大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析

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(1)大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 內政部建築研究所協同研究報告. 97 年度.

(2) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 97 年 12 月.

(3) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 研究主持人：研究主持人：陳建忠協同主持人：協同主持人：楊冠雄. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 97 年 12 月.

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(5) 第一章目錄緒論目錄. 圖目錄 .......................................................................................................V 表目錄 ..................................................................................................... XI 摘. 要 ..................................................................................................XIII. Abstract ................................................................................................... XVI 第一章緒論............................................................................................... 1 緒論第一節我國性能式煙控系統設計相關規範之發展現況 .............. 1 第二節國外性能式煙控系統設計相關規範之發展現況 .............. 4 第三節國際間最廣為應用之性能式煙控系統設計規範 .............. 7 第二章自然蓄煙區之設計應用分析第一節自然蓄煙區之設計理念分析............................................. 15 第二節自然蓄煙區設計之常用手法與案例分析 ........................ 15 第三節小結..................................................................................... 18 第三章大空間自然煙控系統之設計應用分析大空間自然煙控系統之設計應用分析第一節設計理念分析..................................................................... 19 第二節我國消防法規之相關規定................................................. 19 第三節自然排煙口之設計方式與案例分析 ................................ 21 第四節小結..................................................................................... 23. I.

(6) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊第四章大空間機械煙控系統設計應用分析第一節設計理念分析..................................................................... 25 第二節我國消防法規之相關規定................................................. 27 第三節案例分析............................................................................. 28. 第五章挑空中庭及大型開闊空間之周圍區域區劃排煙系統設計應用分析第一節區劃排煙............................................................................. 37 第二節利用天花層蓄煙之機械煙控系統設計 ............................ 42 第三節利用渠道導煙之機械煙控系統設計 ................................ 45 第四節小結..................................................................................... 48 第六章火災偵煙探測器之應用設計分析火災偵煙探測器之應用設計分析第一節各類型火災探測器工作原理簡介 .................................... 49 第二節我國消防法規之相關規定................................................. 51 第三節煙氣層流現象對於偵煙探測器之影響分析及對策 ........ 54 第四節火災偵煙探測器鳴動時間之全尺度實驗印證 ................ 58 第五節火災偵煙探測器全尺度實驗之進行步驟 ........................ 63 第六節火災偵煙探測器全尺度實驗總結 .................................... 66 第七章排煙系統補氣之設計應用分析第一節設計理念分析..................................................................... 69 第二節我國消防相關法規............................................................. 69 第三節大空間建築補氣設計之理論分析 .................................... 70 第四節自然排煙與補氣設計分析................................................. 76 第五節機械排煙與補氣設計分析................................................. 79. II.

(7) 第一章目錄緒論第八章性能式煙控系統設計 3D CFD 電腦模擬應用分析第一節設計工具與方法使用之說明............................................. 81 第二節設計案例性能比對............................................................. 93 第三節. 3D CFD 模擬結果比對分析.............................................. 95. 第九章動態避難系統設計電腦模擬分析第一節動態避難模擬分析簡介................................................... 101 第二節. 以 SIMULEX 進行模擬之程序....................................... 105. 第三節煙控與避難性能比對分析............................................... 109 第四節避難全尺度實驗印證....................................................... 111 第十章結論與建議第一節結論................................................................................... 115 第二節建議............................................................................... 10520 參考書目................................................................................................... 123 參考書目. III.

(8) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. IV.

(9) 第一章圖目錄緒論圖目錄圖 1-1 發煙量與火源大小及火場外氣進入量之關係..................................................3 圖 1-2 澳洲建築法規煙控系統設計對照圖..................................................................5 圖 1-3 NFPA 92B 所定義之煙沉積示意圖 ....................................................................8 圖 1-4 NFPA 92B 之 N 百分比法則中煙層底部與 N 值關係.......................................9 圖 2-1 大空間自然蓄煙區之設計理念示意圖............................................................15 圖 2-2 L 大樓之挑空中庭(100 米)蓄煙區設計示意。以中庭頂部之圓頂做為蓄煙區之外，亦考量於頂上數層以防火鐵捲門於火災時形成密閉之防火區劃，做為蓄煙之方式。 ................................................................................................16 圖 2-3 經初期 3D CFD 模擬結果顯示，原規劃之台北小巨蛋頂部蓄煙區不足，必須進一步加以修改設計，否則萬一發生火災時，人員之避難逃生時間將呈現不足。 ............................................................................................................17 圖 2-4 修改後之台北小巨蛋外型結構已具備良好而足夠之蓄煙區，可大幅延緩煙層積下降之速度，配合排煙系統之設置，大大增強了安全性。 ................18 圖 3-1 大空間自然排煙煙控系統示意圖....................................................................19 圖 3-2 高鐵左營站之自然煙控系統設計理念，充分利用大空間之蓄煙，並於頂部最高程部分設置自然排煙口，藉由底部之補氣形成推拉（Push Pull）之排煙形式。同時，原設計之自然排煙口總設置面積為樓地板總面積之 2%，經 3D CFD 電腦模擬結果而實際設計為 3.8%，大幅提升了其安全性。 .......20 圖 3-3 高鐵左營站將自然排煙口設置於中庭最頂端蓄煙區之頂部，可消除外界風向之影響。 ........................................................................................................21 圖 3-4 高鐵左營站於頂部設置自然排煙口縱深三百米以上，為國際間少見之設計，經全尺度性能驗證，性能優良。 ................................................................21 圖 3-5 日本 Sunshine City 內部購物中心設置之滑動式自然排煙口可於發生火災時於一分鐘內打開變成透天厝，瞬間消彌火災風險於無形。 ....................22 圖 3-6 日本福岡巨蛋為三萬五千人之表演場所，其頂蓋可旋轉打開。因此，於萬一發生火災時亦可急速消弭災害於無形。 ....................................................23 圖 3-7 日本於 2000 年代初期大量興建此種滑動式頂蓋之大型購物中心或遊樂中心，其頂蓋接可兼具自然排煙效果。 ............................................................23 圖 4-1 大空間機械排煙煙控系統示意圖....................................................................25 圖 4-2 大空間機械排煙運轉時，因風機啟動時機不當,產生拉穿現象。此時，溫度分層被破壞，導致氣流組織變成紊流，而快速下降。事實上，此時風機抽到的大部分是空氣，而非濃煙，排煙效率相當差。 ....................................26 圖 4-3 某高層建築頂部機械排煙機佈置情形。同時為增加其排煙性能之可靠性減少拉穿現象發生之機會，風機之啟動順序已預先排定並經全尺度實驗印證完成。 ................................................................................................................27 圖 4-4 桃園(中正)國際機場二期航廈出境大廳之挑高中庭形成良好之蓄煙空間，頂部並設置排熱與排煙兼用風機。 ............................................................29 圖 4-5 桃園(中正)國際機場頂部風機佈設圖。此風機平時接受溫度感應器之訊 V.

(10) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊號進行通風排熱，於萬一發生火災時，則轉變成全速運轉模式，為通風兼排煙之良好系統設計。 ........................................................................................29 圖 4-6 桃園國際機場出境大廳頂部風機佈置實況。................................................29 圖 4-7 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗，之煙層積實況(一) .................................................................................................................30 圖 4-8 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗，之煙層積實況(二) .....................................................................................................................30 圖 4-9 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗，之煙層積實況(三) .................................................................................................................31 圖 4-10 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗，之煙層積實況(四) .................................................................................................................31 圖 4-11 桃園(中正)國際機場二期航廈於 1998 年進行全尺度熱煙實驗之數據比對分析，顯示具備良好之煙控特性。 ................................................................32 圖 4-12 台北某大型購物中心中庭頂部之蓄煙區與機械排煙系統設置示意圖......33 圖 4-13 台北某大型購物中心中庭進行 3D CFD 火災煙控電腦模擬分析結果 ......33 圖 4-14 台北某大型購物中心中庭進行全尺度火災煙控實驗結果分析，顯示優良之煙控性能，煙層淨高可維持於離地 50 公尺以上。 ..................................34 圖 4-15 台北小巨蛋應用自然蓄煙(1)，自然排煙(2)，機械排煙(3)，自然補氣(4)，樓梯間加壓(5)等先進技術，建構完成一個良好的大空間煙控系統設計 .......35 圖 4-16 台北小巨蛋之補氣不但提供煙控之推拉(Push Pull)助力，且其氣流方向正好與避難方向相反，對於人員之逃生避難提供了良好之保護。 ................35 圖 5-1 由居室本身的排煙系統排煙，不讓煙流入居室外之走廊,形成第一道防線 ................................................................................................................................37 圖 5-2 一旦煙流出居室，再由走廊的機械排煙系統排掉,形成第二道防線...........37 圖 5-3 典型平面式機械排煙系統設計平面圖............................................................38 圖 5-4 平面式機械排煙系統風機之佈設,有可能暴露於火場之中,減低了系統之可靠性 ....................................................................................................................39 圖 5-5 典型豎井式機械排煙系統設計平面圖............................................................39 圖 5-6 豎井式機械排煙系統設計示意圖，其風機位於建築物的最頂端................40 圖 5-7 某捷運車站將月台層設計區劃排煙並設置專用排煙管之實況....................41 圖 5-8 某捷運車站將穿堂層設計區劃排煙並進行兩區同時排放全尺度實驗之實況，實驗結果性能良好。於萬一發生火災後，6 分鐘內人員之避難動線一直維持良好之能見度。 ....................................................................................42 圖 5-9 利用天花層蓄煙之機械煙控系統設計(Chambering Smoke Control System) 示意圖 ....................................................................................................................43 圖 5-10 某大型地下車站採用密閉天花與流明天花進行區劃排煙全尺度實驗發現，流明天花之方式由於具備良好之蓄煙效果，因此煙控性能較為優良。 ................................................................................................................................44 圖 5-11 某車站於流明天花內部設置機械排煙風管，並充分利用蓄煙區之良好設計。 ....................................................................................................................44 VI.

