建築物避難設計與煙控技術之研究（I）--大空間建築煙控系統補氣之最適化設計與規範研究

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建築物避難設計與煙控技術之研究（Ⅰ）

大空間建築煙控系統補氣之最適化設計

與規範研究

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 96 年 12 月

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(本部計畫編號） 096301070000G1011

建築物避難設計與煙控技術之研究（Ⅰ）

大空間建築煙控系統補氣之最適化設計

與規範研究

受委託者：財團法人中華建築中心

研究主持人：楊冠雄

協同主持人：蘇崇輝

研究員：葉琮勤

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 96 年 12 月

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(I) 能內政部建築研究所委託研究報告年 96 大之空最間適建化築設煙計控與系規統範補研氣究之之

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圖次 ... III 摘要 ... VII 第一章緒論 第一節研究緣起與背景 ... 1 第二節研究方法與步驟 ... 3 第三節預期成果 ... 6 第二章大空間煙控系統補氣之設計分析 第一節大空間建築補氣設計之理論分析 ... 7 第二節壓力中性面與補氣設計之關係 ... 13 第三節自然排煙與補氣設計分析 ... 17 第四節機械排煙與補氣設計分析 ... 19 第三章大空間煙控系統補氣全尺度實驗 第一節全尺度熱煙試驗規劃與程序 ... 21 第二節火災規模 1 MW 全尺度實驗結果分析 .. 31 第三節火災規模 2 MW 全尺度實驗結果分析 .. 51 第四節火災規模 3 MW 全尺度實驗結果分析 .. 71 第五節補氣全尺度實驗小結 ... 91

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第四章結論與建議 第一節結論 ... 93 第二節建議 ... 99 參考書目 ... 附錄 一、期初審查會議記錄及回覆 ... 二、期中審查會議記錄及回覆 ... 三、期末審查會議記錄及回覆 ... 四、第一次專家座談會會議記錄 ... 五、第二次專家座談會會議記錄 ... 六、計畫績效評估表（ KPI） ...

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圖次

圖 2.1-1 「區域模式」之二層區域概念示意圖 ... 10 圖 2.2-1 火場壓力中性面之示意圖 ... 13 圖 2.2-2 壓力中性面約位於大空間建築之中間部位 ... 15 圖 2.2-3 壓力中性面約位於大空間建築之上方部位 ... 15 圖 2.2-4 壓力中性面下方之空間將不會受到火災濃煙 與高溫之侵入，可確保避難逃生時人身安全 . 16 圖 2.3-1 大空間建築設置自然排煙口與自然補氣口 ... 17 圖 2.4-1 大空間建築設置機械排煙口與自然補氣口 ... 19 圖 3.1-1 防火實驗中心之綜合實驗室剖面圖 ... 22 圖 3.1-2 貓道上方之機械排煙系統 ... 23 圖 3.1-3 機械排煙系統之控制面版 ... 23 圖 3.1-4 綜合實驗室之補氣口全部開啟情形 ... 24 圖 3.1-5 綜合實驗室之補氣口全部關閉情形 ... 24 圖 3.1-6 本研究煙控全尺度實驗之熱電耦儀器樹 ... 25 圖 3.1-7 本研究煙控全尺度實驗之數據存取記錄器 ... 26 圖 3.1-8 NFPA 92B 中之煙層示意圖 ... 26 圖 3.1-9 NFPA 92B 中煙層底部與 N 值關係 ... 27 圖 3.2- 1 本研究 1 M W 火災情境之火盤裝置情形 . . . 3 1 圖 3.2-1 火災規模 1 MW 之全尺度實驗情形 ... 33 圖 3.2-2 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，並不 開啟補氣口之煙沈積速度圖 ... 34 圖 3.2-3 進行全尺度實驗，開啟補氣口 1/4 面積情形 ... 35

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圖 3.2-4 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ... 36 圖 3.2-5 火災規模 1 MW 下，開啟補氣口 1/4 面積之 全尺度實驗情形 ... 37 圖 3.2-6 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ... 38 圖 3.2-7 進行全尺度實驗，開啟補氣口 2/4 面積情形 ... 39 圖 3.2-8 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 40 圖 3.2-9 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 42 圖 3.2-10 進行全尺度實驗，開啟補氣口 3/4 面積情形 . 43 圖 3.2-11 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬 上開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度 ... 44 圖 3.2-12 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 .... 46 圖 3.2-13 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬 上開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 48 圖 3.2-14 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 50 圖 3.3- 1 本研究 2 M W 火災情境之火盤裝置情形 . . . 5 1 圖 3.3-1 火災規模 2 MW 之全尺度實驗情形 ... 53 圖 3.3-2 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟後，並不 開啟補氣口之煙沈積速度圖 ... 54

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圖 3.3-4 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ... 58 圖 3.3-5 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 60 圖 3.3-6 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 62 圖 3.3-7 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ... 64 圖 3.3-8 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ... 66 圖 3.3-9 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 68 圖 3.3-10 火災規模為 2 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 70 圖 3.4- 1 本研究 3 M W 火災情境之火盤裝置情形 . . . 7 1 圖 3.4-1 火災規模 3 MW 之全尺度實驗情形 ... 73 圖 3.4-2 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟後，並不 開啟補氣口之煙沈積速度圖 ... 74 圖 3.4-3 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ... 76 圖 3.4-4 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ... 78

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圖 3.4-5 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 80 圖 3.4-6 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ... 82 圖 3.4-7 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ... 84 圖 3.4-8 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ... 86 圖 3.4-9 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 88 圖 3.4-10 火災規模為 3 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ... 90

