 (資料來源：本研究整理)

雖然此安養中心設計了十一座安全梯，但實際上並非每一座安全梯 可以使用。國內 許多安全門的前室因為沒有正當的使用而造成逃生上的阻礙，此安養中心便是一個實例。 本研究團隊拜訪過程中，發現此安養中心於安全門口堆放垃圾與雜物，如圖.2-14 與 圖.2-15 所示。此一狀況在火災發生時，照護人員不但需要輔助老人脫逃火場，還必須注 意對放於地上的雜物與垃圾，不但阻礙了避難行經路線，更增加了逃生所需要的時間。避 難人員在逃生過程中也容易受地上的雜物絆倒而導致更嚴重的傷害。然而，一旦火勢蔓延 到此處時，將會燃燒堆放於安全門口的雜物與垃圾造成更大的火勢，在逃生避難時將無法 再使用此安全梯作為逃生避難使用。各樓層樓梯口皆設置了防止老人跌落的鐵欄杆如 圖.2-16 所示。鐵欄杆的設置有效的防止老人乘坐輪椅時摔落樓梯，但是於火災發生時也 相對的增加避難所需要的時間。養護中心的老人通常需要他人背負或抬起來進行避難，為 使老人得以順利逃脫火場勢必需要花費更多的時間來避開此鐵欄杆的阻礙。若於逃生時被 此鐵欄杆絆倒，將會使人員在逃生上更加危險與更嚴重的傷害。若在安養中心在防煙區劃 上有一安全的緩衝區域可以使院民進行等待救援，必能使院民更安全的脫離火場與更多的 時間進行避難，增加院民在逃生避難時的安全性。

圖.2- 15 安養中心 C 區後安全門(二) (資料來源：本研究整理)

圖.2- 16 安養中心 C 區安全梯丙 (資料來源：本研究整理)

國內許多空間區劃並沒有正確的使用，使得於逃生避難時造成了不必要的困難 與耽誤了逃生的時間。在此安養中心內，位於二樓 B 區的大禮堂與位於三樓的志工室 如圖.2- 17 所示，平時皆上鎖無法進入其空間。當火災發生時，因為慌亂而容易疏忽 開啟大禮堂或志工室的門來進行避難，院民的逃生動線上便無法使用此區域的安全梯 也無法於該空間內進行等待救援，逃生避難的困難度也相對增加。

在老人安養中心發生火災時，最令人憂心的莫過於過多的老人沒有足夠的人力與 時間來進行避難。尤以在安養中心內的老人對於上下樓梯最為不便，若此時安全梯前 又擺放雜物將使得院民容易被絆倒或無法進行避難。安養中心的院民屬於火場中的避 難弱勢者，於安全梯中的避難區要更多的人員輔助逃生，更需要妥善的規劃與安排一 安全的緩衝空間，使院民可以有較長及較安全的等待時間與空間。 水平噴流防煙系統可以區劃一大空間做為保護區域如圖.2- 18 所示。在老人安養中心 內，許多院民因為乘坐輪椅或需要他人攙扶行走而在避難上需要花費更多的心思。此時若 在 B 區域規劃一等待救援的空間，將對該區域附近的院民提供ㄧ處較為安全的緩衝空間。 當面臨火災發生時，位於 B 區域內的院民可以由他人的協助與引導至保護區域內進行等待 救援，爭取更多的避難時間來等待他人的協助。於保護區域內因含有緩降機與安全梯，一 些可自行緩慢移動的院民能於安全的條件下自行避難，減低人員受濃煙侵襲的可能性。

濃煙

男廁

女廁

a

大 禮 堂

(保護區域

)