(11) 第一章圖目錄緒論圖 5-12 某大型車站於流明天花內部設置機械排煙風管，並充分利用蓄煙區之良好設計示意圖。經進行區劃排煙全尺度實驗，獲得良好之成果 ................45 圖 5-13 煙導引渠道(Channeling Screen) 示意圖........................................................47 圖 5-14 四樓出境大廳模擬結果顯示，有陰影區之部分皆為熱輻射強度大於......48 20kW/m2，必須注意處理。.........................................................................................48 圖 6-1 各類型探測器種類型之分類。......................................................................49 圖 6-2 差動式集中型熱探測器外觀............................................................................51 圖 6-3 差動式集中型熱探測器內部結構....................................................................51 圖 6-4 光電式集中型煙探測器外觀............................................................................52 圖 6-5 光電式集中型煙探測器之內部結構示意圖....................................................52 圖 6-6 光電式分離型煙探測器外觀............................................................................53 圖 6-7 光電式分離型煙探測器偵測原理....................................................................53 圖 6-8 火焰探測器之外觀............................................................................................54 圖 6-9 挑空中庭與大空間火災時所形成煙氣層流現象............................................55 圖 6-10 位於大空間底部之火源其產生煙柱之平均溫度圖......................................55 圖 6-11 大空間建築內裝置向上式之光束偵測網格..................................................56 圖 6-12 某高鐵車站設置向上式之光束偵測網格示意圖..........................................56 圖 6-14 空間建築內裝置水平式之光束偵測網格示意圖..........................................57 圖 6-13 Ｌ大樓大空間建築內裝置水平式之光束偵測網格示意圖..........................58 圖 6-26 本實驗所安裝之儀器與設備配置示意圖......................................................59 圖 6-18 本實驗所安裝使用之光電式分離型煙探測器位置示意圖..........................59 圖 6-19 第一組光電式分離型煙探測器於離地高 6 公尺處......................................60 圖 6-20 光電式分離型煙探測器第二組於離地高 21 公尺處.....................................60 圖 6-21 本案所使用之集中型偵熱及偵煙探測器位置示意圖..................................60 下圖所示為於現場實際之探測器安裝位置。 ............................................................61 圖 6-22 光電式集中型煙探測器於實驗場地之實際佈置圖......................................61 圖 6-23 差動式集中型熱探測器於實驗場地之實際佈置圖......................................61 圖 6-24 實驗裝置火警受信總機迴路端與探測器之連接示意圖..............................61 圖 6-25 本實驗所使用之數據存取記錄器與個人電腦...............................................62 圖 6-26 裝設燈泡束以量測煙層高度於實驗場地之實際佈置圖..............................62 圖 6-27 實驗場地貓道上方之排煙系統實況圖..........................................................62 圖 6-28 火災探測器全尺度實驗排煙風機啟動時間示意圖......................................64 圖 6-29 火災規模為 5 MW 下，排煙量為 1.36 cmm/mP2P 之煙沈積與鳴動時間對照圖 ....................................................................................................................65 圖 7-1 「區域模式」之二層區域概念示意圖............................................................71 圖 7-2 火場壓力中性面之示意圖................................................................................73 圖 7-3 壓力中性面約位於大空間建築之中間部位....................................................74 圖 7-4 壓力中性面約位於大空間建築之上方部位....................................................74 圖 7-5 壓力中性面下方之建築周圍空間將不易受到火災濃煙與高溫之侵入，可確保避難逃生時之人身安全 ................................................................................75 VII.

(12) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊圖 7-6 大空間建築設置自然排煙口與自然補氣口後之壓力分布特性圖................76 (資料來源：參考文獻 12) ............................................................................................76 圖 7-7 當補氣口較排煙口小之時，壓力中性面被拉升............................................77 圖 7-9 高鐵某車站利用電扶梯開口做為補氣通道，形成良好的推拉氣流組織....77 圖 7-11 高鐵某車站利用大廳之正門開啟作為補氣通路之一，因此必須與偵煙探測器連動於火災時開啟 ....................................................................................78 圖 7-12 大空間建築設置機械排煙口與自然補氣口..................................................79 圖 7-13 壓力中性面下方之空間將不會受到火災濃煙與高溫侵入，可確保避難逃生拾之人身安全 ................................................................................................80 圖 7-14 台北小巨蛋以逃生口位置進行補氣，正好與人之避難形成逆向，形成良好之無煙避難路徑。 ........................................................................................80 圖 8-1 輸入參數及建築外型等尺寸作為輸入檔........................................................82 圖 8-2 定義計算範圍....................................................................................................82 格點若分得較細，模擬結果當然準確度較高，但也因此需較長之運算時間。反之，若格點分的太大太粗糙，則精準度較差。因此，最佳之方式即為在火源附近及開口部等邊界條件附近將格點加密，兼取運算速度與精度兩相平衡。 ........................................................................................................................83 圖 8-3 進行格點分析並求取最佳化之格點尺寸。常見之技巧為在火源附近及開口部等邊界條件附近將格點加密，兼取運算速度與精度兩相平衡。 ............83 圖 8-4 性能式煙控設計常用 NFPA 92B 所列四種 t2 火災成長曲線作為火源 ........84 圖 8-5 NFPA 92B 所列四種 t2 火災成長曲線之成長係數表 ......................................85 圖 8-6 小巨蛋之 13 張座椅熱釋放率實驗結果顯示，其熱釋放率貼近 NFPA 92B 中之慢速與中速間。而原設計則為快速曲線，因此具有良好之工程安全預度。 ........................................................................................................................85 圖 8-7 輸入自然排煙口作為邊界條件之一................................................................86 另一方面，補氣口位置及大小亦皆依此方式於 FDS 上形成邊界條件。...............86 圖 8-8 輸入補氣口位置作為輸入條件之一................................................................87 圖 8-9 輸入撒水頭之佈設做為邊界條件之ㄧ............................................................87 圖 8-10 輸入熱電偶儀器樹做為邊界條件之ㄧ..........................................................88 圖 8-11 熱釋放率曲線比對圖......................................................................................89 圖 8-12 典型之模擬結果溫度變化圖。右側之比例尺可調整依不同顏色顯示之溫度值，因此本圖顯示火災發生後於 780 秒時，其濃煙溫度約為 70 度 C。 ................................................................................................................................90 圖 8-13 3D CFD 模擬結果之溫度分布圖 ....................................................................91 圖 8-14 3D CFD 模擬結果之 CO 濃度分布圖 ............................................................91 此可由能見度分布進一步印證。於避難路徑上離地 2.5 米以上之高度皆可為此 10 米以上之能見度，有利避難。 .......................................................................92 圖 8-15 3D CFD 模擬結果之能見度分布圖 ................................................................92 圖 8-16 3D CFD 模擬結果之輻射熱強度分布圖 ........................................................92 圖 8-17 兩種不同火災地點之選定建構成兩種之不同火災情境..............................94 VIII.