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摘要

關鍵字：大空間建築、煙控系統、補氣系統、熱煙實驗

一、研究緣起

於大空間建築發生火災時，無論利用頂部蓄煙或進行機械或自然排煙，皆必須於適當位置設計補氣（Makeup Air ），以便造成推拉（ Push Pull ）之有效氣流組織，才能使煙控系統發揮最佳之煙控性能。此時之補氣量設計、補氣口位置、與補氣口開啟時機，便成為煙控系統補氣設計時極重要之考量因子。有鑑於我國大空間建築煙控系統之補氣設計，並未明確列於相關設計規範中，因此有必要參考國外先進國家之相關補氣設計與規範進行系統化之分析。 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。其次，利用內政部建築研究所之防火實驗中心，進行大空間建築煙控系統不同開口大小與啟動時機之補氣全尺度熱煙實驗，以獲得本土化之補氣設計數據，進而提供未來相關規範制訂時之重要參考依據，以建立我國本土化之大空間建築之煙控系統補氣之設計規範。

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三、重要發現 當大空間建築頂部設置自然排煙口時，檢視其煙控性能可從兩方面著手，一為質量守恆定律，其排煙量 me等於發煙量mp與補氣量md之總和。二為壓力中性面之高度，其比補氣口最高高度還高，因此不會蔓延到火災區之鄰近區域。皆可說明設計補氣口不可缺少之重要性。其次，若大空間建築頂部設置機械排煙系統時，同樣地，檢視其煙控性能可從兩方面著手，一為質量守恆定律，二為壓力中性面之高度。皆可說明設計補氣口不可缺少之重要性。假設於穩流（Steady Flow ）狀態下，基於守恆定律，從中庭頂部機械排煙口流出戶外之空氣或煙的總流率，等於從煙層底部下方流入中庭室內之空氣總流率。而流入中庭室內之空氣亦即補氣，此處當中庭頂部為機械排煙設計時，則補氣方式可為自然補氣，或者是機械風機補氣。本研究利用內政部建築研究所防火實驗中心，進行大空間建築煙控系統補氣之全尺度熱煙實驗，以獲得本土化之補氣設計數據，進而提供未來相關規範制訂時之重要參考依據。所完成的項目為 1 MW 、 2 MW 、與 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗。而各種不同火災規模下，還包括 9 個實驗項目，亦即： 1. 機械排煙開啟後，並不開啟補氣口 2. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 1/4 面積

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4. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 2/4 面積 5. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 2/4 面積 6. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 3/4 面積 7. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 3/4 面積 8. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口全部面積 9. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口全部面積實驗結果顯示，經由煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，但不開啟補氣口之情況下，可看出較為明顯煙層滯留現象。印證沒有補氣口作用下，確實會影響煙控系統之性能。於點火後開啟機械排煙系統，馬上開啟補氣口全部面積之情況下，由於馬上開啟補氣口，可看出有些稍微煙層擾動現象。但因本次實驗之大空間高度及寬度頗大，馬上開啟補氣口之效應，並沒有很明顯影響煙控系統之性能。於點火後開啟機械排煙系統 60 秒，才開啟補氣口全部面積情況下，由於並未馬上開啟補氣口，可從實驗結果看出煙層較為穩定，煙控系統性能也較明顯。當火災規模為 1 MW 時，其煙控性能因補氣口開啟而提升之效果較不明顯。但當火災規模為 2 MW 與 3 MW 時，其煙控性能因補氣口開啟而提升，較火災規模 1 MW 時明顯。

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四、主要建議事項 建議一 立即可行建議 −− 於「各類場所消防安全設備設置標準」增列設置補氣口之規定主辦機關：內政部消防署協辦機關：內政部營建署有關建立大空間建築煙控系統補氣之設計規範，本項立即可行建議為於目前「各類場所消防安全設備設置標準」第三節排煙設備第一百八十八條中，增加排煙系統設置補氣口之規定，可立即做為我國目前煙控系統補氣設計之主要依據。 建議二 中長期建議−− 「挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範」之撰寫主辦機關：內政部消防署協辦機關：內政部營建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文。日後針對煙控系統補氣設計之中長期建議，可根據完成之相關煙控系統補氣之全尺度熱煙實驗結果，將補氣設計此部份列入「挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範」中，使得我國具備類似 NFPA 92B 之設計規範。

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Keywords：Large Space Building, Smoke Management System, Makeup Air, Full-Scale Hot Smoke Test

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 with makeup air system has been exercised.

For steady flow, the mass flow of air or smoke exhaust from the top of an atrium equals the mass flow of air entering below the smoke layer. This airflow entering the atrium is referred to as makeup air, and the makeup air can be either supplied naturally or by fan power.

In this research, various full-scale hot smoke tests for makeup air systems will be performed 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 smoke management system with makeup air system in Taiwan.