在院舍的區域內，水平噴流防煙系統可以安裝於院民所居住的房間外走道前後，進而於火 災時保護院民於房間內的安全如圖.2- 19 至圖.2- 21 所示。在此安養中心的結構當中 A 區、B 區、C 區、D 區、E 區皆由走廊串連一起。當火災發生時，煙流會藉由此連接的走道侵襲其他各 區域，若將水準噴流防煙系統保護院民所居住的房間時，即可讓院民在原有的房間等候救援。 在各樓層的安全梯前安裝水平噴流防煙系統也使得於火災發生時，濃煙不至於侵襲藉由安全梯 逃生的人員進而防止濃煙藉由安全梯垂直擴散於其他樓層。 當房間受到保護後，在辦公室的人員將能引導院民們由樓梯丙、己、庚進行逃生避難，此 一方式將使院民可以在相對安全的環境下進行逃脫，也增加了輔助院民逃生的人員，擁有更多 的時間協助院民。保護樓梯戊(圖.2- 21)剛好可以使位在 D 區與 E 區走道上的人員就近進行避 難逃生，在水平煙流防煙系統的保護下該樓梯也不至於受濃煙侵害而無法使用。 在老人安養中心普遍存在的現況就是院民的逃生速度無法如同青壯年一般快速，院民於避 難過程當中須要他人的輔助並且比起青壯年要來的艱難。在人員的配置過程中需要有足夠的人 力來輔助逃難，而水平噴流防煙系統卻正好增加了一處緩衝空間可以使院民於安全的範圍內等 待救援並保護樓梯不受濃煙侵襲，使院民有更多的避難時間，更安全的等待空間。 庫房 隔離房 房間 房間 房間 _{觀察房 庫房} 辦公室 房間 房間 房間 房間 房間 交誼廳 交誼廳 天主教 教堂 基督教 教堂

丙

丁

b

濃煙 濃煙 濃煙 保護區域 圖.2- 19 安養中心 C 區安裝噴流系統示意圖 (資料來源：本研究整理)

隔離房 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 房間 淋浴間 庫房 辦公室 交誼廳 戊 己 c 保護 區域 保護區域 濃煙 濃煙 濃煙 圖.2- 20 安養中心 D 區安裝噴流系統示意圖 (資料來源：本研究整理) 圖.2- 21 安養中心 E 區安裝噴流系統示意圖 (資料來源：本研究整理)

第三節

百貨商場

壹. 實地訪查 本研究針對南部某百貨商場進行了調查與探勘。此百貨商場單層樓地板面積約為 兩千兩百平方公尺，地下兩層至地上六層為百貨商場，地上第七層至三十八層為飯店 與餐廳，地下三層至五層為百貨商場與飯店的共用停車場。本節將針對百貨商場進行 現況說明。 本研究團隊所探訪的百貨商場中，其避難所需要通過的安全梯共有 A、B、C、D， 共四座(圖.2- 22)。其中，要到達安全梯 A 與 D(圖.2- 23)則必須先經過一電梯梯廳， 而安全梯 B 與 C 是與購物區直接以安全門區隔，並無像安全梯 A 與 D 有另外的梯廳做 為緩衝空間。當百貨商場發生火災時，商場內擁有大量的易燃物所以相對的會產生較 大量的濃煙，尤其以假日尖峰時刻人潮湧入時更顯得混亂，逃生難度與混亂程度也隨 之增加了許多。火災發生時，若安全門經過大量的逃生避難人員時，安全門便很難時 時刻刻保持關閉的狀態。濃煙也就容易趁開啟時而侵襲安全梯或手扶梯區域。當安全 梯或手扶梯間受濃煙侵害時，逃生上就又顯得艱難不易了。百貨商場內的人員也相對 較為複雜，由嬰幼兒、青年、中年直至老年皆有可能在百貨商場內，在逃生避難的規 劃上也必須多費心於避難弱勢人員的身上。

圖.2- 22 百貨商場樓層平面圖 (資料來源：本研究整理) A/C A/C A/C 倉庫 電 梯 電 梯 電 梯 UP Down UP Down 倉庫 電 梯 電 梯 電 梯 A B C 電梯 電梯 電梯 電梯 D E F