(13) 第一章圖目錄緒論圖 8-18 Case 1 與 Case 2 之溫度場比對分析（續） ..................................................96 圖 8-19 Case 1 與 Case 2 之 CO 濃度場比對分析（續）...........................................97 圖 8-20 Case 1 與 Case 2 之煙層擴散比對分析（續） ..............................................97 圖 8-21 Case 1 與 Case 2 之能見度比對分析（續） ..................................................98 圖 8-22 煙層高度隨時間變化之曲線圖......................................................................99 圖 9-1 SIMULEX 模擬之人員平面圖........................................................................103 圖 9-2 Simulex 可自動選取避難人員超越之角度 ....................................................104 圖 9-3 SIMULEX 模擬不同方向阻礙下之超越路線圖，可充分重現人們驚慌失措往不同方向避難之特性。 ..............................................................................104 圖 9-4 步行速度與人員密度及間距之關係圖..........................................................106 圖 9-5 某高速鐵路車站避難路經之規劃與選定(1) .................................................107 圖 9-6 某高速鐵路車站避難路經之規劃與選定(2) .................................................107 圖 9-7 高鐵某車站之動態避難模擬實況..................................................................109 圖 9-8 人員避難至安全區之詳細人數動態統計圖..................................................110 圖 9-10 Fire Scenario 1 抵達安全點之累計人數統計分析 ......................................110 圖 9-11 Fire Scenario 1 之煙控與避難性能比對分析 ............................................... 111 圖 9-12 淡水線 R14 中山站進行之 528 人之捷運地下車站避難實驗實況。 .......112 圖 9-13 台北捷運地下車站全尺度 528 人避難實驗與美國 SFPE 設計手冊比對結果相當準確，並顯示人員密度與避難步行速度呈現直接反比。此結果與 SIMULEX 所內建之避難性能曲線亦相同。 ...................................................113. IX.

(14) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. X.

(15) 第一章表目錄緒論表目錄表 1-1 發煙量與煙層淨高之關係表 .................................................... 4 表 1-2 美國 BOCA 建築法規煙控系統設計對照表 ........................... 6 表 1-3 本案之煙控系統性能模擬結果之判定基準 .......................... 11 表 1-4. 人員暴露於火場進行避難所能容忍之時間與其周圍之空氣溫度之關係............................................................................. 12. 表 1-5. 人員暴露於火場進行避難所能容忍之時間與其周圍之熱輻射強度之關係......................................................................... 12. 表 1-6 人員暴露於火場進行避難所應具有之能見度 ...................... 12 表 6-1 各裝置場所高度所設置之探測器類型 .................................. 50 表 6-2 火災規模為 5 MW 之探測器鳴動時間實驗結果.................. 64 表 7-1 「條例式設計」與「替代方案設計」之模擬輸入條件 ...... 94 表 8-1 Simulax 輸入不同人員屬性時之男女老幼組成百分比...... 105 表 9-2 高速鐵路某車站動態避難模擬案例表 ................................ 108. XI.

(16) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. XII.

(17) 第一章摘要緒論摘要關鍵詞：性能式設計、3D CFD 電腦模擬、煙控系統設計、動態避難分析一、研究緣起近年來，我國大量興建大型購物中心、大型都會區捷運系統車站、高速鐵路系統車站與機場航廈等，具備挑高中庭及大空間之建築物。這些建築物，由於平時人潮洶湧，且各類店鋪種類繁多，發生火災之風險極高，尤其煙控策略之成敗更為保障人員避難安全之關鍵因素所在。我國目前施行之條例式消防法規若強制套用於此類建築物上，經常發現適用上之困難，而必須進行性能式設計以求取煙控系統性能及造價之平衡點。. 二、研究方法與過程故本研究首先將收集國外煙控系統補氣設計資料，進行分析補氣系統之最適化設計。此種性能式煙控系統設計方法，主要著眼點為假設火災發生於挑高中庭正下方，而火災發生之濃煙以「自然模式」（Free-plume）類似蕈狀雲之方式成長，再於頂部蓄積，並經由機械或自然排煙之方式控制濃煙下降之速度，以利人員逃生。為進行精確而數量化之分析便必須應用 3D CFD 電腦模擬進行火場溫度與速度分佈、CO 濃度與能見度分佈、煙層下降速度等分析，以評估可控制煙層於人員呼吸線淨高以上之時間，再以動態避難模擬分析所必要之避難時間，以此二時間之比對來判定是否安全。. XIII.

(18) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊此種設計方式經廣泛應用於我國之桃園國際機場二期航站、京華城購物中心、自由時報總部大樓、台北小巨蛋、以及高速鐵路車站台北站、板橋站、桃園站、台中站、嘉義站、台南站、及左營站、及台鐵左營新站等大空間建築，獲得相當優良之成效。同時，為了進一步印證其性能，皆進行全尺度實驗印證，性能良好。. 三、重要發現為傳承此寶貴之經驗，本手冊將我國近十年來所完成之大空間建築性能式煙控系統案例進行詳細之分析。經由每項主題設計理念之闡述、我國消防法規之相關規定及案例分析與結果，做詳盡之剖析，以求進一步之推廣應用。展望未來，隨著我國經濟之進一步發展，具備挑高中庭與大空間之建築將更為普遍，進行性能式煙控系統設計與避難分析更形必要，本手冊或將提供一有用之指引，使設計更趨完善，性能更為良好。. 四、主要建議事項建議一立即可行建議−− 大空間建築性能式火災煙控系統設計應用分析之推廣主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：財團法人台灣建築中心、中華民國建築學會. XIV.

(19) 第一章摘要緒論本研究計畫之成果將編輯成為「大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析」手冊，由內政部建築研究所加以出版。並經由財團法人台灣建築中心與中華民國建築學會等單位進行建築師、消防設備師、冷凍空調技師、電機技師等之教育訓練，以進一步推廣應用。建議二中長期建議−− 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、內政部消防署目前我國相關煙控系統之規定，僅見於「各類場所消防安全設備設置標準」，並無針對挑空中庭及大型開闊空間等建築物有專章規定。未來針對大空間建築煙控系統設計之中長期建議，可根據本計畫完成之相關結果，建立屬於我國本土是用的大空間建築性能式火災煙控系統設計規範。如此，對於我國於大空間建築性能式火災煙控系統之設計推廣，將為良好之指引，並形成深遠之影響。. XV.

(20) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 Abstract. Keywords: Performance-based design guide, 3D CFD Simulation, Smoke Management System Design, Dynamic Egress Analysis In recent years, huge shopping malls and atrium buildings were constructed densely in Taiwan. These buildings, with high atria and large spaces, were also with high fire risk where smoke management strategies become the dominant factor. In this case, performance-based design provides a good balance between the cost and engineering practicality. The design concept is normally by assuming that fire occurred underneath the atrium where smoke was generated like a free-plume, stored in the smoke reservoir and then descented with a controlled rate by the smoke management systems, while people can be evacuated safely as shown in figure 1. In an attempt to analyze the smoke management system performances precisely, 3D CFD analysis is usually. performed to analyze the. distribution of temperature, velocity, CO concentration, visibility, and smoke descending rate, etc.of a defined fire size so that acceptable clear height can be maintained. Dynamic egress analysis is then performed to compare with the time allowed to validate the result. The CKS airport terminal II, CP Mall, Liberty Times Headquarter, Taipei Arena, High Speed Rail Stations, such as, Taipei, Banciao, Tuaoyan, Taichung, Tainan, XVI.

(21) 第一章摘要緒論 ChiaYi, Tsoying Stations, and TRA Zuoying station, were all designed following this design concept. In validating their design performances, full-scale hot smoke tests had been conducted with successful results. It is the goal of this manual to integrate the technology developed during these years and compile it into a design guide. It is anticipated that this manual will provide a profound performance-based smoke management system design guide for actual fire engineering practices to facilitate better design projects in the future in Taiwan.. XVII.

(22) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. XVIII.