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第一章緒論

第一節緣起與目的

於大空間建築發生火災時，無論利用頂部蓄煙或進行機械或自然排煙，皆必須於適當位置設計補氣（Makeup Air），以便造成推拉（ Push Pull）之有效氣流組織，才能使煙控系統發揮最佳之煙控性能。此時之補氣量設計、補氣口位置、與補氣口開啟時機，便成為煙控系統補氣設計時極重要之考量因子。首先若補氣量不足，則此時的機械或自然排煙形同「抽真空」。而若補氣量太大，則火場由於形成大的紊流，而使煙沈積速度急劇加大，造成人員避難上極大的危險。其次，補氣口位置如果不適當，亦會形成極大的後遺症。亦即若直接補氣於火場，則將造成助燃之結果，火勢快速達到全盛期。若補氣位置太高，則煙層組織被破壞，造成煙層紊流無法控制。最後，補氣口開啟時機之選擇，則會影響到煙控性能之良莠。補氣口開啟時間太早，則有可能破壞煙柱形狀，進而破壞煙層沈積讓排煙機抽不到煙。而補氣口開啟時機太慢的話，則煙層下降時間迅速，嚴重危及人員安全。

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至於大空間中庭煙控系統之補氣方式，可採用機械進氣或自然進氣兩種，於 NAPA 92B 中，亦提供了重要參考依據。在文中指出，補氣系統之出口風速不能破壞煙柱結構，或者讓煙柱傾斜某個角度。其建議補氣系統之出口風速需在 1 m/sec （ 200 fpm ）以下，以免對煙柱發展造成影響。有鑑於我國大空間建築煙控系統之補氣設計，並未明確列於相關設計規範中，因此有必要參考國外先進國家之相關補氣設計與規範進行系統化研究分析。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。其次，利用內政部建築研究所之防火實驗中心，進行大空間建築煙控系統補氣之全尺度實驗，以獲得本土化之補氣設計數據，進而提供未來相關規範制訂時之重要參考依據，以建立我國本土化之大空間建築之煙控系統補氣之設計規範。

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第二節研究方法與步驟

有關本計劃主要工作內容及進行步驟，如下所述： 1. 蒐集有關大空間建築煙控系統之補氣設計方法與資料本項工作將進行大空間建築煙控系統相關之補氣設計方法與規範，以進一步系統化分析其設計重點。 2. 大空間煙控系統補氣之最適化設計分析本研究完成蒐集大空間建築煙控系統補氣設計資料後，將進行大空間建築煙控系統補氣之最適化設計。包括補氣系統之補氣量設計、補氣口位置設計、與補氣口開啟時機設計等等。 3. 進行 1 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗於內政部建築研究所台南防火實驗中心，進行 1 MW 之機械排煙自然補氣全尺度熱煙實驗。並依據 NFPA 92B ，獲得實驗之煙層溫度與煙層下降速度。另外，記錄包括煙層溫度、補氣口面積大小、補氣口開啟時間等等，以評估補氣系統對於煙控性能之影響。

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4. 進行 2 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗於內政部建築研究所台南防火實驗中心，進行 2 MW 之機械排煙自然補氣全尺度熱煙實驗。並依據 NFPA 92B ，獲得實驗之煙層溫度與煙層下降速度。另外，記錄包括煙層溫度、補氣口面積大小、補氣口開啟時間等等，以評估補氣系統對於煙控性能之影響。 5. 進行 3 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗於內政部建築研究所台南防火實驗中心，進行 3 MW 之機械排煙自然補氣全尺度熱煙實驗。並依據 NFPA 92B ，獲得實驗之煙層溫度與煙層下降速度。另外，記錄包括煙層溫度、補氣口面積大小、補氣口開啟時間等等，以評估補氣系統對於煙控性能之影響。 6. 提出我國相關大空間煙控系統補氣設計規範之建議以上述所完成之煙控系統補氣全尺度熱煙實驗結果，據以提出建議事項，以建立適合我國採用之大空間建築之煙控系統補氣之設計規範。承上所述，本計畫研究步驟如下列工作流程：

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計劃開始 ↓ 1. 蒐集有關大空間建築煙控系統之補氣設計方法與資料 ↓ 2. 大空間煙控系統補氣之最適化設計分析 ↓ 3. 進行 1 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗 ↓ 4. 進行 2 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗 ↓ 5. 進行 3 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗 ↓ 6. 提出我國相關大空間煙控系統補氣設計規範之建議 ↓ 計劃完成

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第三節預期成果

經由本年度計畫執行，預期完成如下具體成果： 1. 預計經由本計畫之執行，將可對大空間煙控系統設計形成良好的指標與深遠之影響，並成為性能式設計之重要參考。 2. 經由全尺度熱煙實驗驗證之結果，可作為我國相關規範制訂時之重要參考依據，並提高其工程實施之可行性。 3. 導引我國之火災煙控系統設計，逐步邁向性能式，與國際之潮流與趨勢相配合，形成深遠之影響。 4. 完成提出我國相關大空間煙控系統補氣設計規範之建議。

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第二章大空間煙控系統補氣之設計分析

第一節大空間建築補氣設計之理論分析

本研究於探討目前對於大空間建築煙控系統補氣設計時，首先於研究火場內煙流動特性之分析。

本研究之大空間建築定義，為參考美國 NFPA 92B, 2000, " Guide for Smoke Management Systems in Mall,

A t r i a , a n d L a rg e A re a s " ，為大型購物中心、具有挑空 中庭建築、或是像體育館巨蛋、機場航廈等建築。而預測大空間建築煙流動特性之方式，可分為代數方程式、「區域模式」（Zone Model ）、與「場模式」（Field Model）等三種方法來進行分析。如下說明： 1.代數方程式代數方程式法，是依據實驗公式或半經驗公式來預測濃煙的擴散與沈積。以區域火災模式為基礎，將整個建築物內劃分為高溫煙層與低溫空氣層，且假設高溫煙層內的物理性質（諸如溫度、密度、壓力等）是均勻一致（Homogeneous）。在代數方程式法中火災煙層高度、溫度的計算是利用質量、能量守恆以及理想氣體方程式求得。由於代數方程式法是以實驗與簡化理論為基礎，其限制與

