性能式煙控系統設計與檢證規範之研究
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(2) PG9502-0277. 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究 高層建築自然排煙之可行性分析. 受委託者：財團法人中華建築中心 研究主持人：鍾基強教授 研 究 員：蘇崇輝 研究助理：謝宗翰. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 95 年 12 月.
(3) 目次. 目. 次. 表 次 ............................................................................................ Ⅲ 圖 次 ............................................................................................ Ⅴ 摘 要 ............................................................................................ Ⅸ 第一章 緒 論 第一節 研究背景與目的 ....................................................... 1 第二節 研究內容 ................................................................... 1 第三節 研究方法與進行步驟 ............................................... 2 第二章 高層建築煙流的行為特性 第一節 煙之物理特性 ........................................................... 5 第二節 中性層理論 ............................................................... 8 第三節 煙囪效應 ................................................................. 15 第四節 風壓效應 ................................................................. 19 第五節 熱浮力效應 ............................................................. 20 第六節 熱膨脹效應 ............................................................. 21 第七節 機械通風系統影響 ................................................. 22 第八節 電梯活塞效應 ......................................................... 23 第三章 外風場對高層建築的影響 第一節 地表風速特性 ......................................................... 25 第二節 高層建築所受的風力 ............................................. 17 第三節 高層建築的風壓判定定 ......................................... 33 第四節 風壓係數 ................................................................. 34 第五節 火場熱浮力案例計算 ............................................. 36. I.
(4) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響 第一節 大空間煙流模型 ..................................................... 39 第二節 風場對熱浮力的影響 ............................................. 42 第三節 案例分析 ................................................................. 43 第五章 實驗規劃 第一節 實驗設備 ................................................................. 51 第二節 風洞實驗參數 ......................................................... 58 第三節 試驗方法與量測項目 ............................................. 58 第四節 實驗結果與討論 ..................................................... 60 第六章 結果分析與討論 第一節 居室排煙設備 ......................................................... 61 第二節 特別安全梯⁄緊急昇降機間之排煙設備................. 67 第七章 結論及建議 第一節 結論 ......................................................................... 71 第二節 建議 ......................................................................... 73 附. 錄 一、 成果審查會議記錄及回覆 ............................................ 77 二、 矩型模型結果 ................................................................ 79. 參考書目 ........................................................................................ 95. II.
(5) 表次. 表. 次. 表 3.1 地況分類與指數α值之關係 ............................................. 25 表 3.2 建築物外牆的風壓係數 ..................................................... 35 表 4.1 煙流方程式所用之參數 ..................................................... 39 表 5.1 蒲氏風級表 ......................................................................... 56 表 5.2 實場風速相應之雷諾數 ..................................................... 57 表 5.3 風洞實驗相應之雷諾數 ..................................................... 57 表 5.4 風壓值 ................................................................................. 60 表 7.1 居室機械排煙增修條文對照表 ......................................... 73 表 7.2 特別安全梯/緊急昇降機間機械排煙增修條文對照表 .... 74 表 7.3 特別安全梯/緊急昇降機間自然排煙增修條文對照表 .... 75. III.
(6) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. IV.
(7) 圖次. 圖. 次. 圖 1.1 研究流程圖 ........................................................................... 4 圖 2.1 火災煙氣的擴散流動實驗結果示意圖 ............................... 9 圖 2.2 著火房間內外壓力分布示意圖 ......................................... 11 圖 2.3 通過室內上下開口處的氣流狀況 ..................................... 13 圖 2.4 窗孔上中性層及壓力分布示意圖 ..................................... 14 圖 2.5 正逆煙囪效應下的氣流狀況 ............................................. 16 圖 2.6 煙囪效應對火災煙氣流動之影響 ..................................... 17 圖 2.7 煙囪效應對火災煙氣流動之影響 ..................................... 18 圖 2.8 建築物四周的氣流型態 ..................................................... 20 圖 2.9 煙流受熱浮力效應影響模式示意圖 ................................. 21 圖 2.10 氣體受熱膨脹示意圖 ....................................................... 21 圖 2.11 建築物空調管路示意圖 ................................................... 22 圖 2.12 電梯活塞效應示意圖 ....................................................... 23 圖 3.1 不同地況之風速分布 ......................................................... 27 圖 3.2 下切氣流之示意圖 ............................................................. 28 圖 3.3 建築物尾流之示意圖 ......................................................... 29 圖 3.4 穿堂風示意圖 ..................................................................... 29 圖 3.5 建築物角隅強風示意圖 ..................................................... 30 圖 3.6 角隅渦流發生處 ................................................................. 30 圖 3.7 遮蔽效應之示意圖 ............................................................. 31 圖 3.8 金字塔效應示意圖 ............................................................. 31 圖 3.9 縮流效應示意圖 ................................................................. 32 圖 3.10 渠化效應示意圖 ............................................................... 33 圖 3.11 在高層建築上不同風向的平均壁壓 ............................... 35 圖 3.12 高層建築案例示意圖 ....................................................... 36 V.
(8) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 圖 4.1 大空間自然排煙模型 ......................................................... 39 圖 4.2.煙層介面高度變化圖(20m) ............................................... 44 圖 4.3.排煙量變化圖(20m) ........................................................... 44 圖 4.4 煙層介面高度變化圖(H=30m) .......................................... 45 圖 4.5 排煙量變化圖(H=30m) ...................................................... 45 圖 4.6 煙層介面高度變化圖(H=40m) .......................................... 46 圖 4.7 排煙量變化圖(H=40m) ...................................................... 46 圖 4.8 煙層介面高度變化圖(H=50m) .......................................... 47 圖 4.9 排煙量變化圖(H=50m) ...................................................... 47 圖 4.10 不同高度下煙層變化圖 ................................................... 48 圖 4.11 不同高度下排煙量變化圖 ............................................... 48 圖 4.12 風速影響煙層介面高度關係圖 ....................................... 49 圖 5.1 風洞立體構造圖 ................................................................. 51 圖 5.2 風洞實驗場內部圖 ............................................................. 53 圖 5.3 模型設計示意圖 ................................................................. 55 圖 5.4 風洞實驗配置圖 ................................................................. 59 圖 5.5 風攻角示意圖 ..................................................................... 59 圖 6.1 不同樓層高度排煙性能與 0°迎風角風壓值之比較圖..... 62 圖 6.2 居室火場中氣流與壓力變化圖 ......................................... 63 圖 6.3 室火災時壓力隨溫度變化圖 ............................................. 64 圖 6.4 自然排煙口中性面位置與煙流關係圖 ............................. 65 圖 6.5 火場內不同溫度下 Zn、Hu 與 Hl 關係圖.......................... 66 圖 6.6 特別安全梯∕緊急昇降機間不同高度排煙性能與 0°迎 風角風壓值之比較圖 .................................................................... 67 圖 6.7 案例（a）自然排煙口中性面位置與煙流關係圖............ 68 圖 6.8 案例（a）火場內不同溫度下 Zn、Hu 與 Hl 關係圖........ 69 圖 6.9 案例（b）自然排煙口中性面位置與煙流關係圖 ........... 69 VI.
(9) 圖次. 圖 6.10 案例（b）火場內不同溫度下 Zn、Hu 與 Hl 關係圖 ..... 70. VII.
(10) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. VIII.
(11) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞:高層建築、挑高大空間建築、自然排煙、機械排煙、外風場、 全尺度火災熱煙實驗 一、. 研究緣起. 我國近年來高層建築與具備大空間之建築物大量興建，常常採取 性能式之煙控系統設計。於設計過程中，皆採用 3D CFD 之電腦模擬 方式以進行輔助，並參考國際間具權威性之設計規範，如 NFPA 92B 等，做為參考依據。一般而言，採用自然排煙設計時只要符合法規定 量之要求時，並未考慮該建築物是否適用自然排煙設計之條件，例如 體育館或高層建築，由於其有大容積之蓄煙空間，所以往往是採取自 然排煙之設計，希望藉著熱煙浮力作用將濃煙排出室外，但此等挑高 大空間建築往往樓高 30~40 米，室外所形成之風壓有可能對排煙口產 生正風壓效應，而使得濃煙無法經由排煙口排出，形成煙流蓄積與回 流，而造成人員避難逃生之威脅；如不考慮自然排煙之設計性能及限 制參數，則所設計之自然排煙系統可能無法達到預期功能甚至產生煙 流倒灌之情形。因此本研究計畫其中一項主要工作即是探訪外風場對 高層建築或挑高大空間採用自然排煙系統時之影響及其限制範圍。 二、. 研究方法與過程. 本研究案將針對挑高大空間自然排煙性能分析與可行性評估，現 今建築物所屬的消防設備中排煙設備已大量被採用，經過多年的使用 漸漸被社會所接受，同時排煙設備也公認是維持人員逃生不被濃煙所 阻斷相當重要的設備之ㄧ。近年來在高層建築物上裝設排煙設備，防 止濃煙擴散逃生路線上以幫助人們逃離火場，已成為法規所要求的消 防設備項目。排煙設備分為兩種，一為機械排煙，一為自然排煙。目 IX.