(23) 第一章緒論第一章緒論近年來，台灣地區陸續完工啟用許多大型/公共建築物，為講求讓使用者有明亮、舒適的感覺，常於中設計具備中庭或挑高與開闊空間。而於這類地方，又常是人群眾多聚集之地，故其火災緊急時之煙控性能要求便為非常重要。目前我國現行消防法規中，有關煙控系統部分，僅見於「各類場所消防安全設備設置標準」第 189 條中有相關規定。於條文中規定防煙區劃面積大小、防煙壁下垂之深度、排煙口位置與排煙量大小等等設計，此為典型條例式（Prescription）法規之規定。但事實上，各類場所消防安全設備設置標準 188 條主要為適用於居室部分之煙控系統設計。對於具備中庭或挑高與開闊空間部分之購物中心、航站大廈與地下車站等建築物而言，直接套用類似之條例式法規，作為其煙控系統設計之依據並不適宜。. 1.1 現行法規制度現行法規制度面之不足制度面之不足目前我國各類建築物建造時所遵循的火災安全法規，為民國八十五年三月內政部所頒佈的「各類場所消防安全設備設置標準」。本法規共分三編，除第一編【總則】外，主要內容為第二編【消防設計】與第三編【消防安全設備】。但由於內容規定過於籠統，涵括各種不同用途型態之建築物，因而造成實際設計者無所適從。「各類場所消防安全設備設置標準」第 12 條中規定，各類建築物依其用途可分為甲、乙、丙、丁、戊、與己六類場所。即先確定建築物之類別後，則可依規定設置每類場所之消防設備。但因「各類場所消防安全設備設置標準」對於各種建築物分類過於粗糙，以致造成設計上的困擾。例如於乙類場所中包含： (一)車站、飛機場大廈、候船室。 (二)期貨經紀業、證券交易所、金融機構。 1.

(24) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 (三)感化院、學校教室、補習班、訓練班。 (四)圖書館、博物館、美術館、陳列館、史蹟資料館、紀念館及其他類似場所。 (五)寺廟、宗祠、教堂、靈骨塔及其他類似場所。 (六)辦公室。 (七)集合住宅、寄宿舍。 (八)體育館、活動中心。 (九)室內溜冰場、室內游泳池。 (十)電影攝影場、電視播送場。 (十一)倉庫。顯然我國現行消防法規中對於建築型態之認定，像車站、機場大廳等建築，居然與辦公室或住宅等建築屬於同一種類。事實上，對於具備中庭或挑高與開闊空間部分之車站、航站大廈與體育館等建築物而言，實不適合使用與辦公室或住宅等建築類似之消防法規，作為其火災煙控與避難系統設計之依據。因此，就上述現象而言，目前我國「各類場所消防安全設備設置標準」此種條例式法規，只單單就建築使用用途分類且分類又現粗糙，並無就各種不同建築型態，如一般居室、挑高中庭等，進行不同特性之歸納。此即我國目前火災安全法規之法規面不足處。. 1.2 現行法規技術面之不足現行法規技術面之不足目前我國火災安全法規，除了如上述之缺點，以單一法規涵蓋所有建築物外，於設計技術方面之規定亦非常缺乏。如「各類場所消防安全設備設置標準」中之第三編【消防安全設備】，並無陳述任何相關設計技術面之條文。亦即只列出設備規格，並無任何設計手法說明，與任何系統性能之要求。故在某些建築場合設置時，可能造成雖合於法規對於消防設備設置數量上之要求，但實際上於發生火災時，並無法真正保障人身安全。 2.

(25) 第一章緒論舉例而言，於「各類場所消防安全設備設置標準」第 189 條第 7 款中規定：「前款之排煙機應能隨任一排煙口之開啟而動作，其排煙量不得小於每分鐘 120 立方公尺，且在一防煙區劃時，不得小於該防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 1 立方公尺，在二區以上之防煙區劃時，應不得小於最大防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 2 立方公尺。但地下建築物之地下通道，其總排煙量不得小於每分鐘 600 立方公尺。」，故照目前我國現行法規中規定之排煙量，被認定為跟樓地板面積成直接正比例關係。此於大空間建築煙控系統設計上，將產生嚴重的誤導！事實上，火場的排煙量應直接正比於發煙量。當每單位時間之排煙量大於每單位時間之發煙量時，配合防煙區劃、防煙垂壁或灑水系統之設置，則火場產生的煙可由排煙系統所控制。而將煙限制在火場房間天花板下某個高度內，維持煙層底下之無煙明確的逃生通道。反之當排煙量小於發煙量時，則火場的煙可能逐漸往下蓄積，影響人的逃生。. 1.3 發煙量與火源大小之關係發煙量與火源大小及火場外氣進入量有密切關係。在設計上而言，就是其火源周長 P（Perimeter of Fire）與煙層（Smoke Layer）離地板高度 Y，決定了發煙量 Mm，如圖 1-1 所示。. 圖 1-1 發煙量與火源大小及火場外氣進入量之關係. 3.

(26) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊而發煙量可用以下式子表示： Mm = 0.2 P Y3/2. （1-1）. 其中 Mm 為每秒所產生煙的質量數，P 為周長、Y 為煙層底部至樓地板之淨高，單位公尺。發煙量亦可以體積表示，則每秒產生立方公尺煙 Mv 可寫成： Mm Mv = （1-2） 122 . × (290 / T + 273) 舉例而言，假設一寬 20 公尺、長 30 公尺及高 3.5 公尺的空間，則依據我國「各類場所消防安全設備設置標準」第 189 條第 7 款規定在其內裝置排煙設備，其機械排煙量為 600 m3/min。若發生 3m × 3m 之 5 MW 的火災，火場溫度為 200 oC 時，大概只能勉強維持約 2 公尺的淨高。但隨著火場溫度提高時，甚至火源變大時，其排煙煙控系統所能維持的淨高就愈低，人就愈加危險了。因此，以樓地板面積直接來換算所需的排煙量的確不合宜，甚至造成排煙系統設計量之誤判。表 1-1 Y(m). 發煙量與煙層淨高之關係表 500℃. M(m3/min) 200℃. 25℃. M(kg/sec). 1. 2.4. 314.4. 193. 121.3. 15. 4.41. 577.7. 355.2. 222.9. 2. 6.79. 889.5. 546.8. 343.2. 25. 9.49. 1243.2. 764.3. 479.7. 3. 12.5. 1637.6. 1066.7. 631.8. 以此表而言在相同之樓地板面積下因不同之淨高將具備不同之發煙量，其相異甚至可達五倍之多，然而依據目前國內之消防法規卻必須設置相同之排煙量。此於大空間建築中更是明顯。. 1.4 國外性能式煙控系統設計國外性能式煙控系統設計相關規範性能式煙控系統設計相關規範之相關規範之發展現況在國外先進國家有關煙控系統設計之規定，並非將所有建築型態，以單一法規（例如各類場所消防安全設備設置標準 188 條）全盤規定其煙控系統設計，. 4.

(27) 第一章緒論而是以圖表或另訂定特別法，以充分考慮其建築特性對煙控系統設計的影響，亦即提供性能式法規之設計依據。於澳洲建築法規（Building Code of Australia），其排煙系統設計（Smoke Exhaust Systems）為採用圖表對照方式，來規定各種不同火載量下，不同建築，於維持不同淨高之排煙量大小（Smoke Exhaust 型態與有無撒水系統（Sprinkled） Rate）。其所規定的設計基準（Design Criteria）為：機械排煙系統必須能夠保持蓄煙區（Smoke Reservoir）之煙層底部，離樓地板至少 2.1 公尺以上。其各種狀況相對應之排煙量設計，如圖 1-2 所示。. 建築分類無撒水曲線有撒水曲線 2,3,5 or 9 6 7 or 8. B C D. A B B. 200 15 MW. D. 排煙量. 150 C 10 MW B. 100 5 MW. m3/s. 1.5 MW. 50. 1. 2. 圖 1-2. 3. 4. 煙層淨高 m. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11. A. 12 13. 澳洲建築法規煙控系統設計對照圖. 另外，於美國建築法規（The BOCA National Building Code）其第九章建築物防火系統（Fire Protection Systems）中，有關煙控系統排煙量的設計為使用表格對照方式，以供設計者選擇最適合建築物採用的最小排煙量。 5.