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假設條件較多，但由於此法簡單易操作，不必訴諸複雜的計算模式，但其分析結果亦較簡化。 2.區域模式（ Zone Model）區域模式是將建築物空間劃分若干個區域，每個區域內再劃分成物理、化學性質均勻的高溫煙層與低溫空氣層。並利用能量、動量、質量及組成成份守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每個區域內的溫度、濃度分佈情形。區域模式之求解方式為隱性（Implicit ）型式，係利用高溫煙層與低溫空氣層之總守恆方程式與數值方法，代入輸入條件，迭代求出高溫煙層與低溫空氣層之物理特性。區域模式在計算上較場模式簡單、省時，但區域模式只能預測平均的煙流動情形，無法預測實際火災發生時建物內詳細之流場與溫度場分佈。區域模式之基本假設條件為： 1. 氣體視為具有等分子重及等比熱的理想氣體 2. 自由邊界上的質量交換是由於壓力差或者是剪力影響，一般這些皆由自然或強制對流造成 3. 燃燒被視為質量與能量的來源，即表示無機械作用 4. 整個氣體層的水平截面積是等面積 5. 在固體邊界流體的摩擦效應於本模式下予以忽略 6. 由於浮力的結果周遭氣體流入 entrainment ，再由

entrainment 進入 fire plume；依據經驗，流進的速度與 plume 中的垂直速度呈線性關係。

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3.場模式（ Field Model）場模式乃將建築物空間劃分成若干個細小格點，且利用數值方法求解守恆方程式的場模式能較仔細、正確地預測火災發生過程中，每個格點的速度、壓力、溫度、濃度值。因此適用於複雜形狀、大空間建築中採用不同煙控系統的煙流動與沈積現象的模擬。一般的場模式（CFD ）可區分為直接數值模擬法（ Direct Numerical Simulation, DNS ）、雷諾平均法（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation modeling, RANS）以及 LES 法（ Large Eddy Simulation）三種。

所謂 DNS 法是直接求解 Navier-Stokes 方程式，對 turbulence 無需任何的假設。而 RANS 法是利用時間平均 Navier-Stokes 方程式加上紊流預測模式來預測流體的流動。目前 RANS 的紊流預測模式相當多，其中以標準 k-εmodel 最常被引用。再者，由於火災的煙流動現象是瞬時變化的，利用以時間平均為基礎的 RANS 法通常無法精確地預測複雜熱傳與渦流的發展。最後， LES 法是將流體物理量區分為大尺度（Grid Scale）與次格點尺度（ Sub-Grid Scale, SGS）兩部分。對於大尺度的物理量在 LES 中直接由 Navier-Stokes 方程式求解，而在次格點尺度內的物理量則需要模式化。利用 LES 法預測火災發生時氣流流動的主要重點在於在次格點尺度內流體運動的模式化。

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因此歸納以上論述，「場模式」主要是以 Naiver-Stokes 方程式為架構，配合燃燒與輻射等方程式，將火場細分為數個控制體積，進行火場內煙流動特性之分析。而「區域模式」無論是在計算上、或是火災行為與性質狀態上之探討都較「場模式」要來的簡便，因此適合本研究用來解釋煙控系統之補氣設計。區域模式之二層區域概念為主要架構認為，若空間發生火災時，可將內部空間劃分為兩大層狀區域，亦即上方高溫層（煙層）及下方空氣層。因此若以區域模式的概念來觀察建築物內部任一起火空間的火災行為與性質狀態，則區域內部之氣體質量、能量、化學現象以及狀態等變化，如下圖 2.1-1 所示。 圖 2.1-1 「區域模式」之二層區域概念示意圖 ( 資料來源：參考文獻 12)

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圖 2.1-1 中，其空間區域內部之質量變化為通過邊界流入與流出質量的總和。 ( )=

_∑

j j m V dt d . ρ (2.1) 其中 ρ ：區域內部氣體之密度（ kg/m3） υ ：區域之體積（ m3） t ：時間（sec） . m ：經由邊界流入或流出區域的氣體質量流率（ kg/sec）其內部氣體質量的變動即為流動氣體經由各邊界進出區域的總累加值；其中為表示空間與鄰近空間之關係，所以會在各質量流率參數前面添加正負符號；流入區域之質量流率為正，流出區域之質量流率則為負。無論是從鄰接空間透過開口流入之空氣流或由此空間流出的熱空氣流、煙，或者是藉由各防火防災器具在區域邊界上產生給氣或排氣的動作，這些對於區域內部氣體質量變化有所影響的因子，都必須包含在討論的範圍當中。 因區域之體積 V 將會隨著時間而有所變化，所以 在具體進行計算時，必須考慮火災空間中的水平斷面的面積與高度。因此，於式子 2.1 左式中水平斷面之 面積不變化時，則其區域之體積 V 則可表示為

( )

Z dt Ad ρ ，其中 Z 為區域之厚度。 當建築物發生火災時，建築物內部起火空間將會

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形成兩部分，其分別為上方高溫煙層與下方空氣層。而此時將可使用上述之雙層層狀區域性質計算方程式來進行分析討論。當利用雙層層狀區域性質計算方程式進行討論時，則假設建築物內部空間會因不同之氣體性質，被分割為上方高溫層與下方空氣層；且無論是上方高溫層或者是下方空氣層，其層狀區域內部之氣體分佈都是均勻的，故可以將其層狀區域內部任一點之物理性質都視為相等。這樣的假設，主要是無視層狀區域內部溫度與氣體流動之實際分佈，以平均值來代替層狀區域內部之各計算參數，如此一來則可用最小限度的變量來進行火災行為之預測。