圖.2- 23 百貨商場樓層逃生避難示意圖 (資料來源：本研究整理) 此百貨商場的安全梯 A 中，存在著防火門與安全梯相互干擾的狀況如圖.2- 24 所示。火災發生時，防火門的開啟將推擠到將由安全門離開的避難人員。在火場慌亂 中，很容易造成人員的跌倒與後方避難人員的踩踏，使得逃難過程更為混亂與困難。 雖然安全梯 A 的外部擁有一梯廳作為緩衝空間，但是由於此防火門與安全門相互干擾 的設計現況，將不一定使得逃生避難過程更為順利，可能將使得此區域造成擁塞與阻 礙。當濃煙一旦進入防火門外的三座電梯時(圖.2-23 )，藉由電梯的活塞作用或煙囪 效應將使得濃煙被推擠或垂直擴散至其他樓層，使得其他樓層同區域的梯廳也依然遭 受濃煙的侵害。 按法規要求百貨商場之安全門設置必須為單向外開式開啟並且須具備自動關閉 的功能，而此百貨商場有部分安全門卻無法確實關閉。在探訪的過程中發現清潔人員 或專櫃人員經常使用安全梯來上下樓層或於安全梯間的空間休息。本研究團隊推測為 了得以自由進出安全梯則故意使安全門無法正常關閉，此方式將於火災時影響安全梯 之安全。

圖.2- 24 百貨商場安全梯 A 與防火門相互干擾狀況 (資料來源：本研究整理) 有一部分安全門無法關閉的原因為安全門上有兩支突出物如圖.2- 25 所示，並使 其中一支突出物撞在另一面安全門上讓安全門無法順利關閉。在探訪過程當中發現撞 擊的部分已經鏽蝕，此狀況似乎已經存在多時。本研究團隊也嘗試旋轉此突出物來關 閉安全門，但是卻無法使用人為的方式關閉，安全門還是無法自動關閉，也變成了火 災發生時的隱憂。當濃煙流竄至此處時，安全門的開啟將使濃煙非常容易的由此間隙 流入安全梯內，而侵襲安全梯內的逃生避難人員。

另一部份是故意利用安全門的門緣將安全門卡住，使安全門無法順利關閉如 圖.2- 26 所示。此百貨商場的左右兩片安全門扇中，應當先關閉右扇的安全門再關閉 左扇的安全門，而門緣的部份剛好可以遮蔽左扇門與右扇門中間的門縫空隙。但是如 同本研究團隊的推測，因為有人員經常利用安全門進出，而故意使用本來為填滿中間 空隙的門緣將安全門卡住造成無法正常關閉。此處的安全門應該由左扇門進出(圖.2- 27)並且於門外貼有請隨手關門字樣於左扇門，但是當本研究團隊嘗試協助正常關閉 安全門時，發現此安全門的左扇門無法推動。此狀況於火災發生時將增加逃生避難的 困難，延長了人員所需要的疏散時間也增加了其危險性。當火災發生時，若安全門無 法緊閉將容易造成濃煙流竄至安全梯。安全梯一旦受到濃煙侵襲時，經由安全梯避難 的人員將增加其逃生避難的困難度。 圖.2- 26 百貨商場安全門 C 無法關閉狀況(一) (資料來源：本研究整理)

圖.2- 27 百貨商場安全門 C 無法關閉狀況(二) (資料來源：本研究整理) D 處的安全門前面設計為商家如圖.2- 28 所示。當火災發生時，陳列的商品與 商品櫃將成為避難人員的障礙物，若避難人員眾多時則容易因為人員的推擠使商品散 落一地，不但造成人員跌倒受傷，也可能會絆倒於後方的逃生人員，更容易因為商品 架的撞擊而造成傷害。若銷售商品為易燃物(如：衣服)則當火勢蔓延至此區域時，將 會迅速的在安全門前引起大火，使得人員無法通往安全門來進行逃生避難，如同虛設 了此安全門一般。