(12) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 前許多大空間之設計因有相當大之蓄煙空間，因此皆採用自然排煙之 設計。本計畫將以高層建築自然排煙物理模型探討自然排煙系統受外 風場影響之排煙狀況。有關本部分計畫之主要工作內容及進行步驟如 下所述： 1.收集有關自然排煙設計及使用條件限制之資料 本項工作將進行相關文獻之收集與整理，以了解國內外目前針對 自然排煙系統設計之規範與要求。 2.自然排煙受外風場影響之理論分析 將以理論模式探討高層建築及挑高大空間採自然排煙設計時受 外風場之影響及設計參數限制。 3.進行大型風洞實驗 利用高層建築縮小模型於建研所台南實驗場風洞實驗室進行外 風場風壓對高層或挑高大空間建築自然排煙時之影響評估。 4.自然排煙於高層或挑高大空間建築設計參述建議 提出可行之自然排煙用於高層或挑高大空間之設計參數範圍，包 括外風場壓力、建築物高度、熱浮力效應及進/補氣口相關設置位 置。 三、 I.. 重要發現. 居 室 排 煙 （ 建 築 技 術 規 則 第 101 條 ） 甲、. 機械排煙. 居 室 如 採 用 機 械 排 煙 以 規 定 最 小 值 120 m3 min 進行排煙風壓 計算，與風洞實驗結果比較，發現排煙口愈小出口風速愈快，所 能承受風壓也愈大，大約在 30 m （0.8 m 2 大小之排煙口）及 130 m 左右（0.48 m 2 大小之排煙口），煙流無法排出，不過在此高度下， 排煙量會隨著樓高增加而變小（風壓逐漸變大），因此建議機械 X.
(13) 摘要. 排煙口應設置在屋頂頂層上，而不適宜在建築體四周，因建築物 頂層之風壓係數為負值。 乙、. 自然排煙. 居 室 如 有 直 接 對 外 開 口 採 自 然 排 煙 ， 如 以 一 般 3.5 m 層高 計算，在天花板下方 80 cm 內之自然排煙口大約在 60 m 左右之高 度，且火場溫度小於 200℃時熱煙無法排出，但當火勢不段成長 當煙溫達 300℃時，100 m 高度之熱煙也可藉由自然排煙口排出， 為避免初期火勢之擴大，建議於高度超過 60 m 以上之建築加設初 期滅火設備，如灑水設備以減少損失。 II. 特別安全梯⁄緊急昇降機間之排煙（建 築 技 術 規 則 第 102 條 ） 丙、. 機械排煙. 梯間之機械排煙量之規定值為不小於 4 m 3 sec ，約為居室排煙量 120 m3 min 之 2 倍，所以計算結果以 1 m 2 排煙口大小為例可知大 約在 110 m 之高度，以 0.8 m 2 排煙口大小為例可知大約在 220 m 之 高度，機械排煙機之動壓會小於外風場風壓，因此建議機械排煙 之排煙口應裝設在風壓係數為負值之屋頂層，以避免外風場影響 機械排煙之性能。 丁、. 自然排煙. 梯間如採自然排煙需特別留意自然排煙口之設置位置，本研究以 兩個不同裝設位置進行比較分析，一為離天花板下 20 cm ，一為 離天花板下 75 cm ，從結果可知在初期火災（煙溫 200℃以內） 當排煙口距天花板距離從 75 cm 減少為 20 cm 時自然排煙有效的 樓高從 30 m 增加為 60 m ，因此建議在設置特別安全梯⁄緊急昇降 機間之排煙口位置時，應儘量設置於靠近天花板處。. XI.
(14) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 四、. 主要建議事項. 立即可行建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部消防署. A. 機械排煙（建築技術規則第 101 條第四目） ¾ 原條文：排煙風機應能隨排煙口之開啟而自動操. 作，其排煙. 量不得小於每分鐘 120m3，並不得小於防煙區劃部份之樓地板 面積每平方公尺一立方公尺。 ¾ 建議增修條文：排煙風機應能隨排煙口之開啟而自動操作，其 排煙量不得小於每分鐘 120 m3，並不得小於防煙區劃部份之樓 地板面積每平方公尺一立方公尺，機械排煙口應設置在建築物 屋頂頂層上方。 B. 自然排煙（建築技術規則第 257 條） ¾ 原條文：高層建築物（高度在五十公尺或樓層在十六層以上之 建築物）之各層均應設置自動撒水設備。 ¾ 原條文符合本研究之建議在高度超過六十公尺以上之建築物加 設初期滅火設備，如灑水設備以減少損失。 C. 機械排煙（建築技術規則第 102 條第四目） ¾ 原條文：設有每秒鐘可進、排四立方公尺以上，並可隨進風口、 排煙口之開啟而自動操作之進風機、排煙機。 ¾ 建議增修條文：設有每秒鐘可進、排四立方公尺以上，並可隨 進風口、排煙口之開啟而自動操作之進風機、排煙機，應裝設 在建築物屋頂頂層上方。 D. 自然排煙（建築技術規則第 102 條第一目）. XII.
(15) 摘要. ¾ 原條文：應設置可開向戶外之窗戶，其面積不得小於二平方公 尺，二者兼用時，不得小於三平方公尺，並應位於天花板高度 二分之一以上範圍內。 ¾ 建議增修條文：應設置可開向戶外之窗戶，其面積不得小於二 平方公尺，二者兼用時，不得小於三平方公尺，並應位於天花 板下三十公分處。. 中長期建議-自然排煙口大小設計規劃 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部消防署. 於建築技術規則內對於有直接對外之開口可採自然排煙之設 計，且對自然排煙口面積大小皆有明文規定，且排煙口在平時應保持 關閉狀態，需要排煙時以手搖式裝置，或利用煙感應器連動之自動開 關裝置，或遙控式開關裝置予以開啟，其開口門扇之構造應注意不受 開放排煙時所發生之氣流之影響，但此部份對於自然排煙口並無開啟 大小及開度之規定，在實際現場時常常發生不同意見之討論，因此本 研究將規劃自然排煙開口大小設計之風洞實驗以確實瞭解開啟角度 與出口大小對自然排煙性能之影響。. XIII.
(16) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. XIV.
(17) 摘要. Abstract Many large space buildings have been built in Taiwan during the past decade and people are very concerned about the fire safety inside the large space. Therefore, a performance-based smoke management system has been exercised. In many high-rise buildings the natural smoke exhaust systems may influence by the wind. When higher wind pressure impact on the buildings cause greater air inlet momentum than thermal buoyancy of smoke from fire site. It will result in the smoke cannot exhaust through the vents. Therefore, for appropriate design the natural smoke exhaust system some important parameters are needed to consider： 1. The wind profile for the building 2. Comparison the wind pressure with thermal buoyancy of smoke 3. Evaluate the critical wind speed velocity along with the building heights To evaluate the smoke management performance of large space, it can be simulated using the 3D CFD model. Also, the full-scale hot smoke test can be performed to evaluate the performance of smoke management system. The Australia Standard "AS 4391, Smoke Management System− Hot Smoke Test", it details test apparatus, procedures and safety requirements for the hot smoke test of smoke management system. In this research, the full-scale hot smoke test will be following AS 4391 to evaluate the temperature distribution of smoke layer and the smoke descending rate at ABRI large space fire lab in Tainan. The experimental results obtained will be utilized as an important reference to establish the code of hot smoke test in Taiwan.. Keywords：Large Space Building, Smoke Management System, Full-Scale Hot Smoke Test, Wind Effect. XV.
(18) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. XVI.
(19) 第一章 緒論. 第一章 緒論 第一節 研究背景與目的 我國近年來高層建築與具備大空間之建築物大量興建，常常採取 性能式之煙控系統設計。於設計過程中，皆採用 3D CFD 之電腦模擬 方式以進行輔助，並參考國際間具權威性之設計規範，如 NFPA 92B 等[1~2]，做為參考依據。一般而言，採用自然排煙設計時只要符合 法規定量之要求時，並未考慮該建築物是否適用自然排煙設計之條 件，例如體育館或高層建築，由於其有大容積之蓄煙空間，所以往往 是採取自然排煙之設計，希望藉著熱煙浮力作用將濃煙排出室外，但 此等挑高大空間建築往往樓高 30~40 米，室外所形成之風壓有可能對 排煙口產生正風壓效應，而使得濃煙無法經由排煙口排出，形成煙流 蓄積與回流，而造成人員避難逃生之威脅；如不考慮自然排煙之設計 性能及限制參數，則所設計之自然排煙系統可能無法達到預期功能甚 至產生煙流倒灌之情形。因此本研究計畫其中一項主要工作即是探訪 外風場對高層建築或挑高大空間採用自然排煙系統時之影響及其限 制範圍。. 第二節 研究內容 本計畫案針對高層建築與挑高大空間自然排煙性能分析與可行 性評估，從建築物火災中發現，火跟煙的發展情況可明顯看出煙對 人員的傷害，無論是從時間上或程度上，皆比火來的嚴重。因此， 如何進行有效之煙控策略為建築物火災時評估避難與人員逃生之重 要指標，根據國內法規，排煙系統設計可分為機械排煙與自然排煙 兩大類型，由於自然排煙不須設置排煙設備，在使用上較經濟常常 為設計單位所使用，一般所知，自然排煙系統靠溫差效應將熱氣排 出，當室內外溫差不顯著時，僅有高層建築或大空間建築類才較適 1.
(20) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 用，不過當室內發生火災時，室內之空氣會迅速被加溫使得空氣密 度變小產生較大的浮力作用，此浮力作用遠遠大於室內外溫差造成 空氣上升之效應，因此針對火災發生時高層建築居室排煙或梯間排 煙採自然排煙系統時應必需瞭解外風壓可能造成排煙限制之風壓， 又如國內許多大型大空間挑高建築體也採用自然排煙的設計，也必 須慎重考慮外風壓之影響。 研究內容大致可整理成以下順序： 1.建立外風場風壓隨高度之變化曲線 2.設計高層建築合理之縮小尺寸模型進行風洞測試 3.分析外風壓對不同高度之熱浮力之影響 4.建立臨界風速隨高度之變化範圍 5.建議高層建築採自然排煙設計之參數範圍及技術. 第三節 研究方法與進行步驟 本研究案將針對挑高大空間自然排煙性能分析與可行性評估，現 今建築物所屬的消防設備中排煙設備已大量被採用，經過多年的使用 漸漸被社會所接受，同時排煙設備也公認是維持人員逃生不被濃煙所 阻斷相當重要的設備之ㄧ。近年來在高層建築物上裝設排煙設備，防 止濃煙擴散逃生路線上以幫助人們逃離火場，已成為法規所要求的消 防設備項目。排煙設備分為兩種，一為機械排煙，一為自然排煙。目 前許多大空間之設計因有相當大之蓄煙空間，因此皆採用自然排煙之 設計。本計畫將以高層建築自然排煙物理模型探討自然排煙系統受外 風場影響之排煙狀況。有關本部分計畫之主要工作內容及進行步驟如 下所述： 1.收集有關自然排煙設計及使用條件限制之資料 本項工作將進行相關文獻之收集與整理，以了解國內外目前針對. 2.