(28) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊其所規定的設計基準（Design Criteria）為：煙控系統必須能夠保持煙層底部（Smoke Layer Interface）在以下任一高度以上，一為鄰接其他空間的開口部之最上方，二為中庭內最高出口樓地板上方 6 ft，並持續 20 分鐘以上。另外，中庭內必須有至少每小時 2 次換氣率（ACH）的自然或機械排煙系統。其煙控系統設計程序，首先考慮自然式煙控系統設計。若可以滿足上述設計基準，則可不用裝置機械排煙系統。自然式煙控系統能否滿足設計基準，則用下列式子判斷：  t ⋅ Q 13 H 2 3   Z = 0.67 H − 0.28 ln  A  . (1-3). 其中，Z 為淨高、t 為時間為時間、H 為中庭高度、Q 為火載量、及 A 為中庭截面積。若自然煙控無法滿足設計基準，則再進行機械式煙控系統設計。而其排煙量設計，則可從圖 1-3 對照到最適合各類型建築物所採用的最小排煙量。. 表 1-2. 美國 BOCA 建築法規煙控系統設計對照表 t / t0 V / Ve. Z/H 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Z H t t0 V Ve. 6. 0.25 1.12 1.14 1.16 1.17 1.20 1.23 1.26. 0.35 1.19 1.21 1.24 1.28 1.32 1.36 1.41. 0.50 1.30 1.35 1.40 1.45 1.52 1.61 1.71 符號說明. 設計之煙層高度，m 火源上方天花板淨高，m 煙沈積之 Z 處所需時間，sec 無排煙時之 t 值排煙量，m3/s 發煙量，m3/s. 0.70 1.55 1.63 1.72 1.64 2.00 2.20 2.45. 0.85 1.89 2.05 2.24 2.48 2.78 3.17 3.71. 0.95 2.49 2.78 3.15 3.57 4.11 4.98 6.25.

(29) 第一章緒論以上為澳洲與美國有關煙控系統設計的法規。可明顯看出，兩種法規皆充分考慮建築物特性，如自然排煙、蓄煙區、中庭等等。也將性能式設計方法列入考慮，如煙層底部高度計算、每小時換氣率、不同狀況相對應之排煙量設計等等。此即我國目前火災安全法規技術面不足之處。. 1.3 國際間最廣為應用之性能式國際間最廣為應用之性能式煙控系統設計規範性能式煙控系統設計規範目前於國外先進國家中有關挑空中庭及大型空間開闊空間建築物之煙控系統性能安全設計，以美國,澳洲及英國之發展最為快速。其中美國之 NFPA 92B, “Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas.“規範, 或者更貼切. 的,說設計指引，被視為最具權威性. 全文共分為六個章節，包括： 1.通論 2.設計理念分析 3.計算程序分析 4.煙控設備控制 5.系統運轉測試 6.相關資料及附錄。. 訂定本法規主要目的為,提供大空間內既有或全新之煙控系統有關設計、安裝、測試、運轉與維護等技術資料,以保障火災時，確實於大型空間及其連接處一個無煙的逃生路徑。NAPA 92B 其理論分析、實際運用與實驗應證等三方面兼具，為目前少數對具備中庭或挑高與開闊空間建築物煙控系統做系統化研究之一。其次，英國 BRE 之 “Design Approaches for smoke Control in atrium Buildings.“，亦對大空間煙控系統做深入研究。本準則共分八章，針對具中庭建. 築物之煙控系統設計，從煙流特性、火載量設計、系統設計理念、乃至中庭自然排煙/機械排煙之應用，皆有詳細解說與設計程序。亦為一完整之大空間煙控系統設計準則。 7.

(30) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 1.4 NFPA 92B 對煙層高度的評估方法於工程實務上廣用之煙層判定方法有二：一為透過燈泡束，以肉眼或攝影機觀察煙層高度，其二為藉由熱電耦儀器樹與數據存取記錄器所收集的火場溫度數據，進行煙層判定。此為 NFPA 92B 所引進之方式，又稱為 N%方法。 NFPA 92B 對於煙層於大空間蓄積之過程提出一簡化之區域模式，如圖 1-4. 所示。當煙層開始沈積時，會形成有煙之高溫區與無煙之低溫區。同時，在高溫煙層與低溫空氣層之間存在一過渡區域（Transition Zone），而此過渡區域底部高度即被稱為初步煙層位置（First Indication of Smoke）。. 煙層高溫區. 無煙低溫區. 圖 1-3. NFPA 92B 所定義之煙沉積示意圖. 採取 NFPA 92B 之 N 百分比法則（N-percentage Rule）來判斷煙層的高度，乃依據煙層與周圍間空氣之溫度差取一百分比 N 進行計算，其公式如下所示： T（zi，t）－T∞（zi）＝N∆Tref（T）/ 100. 其中， T ＝煙層溫度(℃) T∞ ＝環境溫度(℃). ∆Tref ＝煙柱與環境之溫度差(℃). 8.

(31) 第一章緒論 N ＝百分比例(%) Zi ＝煙柱底部離地面之淨高(m) T ＝時間(s). 舉例而言，當煙層之溫度為 60 度 C 而大空間之環境溫度為 30 度 C，二者溫差為 30 度 C。若取 N 值為 60%則與環境溫差 18 度 C 之處即為煙層底部位置。此相當於煙層內部 48 度 C 之處，只要與溫度儀器樹量測之結果比對即可輕易獲得，於工程應用上極為實用。 NFPA 92B 中指出，一般判斷煙層底部（Smoke Layer Interface）的 N 值取 80～90。某些設計案為求較保守之估計，將煙層底部之 N 值訂為 60 甚或更低，. 作為煙層之判定標準，如下圖 1-5 所示。就物理現象而言其煙層下降速度更快。. 圖 1-4. NFPA 92B 之 N 百分比法則中煙層底部與 N 值關係. 以上國外先進國家之研究成果，一方面凸顯此種中庭及大空間煙控系統設計規範之重要性外，亦成為此種設計之主要參考依據。. 1.5 煙層控制與安全之判定原則進行挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控系統設計時，其主要的設計目標如下所示，重點為： 9.

(32) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 1. 保持煙層底部於預先決定之高度, 一般為最高程人員站立後之呼吸線高度以. 上,再酌加安全裕度。 2. 提供充分之時間，維持無礙之避難路徑與情況（Tenable Condition），使人員. 到達出口或避難區域。此條件共分為五大要項：本手冊所引用之煙控系統性能判定基準（Criterion），主要為依據 NFPA 130 （2007 年版）之建議，內容包括：. （1））溫度：溫度：火場溫度在數秒內允許之最高溫為 60 oC，最初 6 分鐘允許暴露之平均溫度為 49 oC。本模擬旅客在數秒內通過火場，以 60 oC 為判定基準。（2））CO 濃度：濃度：在數秒內允許之最高濃度為 2,000 ppm，最初 6 分鐘暴露平均濃度不大於 1,500 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。本模擬採濃度小於 1,500 ppm 為判定基準。（3））能見度：能見度：煙之能見度要求，在有照明（80 lux）的避難標誌，能辨視的距離為 30 m，門及牆壁能辨視的距離為 10 m。本案採 10 m 能見度為判定基準。能見度為視力所能辨視之最遠距離。當光線通過火場，強度受到煙的阻擋而衰減，其計算方法為： I. I0. = e − KL. （1-28）. I：光經一段路徑後之剩餘強度，cd I0：光之初始強度，cd K 為光衰減係數（Light Extinction Coefficient，m-1），L 為距離（m），則. 能見度（S）的估算，可依下列公式計算:： S=C/K. 10. （1-29）.

(33) 第一章緒論有照明的避難標誌，如避難方向指示燈，較易為眼睛所看到，C 值取為 8。而反光式的避難標誌或一般之地板壁面，則 C 值為 3。本模擬以 C 值取為 3，並以動態模擬繪出能見度分布（4））輻射熱強度：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 6,305 W/m2，最初 6 分鐘允許暴露平均強度 1,576 W/m2，其餘條件之暴露平均強度為 946 W/m2。. 旅客經過火場時接受到最大輻射強度，僅為數秒的時間，故以 6,305 W/m2 或 6.3 kW/m2 來考慮。（5））煙層底部此項目參酌相關設計規範，將煙層底部訂於不得低於 1.8 公尺。因此，依據以上所述，本案相關之煙控系統性能模擬結果之判定基準，整理如下表 1.2 所示。. 表 1-3 本案之煙控系統性能模擬結果之判定基準項. 目. 判定基準. 逃生空間溫度. < 60 oC. CO 濃度. < 1500 ppm. 能見度. > 10 m. 輻射熱強度. < 6.3 kW/m2. 煙層淨高. 離地 1.8 m 以上. (1)避難路徑上之空氣溫度不得高於 60゜゜C. 據國外資料顯示人員暴露於火場進行避難所能容忍之時間與其周圍之空氣溫度有絕對之關係。如下表所示. 11.

(34) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊表 1-4 人員暴露於火場進行避難所能容忍之時間與其周圍之空氣溫度之關係. (2)避難路徑上之熱輻射強度應控制於避難路徑上之熱輻射強度應控制於 2.5kW/m2 以下. 表 1-5 人員暴露於火場進行避難所能容忍之時間與其周圍之熱輻射強度之關係. (3)人員暴露於火場進行避難所應具有之能見度一般應大於 10m。。. 表 1-6 人員暴露於火場進行避難所應具有之能見度. (4) CO 濃度：濃度：. 在數秒內允許之最高濃度為 2,000 ppm，最初 6 分鐘暴露平均濃度不大於 1,500 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。一般模擬採濃度小於 1,500 ppm 為判定基準。 12.