貳. 水平噴流防煙系統之應用說明 在此百貨商場中，普遍存在著安全門不當配置與使用的問題。在人員眾多的百貨 商場內，於火災發生的同時必須能夠有效的通過安全門到達安全梯進行避難，來確保 人員於此建築物內的安全性。當逃生人員人數較多時，安全門因為人員的通過而經常 長時間的開啟而使濃煙進入到安全梯內，危害安全梯內的避難人員安全。倘若可以有 效的於安全門外做一防、阻煙的規劃，濃煙將更不容易侵襲至安全梯甚至解決了因為 避難時所需長時間開啟安全門的需要。 以安全梯 A 而言，水平噴流防煙系統可安裝在進入電梯的梯廳前如圖.2- 29 所 示。在梯廳甲的區域並沒有防火門阻隔來自外面的濃煙侵襲。倘若此時規劃一水平噴 流防煙系統來保護此區域，就得以爭取更多的時間保護梯廳甲不受濃煙侵襲，讓大量 的避難人員可以於此較安全也較為寬廣的區域進行等待進入安全門或救援。梯廳乙的 區域，除右側防火門以外若再裝設水平噴流防煙系統來相互補強，肯定可以大大提升 此區域的安全性，減去了受濃煙的侵襲。內部電梯將因為濃煙無法侵入而不會藉由活 塞效應造成垂直擴散到其他樓層。使得於逃生避難時，若有行動較不方便的避難弱勢 (如：老人家、身障人員、嬰兒...等)得以使用此區域之電梯輔助逃生。

電梯

電梯

電梯

倉庫

電梯

電梯

電梯

A

保護

區域

梯

廳

甲

梯

廳

乙

濃煙

濃

煙

濃

煙

圖.2- 29 百貨商場安全梯 A 外部安裝噴流系統示意圖 (資料來源：本研究整理) 在此百貨商場還有安全梯 C 的區域可利用水平噴流防煙系統來阻隔濃煙如圖.2- 30 所示。安全梯 C 的區域較為特殊，其一邊是安全梯，一邊是緩降機。因清潔人員與

圖.2- 30 百貨商場安全梯 C 外部安裝噴流系統示意圖 (資料來源：本研究整理) 在安全梯 B 的位置，僅要稍微修改也是非常適合使用水平噴流防煙系統的地方。 原本安全梯 B 的安全門直接緊鄰專櫃商店並且沒有任何緩衝空間的設計如圖.2- 31 所示，若今日將安全門右側加隔一耐熱材料使其在安全門前規劃出一空間，並裝設水 平噴流防煙系統形成一保護的小區域，將使得安全梯更有效的將濃煙阻隔在外。尤其 像此百貨商場並無安裝梯間加壓設備，其水平噴流防煙系統將輔助以增加其安全梯之 安全性。 A/C B 保護 區域

火災當時於樓層中有大量的顧客與員工進行逃生時，逃生人員不斷的通過安全門會使 得安全門無法長時間關閉。水平噴流防煙系統延長了人員的避難時間也增加了其逃生 時的安全性。人員多了等待救援的空間、時間，必要時也得以利用電梯來疏散行動不 便的人員。在沒有梯間加壓的場合，水平噴流防煙系統將可以幫助防煙並且以局部加 壓的概念來做區劃也較為節能。

第三章

水平噴流防煙系統之數值模擬

第一節

FDS 模擬軟體簡介

壹. FDS 發展與介紹

本研究將採用美國「國家標準和技術研究院」(National Institute of Standards and Technology) 所 發 展 出 的 計 算 流 體 力 學 (Computational fluid dynamics)軟體── Fire Dynamics Simulator(以下簡稱 FDS)來進行電腦模擬。FDS 是一開放原始碼的軟體，從第一版本至今已經有十年的經驗並且歷經了多次的改版與 修正，其主要是以統禦方程式(governing equations)來分析流場流動的情形。適合 使用的範圍包含低流速下的流動與火源燃燒所產生的熱傳問題和熱浮力所推動的流 體問題。在計算質量、動量、能量守衡方程式的偏微分項是使用有限差分法的數學方 法逼近；熱輻射計算是採用有限體積法求解；煙的流動則是使用 Lagrangian particle 的方式來模擬。 SMOKEVIEW 為 FDS 的所附帶的後處理軟體，主要功能是將計算結果圖像化，如： 將結果顯示成 Contour 圖像或向量場。近幾年來，作者 Glenn Forney 將 SMOKEVIEW 加上火源與濃煙視覺化的新功能，使得計算結果看起來更為真實。就某種意義來說， SMOKEVIEW 是一套可以表現出三維空間計算結果的軟體，將火與濃煙視覺化的部份是 一般的軟體所無法完成的。