(21) 第一章 緒論. 自然排煙系統設計之規範與要求。 2.自然排煙受外風場影響之理論分析 將以理論模式探討高層建築及挑高大空間採自然排煙設計時受 外風場之影響及設計參數限制。 3.進行大型風洞實驗 利用高層建築縮小模型於建研所台南實驗場風洞實驗室進行外 風場風壓對高層或挑高大空間建築自然排煙時之影響評估。 4.自然排煙於高層或挑高大空間建築設計參述建議 提出可行之自然排煙用於高層或挑高大空間之設計參數範圍，包 括外風場壓力、建築物高度、熱浮力效應及進/補氣口相關設置位 置。 承上所述，本研究流程可如圖 1.1 所示：. 3.
(22) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 研究流程圖. 自然排煙系統於高層與大空間建築物之性能分析. 國內外相關文獻收集整理. 理論分析法. 數值模擬法. 實驗驗證法. 提出自然排煙系統設計參數評估. 外風場壓力. 建築物高度. 熱浮力效應. 建議可行的參數範圍與設計規範. 圖 1.1 研究流程圖 （資料來源：本研究整理）. 4. 進/補氣開口.
(23) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 第二章 高層建築煙流的行為特性 第一節 煙之物理特性 近代建築物.傢俱.裝潢材料.裝飾品等，多為化學纖維.塑膠等合成 高分子物質，這些材料在燃燒時不但發煙量大，並產生多種有害人體 之氣體。更由於新式建築物多為防火構造或耐火建築。為追求舒適生 活，採用空調和為防止屋外噪音傳入，氣密性良好。在火災發生時， 火煙無法排出屋外而向上直竄，又因氣密性良好無法獲得充足空氣形 成不完全燃燒，益增發煙量，造成人員避難逃生時最大的危害。煙氣 物理性質常用壓力、溫度、比容或密度的狀態參數來表示，可分列如 下[3]： 2.1.1 壓力 在燃燒的過程中，煙氣的壓力，時時不同。初起時壓力很低；隨 著燃燒加強，煙氣大量增加和溫度快速升高，壓力也隨之迅速升高； 直到燃燒至最高點發生閃燃時，壓力也升至最高點，此時可能門窗爆 破、牆倒頂塌，煙氣與火焰大量衝出室內，壓力也隨之立即降低。這 種關係，或它不同時間的絕對壓力，可以下式表示： 即 Py=B+Pys. (2.1). 上式 Py 為煙氣的絕對壓力，Pa B 為當時當地的大氣壓力，Pa Pys 為房間內煙氣平均相對壓力，Pa 大氣壓力 B，如台北的大氣壓力，在冬季約為 101.97K Pa，夏季 約為 10053K Pa。著火房間內的平均相對壓力為 Pys ，由實驗測定是 10-15Pa；最高值可達 35-40 Pa。由於 Pys 遠小於 B，而閃燃以後 Py 更 已接近於 B，故 Py≒B. (2.2). 5.
(24) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 2.1.2 溫度 溫度與壓力相同，隨著燃燒的過程，溫度也時時不同。起初時， 煙氣的壓力和溫度均不高； 但隨著燃燒的加強，到最高的閃燃時候， 煙氣的壓力和溫度，都達到最高值。但和壓力不同的是，由室內被燃 物的不同和燃燒條件的不同(建築狀況，門窗的大小和供氣狀況等)， 溫度也大有不同。依據試驗，低者可為 500~600℃； 高者可達 800~1000℃以上。 當煙火由房間竄出而蔓延擴散時，即和附近的冷空氣混合，也被 周圍較冷的牆體結構所冷卻而使溫度降低；卻也可因擴大燃燒而再度 升高。基本上煙氣的絕對溫度，可以下式表示： 即. Ty=273+ty. (2.3). 上式 Ty 為煙氣的絕對溫度，K ty 為煙氣混合後的溫度，K ty 與竄出房間的氣溫和煙量有關，也與竄入場所較冷的空氣量和 氣溫有關，可以下式表示。 即. ty =. (V yo t yo + VK t K ) (VYO + VK ). (2.4). 上式 VyO 為著火房間竄出的煙氣量，m3/s tyO 為著火房間竄出的煙氣溫度，℃ Vk 為竄入場所如走廊、樓梯間與煙氣混合的冷 空氣量 m3/s Tk 為竄入場所如走廊、樓梯間與煙氣混合的冷 空氣溫度，℃ 由於這些空氣量的不易確定，故一般都以下列經驗式來計算。 即 ty= α1tyo. 6. (2.5).
(25) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 上式 α1 為冷卻係數，經驗值在經過走廊時為 α1=0.7，在經過走廊 和排煙豎井時為 α1=0.5，tyO 一般可取 500℃，煙氣的絕對溫度，一般 可視為常數。 即. Ty=273+0.7×500 (經過走廊時). 或. Ty=273+0.5×500 (經過走廊和豎井時). 2.1.3 比容或密度 由於煙氣與一般空氣的組織不同，所以就是在同樣的壓力和溫度 下，它的比容或密度也和空氣不同。又因為燃燒物與燃燒條件也各不 相同，所以同是燃燒所生的煙氣，它的比容或密度也不同。下面是由 理想氣體方程式導出的煙氣的比容和密度。 (T y × Pb ). Vy=. (2.6). ( 273 ρ y0 × ρ y ). ρy =. (273ρ y0 × Py ). (2.7). (T y × Pb ). 上式 Vy 為煙氣的比容，m3 /kg ρ y 為煙氣的密度，kg/ m. 3. Ty 為煙氣的絕對溫度，K 3. ρ y0 為標準狀態下的煙氣密度，可取 1.3~1.33 kg/ m. Pb 為標準大氣壓力，可取 101325Pa Py 為著火房間的平均相對壓力，Pa 在一般狀況下 Py 可視為與大氣壓力 B 相等，已如前述(如 2.2 式)。 故前兩式也可寫為： Vy = ρy =. (T y × Pb ) ( 273 p y × B ) o. (273ρ y0 × B) (T y × Pb ). (2.8) (2.9). 7.
(26) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 如在近海平原地帶，Pb 也略與 B 相等(如台北的 101.97Kpa)並直 接代入 ρ y0 值，則可簡化為： Vy = ρy =. (Ty ) (353) ( 353 ) (T y ). (2.10) (2.11). 當然實際上煙氣中含有成分不同的固體與液體微粒，相當複雜， 這裡僅取近似值，誤差不大。. 第二節 中性層理論 高溫的煙氣，因密度比周圍較冷的空氣小，即產生浮力，自然向 上升起；遇水平的頂棚(屋頂、天花板或其他阻隔板)即順水平方向橫 向流動。高層的煙氣溫度高，低層的空氣溫度低，如不加以攪混，大 致可以保持層流狀態。但實際上如果是完全密封的空間，就自然形成 上下迴轉的對流作用；如果有門窗、風口、或縫隙，煙氣就會由開口 處向外迅速流動，煙氣水平擴散的速度，由火災初期到中期，約為 0.1~0.8m/s。垂直擴散的速度則甚快，一般為 1~5m/s。如經過豎井、 直立管道或樓梯間，更因煙囪效應而速度可增至 6~8m/s。 流動或擴散的實驗結果，可由相關實驗文獻資料得知。起火的房 間是在 4 層，起火 1 分鐘後已達到一定濃度。高溫煙氣分別向走廊、 樓梯間及室外流動擴散。結果是進入樓梯間的最快；同樣濃度，四樓 樓梯間是 2.1 分，五樓是 2.5 分，六樓是 3.1 分。走廊由四樓到七樓， 則是由 1.9 分到 6.2 分，室外，則由 23 分到 9 分。最普遍的狀況，是 愈到上層越快。. 8.
(27) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 圖 2.1 火災煙氣的擴散流動實驗結果示意圖 （資料來源：本研究整理） 如再進一步分析煙氣向外流動擴散的狀況，在防排煙工程有一 個”中性層理論”，十分重要。說明如下： 由氣體的溫度差密度差和高度差，建築體內外的壓力差，稱為” 餘壓”。在室內孔口某處的餘壓為正時，該處即向外排氣，稱為排氣 口；如為負時，則向內進氣，稱為進氣口。由於上下壓力，有正有負， 孔口中間的某一點，它的餘壓將為 0，將既不排氣，也不進氣。又由 於氣流多成層流，在水平各點上，靜壓大致相等，所以這個零點，也 形成水平面，可稱為”中和面”或”中性層”。這個中性層也自然出現在 室內的孔口上，或偏上或偏下，高度卻時有不同。 由溫差而發生室內外排氣或進氣作用：室內溫度高，向外排氣， 室內溫度低，向內進氣，這在空調上或日常上活中，都是常見的事實。 發生火災時，室內外溫差更大，由十幾倍到幾十倍。所以室內外的高. 9.