(

)

g p p Zn j i j i ρ ρ − − = 0 0 (2-5) 當大空間建築頂部進行排煙時，其代表此時頂部排煙口內之壓力大於戶外壓力，故可將煙氣排出戶外。而大空間建築底部有從外部補氣進入時，則代表底部壓力小於外部。因此，底部至頂部間存在內部與外部壓力差相同之區域，亦即並無空氣內外流通，為壓力中性面之所在位置。是故若排煙口或者補氣設置於壓力中性面附近的話，則達不到排煙或者補氣之目的。因此，壓力中性面與排煙及補氣設計之關係相當密切，於實際設計不得不注意此點。

(29)

當大空間建築底部補氣口面積（包含其他建築縫隙等）相當於排煙頂部排煙口面積時，其壓力中性面所在位置，約位於大空間建築之中間部位，如下圖 2.2-2 所示。 圖 2.2-2 壓力中性面約位於大空間建築之中間部位 ( 資料來源：參考文獻 15) 若當大空間建築底部補氣口面積小於排煙頂部排煙口面積時，其壓力中性面所在位置，於位於大空間建築之上方部位，如下圖 2.2-3 所示。 圖 2.2-3 壓力中性面約位於大空間建築之上方部位 ( 資料來源：參考文獻 15)

(30)

因此，根據圖 2.2-3 之設計原理，只要大空間建築之壓力中性面仔細控制於安全不會妨礙人員避難逃生之位置，則當中性面以下之中庭周圍居室發生火災時，其煙氣將完全地流入中庭內部，而從中庭頂部排出，如下圖 2.2-4 所示。亦即壓力中性面以下之空間，將不會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。 圖 2.2-4 壓力中性面下方之空間將不會受到火災濃煙 與高溫之侵入，可確保避難逃生時之人身安全 ( 資料來源：參考文獻 15)

(31)

第三節自然排煙與補氣設計分析

於大空間建築發生火災時，無論利用頂部蓄煙或進行機械或自然排煙，皆必須於適當位置設計補氣（Makeup Air ），以便造成推拉之有效氣流組織，才能使煙控系統發揮最佳之煙控性能。例如，當大空間建築頂部設置自然排煙口時，系統設計示意如圖 2.3-1 所示。檢視其煙控性能可從兩方 面著手，一為質量守恆定律，其排煙量 me等於發煙量 mp與補氣量 md之總和。二為壓力中性面之高度，其比補氣口最高高度還高，因此不會蔓延到火災區之鄰近區域。皆可說明設計補氣口不可缺少之重要性。 圖 2.3-1 大空間建築設置自然排煙口與自然補氣口 ( 資料來源：參考文獻 12)

(32)

由於大空間建築之自然排煙設計為藉由火場之熱浮力，而將煙氣經由自然排煙口排至戶外。自然排煙系統之排出煙氣質量流率，可用以下簡單代數方程式表示之： 2 / 1 0 2 2 / 1 0 0 0 ] ) / ( [ )] / )( ( 2 [ T A A T T T T T gd CA m i v s s s b v v + − =

ρ

& (2-6) 其中： v m& 為排出煙氣質量流率 C 為釋放係數 Av 為自然排煙口面積 Ai 為補氣口面積

ρ

0 為外界空氣密度 g 為重力加速度 db 為煙層底部與排煙口之距離 T0 為外氣絕對溫度 Ts 為煙氣絕對溫度因此，從式子(2-6) 亦可明顯看出自然補氣口面積 Ai於計算自然排煙系統之排煙量時之重要性。

(33)

第四節機械排煙與補氣設計分析

其次，若大空間建築頂部設置機械排煙系統時，系統設計示意如圖 2.4-1 所示。同樣地，檢視其煙控性能可從兩方面著手，一為質量守恆定律，二為壓力中性面之高度。皆可說明設計補氣口不可缺少之重要性。 圖 2.4-1 大空間建築設置機械排煙口與自然補氣口 ( 資料來源：參考文獻 12) 假設於穩流（Steady Flow ）狀態下，基於守恆定律，從中庭頂部機械排煙口流出戶外之空氣或煙的總流率，等於從煙層底部下方流入中庭室內之空氣總流率。而流入中庭室內之空氣亦即補氣，此處當中庭頂部為機械排煙設計時，則補氣方式可為自然補氣，或者是機械風機補氣。

(34)

當為機械風機補氣時，其設計風量大致為機械排煙風量之 90 %，剩下 10 %的補氣量則由開口或其他縫隙自然流入補充。而補氣方式為自然流入時，補氣可藉由門、窗、或通風口流入中庭煙層底部下方。其路徑有時相當複雜，可能需穿過多處房間與走廊。於設計自然補氣時，可藉由電腦軟體加以分析。另外，不論是機械風機補氣或自然補氣，其補氣出口風速不能破壞煙柱結構，或者讓煙柱傾斜某個角度。NFPA 92B 建議補氣出口風速需在 1 m/sec （ 200 fpm）以下，以免對火災煙柱造成影響及擾動。

(35)

第三章大空間煙控系統補氣全尺度實驗

第一節全尺度熱煙試驗規劃與程序

本研究將利用內政部建築研究所防火實驗中心，進行大空間建築煙控系統補氣之全尺度熱煙實驗，以獲得本土化之補氣設計數據，進而提供未來相關規範制訂時之重要參考依據。所規劃進行之全尺度熱煙實驗項目將包括： (1) 1 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗 (2) 2 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗 (3) 3 MW 之機械排煙自然補氣全尺度實驗進行全尺度實驗時，除靜態照片與動態影片之記錄外，並依據 NFPA 92B，獲得實驗之煙層溫度與煙層下降速度。另外，記錄包括煙層溫度、補氣口面積大小、補氣口開啟時間等等，以評估補氣系統對於煙控性能之影響。最後，再根據完成之相關煙控系統補氣之全尺度熱煙實驗結果，據以提出建議事項，以建立適合我國採用之之大空間建築之煙控系統補氣之設計規範，而完成本研究計畫之重要部份。