(35) 第一章緒論 (5) 煙層底部淨高. 此項目一般設計規範，將煙層底部訂於不得低於 1.8 公尺，乃考慮人之呼吸線位置。因此亦有較嚴格之規定，為離地 2.1 公尺。以上五項安全之判定準則已經於我國所進行之數十個大空間建築煙控系統設計案例實證過；包含:中正機場二期航廈、京華城購物中心、自由時報企業總部、台北小巨蛋、台灣高速鐵路台北站、板橋站、桃園站、台中站、嘉義站、台南站以及左營站、台鐵左營新站、高雄捷運 O5R10 車站、R9 車站等甚至台積電、聯電等之大型無塵室進行實際之應用，並獲得良好之成果。尤其，高雄都會區捷運系統等為數約數十個地下車站進行煙控與避難系統電腦模擬時，亦皆以此為判定基準，可謂為我國本項技術光輝的一頁，與國外新進國家之工程技術比較，亦不遑多讓。. 以下即分就大空間煙控系統之設計要項進行討論。. 13.

(36) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 14.

(37) 第一章緒論第二章自然蓄煙區之自然蓄煙區之設計應用分析設計應用分析 1. 自然蓄煙區之設計理念分析當大空間內部發生火災時，火焰產生的煙柱（Plume）受浮力驅動而上升。煙柱捲入周圍的空氣，而煙量則隨著煙柱上升高度而增多；直到大空間挑空中庭頂部或天花板時，煙開始於大空間內部自然填充（Smoke Filling），並慢慢沈積形成煙層(Smoke Layer）。此時，若於大空間挑空中庭頂部設置蓄煙區（SmokeStorage），如圖 2-1 所示，則能減緩煙層下降速度，以提供一條無煙之逃生避難路徑。. 圖 2-1. 大空間自然蓄煙區之設計理念示意圖. 2. 自然蓄煙區 (Smoke Storage) 設計之常用手法設計之常用手法與案例分析常用手法與案例分析蓄煙區之設計為延緩煙沉積速度之最重要手段之一。常見之蓄煙區設計除設置於大空間頂部外，亦可配合大空間周圍區域之防火/防煙區劃設計，擴大蓄煙區之容量。常見之方式為大空間挑空中庭周圍全面以防火鐵捲門形成密閉蓄煙區設計，然其高昂的造價及易誤動作之問題必需考量。 15.

(38) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 蓄煙空間 13F至至R2F. © 2006/08, Dr K.H. Yang L大大樓挑空中庭蓄煙區設計挑空中庭蓄煙區設計示意煙區設計示意圖示意圖. 圖 2-2. 92. L 大樓之挑空中庭(100 米)蓄煙區設計示意。以中庭頂部之圓頂做為蓄. 煙區之外，亦考量於頂上數層以防火鐵捲門於火災時形成密閉之防火區劃，做為蓄煙之方式。. 另以台北小巨蛋為例；建築師原設計之蛋型較為扁平，同時左側高層之觀眾座位區大幅拉高，形成不對稱之形狀，示如下圖 2-3。經初期進行 3D CFD 火災模擬結果顯示，若於主館發生 5 MW 火災，經過 100 秒後整個蓄煙區已充滿濃煙。於 180 秒後濃煙已彌漫至最高層之座位區上方繼續蓄積，而於 210 秒後整個座位區已籠罩在濃煙之中，人員逃生極為困難，造成極大之危險，顯示原規劃之蓄煙區容量不足。. 16.

(39) 第一章緒論. 圖 2-3. 經初期 3D CFD 模擬結果顯示，原規劃之台北小巨蛋頂部蓄煙區不足，必須進一步加以修改設計，否則萬一發生火災時，人員之避難逃生時間將呈現不足。經建議修改設計後，完成之蛋形如下圖 2-4 所示，此即為台北小巨蛋之. 現況。進一步經 3D CFD 電腦模擬結果顯示，更廣大之蓄煙區配合機械排煙與自然排煙系統之設置，可於最高層座位區上方維持 7 公尺高度之無煙淨空持續達 30 分鐘以上；此與巨蛋內一萬五千名觀眾總避難時間 14 分 36 秒比較，具 2 倍左右之安全裕度，大大提升了安全性。. 17.

(40) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 圖 2-4. 修改後之台北小巨蛋外型結構已具備良好而足夠之蓄煙區，可大幅延緩煙層積下降之速度，配合排煙系統之設置，大大增強了安全性。. 此種由於 3D CFD 之分析而導致整個巨蛋球場之重新設計，一方面顯現了蓄煙區重要性；另一方面，亦顯示出防火避難安全設計乃所有新工程建造流程中不可或缺的一環。. 3.小結小結大空間內部之蓄煙區設計，其作用除了能減緩煙層下降速度以外，更可提供自然或機械排煙煙控有利的條件。此乃考量一旦火災自探測器偵知到連動至火警警報器，通知防災中心，再以自動或手動方式啟動自然排煙口或排煙風機，到風機全速運轉之階段，需要一段時間才能達成。因此,若有蓄煙區之設計，則蓄煙空間既可用以緩衝排煙口或排煙風機尚未完全開啟運轉前之時段,提供人員早期避難之需，且不至於形成排煙機過早啟動所形成之拉穿效應(Plug-holing)，而使煙層快速下降。蓄煙區的設計除了配合大空間周圍區域之防火/防煙區劃設計外，亦應考慮煙層溫度對蓄煙區完整的影響。如蓄煙區以玻璃隔開挑空中庭與其周圍區域，則可考慮於區劃玻璃兩側加裝撒水系統，以隔絕高溫的煙層。大空間蓄煙煙控設計可不用電力而運作，故萬一火災斷電時，仍可發揮煙控性能，煙控性能可靠，具備”萬一失敗時仍然安全”(Fail−Safe)的優勢。. 18.

(41) 第一章緒論第三章大空間自然煙控系統之設計應用分析大空間自然煙控系統之設計應用分析 1.設計理念分析設計理念分析典型挑空中庭及大型開闊空間建築物之自然排煙煙控系統設計理念，可示如圖 2-5。在圖中，於挑空中庭之頂部設計凸出的屋頂「頸部」，形成蓄煙空間設計，再經由偵煙探測器與自然排煙口之連動將煙排出而控制濃煙於一定之高層，以利人員避難。. 圖 3-1. 大空間自然排煙煙控系統示意圖. 自然排煙口之位置，最理想為位於挑空中庭頂部，或者蓄煙空間之高點。若萬一必須開口於建築物之側面，便須考慮外界自然風向。而自然排煙口的排煙量與排煙口大小、煙層深度、及煙的溫度有關。可藉由 3D CFD 電腦模擬而得,再經由全尺度實驗，印證其煙控性能。. 2.我國消防法規之相關規定我國消防法規之相關規定於各類場所消防安全設備設置標準中，第 188 條規定如下: 防煙區劃面積大小不得超過 500 m2 防煙壁下垂之深度須大於 50 cm( 於地下室時為 80 cm)以上防煙區劃任意點離排煙口距離不得超過 30 m. 19.

(42) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 (自然排煙)排煙口總開口面積不得小於防煙區劃面積之 2/100 機械排煙量不得小於該防煙區劃面積每平方公尺 1 立方米每分鐘(1 cmm/m2). 依據此規定，自然排煙口之開口面積須達樓地板總面積之 2 %以上。然而，此 2 %之自然排煙口應設置於何處，則並未有進一步規範。舉例而言，高速鐵路左營站原依據我國消防法規設計之自然排煙口總開口面積即為 2%，並平均分布於屋頂之中部及頂部兩處地方，如下圖所示。然而，若萬一發生火災時，於大廳上升之熱煙將由於熱浮力之驅動而快速到達並蓄積於最頂部之蓄煙區空間。如此，位於中間部之自然排煙口將有如濃煙「過站不停」，而形同虛設。經設計修改後，自然排煙口之位置已極為適當。. 圖 3-2. 高鐵左營站之自然煙控系統設計理念，充分利用大空間之蓄煙，並於頂部最高程部分設置自然排煙口，藉由底部之補氣形成推拉（Push Pull）之排煙形式。同時，原設計之自然排煙口總設置面積為樓地板總面積之 2 %，經 3D CFD 電腦模擬結果而實際設計為 3.8 %，大幅提升其安全性。. 20.