(28) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 溫差，不僅影響內外通風，更使著火房間的中性層更為明顯，使煙氣 的流動和擴散更為強大。這種情況，可以圖 2.2 來做進一步分析。 1.圖內 I 區為室內，II 區為室外，室內高度為 H。 由於一牆之隔，設室內氣溫 tn，氣體密度為 ρ n 靜壓為 PIn；室外，則 分別為 tw. ρ w 和 PIw。高度為 h 的室內靜壓，分別為： Phn=PIn－ ρ n gh. (2.12). Phw=PIw－ ρ w gh. (2.13). 在室內地面上的牆內外壓差，則為： △PI=PIn－PIw. (2.14). 在室內離地面 h 的牆內外壓差，則為： △Ph=△PI+( ρ w － ρ n ) gh. (2.15). 在頂棚面上，即 h=H 時，室內外的壓差，則為： △P2=△P1+( ρ w － ρ n )gh. (2.16). 在室內地面垂直的高度上，必有一點室內外壓差為零，即室內外，壓 力相等，也就是中性層。設此點距室內地面高度為 h1，則： △Ph=△P1+( ρ w － ρ n ) gh1=0. (2.17). 室內著火時，室內溫一定大於室外，即 tn>tw；而氣體密度則相反。 即 ρ w － ρ n >0。此時中性層以下，即 h< h1 時，則： △Ph=△PI+( ρ w － ρ n )gh<△P1+( ρ w － ρ n ) gh1. (2.18). 必然△Ph <0 在中性層以上，h> h1 時，則： △Ph=△PI+( ρ w － ρ n )gh>△P1+( ρ w － ρ n )gh1. (2.19). △Ph 必大於零 由於中性層以上，室內外壓差大於零，壓力為正，煙氣自然向外 排出；中性層以下，室內外壓差小於零，壓力為負，外氣自然進入形 10.
(29) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 成擴散、對流和小部分相混合。 £△P G 2. 室外. II. h. 著火房間. I. 中性層. h2. h1 △P £G £△P G n. £ G1 △P. 圖 2.2 著火房間內外壓力分布示意圖 （資料來源：本研究整理） 2.如房間上下開口分別為 A2 及 A1，情況如圖 2.3 此時氣體的流動方 向和流量大小，不但與溫度有關，也與開口形式和大小有關，但基 本上，上面開口呈正壓，煙氣向外流出，下面口開呈負壓，外氣向 內流入，則是一定不變。著火房間一定 tn>tw，即煙氣一定向上流出 (擴散)；外氣則自下吸入(進氣)，其流量方程式為： M’= α1 A1 2 ρ w ∆P 1. (2.20). M”= α1 A1 2 ρ n ∆P 2. (2.21). 上式 M’為下部進氣口流入的空氣量，kg/s M”為上部排氣口流出的煙氣量，kg/s A1 為下部開口面積，m2 A2 為上部開口面積，m2 α1 為下部開口係數 α2 為上部開口係數 11.
(30) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究 3. ρ n 為室內氣體密度 kg/m. 3. ρ w 為室外氣體密度 kg/m. △PI 為室內地板面的室內外壓差，Pa △P2 為室內頂棚的室內外壓差，Pa 如果室內離地板高度 hI 處為中性層，即室內外壓力相等；此時壓力分 別為 PNn =PNw。因地板上室內外壓力及壓差為： P1n= PNn + ρ n gh1. (2.22). P1w= PNw + ρ w gh1. (2.23). △P1=PIn－P1w= PNn+ ρ n gh1－(PNw－ ρ w gh1). (2.24). 當 PNn = PNw 時，則 △P1=( ρ w － ρ n )gh1. (2.25). 如在距頂棚的高度 h2 處為中性層，PNn、PNw 仍相等，則頂棚面上室內 外壓力及壓差，分別為： P2n= PNn + ρ n gh2. (2.26). P2w= PNw + ρ w gh2. (2.27). △P2=P2n－P2w= PNn+ ρ n gh2－(PNw－ ρ w gh2). (2.28). 當 PNn = PNw 時，則 △P2=( ρ w － ρ n )gh2. (2.29). 將△P1 △P2 值分別代入(2.25) (2.29) M’= α1 A1 2 ρ w gh1 ρ n − ρ w. (2.30). M”= α2 A2 2 ρ n gh2 ρ w − ρ n. (2.31). 因氣體的流量連續不斷，即流入量等於流出量，即 M’= M”，亦即 α1 A1 ρ w gh1 ρ n − ρ w =α2 A2 ρ n gh2 ρ w − ρ n 整理得 h2/h1=(α1 A1/α2 A2)2 ρ w / ρ n 12. (2.32).
(31) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 又由 ρ n =353/ Tn， ρ w =353/ Tw；而上下開口形式又相同，即 α1≒α2。 代入上式又可得 h2/h1=( A1/ A2)2 Tn/Tw. (2.33). (2.33)式說明，著火房間內氣溫，開口面積與中性層的位置之相互關 係。室內燃燒溫度越高，中性層就越下移；下部開口越大，中性層也 下移。在設計自然排煙時，了解這些關係，非常重要。如一般著火房 間，設室內氣溫為 800℃，室內氣溫為 20℃，則 h2/h1=( A1/ A2)2 *(1073/293) =3.66( A1/ A2)2 此時，在決定 A1 和 A2 的面積後，h2 和 h1 即中性層的高度也可知道。 和再代入(2.30)及(2.31)式，可求出經過開口的氣體流量。. 室內. 室內. 中性層. 中性層. 圖 2.3 通過室內上下開口處的氣流狀況 （資料來源：本研究整理） 3.最普遍的情況，是房間開有門窗，著火以後，因溫差和壓差作用， 門窗也會在某一種高度形成中性層，即圖 2.4 所示。設此一門窗的高 度為 Hc，寬度為 Bc，中性層距上下緣的高度分別為 h2 和 h1 (薄壁上 開門窗，α 可為 0.6~0.7)，最後得流量方程式為： M= (2/3)αBc M’= (2/3)αBc. 2 g ρ n ( ρ w − ρ n ) h2. 3/ 2. 2 gρ w ( ρ w − ρ n )h1. 3/ 2. (2.34) (2.35). 其中，門窗上下邊緣處的室內外壓差為最大，其絕對值代入(2.34)及 13.
(32) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. (2.35)可使流量方程式再行簡化為： ｜△P2max｜=( ρ w － ρ n ) gh2. (2.36). ｜△P1max｜=( ρ w － ρ n ) gh1. (2.37). 中性層高度與室內外氣溫和氣體密度的關係式為： h2/h1=( ρ w － ρ n )1/3=(Tn/Tw) 1/3. (2.38). 如著火房間的內外氣溫 Tn=800℃，Tw=20℃，則 h2/h1=[1073/293)]1/3=1.54 即 h2=1.54 h1 亦即中性層距門窗上緣的高度為 1.54 h1。當然如果室內外氣溫不同， 中性層的高低也隨之改變，煙氣和外氣流出流入的位置和面積也隨之 改變。若房間有幾個門窗，只要高度和位置相同，開啟處的氣體流動 和中性層也相同；在計算時 Bc 的寬度取各門窗的寬度之和。. 圖 2.4 窗孔上中性層及壓力分布示意圖 （資料來源：本研究整理）. 14.
(33) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 第三節 煙囪效應 每一座工廠或焚化場的煙囟，都是圓筒形的(方的極少)直直的、 高高的，由於煙囟向外氣體的溫度差和密度差，高溫的煙氣都產生浮 力而發生排吸作用。現代的高樓建築也有直立的豎井形管道、樓梯 間，結構就和煙囟一樣，煙氣進入以後，它也有強大的吸排作用。了 解它的壓力分佈，分析它的中性層，知道它排氣和吸氣的特性，在排 煙設計上是一項十分重要的事情。 2.3.1 正煙囪效應與逆煙囟效應 高樓建築豎井的管道和樓梯間，有許多開口，如各層的走廊通 道，其壓力分佈和氣體的排吸更為複雜，依中性層理論，上層下層的 壓力一定相反，排氣部分和進氣部分，即氣體(煙氣和外氣)流入的樓 層和流出的樓層，卻倒也不難確定。高溫煙氣，尤其是煙囟內的高溫 煙氣，由於與外氣的溫度差、密度差和壓力差而發生浮力；這個浮力， 也可稱為煙囪作用。使氣體向上流動的是正煙囪效應，向下流動的是 逆煙囟效應。在煙囟中煙氣的溫度甚高於外氣溫度，故正熱壓作用 大；一般高樓豎井形的管道和樓梯間內，其氣溫也是經常高於室外， 也發生正熱壓作用，而且建築越高溫差越大，正熱壓作用也越大，氣 體自然向上流出；若內部氣溫低於外部氣溫，就形成反熱壓作用，氣 體自然自上流入。. 15.
(34) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 排氣. 進風. 中性層. 排氣. 進風. (a)正煙囪效應. (b)逆煙囪效應. 圖 2.5 正逆煙囪效應下的氣流狀況 （資料來源：本研究整理） 氣體的流動是連續性的，在高樓建築的管道樓梯間中，因為中性 層的存在(雖然也在上下移動)，上下的熱壓也相反－如圖 2.5 所示。 所以，當內部氣溫高於外部中性層上部形成正熱壓而排氣時，從中性 層下部進氣；相反的，外部氣溫高於內部時，中性層上部形成反熱壓 而進氣時，則從中性層下部排氣[4]。 無論正煙囪效應或逆煙囪效應，管道和樓梯間內外的壓力差都為： △Pj= ρ jw − ρ jn gH. (2.39). 上式 Pj 為管道.樓梯間內外的壓差，Pa 3. ρ jw 為管道.樓梯向外部的氣體密度，kg/m 3. ρ jn 為管道.樓梯內部的氣體密度，kg/m. h 為管道.樓梯內部的某點至中性層的垂直距離，m 因煙氣與空氣均可視為理想氣體，即 pjw=353/Tjw，pjn=353/Tjn， g=9.8， 亦即：. △Pj=3460 (1 / T jw ) − (1 / T jn ) h 上式 Tjw 為外部氣溫，k Tjn 為內部氣溫，k. 16. (2.40).