(36)

本大空間建築火災煙控全尺度實驗場地，為內政部建築研究所位於台南歸仁之防火實驗中心。其室內大型之綜合實驗室，長約 48.5 公尺、寬約 22.5 公尺、最高處為離地約 30 公尺，詳細之設計圖如下圖 3.1-1。 圖 3.1-1 防火實驗中心之綜合實驗室剖面圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 本綜合實驗室貓道（ Cat Way ）上方設有一套機械排煙風管與 12 個排煙口，可提供本案進行全尺度實驗時機械排煙之用，如圖 3.1-2 所示。

(37)

圖 3.1-2 貓道上方之機械排煙系統 ( 資料來源：本研究整理 ) 此套機械排煙風管與 12 個排煙口之開啟與關閉，為設置於 1 樓內之監控室，於進行機械排煙火災全尺度實驗時，經由人工開啟。其操作盤可藉由其排煙風機轉速控制盤，調整風機轉速至所需風量，示如圖 3.1-3。 圖 3.1-3 機械排煙系統之控制面版 ( 資料來源：本研究整理 )

(38)

本研究於進行正式機械煙控系統火災全尺度實驗前，將進行排煙風機轉速校正實驗，以了解排煙風機轉速與排煙風量之關係。本排煙風機轉速校正實驗之原理，為在某排煙風機轉速下，於排煙口量測其風速，再換算成風量，可得風機轉速與排煙風量之關係。經變化多種不同轉速下，可得由 5 Hz 至 55 Hz 間，每 5 Hz 情況下之轉速與排煙風量之關係，示如表 3.1-1。 表 3.1-1 排煙風機轉速與排煙風量之關係 風機轉速（ Hz）相對應之排煙量（ cmm） 10 450 15 570 20 750 25 950 30 1,190 35 1,340 40 1,600 45 1,850 50 2,100 55 2,300 本實驗場地之樓地板面積約為 1,091 m2_{。當進行全} 尺度實驗時，其所需之法規規定排煙風量為 1,091 cmm。故進行本研究所有實驗項目時，將轉速開至 30 Hz 時，可提供 1,190 cmm 之排煙風量，相當於法規值。

(39)

另外，進行本研究煙控全尺度實驗時，為利用綜合實驗室西側之大門，作為補氣口，如圖 3.1-4 與圖 3.1-5 所示，以供補氣對於煙控系統性能之影響研究。 圖 3.1-4 綜合實驗室之補氣口全部開啟情形 ( 資料來源：本研究整理 ) 圖 3.1-5 綜合實驗室之補氣口全部關閉情形 ( 資料來源：本研究整理 ) 補氣口

(40)

於綜合實驗室貓道下方，每 1 公尺設置 1 個 K 型熱電耦，以形成熱電耦儀器樹，可量測火場之煙層溫度，示如圖 3.1-6。 圖 3.1-6 本研究煙控全尺度實驗之熱電耦儀器樹 ( 資料來源：本研究整理 ) 其熱電偶所量得之數據，經由數據存取記錄器由個人電腦監控並儲存，自動記錄溫度之變化值，存取頻率為每 1 秒一次，如 3.1-7 所示。熱電耦儀器樹

(41)

圖 3.1-7 本研究煙控全尺度實驗之數據存取記錄器

( 資料來源：本研究整理 )

在煙層判定方法方面，由於實際煙層沈積時，會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），如圖 3.1-8 所示。

圖 3.1-8 NFPA 92B 中之煙層示意圖

(42)

本研究取 NFPA 92B 之 N 百分比法則（ N-percentage Rule ）來判斷煙層高度， N 百分比法則公式如下所示： T

（

zi

，

t

）－

T∞

（

zi

）＝

NΔTr e f（_T）/ 100 其中，T＝煙控溫度 T∞＝環境溫度 ΔTr e f＝煙柱與環境之溫度差 N＝百分比例 zi＝煙柱底部離地面之淨高 t＝時間

NFPA 92B 中指出，判斷煙層底部（ Smoke Layer Interface）的 N 值為 80～ 90。本案為求較保守之估計，將煙層底部之 N 值訂為 60，作為煙層之判定標準，如下圖 3.1-9 所示。

圖 3.1-9 NFPA 92B 中煙層底部與 N 值關係

(43)

有關進行正式機械煙控火災全尺度實驗之進行步驟如下所列： 1.將正確數量之火盤放置在預定位置上。此步驟將依照所欲模擬之火災規模，放置正確數量之火盤。例如，若要模擬 1 MW 的火災規模，則需放置 5 個火盤。 2.火場四周放置滅火設備。於火場四周放置滅火設備，一來預防火場突發狀況之發生，二來為熄滅「點火把」之火焰。 3.開啟燈泡束、以及觀察員與攝影機就位。本正式實驗進行時，將開啟燈泡束，並分派人員於地面及不同樓層進行觀察火場煙沈積情形，利用攝影機記錄存檔。 4.確認機械排煙風機之狀況。指派專人負責操作，並確認實驗當時貓道上方機械排煙口之關閉或開啟狀況，及調整風量大小。 5.火盤注入燃料。依照先前預備實驗所得之結果，注入火盤適當數量之燃料。

(44)