(43) 第一章緒論 3.自然排煙口之設計方式與案例分析自然排煙口之設計方式與案例分析常見的頂部自然排煙口之設計有二種，包括：外推式、滑動式。最良好之自然排煙口設計為置於頂部，以高鐵左營站為最典型之應用案例。. 圖 3-3. 高鐵左營站將自然排煙口設置於中庭最頂端蓄煙區之頂部，可消除外界風向之影響。. © 2006/04, Dr K.H. Yang. 圖 3-4. 128. 高鐵左營站於頂部設置自然排煙口縱深三百米以上，為國際間少見之設計，經全尺度性能驗證，性能優良。 21.

(44) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊然而，由於台灣地區位居於亞熱帶，一年期間雨季甚長，因此，建築師對於直接於建築頂部開口設置排煙窗之方式，因害怕雨天漏水而有某種程度之心結，故如何於適當位置開啟自然排煙窗口而又不至於受強風及導致漏水之情況，往往考驗著建築師之智慧。外推式之自然排煙口若位於蓄煙空間之側面，設計時須考慮自然風風向對排煙的影響。迎面風對於自然排煙之影響極大,較為妥善之設計方式為藉由設置風向風速計判斷,並開啟下風處之排煙口,但也因此使設計複雜化。”透天” 之設計方式仍為最佳選擇。以台鐵左營新站為例，其排煙口開啟時常需面對強大之落山風。因此，其他方位之自然排煙窗，尤其於下風處之排煙窗便相形重要。滑動式自然排煙口常用於蓄煙空間之頂端，可將其挑空中庭屋頂設計為可動式。屋頂開啟方式可為拉開式或旋轉式，於發生火災時，藉由備用電力或人力使之開啟，進行排煙。. 圖 3-5. 日本 Sunshine City 內部購物中心設置之滑動式自然排煙口可於發生火災時於一分鐘內打開變成透天厝，瞬間消彌火災風險於無形。. 22.

(45) 第一章緒論. 圖 3-6. 日本福岡巨蛋為三萬五千人之表演場所，其頂蓋可旋轉打開。因此，於萬一發生火災時亦可急速消弭災害於無形。. 圖 3-7. 日本於 2000 年代初期大量興建此種滑動式頂蓋之大型購物中心或遊樂中心，其頂蓋接可兼具自然排煙效果。. 3-1 小結. 大空間自然排煙口設計可不用電力而運作，故萬一火災斷電時，仍可發揮煙控性能，具備 Fail−Safe 的優點。且自然排煙口設計程序簡單，煙控性能可靠。 23.


(47) 第一章緒論第四章大空間機械煙控系統設計應用分析 1. 設計理念分析大空間機械排煙之主要目的為控制煙層至建築物內之安全高度，以減緩煙層下降速度進行煙控 (Smoke Management)，提供一條無煙之逃生避難路徑，保障人身安全,而非如一般傳統觀念,著眼於將煙完全排除(Smoke Removal)，於基本設計理念上不同。. 圖 4-1. 大空間機械排煙煙控系統示意圖. 於挑高中庭大空間頂部機械排煙之設計理念中，良好的應用蓄煙空間之設計與機械排煙風管系統之設計同等重要。良好之蓄煙設計，更可預防拉穿（Plug-holing）的現象產生。所謂拉穿現象,為當挑空中庭機械排煙風機運轉時，因蓄煙量不足或風機啟動時機不當，使排煙機抽到大量空氣而造成紊流,不但降低排煙效率，更使煙氣下降速度加快向挑空中庭周圍區域蔓延，危害到人身安全。此現象類似水槽之水栓被拔開後，於水槽產生的漩渦一樣,故有此名.如圖 4-2 所示.理想的機械排煙乃將煙層有如雲海般拉高,因此保持分層很重要。. 25.

(48) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 圖 4-2 大空間機械排煙運轉時，因風機啟動時機不當,產生拉穿現象。此時，溫度分層被破壞，導致氣流組織變成紊流，而快速下降。事實上，此時風機抽到的大部分是空氣，而非濃煙，排煙效率相當差。拉穿現象之防止需要較高之性能式設計技術。一般設計師於發現煙層積速度過快之時，第一個直覺反應即為將排煙量加大。事實上，盲目的將排煙量加大只會導致拉穿現象之發生，所排放的也大部分是空氣而非濃煙，且攪亂煙層之溫度分層，有時導致煙層下降速度更快。改進之道為於加大排煙量之時同時增加排煙閘門之個數，以便將排煙口之風速降至合理之範圍內。此設計過程再經由 3D CFD 模擬進行反覆印證，直至得到良好設計性能為止。另一方面，拉穿現象之防止亦可經由良好之風機啟動順序而達成。舉例而言，L 大樓具備 100 米高之挑高中庭。其風機之啟動並非一下子全部開啟，而是以 1-8-4-5-2-7-3-6 之順序為之。如此，不但其不斷電系統不至於一下子風機全部投入而跳機，且對於煙層溫度分層之保持極有貢獻。. 26.

(49) 第一章緒論. .

(50). . . 中庭頂台@ 50 cms 機械排煙風機中庭頂部 8台械排煙風機

(51) . © 2006/08, Dr K.H. Yang. 93. 圖 4-3 某高層建築頂部機械排煙機佈置情形。同時為增加其排煙性能之可靠性減少拉穿現象發生之機會，風機之啟動順序已預先排定並經全尺度實驗印證完成。. 2.我國消防法規之相關規定我國消防法規之相關規定我國現行法規「各類場所消防安全設備設置標準」中，第 188 條為有關排煙煙控系統之相關規定，內容主要包括：防煙區劃面積大小不得超過 500 m2 防煙壁下垂之深度須大於 50 cm( 於地下室時為 80 cm)以上防煙區劃任意點離排煙口距離不得超過 30 m (自然排煙)排煙口總開口面積不得小於防煙區劃面積之 2/100 機械排煙量不得小於該防煙區劃面積每平方公尺 1 立方米每分鐘(1 cmm/m2). 依此規定，每平方公尺之樓地板面積便相對應的設計有每 1 立方公尺每分鐘之機械排煙量；同時，每 500 公尺之範圍內便須設置防煙區劃，做為以適當深度之防煙垂壁環繞起來。此垂壁深度於地上建築規定為 50 公分，於地 27.

(52) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊下建築則為 80 公分。然而，所需設置排煙口之個數並無明文規定，因此導致許多個案於每一區劃僅設置一個排煙口設時，總排煙量雖可符合法規之要求，但事實上，排煙性能不一定良好。甚至，再盲目加大排煙設計量之時，產生拉穿效應，而使煙層快速下降。因此，如何配合良好之蓄煙空間與機械排煙為一重要之課題。. 3.案例分析案例分析以桃園國際機場二期航站為例。出境大廳之挑高中庭形成良好之蓄煙空間。由於原設計之大空間並未設置任何排煙系統，經建議改善後，將原頂部 11 台排熱通風機加以升級使成為可耐 2500C 一小時以上之排煙兼用風機。. 依此設計，當火災發生時，出境大廳之龐大蓄煙容量，首先減緩煙沉積下降速度；待偵煙探測系統啟動風機，並全部開啟估計逾 4 分鐘完成後，煙層已累積至桁架內 2.5 米深度，亦即維持約 20 米之淨高。隨著，火災之成長濃煙繼續上升而排煙系統已正常啟動，直到二者達到平衡，持續維持於 11 公尺之淨高。對人員之避難而言，2.1 米以上之淨高即已足夠，因此，充分驗證了此排煙系統之良好功能，可於萬一發生火災時，確保人員之避難安全。. 28.

(53) 第一章緒論. 圖 4-4. 桃園(中正)國際機場二期航廈出. 圖 4-5. 桃園(中正)國際機場頂部. 境大廳之挑高中庭形成良好之. 風機佈設圖。此風機平時. 蓄煙空間，頂部並設置排熱與排. 接受溫度感應器之訊號. 煙兼用風機。. 進行通風排熱，於萬一發生火災時，則轉變成全速運轉模式，為通風兼排煙之良好系統設計。. 頂部風機. © 2006/08, Dr K.H. Yang. 圖 4-6. 30. 桃園國際機場出境大廳頂部風機佈置實況 29.