(35) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 由此算出的壓力差為絕對值。當管道和樓梯間等豎井內為正煙囪 效應，即氣體向上流出時，在中性層以上為正值，以下為負值；豎井 內為逆煙囪效應，即氣體由上流入時，在中性層以上為負值以下為正 值。當然，實際上中性層並不一定在豎井的正中央，是由上下開口大 小和內外溫度的高低所決定。 2.3.2 高層建築著火後的煙囟效應 高樓建築由於豎井形管道和樓梯間的存在，它由溫差引起的壓力 和壓力分佈，由溫差和開口引起的中性層和中性層的移動以及正煙囪 效應和逆煙囪效應所引起的氣體流動，在上兩節均已經說明，高溫煙 氣的流動，完全是受建築構造和熱壓作用所支配，由事先的計算和設 計，我們可以作有利的安排改變。 為求進一步的了解高樓著火點，由煙囟效應所引起的氣體(煙氣和 空氣)流動情形，再以圖 2.6，2.7 別總結如下： 排氣. 中性層. 進風. (a)起火點在中性層下方. (b)起火點在中性層上方. 圖 2.6 煙囪效應對火災煙氣流動之影響 （資料來源：本研究整理）. 17.
(36) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 進風. 中性層. 排氣. (a)起火點在中性層下方. (b)起火點在中性層上方. 圖 2.7 煙囪效應對火災煙氣流動之影響 （資料來源：本研究整理） (1)在正煙囪效應下著火點在中性層以下時，如圖 2.6 (a)： A.煙氣將隨空氣流入豎井，使豎井內氣溫大幅度升高，浮力加大， 豎井內氣流上升加強。 B.煙氣在豎井內上升至中性層以上時，即經通道走廊流出豎井，進 入各樓層。 C.如果各樓層上下之間，沒有開口或滲漏，在中性層以下各樓層， 除了著火層以外，將無煙氣；如有開口或滲漏，煙氣將向上滲透。 D.中性層以下各樓層，流進煙後，煙氣仍將隨空氣流入豎井(當然也 向上滲透)在向上流動；在中性層以上各樓層將煙氣隨空氣排出 室外。 (2)在正煙囪效應下，著火點在中性層以上時，如圖 2.6(b)： A.著火房間內的煙氣將隨空氣流通過門窗或開口，排出室外向上滲 透。 B.著火層以上各樓層，如無開口或滲透，即無煙氣；如有滲透，仍 將隨空氣流排出室外。 C.著火層以下各樓層，均無煙氣。中性層以下各層，空氣自外流入 豎井；中性層以上各樓層，空氣自豎井流出。 18.
(37) 第二章 高層建築煙流的行為特性. (3)在逆煙囪效應下，著火點在中性層以下時，如圖 2.7(a)： A.著火層的煙氣，將隨空氣流排出室外和向上滲透。 B.當樓層上下之間沒有滲漏時，其餘上下各層，均無煙氣。 (4)在逆煙囪效應下，著火點在中性層以上時，如圖 2.7(b)： A.煙氣除向上滲透外，將隨空氣流大量進入豎井，向下流動以至通 過走廊通道，進入中性層以下各樓層。 B.中性層以上各樓層，如一著火層沒有開口或滲漏，則煙氣將會進 入。 一般說來，在冬季時，高樓建築豎井內的氣溫多高於外氣，火災 時溫差更大，煙囟作用更使著火點在中性層以下的火災情況趨於嚴 重。在夏季時高樓普遍使用空調，豎井內氣溫低於外氣，發生中性層 以上的火災情況也較嚴重，但煙囪效應可能反轉，情況可能減輕。總 之，煙囟作用對火災有很大的影響，必須注意。. 第四節 風壓效應 風是由冷熱空氣引起的對流，有方向、速度及壓力；尤其是高層 建因風速較平地高，壓力也較大。當高樓排風口處於逆風位置，更如 風速和風壓超過一定限度，這種排風口即失去作用，影響排煙甚大。 當室外的風受建築物的阻擋而使四周空氣靜壓發生或高或低的變化 －這個現象叫做”風壓作用”。這種氣流與靜壓變化狀況，略如圖 2.8 的所示。風壓效應在後面章節會有詳細的介紹與說明。. 19.
(38) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 圖 2.8 建築物四周的氣流型態 （資料來源：參考書目 7）. 第五節 熱浮力效應 因火焰上方的高溫氣體與周圍冷空氣之間的密度不同，煙的密度 較低，相對的產生煙的浮力，如圖 2.9 所示。當發生火災時，高溫的 煙流密度比外界空氣密度低，自然產生一明顯的上升氣流，而火場溫 度越高，此浮力效應更形嚴重，可由下式計算浮力效應形成之壓力差。 ∆P =. gp ⎛⎜ 1 1 − ⎜ R ⎝ Tout T fire. ⎞ ⎛ T − Tout ⎟h = 3460h⎜ fire ⎟ ⎜ T T ⎠ ⎝ out fire. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 上式中 T fire ：火場氣體溫度（K） Tout ：外界氣體溫度（K）. 因火場隨著燃燒過程而不同，初期溫度不高，隨著燃燒時間的加 劇，溫度也急速上升，但因其燃燒狀況的不同（建築物、易燃品種類 及開口狀況等），火場溫度也大不相同。. 20.
(39) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 速度曲線. 煙流. Z D. 空氣進入. 火焰 火源. 火源 Z1. Z1 Z0. 虛擬火源. 圖 2.9 煙 流 受 熱 浮 力 效 應 影 響 模 式 示 意 圖 （ 資料來源：本研究整理）. 第六節 熱膨脹效應 由於燃燒所產生的高溫使氣體膨脹，即 VαT，若常溫 300K 時體 積為 1 倍，則在 600K 時體積即變成 2 倍，在 900K 時體積即變成 3 倍，以此類推。如圖 2.10 所示。. 圖 2.10 氣體受熱膨脹示意圖 （資料來源：參考書目 13）. 21.
(40) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 第七節 機械通風系統影響 由於現有建築物以密閉空間居多，大都採用空調通風系統，尤其 是中央空調系統通達各樓層，一但某一樓層發生火災，所產生之煙 霧，便利用回風與送風風管，將煙傳送到很遠的地方。另一方面，空 調系統也正被設計成為煙控的管道，利用防火、防煙擋板（Damper） 控制煙之流動，或利用空調管進行排煙，使空調系統發揮更大的功 用，如圖 2.11 所示[5]。 空調風機. （資料來源：本研究整理）. 22. 進風管. 回風管. 圖 2.11 建築物空調管路示意圖.
(41) 第二章 高層建築煙流的行為特性. 第八節 電梯活塞效應 把電梯看成是一個活塞，在昇降機間移動，將空氣吸入與排出而 產生氣流，當電梯上下移動時，所形成之壓力差，很容易將火層之煙 流吸入昇降機間，而將煙排至非起火樓層，如圖 2.12 所示。. 圖 2.12 電梯活塞效應示意圖 （資料來源：本研究整理） 23.
(42) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 在這幾項影響煙層流動的因素當中，熱浮力效應與氣體熱膨脹效 應為煙流之高溫所引起的，煙囪效應與自然風則受外界的環境影響， 另外，空調系統與電梯活塞效應則為建築物內部設施所引起。. 24.
(43) 第三章 外風場對高層建築的影響. 第三章 外風場對高層建築的影響 第一節 地表風速特性 一般而言，地表附近的風速會隨高度的增加而遞減，其風速的垂 向分布與地表上的地物、地況有關。如圖 3.1 所示，都會地區高樓林 立，對氣流而言，阻礙空氣流動的地表粗操度較大，而邊界層厚度亦 較大。而平坦的沿海地區，地表粗操度較小，邊界層厚度亦較小。 工程上常用指數率或對數率來描述風速之垂直風佈。 Vh h = ( )α Vg hg. (3.1). Vh =高度下的平均風速. Vg =梯度風速(邊界層外的風速) h =梯度高度(邊界層厚度). hg =梯度高度. α = 指數. 梯度風速會因氣象狀況隨時在變，但梯度高度與指數則視地況而 定，地況則可依建築物所再位置的地表特性分為四類，如表 3.1 所示： 表 3.1 地況分類與指數α值之關係 地況分類. 地況特性. 梯度高度 hg m (ft) 指數 α. 地況 A. 海岸、冰原、沙漠. 250(820). 0.11. 地況 B. 開闊之平原. 300(984). 0.15. 地況 C. 郊區、鄉村. 400(1312). 0.25. 地況 D. 大城市之市中心. 500(1640). 0.36. （資料來源：參考書目 6）. 25.
(44) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. (1)地況 A： 平坦無障礙物之海岸地區或湖岸地區，風系由水平面方向吹過 來，距海岸線 500 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者取較大值)係屬 此種條件下，方式用此種地況。 (2)地況 B： 市郊、鄉村或有許多高度介於 10~20 公尺建築物散步其間的地 區，建築物的迎風面的前方至少有 500 公尺或建築物高度 10 倍的範 圍(兩者取較大值)係屬此種條件下，方可使用地況 B。 (3)地況 C： 地勢平坦開闊之地面、草原或地面散佈的障礙物高度皆小於 10 公尺的地區。 (4)地況 D： 大城市之市中心區，至少有 50%的建築物高度大於 20 公尺者， 建築物的迎風面的前方至少有 800 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩 者取較大值) 係屬此種條件下，方可使用地況 D。 由圖 3.1 可看出地況越粗操，指數和梯度高度越大。. 26.
(45) 第三章 外風場對高層建築的影響. 圖 3.1 不同地況之風速分布 （資料來源：參考書目 6）. 第二節 高層建築所受的風力 從高樓結構設計的觀點來看，作用於高層建築上的風力可分為順 風向、橫風向與扭轉向風力。順風向風力主要由風場中的陣風造成， 對於基本造型近似矩形柱體的建築物，大體上可以透過理論與實驗數 據得到合理的評估。 在建築設計上，重要的橫風向擾動風力主要來自流體通過建築物 時，發生的流體分離（separation）與渦散現象（vortex shedding）所 造成的週期性作用力。當建築物的高寬比與柔度都很大時，在設計風 速之內可能會發生結構共振現象，造成過大的振動反應。這個渦散分. 27.
