挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範之研究

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(1)內政部建築研究所專題研究計劃成果報告研. 究. 案：大空間煙控與火害後結構修補技術開發研究. 研究案編號：MOIS 891003 計劃名稱. ：建築物防火安全技術開發與應用研究五年計劃（89）. 執行期間. ：88 年 10 月 21 日至 89 年 10 月 20 日. 挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範之研究. 計劃主持人：楊共同主持人：王研究人員：陳葉. 冠士海琮. 雄紘曙勤. 主辦單位：內政部建築研究所執行單位：財團法人中華建築中心.

(2) 中華民國八十九年十月.

(3) 內政部建築研究所專題研究計劃期末報告初稿. 研究案：大空間煙控與火害後結構修補技術開發研究. 研究計畫：挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範之研究. 計劃主持人：楊冠雄協同主持人：王士紘研究人員：陳海曙葉琮勤. 執行單位：財團法人中華建築中心.

(4) 中華民國八十九年八月. − II −.

(5) 摘. 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 189 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，實不適合使用類似之條例式法規，作為其煙控系統設計之依據。有關挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控系統之設計分析，將分為挑空中庭大空間內部與周圍區域二部份來討論。挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統，其主要功能有二：一為處理發生於大空間內部之火災產生的煙，二為處理於大空間之周圍區域流入其內的濃煙。主要目的為，控制煙層高度或減緩煙層下降速度，使之於大空間內，如走廊與樓梯，提供一條無煙之逃生避難路徑。而挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之煙控系統。其主要功能為處理發生於大空間周圍區域火災所產生的煙，另外亦可輔助大空間內之煙控系統，處理從大空間其內流入周圍區域的濃煙。基於上述原因，有必要對挑空中庭及大型空間開闊空間建築物之煙控系統加以進一步研究，訂定本土化之技術規範。以補足目前我國於這方面法規之缺失，並且提升我國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，此即為本計畫之主旨與目標所在。. −I−.

(6) Abstract. Recently, plenty of public/large buildings have been completed and in commercial operation. These buildings utilized lots of open spaces, such as atria and large areas, so the visitors could enjoy the spacious and bright indoor environment. But, it is difficult to maintain tenable conditions within atria and large areas in case of fire, and need to be studied systematically. To evaluate the smoke control performance of the atrium and large areas, it can be simulated using the zone model, which divides the large space into several zones with homogeneous thermophysical properties. Also, the full–scale hot smoke test can be performed to evaluate the temperature distribution of smoke layer and the smoke descending rate across the atrium. Finally, the design guide on smoke control system in atria and large areas will be established for the fire authorities having jurisdiction in evaluating and granting approvals. It is anticipated that through the execution of this research project, the design concept developed in this study can be applied to improve the smoke control performance of in atria and large areas in Taiwan.. − II −.

(7) 目. 次. 摘要............................................................................................................. I 目次........................................................................................................... II 第一章緒論.................................................................................................1 1.1 緣起與目的 ...................................................................................1 1.2 研究方法與步驟 ...........................................................................3 1.3 預期成果 .......................................................................................5 第二章挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範探討................6 2.1 現行法規缺失之一：法規面之不足 ...........................................6 2.2 現行法規缺失之二：技術面之不足 ...........................................8 2.3 煙控技術規範重點 .....................................................................13 2.4 小結..............................................................................................15 第三章挑空中庭及大型開闊空間煙控系統設計分析 ..........................18 3.1 大空間自然蓄煙煙控系統設計 .................................................18 3.2 大空間自然排煙煙控系統設計 .................................................21 3.3 大空間機械排煙煙控系統設計 .................................................23 3.4 大空間煙控系統其他附屬設計 .................................................26 3.4.1 火警探測 ..............................................................................26 3.4.2 撒水系統 ..............................................................................28 3.5 小結..............................................................................................31 第四章挑空中庭及大型開闊空間周圍區域煙控系統設計分析..........33 4.1 大空間周圍區域之區劃設計 .....................................................33 4.1.1 防火區劃 ..............................................................................33 4.1.2 防煙區劃 ..............................................................................35 − III −.