(54) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 實驗開始，煙往上竄升，開始沈積 15:06. 煙在出境大廳上方的桁架內，慢慢沈積 15:08. ©1999, Dr K.H. Yang. 圖 4-7. 50. 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗之煙層積實況(一). 實驗進行 4分鐘後，煙沈積於桁架內約 2.5m，即淨高約有20 m. 15:10. 淨高20m. 實驗進行7分鐘後，煙沈積於桁架外約 4.5m，即淨高約有18 m 15:13. 淨高18m. ©1999, Dr K.H. Yang. 圖 4-8. 30. 51. 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗之煙層積實況(二).

(55) 第一章緒論. （續）實驗進行 7分鐘後，煙沈積於桁架外約 4.5m，即淨高約有18 m 15:13. 實驗進行 8分鐘後，煙沈積約出境大廳的一半高度，即淨高約有11 m. 15:14. 淨高11m ©1999, Dr K.H. Yang. 圖 4-9. 52. 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗之煙層積實況(三). 實驗進行 11分鐘後，煙沈積仍約為出境大廳的一半高度，即淨高約有11 m ，且持續維持該淨高 15:17. 淨高11m. ©1999, Dr K.H. Yang. 圖 4-10. 53. 桃園國際機場出境大廳於 1998 年進行火災熱煙全尺度實驗之煙層積實況(四). 31.

(56) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊. 中正機場二期航站出境大廳自然蓄煙電腦模擬與全尺度實驗煙沈積速度比較圖. ©1999, Dr K.H. Yang. 圖 4-11. 54. 桃園(中正)國際機場二期航廈於 1998 年進行全尺度熱煙實驗之數據比對分析，顯示具備良好之煙控特性。. 今再另舉一大型購物中心之機械排煙應用案例加以說明。此購物中心位於台北市之鬧區，投資近百億元興建，完工時為整個東亞地區之最大型綜合購物中心。此購物中心共由一球型建築與旁邊之 L 型建築所組合而成，中間再以橫跨挑空空間之超長自動電扶梯加以連結，極具巧思。如下圖所示。其中，由於地下二層美食街之火災風險最高，因此於其相對應之頂部空間，亦即俗稱之大峽谷處配備有容量相當大之機械排煙系統。設計之時，經 3D CFD 電腦模擬結果而選定 7.8 ACH 之排煙量。此甚至較 NFPA 101 所建議之 6 ACH 排煙量為高。亦顯示，性能式煙控系統設計並無所謂之固定排煙量建議值，而必須由電腦模擬與避難分析二者之間求取平衡點來達成。經電腦模擬結果顯示，於中庭發生 5 MW 之火災時，本系統可將煙層控制於 10F~12F 間之蓄煙空間，而使人員得以安全避難。有趣的是，在該購物中心完工啟用後半年之時間曾遭人以攜帶汽油之方式縱火，結果所有煙控避難系統皆完全依照所設計之程序自動進行，而沒有發生任何人員之傷亡。此相當於上 32.

(57) 第一章緒論帝親自做的實驗，更充分印證了以 3D CFD 作為性能式煙控系統設計之重要性與有效性!. 圖 4-12. 台北某大型購物中心中庭頂部之蓄煙區與機械排煙系統設置示意圖. Smoke Exhaust Rate 563 m3/s ~ 7.8 ACH 12F Ceiling Smoke Storage 10F Floor. 3D CFD Simulation. Smoke Clear Height. A Wall Plume Model. CP Mall火災煙控模擬分析火災煙控模擬分析. © 2006/04, Dr K.H. Yang. 圖 4-13. 52. 台北某大型購物中心中庭進行 3D CFD 火災煙控電腦模擬分析結果. 33.

(58) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊 CP Mall火災煙控全尺度實驗結果分析火災煙控全尺度實驗結果分析 80 2:27, 11F. 70. Height (M) 60. 50. 5:55, Smoke Cleared. 1:34, 12F. 40 30. 3:43, Fan ON. 20 2:51, 10F. 10 0 0. 100. © 2006/04, Dr K.H. Yang. 圖 4-14. 200. 300. （Sec）. 400. Time. 500 57. 台北某大型購物中心中庭進行全尺度火災煙控實驗結果分析，顯示優良之煙控性能，煙層淨高可維持於離地 50 公尺以上。. 再舉 1 例加以說明。本案例為一座 15,000 人容量之綜合室內體育館，亦即通稱之巨蛋球場。此球場之基本設計乃由國際間最聞名之 hok 與國內建築師配合進行，為我國首度進行之大型巨蛋球場建設案，極具劃時代之意義。本體育館共應用了自然蓄煙(1)，自然排煙(2)，機械排煙(3)，自然補氣(4)，樓梯間加壓(5)等先進技術，建構完成一個良好的大空間煙控系統設計，如下圖所示。其補氣系統設計，不但提供煙控之推拉(Push Pull)助力，且其氣流方向正好與避難方向相反，對於人員之逃生避難提供了良好之保護，頗具巧思。. 34.

(59) 第一章緒論 Taipei Arena Smoke Management System Design. . 2.Natural Vents. . 1.Smoke Storage. . 2000 5000. NBA FIBA. 30000. IIHF. 15000 IIHF. 3.Mechanical Smoke Exhaust. 4.Make-up air from Exits. 圖 4-15. . . 5.Stairwell Pressurization. © 2006/04, Dr K.H. Yang. . . 4層平面圖. 64 S=1/600. 台北小巨蛋應用自然蓄煙(1)，自然排煙(2)，機械排煙(3)，自然補氣(4)，樓梯間加壓(5)等先進技術，建構完成一個良好的大空間煙控系統設計. 5F 4F 3F 2F 1F B1 B2 筏基. Egress Direction. Make-up air from Exits. © 2006/04, Dr K.H. Yang. 圖 4-16. 65. 台北小巨蛋之補氣不但提供煙控之推拉(Push Pull)助力，且其氣流方向正好與避難方向相反，對於人員之逃生避難提供了良好之保護。. 35.


(61) 第一章緒論第五章. 挑空中庭及大型開闊空間之周圍區域區劃排煙系統設計應用分析設計應用分析. 1.區劃排煙區劃排煙 1-1 基本設計理念分析原則上這些圍繞著挑高中庭之區域，本身之建築型態頗類似於一般居室。因此，其內之排煙系統可依據一般之區劃排煙方式進行。當居室發生火災時，居室本身的區劃排煙系統形成第一道防線，不讓煙流入居室外之走廊，如圖 5-1 所示。而於煙流出居室，再由走廊的機械排煙系統排掉，形成第二道防線不讓煙流入中庭，如圖 5-2 所示。此種設計較接近條例式法規之想法.. 圖 5-1 由居室本身的排煙系統排煙，不讓煙流入居室外之走廊,形成第一道防線. 圖 5-2 一旦煙流出居室，再由走廊的機械排煙系統排掉,形成第二道防線 37.

(62) 大空間建築性能式火災煙控系統設計規範之建立與應用分析手冊典型之平面式機械排煙系統設計平面圖，如圖 5-3 所示。因為需要設計排煙風管至樓層的每個角落，故所需風管總長度相當長。且於目前建築空間普遍缺乏的情況下，設計佈置如此長且密的排煙風管，亦為很難解決之問題。. 排風口. 排風口. 排風口. 豎井位置. 排風口. 排風口. 排風口. 圖 5-3 典型平面式機械排煙系統設計平面圖. 由於每個樓層需要各自的排煙機，所以有多少樓層就有多少台排煙風機。再根據我國現行消防法規【各類場所消防安全設備設置標準】中，第 189 條第八款規定：「排煙機應連接緊急電源。」。故每個樓層的排煙機，必須各自連接各自之緊急電源，則所需緊急電源數目變多，投資成本相當可觀。另外，於每層樓設置排煙風機，亦即風機有可能暴露於火場之中，如圖 2-33 所示。故其裝有排煙風機的機械室，需具備防火等級設施。無疑地，又增加其初設設備投資成本。. 38.

(63) 第一章緒論. 圖 5-4. 平面式機械排煙系統風機之佈設,有可能暴露於火場之中，減低了系統之可靠性. 反之，豎井式機械排煙系統設計則無以上平面式機械排煙系統之缺點，其典型設計圖，如圖 9-34 所示。在圖中顯示，由於於建築內設置排煙豎井，故不用將排煙風管拉至建築物每個角落，進而節省排煙風管成本。故對於如挑空中庭周圍區域之大面積的建築特性而言，使用豎井式排煙系統設計可大量節省排煙風管設計長度。. 排風口排風口. 排風口豎井位置豎井位置. 排風口. 圖 5-5. 豎井位置排風口. 排風口. 典型豎井式機械排煙系統設計平面圖 39.