FDS 對於時間與空間的計算結果精確度達到 second order 的程度。因為在紊 流流場內的雷諾數較大，在計算上無法使用 DNS 的方式進行運算，所以預設的計算模 式是使用 LES(Large Eddy Simulation)的模式，倘若需要使用 DNS(Direct Numerical Simulation)的模式計算，則必須將格點距離縮小才不至於計算時發生發散。FDS 擁有 幾項限制與假設：低流速、矩形外形、燃料均勻混合、火源與氧氣反應速度無限快。 低流速的假設是因為 FDS 強調的計算對象為煙流與火源的熱傳問題並不計算音速流， 在噴嘴內的阻流(Choke flow)與爆炸狀況。矩形外形的限制是要提高 FDS 在計算上的

貳. FDS 計算過程之重要公式 Conservation of mass b m t



_

 _{    }  u 

(3.1)

方程式(3.1)中，

m



b _{項是表示由液滴或微小粒子(partical)的物質產生率}

(the production rate of species)。

Conservation of Momentum

(

)

p

g

f

_{b ij}

t











 

  

  



u

uu

(3.2)

方程式(3.2)中，uu 為一並矢張量(dyadic tensor)是一個以特別標記法寫出 的二階張量，是由成對的向量並置形成的。Fb 項為流體外在所施的力，如由液滴所形 成的阻力。τij 是剪應力。 Conservation of Energy ( h_s) h_s Dp q q_b q t





Dt



 _{         }  u   

(3.3)

方程式(3.3)中，

h

s_{表示顯焓為溫度的函數。}

q



_{是由化學變化所產生每立方體}



Equation of state

( , )

/

m

p

z t

T R

Y

_

W

_ 







_(3.4)

在低流速與固定焓值得架設下方可簡化成方程式(3.4)。其中，壓力僅為高度與 時間的數值是因為已經將空間中的壓力 P(x,y,z)代換成空間中的「平均」壓力。

W

 為各物質的莫耳分子量，R 為通用氣體常數(universal gas constant)。

第二節

空間外形與配置

壹. 外形尺寸 水平噴流防煙系統將參考日本大成建設所提出之外形尺寸作為模擬雛型並作細 部更改以較符合台灣走廊的建築物。水平噴流防煙系統的模擬空間是於一長 11 公尺、 寬 2 公尺、高 2.5 公尺之外形空間進行數值模擬。數值模擬中又將空間區分為火災 區、遮煙空間與保護空間三部分。遮煙空間係介於火災區與保護空間之間，並設置兩 對噴流出風口於壁面。分別以不同切線方向夾角，向走廊火災發生的方向噴出空氣形 成一道噴流，使得火災發生時所產生的濃煙控制在火災區域內，進而使保護區域有較 長時間與較為安全的條件進行避難。走廊空間裝設一排煙風機用來模擬實際建築物中 於前室空間的排煙設備。如圖.3-1 所示。 貳. 數據擷取 本電腦數值模擬將於電腦模擬計算之空間的火災區域、排煙風機吸入口前與保護 區域的特定位置分別截取風速、溫度、壓力、二氧化碳濃度與煙層堆積高度。藉由擷 取溫度數據得到水平噴流防煙系統之阻熱性；火災區域與保護區域之空間壓力差得到 阻煙能力是由壓力差所保護或噴流氣流所阻擋；排煙風機與噴流出口擷取風速資料， 以確認於計算過程中使用正確風速與風向進行模擬；利用量測煙層堆疊之高度與搭配 FDS 的後處理軟體 Smokeview 觀測火災空間之濃煙是否穿越進入保護區域；量測二氧 化碳濃度可清楚明瞭保護區域是否會因為二氧化碳濃度過高而無法使人員於保護空 間內進行等待。