(8) 4.2 大空間周圍區域之煙控系統設計 .............................................38 4.2.1 自然蓄煙 ..............................................................................38 4.2.2 機械排煙 ..............................................................................39 4.3 小結..............................................................................................44 第五章大空間全尺度火災實驗 ..............................................................46 5.1 大空間煙控實驗 .........................................................................46 5.1.1 實驗內容 ..............................................................................46 5.1.2 實驗設備 ..............................................................................47 5.1.3 結果分析 ..............................................................................50 5.2 水幕性能實驗 .............................................................................56 5.2.1 實驗內容 ..............................................................................56 5.2.2 實驗設備 ..............................................................................57 5.2.3 結果分析 ..............................................................................60 5.3 小結..............................................................................................65 第六章結論與建議 ..................................................................................68 6.1 期末結論 .....................................................................................68 6.2 後續研究方向 .............................................................................74 參考文獻.....................................................................................................78 謝誌...........................................................................................................79 附件：挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範草案 ................ 80. − IV −.

(9) 挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範之研究. 期末報告初稿.

(10) 內政部建築研究所. − II −.

(11) 第一章 1.1. 緒論. 緣起與目的近年來，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 189 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，實不適合使用類似之條例式法規，作為其煙控系統設計之依據。因此有必要對挑空中庭及大型空間開闊空間建築物之煙控系統加以進一步研究，訂定本土化之技術規範。以補足目前我國於這方面法規之缺失，並且提升我國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，此即為本計畫之主旨與目標所在。而於國外先進國家中，以美國及英國之研究最為完整。其中美國之 NFPA 92B, “ Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas.“ 法規，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.設備控制、5.運轉測試、與 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、. −1−.

(12) 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，其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。為一完整之大空間煙控系統設計準則，可作為日後我國訂定相關準則之重要參考。以上為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，亦成為本研究之主要參考依據。. −2−.

(13) 1.2. 研究方法與步驟本計畫主要工作內容，首先蒐集國內外有關具備中庭或挑高與開. 闊空間建築物之煙控系統設計方法分析與資料，包括：NFPA 92B、 BRE…等相關法規。其次，將分析國內目前現有之中庭與開闊空間實際設計案例與先進國家的各種中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計技術，並亦將進行實例分析，吸收其長處，以建立本土化的設計能力，並進而推廣至實際設計應用。而在中庭或挑高與開闊空間煙控系統性能評估方面，將採理論與實際併用方式進行。研究方式包括：電腦模擬分析與全尺度火災煙控實驗。於電腦模擬分析方面，將利用區域模式（Zone Model）進行煙層溫度預測與煙沈積速度模擬。所謂區域模式，為將空間劃分成二個區域，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與煙濃度分佈情形。全尺度火災煙控實驗方面，則將利用大型火災實驗場進行熱煙試驗（Hot Smoke Test），以重現真實火場中的溫度場與流場。將進行之實驗項目包括： 1.大空間火場中之溫度分佈量測 2.大空間火場中之煙沈積速度量測 3.自然或機械排煙連動之緊急運轉策略分析與實驗印證 4.大空間中庭水幕性能測試完成上述電腦模擬分析與全尺度火災煙控實驗後，本研究計畫將建立適合台灣地區採用之中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計參考準則。以期補足目前我國於這方面法規之缺失，並且提升有關挑空中庭. −3−.

(14) 及大型空間開闊空間建築物之煙控系統設計能力。承上所述，本計劃主要工作內容及其詳細進行步驟，可示如下之工作流程圖：計劃開始 ↓ 中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計方法分析與資料蒐集 ↓ 中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計理念之分析 ↓ 中庭或挑高與開闊空間煙控系統性能評估之研究 ↓ ↓. ↓. 電腦模擬分析. 全尺度實驗. ↓. ↓. ↓. ↓. ↓. 煙層溫度. 煙沈積. 煙層溫度. 分佈分析. ↓ 煙沈積. ↓. ↓. 自然或. 大空間. 速度分析分佈分析速度分析機械排煙連. 中庭水幕性能測試. 動之緊急運轉策略分析與實驗印證 ↓. ↓ ↓. 建立適合台灣地區採用之中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計參考準則 −4−.