(46) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 離現象引發的結構共振，與建築物的幾何造型及結構動力特性有密切 關係，目前並無妥善的分析模式可供解析。 對於一般幾何造型的建築物，扭轉向風力的影響小於順風向及橫風向 風力。由於扭轉向風力也是源自流體分離，故亦無分析模式。所幸， 橫風向與扭轉向風力對一般高層建築的影響有限，主要的設計風力仍 由順風向風力控制。 當風流經建築物時，會依建築物的幾何外型，產生下列幾種風場： 1.迎風面渦流(upstream vortex)： 當風遇到高層建築物時，部分氣流會由建築物上方與兩側加速繞 過去，部分氣流沿建築物的迎風面向下切，在建築物的前方形成渦 流。建築物的迎風面越寬越大，下切氣流越強。如圖 3.2 所示. 圖 3.2 下切氣流之示意圖 （資料來源：參考書目 7） 2.建築物尾流(building wake)： 當風遇到高層建築物時，會在建築物的背風面形成一流場紊流的 尾流區，因尾流區之壓力低於大氣壓力，固越過建築物上方的氣流會 28.
(47) 第三章 外風場對高層建築的影響. 受到背風面之負壓力的吸引，向下及向建築物後方流動，形成一個氣 流迴旋的流場。其尾流區的流場特性會受到建築物的幾何外型、風向 角和周遭建築物的影響。如圖 3.3 所示. 圖 3.3 建築物尾流之示意圖 （資料來源：參考書目 7） 3 穿堂風(through flow)： 建築物迎風面與背風面之間有氣壓差，以致當有前後貫通的通道 開口打開時，大樓內的通道會形成氣流的快速流動，此現象稱之穿堂 風，會對進出大樓及經過出入口的行人構成不舒適的情形如圖 3.4 所 示. 圖 3.4 穿堂風示意圖 （資料來源：參考書目 7） 29.
(48) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 4 角隅強風(corner flow)： 當氣流要由建築物兩側繞過去時，流體會有加速的現象。同時在 角隅處，會產生渦流分流現象，造成建築物角隅兩設有較強的風速。 建築物角隅的細部設計與幾何形狀會影響到此處的風場。譬如說矩形 的建築物，渦流會發生在角隅處；但圓弧形的建築物，渦流分離點則 與表面粗糙度有關。如圖 3.5 及圖 3.6 所示. 圖 3.5 建築物角隅強風示意圖 （資料來源：參考書目 7）. 圖 3.6 角隅渦流發生處 （資料來源：參考書目 7） 30.
(49) 第三章 外風場對高層建築的影響. 5 遮蔽效應(shelter effect)： 近似高度與規模的建築物群比鄰而立時，對於迎面而來的氣流產 生阻牆的遮蔽作用，迫使氣流由建築群的上方越過及側邊繞過。反 之，若高層建築物的前方為低矮建築物時，則兩建築物之間會有極強 的渦流發生。如圖 3.7 所示. 圖 3.7 遮蔽效應之示意圖 （資料來源：參考書目 7） 6 金字塔效應(pyramid effect)： 對於逐漸上升且退縮的建築或建築群，建築物頂部分離剪力層受 到漸次升高的邊界影響，匯聚成一股向上湧生的氣流。在金字塔效應 的影響下，下切氣流與角隅強風會較弱。如圖 3.8 所示. 圖 3.8 金字塔效應示意圖 （資料來源：參考書目 7）. 31.
(50) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 7 縮流效應(venture effect)： 當風由一寬廣之區域吹進狹窄的街道時，由於流通斷面積減小， 氣流會有加速的現象，形成高風速區出現。氣流加速的現象會隨著建 築物之間距離的增大而明顯減低。如圖 3.9 所示. 圖 3.9 縮流效應示意圖 （資料來源：參考書目 7）. 32.
(51) 第三章 外風場對高層建築的影響. 8 渠化效應(channel effect)： 都會區中沿街兩側建築物多具有較平整的立面且相互庇鄰，對於 運行期間的氣流而言，猶如渠道之兩壁，一般稱為街谷，此現象會驅 使接近地面的氣流脫離原來的風向而沿街谷的走向流動。如圖 3.10 所示. 圖 3.10 渠化效應示意圖 （資料來源：參考書目 7）. 第三節 高層建築的風壓判定 雖然近年來計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD） 進步很快，對於航太、汽車、機電方面的應用都有極大貢獻，然而， 應用於高層建築物的複雜風力作用尚須一段時日。所以風場在建築物 上所造成的風壓唯有藉助物理縮尺模擬即風洞實驗來預估實際的風 力現象。 執行風洞試驗時，需妥善考慮縮尺模型與實際高層建築之間的模 擬相似率，唯有如此，風洞縮尺實驗結果才能確實應用於原型結構。 設計高層建築的風洞試驗，需滿足流場以及結構空氣動力（或結構空 氣彈力）的模擬相似性。建築風工程探討的是建築物在強風作用下的 結構反應；以風洞進行縮尺模擬時，需要正確模擬以下現象 （一）自然風場特性 33.
(52) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. （二）高樓幾何特性 （三）正確的長度縮尺、時間縮尺與速度縮尺 （四）正確的高樓空氣動力效應 （五）對於少數超高層建築，需正確模擬建築結構的空氣彈力相似性 風洞實驗後的結果數據，與全尺寸實驗的數據是相似的。由於全 尺寸實驗並不能在建築物完成前做量測，除非有相似的建築物和鄰近 地況，而風洞提供了一個在縮尺模型中預測各種風力的影響，量測的 數據與在建築物完成後所做的全尺寸實驗數據，在不同風向上，其平 均壓力係數的分佈，大致上是相似的。. 第四節 風壓係數 建築物上的風壓，在風洞或全尺寸中，都可用速度 (velocity head) 去區別量測數值以獲得符合在高層建築的風速下之無因次參數。 因此可得下列公式： Pw − Pref = C w ρ a v w2 / 2 ⇒ C w = 2( Pw − Pref ) / ρ a v w. (3.2) (3.3). Pref = 參考壓力，通常為一大氣壓. ρ. = 空氣密度， kg / m3 ( lb / ft 2 )；. C w =風壓係數，可查表 3.2 P w = 在局部風壓下未擾亂流中的靜壓； vw. = 在高層建築上的風速， m / s ( ft / s ). 當經由氣象得知風速及風壓係數時，便可由公式(3.2)、(3.3)求得 作用在建築表面上的風壓。 而影響風壓係數 C w 的三個因素為下列三項： (1) 建築物的幾何外型 (2) 風向 34.
(53) 第三章 外風場對高層建築的影響. (3) 周遭建築物和地形的影響 表 3.2 建築物外牆的風壓係數 風壓係數 C w 值. 風向夾角. (ο ). 迎風面. 背風面. 0. 0.75. -0.4. 15. 0.7. -0.5. 30. 0.6. -0.48. 45. 0.45. -0.5. 60. 0.28. -0.48. α. （資料來源：參考書目 8）. 圖 3.11 在高層建築上不同風向的平均壁壓 （資料來源：參考書目 13） 圖 3.11 為模擬在都市區中高層建築上一正方形截面所受到的平 均風壓係數。當風向角 θ = 0° 時，表風與迎風面為正交，故壓力係數 為正值。當 θ 逐漸增加時，側邊的 C w 值也會逐漸增加，但 θ 增加到 30° 以上時，就有負壓的產生，固 C w 值逐漸降低。當 θ = 90° 時，側邊上緣 35.
(54) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 附近會造成最大負壓。當 θ 超過 100° 時，在側邊會產生分離流，故壓 力差的變化較為不明顯。最後可知，在迎風面上的平均風壓，當風向 角 θ 在 0° ~ 60° 時為正值， 60° ~ 180° 時為負值。. 第五節 火場熱浮力案例計算. 外風壓. 中性層. 煙的熱浮力 H. 圖 3.12 高層建築案例示意圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3.12 為一高層建築示意圖，樓高為 H，在建築物內有熱浮力 所產生的壓力差，但也有外風場對建築物所造成的壓力差，且樓層越 高，壓力差就越大。以下將以 3 種不同建築物高度來計算其內部因熱 浮力效應所產生的壓力差。當發生火災時，假設火場的溫度為 500℃ 計算，在高度 60 米時，其因熱浮力效應產生之壓力差為： ∆P =. 1 gp ⎛⎜ 1 − ⎜ R ⎝ Tout T fire. ⎞ ⎟h ⎟ ⎠. (3.4). 1 1 ⎛ ⎞ = 3460 * ⎜ − ⎟ * 60 = 411.2 pa ⎝ 273 + 32.4 273 + 500 ⎠. 在高度 50 米時，因熱浮力效應產生之壓力差為 ∆P =. 36. 1 gp ⎛⎜ 1 − R ⎜⎝ Tout T fire. ⎞ ⎟h ⎟ ⎠. (3.5).
(55) 第三章 外風場對高層建築的影響. 1 1 ⎛ ⎞ = 3460 * ⎜ − ⎟ * 50 = 342.67 pa ⎝ 273 + 32.4 273 + 500 ⎠. 在高度 40 米時，因熱浮力效應產生之壓力差為 ∆P =. gp ⎛⎜ 1 1 − ⎜ R ⎝ Tout T fire. ⎞ ⎟h ⎟ ⎠. (3.6). 1 1 ⎛ ⎞ = 3460 * ⎜ − ⎟ * 40 = 274.2 pa ⎝ 273 + 32.4 273 + 500 ⎠. 根據以上計算結果，與外風場的壓力做比較，若內部壓力差大於 外風場壓力時，煙可順利排出戶外，反之，若內部壓力差小於外風場 壓力時，則會導致煙無法順利排出戶外，造成煙層蓄積。. 37.