參. 數值模擬項目 電腦模擬項目將測試水平噴流煙控系統於避難走廊之防煙性能。因此噴流風速、 火源大小及有無排煙等條件皆必需考慮。為詳細評估水平噴流防煙系統於國內建築物 之適用性，實驗項目之情境規劃，除了以三種不同火源大小，也考慮三種不同噴流風 速(4.2 m/s、5.3 m/s、6.3 m/s)與參考建築技術規則第 101 條有關室內採用機械排 煙時需有 1CMM/每平方公尺排煙量之要求進行避難走廊有機械排煙啟動之情境規劃， 驗證國內一般建築物未來實際採用水平噴流煙控系統於避難走廊進行防煙之可行 性。在部分測試條件和噴流安裝角度上，將參考日本研究成果的建議，採用兩種不同 噴嘴角度設計方式，主要目的是此部分實驗結果有比較有參考之依據。完整實驗的規 劃項目如表.3-1 所示，共 18 種不同的條件進行分析，在電腦模擬分析上，則分成以 下三種不同參數類型進行探討。 (1). 不同火源大小對水平噴流系統防煙與阻熱效果實驗 藉由 SMOKEVIEW 的後處理軟體來目測觀察煙流是否會由火災區穿越遮煙空間 進入到達保護區域內來評估其防煙效果，並由擷取煙層堆疊高度來評估是否影響逃生 人員進行避難。經由熱電偶得知於各溫度量測點的溫度，來評估其阻熱效果。防煙阻 熱實驗條件設定可參照表 1。實驗測點如圖 3.2 所示。 (2). 不同的噴流流速對水平噴流系統之防煙效果影響實驗 此實驗是為了瞭解在不同流速下給氣速度與排煙口位置對防煙效果的影響，當噴 流風速增加時，是否會抽到新鮮空氣而使得效率減低及浪費能源。當噴流流速減小 時，是否有足夠的能力即時將濃煙排出，使得保護空間依然有一定程度的安全條件， 藉此找尋出不同風速所影響的連帶關係。

編號 火源大小 噴流風速 (m/s) 排煙量 ( CMM/m2 ) 1 400 kW 4.2 1 2 無 3 5.3 1 4 無 5 6.3 1 6 無 7 1 MW 4.2 1 8 無 9 5.3 1 10 無 11 6.3 1 12 無 13 4.2 1

[側視圖

]

噴流出風口 高 2 5 0 0

[俯視圖

]

火源 3750 保護空間 1000 2800 1100 遮煙空間 長 11000 寬 2 0 0 0 40°

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

溫度、CO₂ 量測點 壓力量測點

.

.

.

.

.

1950 1850

.

排煙口 (3). 有無機械排煙對水平噴流系統之防煙效果影響實驗 排煙實驗上考慮無排煙與有排煙(機械排煙)兩種方式，藉由排煙口的關閉，來評 估水平噴流系統在沒有排煙情況下是否還有足夠的能力控制濃煙於保護空間以外。藉 此評估水平噴流防煙系統於各種不同條件下的適用性與安全評估。排煙口相對位置如 圖 3.2 所示。 圖.3- 2 避難走廊防煙實驗空間平面示意圖 (資料來源：本研究整理)

第三節

電腦模擬結果

壹. 格點配置 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

2

Q



 



t

(

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 本模擬研究案例說明將針對同一火源大小、不同噴流流速及有排煙設備的情況下 進行說明及探討。因為有排煙設備較無排煙設備的模擬情境更容易使濃煙侵襲，故本 節說明將針對較為危險的條件進行目測煙流是否侵襲保護區域與在各空間區域的 CO2 濃度比較。當 CO2濃度需達到 2%時才會開始使人類呼吸急促、心跳加快、頭痛及很快 疲勞，本研究模擬結果中，保護區域的 CO2濃度皆低於此標準。

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。

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)