6.數據存取記錄器開始記錄並計時。啟動數據存取記錄器，開始記錄熱電耦儀器樹所獲得之溫度數據。並開始倒數，準備點火進行實驗。 7.點火，煙層上升，觀察煙流動特性與煙沈積現象。倒數結束，以「點火把」點燃火盤。各觀察員與攝影機，觀察並記錄火場煙流動特性與煙沈積現象。 8. 點火後，通報機械排煙風機控制人員打開風機及補氣口開啟。假設火災發生固定時間後，通報機械排煙風機控制人員，進行機械排煙。此時，並開啟補氣口。 9.火盤自然熄滅。讓火盤燃料自然燒盡，等待火盤溫度下降至室溫 10.實驗討論與數據整理。工作人員收集並整理實驗數據，如有缺失，立即改善。準備在進行下一實驗項目。以上之實驗程序，可做成如下之工作流程圖：

(45)

實驗開始 ↓ 1.將正確數量之火盤放置在預定位置上 ↓ 2.火場四周放置滅火設備 ↓ 3.開啟燈泡束、以及觀察員與攝影機就位 ↓ 4.確認機械排煙風機之狀況 ↓ 5.火盤注入燃料 ↓ 6.數據存取記錄器開始記錄並計時 ↓ 7.點火，煙層上升，觀察煙流動特性與煙沈積現象 ↓ 8.點火後經一段時間，通報排煙風機控制人員打開風機及補氣口開啟 ↓ 9.火盤自然熄滅 ↓ 10.實驗討論與數據整理

(46)

第二節火災規模 1 MW 全尺度實驗結果分析

本項實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將火盤裝置完成，如圖 3.2 所示。俟 5 個火盤裝置完成後，則將火盤倒入汽油準備進行實驗。 圖 3.2 本研究 1 MW 火災情境之火盤裝置情形 ( 資料來源：本研究整理 ) 本項火災規模 1 MW 之全尺度實驗，將規劃進行 5 個子實驗項目，包括： 1. 補氣口全部關閉 2. 補氣口開啟 1/4 面積 3. 補氣口開啟 2/4 面積 4. 補氣口開啟 3/4 面積 5. 補氣口開啟全部面積

(47)

而 2～ 5 子實驗項目每一項可再包括： a. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 b. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口因此，上述兩種實驗規劃之排列組合，於火災規模 1 MW 下可有 9 個實驗項目，包括： 1. 機械排煙開啟後，並不開啟補氣口 2. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 1/4 面積 3. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 1/4 面積 4. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 2/4 面積 5. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 2/4 面積 6. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 3/4 面積 7. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 3/4 面積 8. 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口全部面積 9. 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口全部面積實驗日期： 96 年 4 月 20 日溫度： 28 o C 濕度： 80 % 風向：北風風速： 2.4 m/sec 其各項實驗結果分別陳述如下。

(48)

3.2.1 機械排煙開啟後，並不開啟補氣口 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，但本項實驗不開啟補氣口。本實驗項目火盤燃燒情形，如圖 3.2-1 所示。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟後，不開啟補氣口之煙控性能。 圖 3.2-1 火災規模 1 MW 之全尺度實驗情形 ( 資料來源：本研究整理 )

(49)

☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-2 所示。 0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-2 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，並不 開啟補氣口之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，但不開啟補氣口之情況下，煙層最低點約離地面 17 公尺，可看出較為明顯煙層滯留現象。印證沒有補氣口作用下，確實會影響煙控系統之性能。

(50)

3.2.2 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口 1/4 面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗馬上開啟補氣口之 1/4 面積。本實驗項目開啟補氣口 1/4 面積之情形，如圖 3.2-3 所示。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口之 1/4 面積之煙控性能。 圖 3.2-3 進行全尺度實驗時，開啟補氣口 1/4 面積情形 ( 資料來源：本研究整理 )

(51)

☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-4 所示。 0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-4 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，馬上開啟補氣口 1/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 17.5 公尺。由於馬上開啟補氣口，可看出有些稍微煙層擾動現象。但因本次實驗之大空間高度及寬度頗大，馬上開啟補氣口之效應，並沒有很明顯影響煙控系統之性能。

(52)

3.2.3 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 1/4 面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗於 60 秒後再開啟補氣口之 1/4 面積。本實驗項目火盤燃燒情形，如圖 3.2-5 所示。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口之 1/4 面積之煙控系統性能。 圖 3.2-5 火災規模 1 MW 下，開啟補氣口 1/4 面積之 全尺度實驗情形 ( 資料來源：本研究整理 )

(53)

☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-6 所示。 0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-6 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒後， 開啟補氣口 1/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統 60 秒，才開啟補氣口 1/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 17.5 公尺。由於並未馬上開啟補氣口，可從實驗結果看出煙層較為穩定，煙控系統之性能也較明顯。

(54)

(55)

☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-8 所示。 0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-8 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，馬上開啟補氣口 2/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 17.5 公尺。由於馬上開啟補氣口，可看出有些稍微煙層擾動現象。但因本次實驗之大空間高度及寬度頗大，馬上開啟補氣口之效應，並沒有很明顯影響煙控系統之性能。

(56)

3.2.5 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 2/4 面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗於 60 秒後再開啟補氣口之 2/4 面積。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口之 2/4 面積之煙控系統性能。 ☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-9 所示。

(57)

0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-9 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒後， 開啟補氣口 2/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統 60 秒，才開啟補氣口 2/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 18 公尺。由於並未馬上開啟補氣口，可從實驗結果看出煙層較為穩定，煙控系統之性能也較明顯。

(58)

(59)

☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-11 所示。 0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-11 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，馬上開啟補氣口 3/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 18 公尺。由於馬上開啟補氣口，可看出有些稍微煙層擾動現象。但因本次實驗之大空間高度及寬度頗大，馬上開啟補氣口之效應，並沒有很明顯影響煙控系統之性能。

(60)

3.2.7 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口 3/4 面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗於 60 秒後再開啟補氣口之 3/4 面積。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口之 3/4 面積之煙控系統性能。 ☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-12 所示。

(61)

0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-12 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口 3/4 面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統 60 秒，才開啟補氣口 3/4 面積之情況下，煙層最低點約離地面 17.5 公尺。由於並未馬上開啟補氣口，可從實驗結果看出煙層較為穩定，煙控系統之性能也較明顯。

(62)

3.2.8 機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口全部面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗馬上開啟補氣口全部面積。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟後，馬上開啟補氣口全部面積之煙控性能。 ☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-13 所示。

(63)

0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-13 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟後，馬上 開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統，馬上開啟補氣口全部面積之情況下，煙層最低點約離地面 18.5 公尺。由於馬上開啟補氣口，可看出有些稍微煙層擾動現象。但因本次實驗之大空間高度及寬度頗大，馬上開啟補氣口之效應，並沒有很明顯影響煙控系統之性能。

(64)

3.2.9 機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口全部面積 ☉ 實驗情境描述： 本實驗為假設發生 1 MW 之火災情境，進行實驗前首先將補氣口關閉，接著倒數結束後，點燃火盤。隨後開啟綜合實驗場頂部之機械排煙系統，本項實驗於 60 秒後再開啟補氣口全部面積。本實驗項目火盤燃燒情形，如圖 3.2-5 所示。並藉由人員通報開啟機械排煙系統，再利用自動數據存取設備記錄火場內之煙層溫度，以求出煙層下降速度，評估機械排煙開啟 60 秒後，開啟補氣口全部面積之煙控系統性能。 ☉ 實驗結果分析： 經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，利用 N 百分比法進行煙層之判定，其結果如下圖 3.2-14 所示。

(65)

0 5 10 15 20 25 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Time (Sec) He ig h t ( m ) 圖 3.2-14 火災規模為 1 MW 且機械排煙開啟 60 秒 後，開啟補氣口全部面積之煙沈積速度圖 ( 資料來源：本研究整理 ) 經由上述之煙沈積速度圖與觀察火場之錄影帶得知，本項實驗於點火後開啟機械排煙系統 60 秒，才開啟補氣口全部面積之情況下，煙層最低點約離地面 18.5 公尺。由於並未馬上開啟補氣口，可從實驗結果看出煙層較為穩定，煙控系統之性能也較明顯。

(66)

第三節火災規模 2 MW 全尺度實驗結果分析

本項實驗為假設發生 2 MW 之火災情境，進行實驗前首先將火盤裝置完成，如圖 3.3 所示。俟 10 個火盤裝置完成後，則將火盤倒入汽油準備進行實驗。 圖 3.3 本研究 2 MW 火災情境之火盤裝置情形 ( 資料來源：本研究整理 ) 本項火災規模 2 MW 之全尺度實驗，將規劃進行 5 個子實驗項目，包括： 1. 補氣口全部關閉 2. 補氣口開啟 1/4 面積 3. 補氣口開啟 2/4 面積 4. 補氣口開啟 3/4 面積 5. 補氣口開啟全部面積

建築物避難設計與煙控技術之研究（I）--大空間建築煙控系統補氣之最適化設計與規範研究

建築物避難設計與煙控技術之研究（Ⅰ）

大空間建築煙控系統補氣之最適化設計

與規範研究

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中 華 民 國 96 年 12 月

建築物避難設計與煙控技術之研究（Ⅰ）

大空間建築煙控系統補氣之最適化設計

與規範研究

受委託者：財團法人中華建築中心

研究主持人：楊冠雄

協同主持人：蘇崇輝

研究員：葉琮勤

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 96 年 12 月

目 次

圖 次

摘 要

第 一 章 緒 論

第 一 節 緣 起 與 目 的

第 二 節 研 究 方 法 與 步 驟

第 三 節 預 期 成 果

第 二 章 大 空 間 煙 控 系 統 補 氣 之 設 計 分 析

第 一 節 大 空 間 建 築 補 氣 設 計 之 理 論 分 析

∑

( )

第 二 節 壓 力 中 性 面 與 補 氣 設 計 之 關 係

( )

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∫

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第 三 節 自 然 排 煙 與 補 氣 設 計 分 析

ρ

ρ

第 四 節 機 械 排 煙 與 補 氣 設 計 分 析

第 三 章 大 空 間 煙 控 系 統 補 氣 全 尺 度 實 驗

第 一 節 全 尺 度 熱 煙 試 驗 規 劃 與 程 序

（

，

） －

（

） ＝

第 二 節 火 災 規 模 1 MW 全 尺 度 實 驗 結 果 分 析

第 三 節 火 災 規 模 2 MW 全 尺 度 實 驗 結 果 分 析

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 96 年 12 月

內政部建築研究所委託研究報告

目次

圖次

摘要

第一章緒論

第一節緣起與目的

第二節研究方法與步驟

第三節預期成果

第二章大空間煙控系統補氣之設計分析

第一節大空間建築補氣設計之理論分析

_∑

第二節壓力中性面與補氣設計之關係

_∫

第三節自然排煙與補氣設計分析

第四節機械排煙與補氣設計分析

第三章大空間煙控系統補氣全尺度實驗

第一節全尺度熱煙試驗規劃與程序

）－

）＝

第二節火災規模 1 MW 全尺度實驗結果分析

第三節火災規模 2 MW 全尺度實驗結果分析