(56) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 38.
(57) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響 第一節 大空間煙流模型 圖 4.1 為一大空間示意圖，建築物樓高為 H ，A 處為進氣口，B 處為排煙口，排煙口外有風，其風速為 v w ，其餘參數詳列於表 4.1。 當火災發生時，建築物外有風場影響，由以下的公式推導可以推算出 風場與煙層厚度的關係，且藉由案例分析來驗證外風場對於排煙效果 的影響。. 圖 4.1 大空間自然排煙模型 （資料來源：本研究整理）. 表 4.1 煙流方程式所用之參數 符號. 代表意義. AA. 下方補氣口開口面積. AC. 上方排煙口開口面積. Ci. 下方補氣口開口係數. Co. 上方排煙口開口係數 39.
(58) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 受風影響的壓力係數，此係數可正可負，取決於建築物環 Cw. 境的地形結構. H. 建築物高度. HN. 中性層高度. Hg. 從地面到煙層的距離. mA. 進氣量. mc. 排煙量. mp. 煙產生量. PA. 下方補氣口壓力. PC. 上方排煙口壓力. P∞. 上方排煙口外面環境壓力. P0. 下方補氣口外面環境壓力. Pref. 參考壓力，通常為一大氣壓. Q. 火源大小. Qc. 熱釋放率. Ta. 煙層下方的空氣溫度. Tg. 煙層上方的溫度. vA. 下方補氣口的補氣速度. vC. 煙由上方排煙口的排出速度. vw. 風速. ρa. 煙層下方的空氣密度. ρg. 煙層上方的密度. （資料來源：本研究整理）. 40.
(59) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. 由能量不變定律 ∆P = (ρ a − ρ g )g (H 1 − H 2 ) = ⇒ vC =. vA =. 1 ρV 2 2. 2 g (H − H N )(ρ a − ρ g ). ρg 2 g (H N − H g )(ρ a − ρ g ). ρa. ⇒ m C = C o AC ρ g. m A = C i AA ρ a. 2 g (H − H N )(ρ a − ρ g ). ρg 2 g (H N − H g )(ρ a − ρ g ). ρa. 且從由質量守恆定律得知，從自然排煙口流出之熱煙流等於從下方補 氣口補入之空氣. mc = m A. ⇒. HN =. ⇒. ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ 2 g (H − H g )(ρ a − ρ g )⎥ vC = ⎢ ⎥ 2 2 ⎢ ⎛⎜1 + C o AC ρ g ⎞⎟ ρ ⎥ ⎢ ⎜ C 2 A2 ρ ⎟ g ⎥ i A a ⎠ ⎣ ⎝ ⎦. 由理想空氣定律 ρ ∝. ⇒. ρa =. 1 Ta. C o2 AC2 ρ g + C i2 AA2 ρ a. mc = C o AC ρ g. ⇒. 將. HC o2 AC2 ρ g + H h C i2 AA2 ρ a. ρg =. 代入 vC. 1/ 2. 2 g (H − H N )(ρ a − ρ g ). (4.1). ρg. 1 T. 1 Tg. 代入方程式（4.1）可得：. ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ 2 g (H − H g )(Tg − Ta )Ta ⎥ ⎢ mc = C o AC ρ a ⎢ ⎛ T C 2 A2 ⎞ ⎥ ⎢ Tg ⎜⎜ Tg + a 2 o 2 C ⎟⎟ ⎥ C i AA ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎝. 1/ 2. (4.2). 若 AA >> AC 則： 41.
(60) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. mC = C o ρ a AC. [2 g (H − H )(T g. g. − Ta )Ta. ]. 1/ 2. Tg. (4.3). 由質量守恆定律 mc = m p ， m p 可由下式算出[1~2] [9~12]： m p = 0.071Qc1 / 3 H g5 / 3 + 0.0018Qc. (4.4). Qc = 0.7 × Q. 可求得通風口所需的面積： ⎤ ⎡ ⎥ ⎢ m p ⎢ 2 g (H − H g )(Tg − Ta )Ta ⎥ AC = Co ρ a ⎢ ⎛ T C 2 A2 ⎞ ⎥ ⎢ Tg ⎜⎜ Tg + a 2 o 2C ⎟⎟ ⎥ C i AA ⎠ ⎦⎥ ⎢⎣ ⎝. −1 / 2. (4.5). 再由能量不滅定律，若煙層沒有熱流失，則通風口所需面積可由下式 表示： QC = m p C p (Tg − Ta ) ， (Tg − Ta ) = .. QC m pC p. 代入方程式（4.5） ，則：. 1/ 2 ⎧⎛ ⎞ ⎡⎛ QC ⎞ C o2 AC2 ⎤ ⎫ Q C ⎪⎜ + 1⎟ + ⎢⎜ + 1⎟ + 2 2 ⎥ ⎪ ⎟ ⎢⎜ m C T ⎟ C A ⎥ ⎪ ⎛ m p ⎞⎪⎪ ⎜⎝ m p C p Ta p p a i A ⎦ ⎪ ⎠ ⎣⎝ ⎠ ⎟ ⎜ ⇒ AC = ⎜ ⎬ ⎨ ⎟ QC ⎝ ρ a C O ⎠⎪ ⎪ 2 g (H − H g ) ⎪ ⎪ m pC p ⎭⎪ ⎩⎪. (4.6). 由上式可知，自然排煙之通風口所需面積可由熱釋放率及煙產生率計 算出。. 第二節 風場對熱浮力的影響 自然排煙所以能夠成功達成排煙之功能，需靠熱煙流所產生的熱 浮力效應，但一旦外風場壓力影響自然排煙口之熱浮力，則須評估自 然排煙口之效能。而建築物外部壓力受風場影響的關係式為： Pw − Pref = C w ρ a v w2 / 2. ⇒ C w = 2( Pw − Pref ) / ρ a v w. 其中 C wC 為上方排煙口的壓力係數，C wA 為下方補氣口的壓力係數，且 42.
(61) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. C wA − C wC + C pf 必須為大於零( C pf 為由受熱浮力影響的壓力係數)，若 C wA − C wC + C pf 小於零，則建築內部的壓力會比外風場的壓力小，此時. 外面的風將可能從排煙口進入到建築物內部，導致煙流無法排出。這 些是設計上必須避免的。 且由白努利定理，建築物內部與外部的壓力關係可由下式表示： ρ v2 1 1 ρ a v ′A2 + ρ g vc′ 2 = (ρ a − ρ g )g (H − H g ) + (C wA − C wC ) a w 2 2 2. (4.7). 經由質量守恆，可得到受風場影響後的排煙量為 ⎤ ⎡ ⎢ 2 (C wA − C wC )TaTg v w + 2 g (Tg − Ta )(H − H g )Ta ⎥⎥ ⎢ ⇒ m′ c = C 0 ρ a AC ⎥ ⎢ ⎛ T C 2 A2 ⎞ ⎥ ⎢ Tg ⎜⎜ Tg + a 2 0 2 C ⎟⎟ C A ⎥⎦ ⎢⎣ i A ⎠ ⎝. 1/ 2. (4.8). 而煙層的受風場影響的高度變化，則可由下式表示： 2 ⎡ Qc ⎤ 2⎤ m′p C p Ta ⎡ (Qc + m′p C p Ta ) ( ) = 1− − − + C C 1 ⎢ ⎢ ⎥ v w ⎥ (4.9) wA wC 2 gHQc ⎣⎢ (C o AC ρ a )2 (C p Ta )2 H ⎥⎦ ⎦⎥ ⎣⎢ m′p C p Ta. H g′. 第三節 案例分析 (1)一棟大空間，中庭高 20m，從地面到煙層表面距離為 14m， 排煙口的開口係數為 0.6，外部壓力影響係數 CwA 是 0.2 在背風面 CwC 是-0.5，迎風面 CwC 是 0.7 (Cw 值可參閱表 3.2)，開口面積為 40m2，風 速為 5m/s，空氣溫度 Ta 為 20℃，空氣密度 ρ a 為 1.2kg/m3。 將上述的參數代入(4.8)、(4.9)式，可得到煙層介面高度變化、排 煙量變化如圖 4.2、圖 4.3 所示：. 43.
(62) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. smoke layer interface height 1. Hg/H. 0.8. Hg/H(Cw=-0.5)-背風 面. 0.6. Hg/H(No wind)-無風. 0.4 Hg/H(Cw=0.7)-迎風 面. 0.2 0 0. 5000 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.2.煙層介面高度變化圖(20m) （資料來源：本研究整理）. 排煙量(kg/s). 200 160 120. mc(Cw=-0.5)-背風 面 mc(No wind)-無風. 80. mc(Cw=0.7)-迎風 面. 40 0 0. 5000 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.3.排煙量變化圖(20m) （資料來源：本研究整理） (2)當 H=30m 時，Hg=21m(根據案例(1)起初的 Hg/H=0.7)，在由(3.1) 式可算出在 30m 時的風速為 5.78m/s，其餘參數皆與案例(1)相同。可. 44.
(63) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. 得到在樓高 30m 時煙層介面高度變化圖、排煙量變化圖，如圖 4.4、 圖 4.5 所示 smoke layer interface height 1. Hg/H. 0.8. Hg/H(Cw=-0.5)-背風 面. 0.6. Hg/H(No wind)-無風. 0.4 Hg/H(Cw=0.7)-迎風 面. 0.2 0 0. 5000 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.4 煙層介面高度變化圖(H=30m) （資料來源：本研究整理） 240 排煙量(kg/s). 200 160. mc(Cw=-0.5)-背風 面 mc(No wind)-無風. 120 80. mc(Cw=0.7)-迎風 面. 40 0 0. 5000. 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.5 排煙量變化圖(H=30m) （資料來源：本研究整理） (3)當 H=40m 時，Hg=28m(根據案例(1)起初的 Hg/H=0.7)，在由(3.1) 45.
(64) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 式可算出在 40m 時的風速為 6.42m/s，其餘參數皆與案例(1)相同。可 得到在樓高 40m 時煙層介面高度變化圖、排煙量變化圖，如圖 4.6、 圖 4.7 所示 smoke layer interface height 1. Hg/H. 0.8. Hg/H(Cw=-0.5)-背風 面. 0.6. Hg/H(No wind)-無風. 0.4 Hg/H(Cw=0.7)-迎風 面. 0.2 0 0. 5000 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.6 煙層介面高度變化圖(H=40m). 排煙量(kg/s). （資料來源：本研究整理） 320 280 240 200 160 120 80 40 0. mc(Cw=-0.5)-背風 面 mc(No wind)-無風 mc(Cw=0.7)-迎風 面. 0. 5000. 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.7 排煙量變化圖(H=40m) （資料來源：本研究整理） 46.
(65) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. (4)當 H=50m 時，Hg=35m(根據案例(1)起初的 Hg/H=0.7)，在由(3.1) 式可算出在 50m 時的風速為 6.95m/s，其餘參數皆與案例(1)相同。可 得到在樓高 50m 時煙層介面高度變化圖、排煙量變化圖，如圖 4.8、 smoke layer interface height 1. Hg/H. 0.8. Hg/H(Cw=-0.5)-背風 面. 0.6. Hg/H(No wind)-無風. 0.4 Hg/H(Cw=0.7)-迎風 面. 0.2 0 0. 5000 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.9 所示圖 4.8 煙層介面高度變化圖(H=50m). 排煙量(kg/s). （資料來源：本研究整理） 360 320 280 240 200 160 120 80 40 0. mc(Cw=-0.5)-背風 面 mc(No wind)-無風 mc(Cw=0.7)-迎風 面. 0. 5000. 10000 15000 20000 25000 火源Q(kW). 圖 4.9 排煙量變化圖(H=50m) （資料來源：本研究整理） 47.
(66) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 由以上的關係圖，可以整理出在不同高度時，煙層變化及排煙量 變化的關係圖如下：. 1 0.8 Hg/H. 5MW 0.6. 10MW. 0.4. 15MW 20MW. 0.2 0 20m. 30m. 40m. 50m. 中庭高度H. 圖 4.10 不同高度下煙層變化圖 （資料來源：本研究整理） 350. 排煙量(Kg/s). 300 250. 5MW. 200. 10MW. 150. 15MW 20MW. 100 50 0 20m. 30m. 40m. 50m. 中庭高度H. 圖 4.11 不同高度下排煙量變化圖 （資料來源：本研究整理）. 48.
(67) 第四章 大空間自然排煙系統受外風場的影響. 從以上的案例計算很明顯可知，H 為樓層高度，Hg 為樓地面到煙 層介面的高度，所以 Hg/H 為煙層介面在建築物中的位置點。在圖中 顯示同一火源大小迎風面之自然排煙口排煙量明顯小於背風面之排 煙量，且造成煙層厚度之變化，如在案例(1)中火源量 10MW 時，其 在背風面與迎風面時，煙層高度的差異大約是 90.4％，排煙量的差異 大約是 60％。當火源越大時產生之熱浮力越大，浮力遠大於風壓阻 力時，排煙量明顯大於小火源之情況。 1 0.8 Hg/h. 5MW 0.6. 10MW. 0.4. 15MW 20MW. 0.2 0 2. 4. 6. 8. 外風場風速vw(m/s). 圖 4.12 風速影響煙層介面高度關係圖 （資料來源：本研究整理） 一般來說，風場影響有助於自然排煙的效率，由圖 4.4 可以看出， 風速越高，Hg/H 的值越大，表示煙層厚度就越薄。不過風速過低， 排煙效率會不好，若風速過高，會連新鮮空氣也一起帶走，引發助燃。. 49.
(68) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 50.
(69) 第五章 實驗規劃. 第五章 實驗規劃 因高層建築的高度太高，在量測方面有其困難性，且在控制參數 方面不易操控。風洞實驗是預測環境風場最常用之方法，由於風洞實 驗的控制性佳，可重複性高，且可用來預測實際情況可能發生的情 形。利用幾何相似的模型置於風洞中，再以量測儀器量測可行之數 據，藉此就可預先知道當高層建築在受風場影響時其排煙的狀況。. 第一節 實驗設備 一、風洞規模 風洞主要構造部份可分為整流段、收縮段、試驗段、動力段。圖 5.1 為一風洞立體構造圖，其設計分別說明如下：. NO. 說明 1.保護網 2.蜂巢管 3.整流網 4.整流收縮段 5.收縮段 6.試驗段. NO. 說明 7.試驗轉盤 8.可調式屋頂 9.安全網 10.收縮段 11.軸流風扇 12 擴散管. 6 5 1 2 3 4. 7. 8. 9. 10. 圖 5.1 風洞立體構造圖 （資料來源：本研究整理） 1.整流段： 自然界風場極不穩定，所以在進入收縮段前必須加裝整流段，以 51. 11. 12.
(70) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 使氣流趨於穩定，將流場擾動減至最少。一般而言，風洞之進口整流 段包括蜂巢管與整流細網等裝置。蜂巢管是有許多塑膠圓管整排列而 成，其目的在減小氣流流動方向上的擾動和渦漩，蜂巢管之後便是整 流網，整流網的功能是將通過蜂巢管的渦流再切成更小的渦流，使流 場的紊流強度降到最小。一般來說，網目越細整流越好，但相對的能 量耗損也越大。 2.收縮段 收縮段的目的在於藉通風斷面的縮小，使得通過之氣流加速。叫 小的收縮段需要較大的風扇馬力，且容易產生分離現象。若將收縮段 增大，則整流段亦需要按比例增大，收縮段長度亦需要加長。風洞之 收縮段大多為多項式曲線相接而成，良好的收縮段可進一步的抑制紊 流擾動，並造成試驗段內近似的均勻流場 3.動力段 動力段包括收縮管、風扇及出口擴散管。收縮管由長方形之試驗 段轉變為原型之風扇進口，風扇直徑應與試驗段尺寸相近，風扇葉片 的角度最好可以調整以微調風速。風扇以馬達趨動，風扇馬達的馬力 應以最高風速來設計。為避免馬達及風扇轉動導致的振動會影響試驗 品質，動力段一具有一獨立地基，且動力段與試驗段接縫應以軟性帆 布相連，以防止振動傳遞。出口擴散管形狀多為圓形之喇叭口。 4.試驗段 風洞的試驗段為模型進行測試之處，試驗段的尺寸與模型的縮尺 有密切的關係。風洞實驗中若模型的阻塞比（模型之迎風面積與風洞 斷面積之比值）過大時，氣流會因通風斷面的縮小產生加速現象，故 風速之量測結果可能會導致誤差。一般而言，模型的阻塞比應小於 5 ％，若阻塞比大於 10％，則需調整風洞試驗段之屋頂的高度。. 52.
(71) 第五章 實驗規劃. 建研所風洞本體為一垂直向的封閉迴路系統，總長度為 77.9m， 最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m。另顧慮到未來如進行污染擴 散試驗或煙霧視流試驗可能對風洞本體及工作氣體造成污染，原封閉 迴路風洞切換為開放式風洞。 本次試驗將在風洞之第一測試段進行，本測試段長 36.5 公尺、 寬 4 公尺、高 3 公尺。為使來流風況較為均勻，故將建築物模型設置 在第一旋轉盤之位置(距測試區入口處 3 公尺)。實際測試現場如圖 5.2 所示。. 圖 5.2 風洞實驗場內部圖 （資料來源：本研究整理） 二、 儀器設備 1. 皮托管 2. 壓力轉換器 53.
(72) 性能式煙控系統設計與檢證規範之研究. 3. 壓力指示器 4. 壓力校正器 5. 多頻道電子式壓力掃描主機模組 6. 多頻道電子式壓力掃描轉換模組 7. 資料擷取系統 三、 設計建築物實體尺寸 外觀尺寸 1.模型之高度、寬度以及深度分別為 180 cm × 45 cm × 37.5 cm。 （如圖 5.3 所示） 2.模型下半段為 31.25 公分，上半段 15 層為可拆式，每層高度 9.91 公分。 孔徑位置 1. 模型於上半段奇數層鑽置壓力孔，設於該層中間高度位置處， 即 31.25 公分高之位置。相應壓力孔位置詳見圖 5.3。 2. 每面 3 孔，僅於 2 面設置。一層 6 孔位，整座模型共 48 孔位。 3. 孔徑為 1.02 mm。 設計重點 1. 模型中心需預留足夠空間，以利壓力管線通過。 2. 樓層與樓層間需連接緊密，且容易拆卸。. 54.
(73) 第五章 實驗規劃. 37.5. 37.5. 18.75. 180.00. 6.00. 9.325. 31.25. 9.91. 22.5. 45.00 單位 ：公分. 圖 5.3 模型設計示意圖 （資料來源：本研究整理）. 55.
數據
![圖 2.5 正逆煙囪效應下的氣流狀況 （資料來源：本研究整理） 氣體的流動是連續性的，在高樓建築的管道樓梯間中，因為中性 層的存在(雖然也在上下移動)，上下的熱壓也相反－如圖 2.5 所示。 所以，當內部氣溫高於外部中性層上部形成正熱壓而排氣時，從中性 層下部進氣；相反的，外部氣溫高於內部時，中性層上部形成反熱壓 而進氣時，則從中性層下部排氣[4]。 無論正煙囪效應或逆煙囪效應，管道和樓梯間內外的壓力差都為： △P j = ρ jw − ρ jn gH](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8905733.259070/34.892.143.797.106.372/樓建築時從部進氣相反的外部氣溫逆煙間內外△ρρ.webp)
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