(15) ↓ 結論與建議 ↓ 計劃完成. −5−.

(16) 1.3. 預期成果經由本年度計畫之執行，預期可完成如下之具體成果：. 1. 分析先進國家的各種中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計技術，建立本土化的設計能力，並進而推廣至工程設計應用。 2. 利用電腦模擬分析，完成中庭或挑高與開闊空間煙層溫度分佈預測與煙沈積速度之性能評估方式。 3. 利用全尺度火災煙控實驗，完成中庭或挑高與開闊空間煙層溫度分佈與煙沈積速度量測之性能評估方式。 4. 建立適合台灣地區採用之中庭或挑高與開闊空間煙控系統設計參考準則，以期補足目前我國於這方面法規之缺失，並且提升有關挑空中庭及大型空間開闊空間建築物之煙控系統設計能力。. −6−.

(17) 第二章. 挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範探討. 2.1. 現行法規缺失之一：法規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。於「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。亦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。 (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。. −6−.

(18) (十一)倉庫。. −7−.

(19) 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。. −8−.

(20) 2.2. 現行法規缺失之二：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。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。而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. −9−.

(21) 地板高度 Y，決定了發煙量 Mm，如圖 2-1 所示。. 圖 2-1 發煙量與火源大小及火場外氣進入量之關係而發煙量可用以下式子表示： Mm = 0.2 P Y. （2-1）. 3/2. 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，單位為公尺。發煙量亦可以體積表示，則每秒產生立方公尺煙 Mv 可寫成： Mv =. Mm 122 . × (290 / T + 273). （2-2）. 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 5MW 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。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 − 10 −.

(22) 態，以一條法規（各類場所消防安全設備設置標準 189 條）全盤規定其煙控系統設計，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，不同建築型態與有無撒水系統（Sprinklered），於維持不同淨高之排煙量大小（Smoke Exhaust 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 2-2 所示。. 圖 2-2 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 − 11 −.

(23) 小排煙量。. − 12 −.

(24) 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  . 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 2-3 對照到最適合各類型建築物所採用的最小排煙量。. − 13 −.

(25) 圖 2-3 美國 BOCA 建築法規煙控系統設計對照表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。. − 14 −.

(26) 2.3. 煙控技術規範重點制定挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範時，其主要考. 量的原則有四項，包括：1.火災發生在挑空中庭及大型開闊空間之處內、2.火災發生在與挑空中庭及大型開闊空間連接區域之處（Fire in Communicating Space）、3.火災之偵測（Detection）、4.與火場之抑制（Suppression）等。第 1 項及第 2 項屬於火災發生地點之界定，與煙控策略之選擇與擬定有關。而第 3 項與第 4 項則屬於火災發生之後，煙控系統之啟動與運轉有密切關係。另外，挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範其主要設計目的，為處理位於挑空中庭等大空間內部與連接區域等，二個部分之濃煙，此濃煙可能從挑空中庭等大空間內部本身產生，或者從與其連接空間部分流入。設計重點如下： 1. 保持煙層底部於預先決定之高度。 2. 提供充分之時間，讓人利用無煙之逃生與避難通道，到達出口或避難區域。 3. 限制火場的煙無法進入逃生避難通道、避難區、或與挑空中庭等大空間連接空間等 4. 提供合適之能見度，使消防人員可接近火場、到達火場、進而滅火。 5. 能夠排除蓄積於其內的濃煙 6. 限制煙層溫度基於上述，挑空中庭及大型開闊空間之煙控系統設計重點可從二個方向考量。首先，當火災發生在挑空中庭及大型開闊空間之內時，控制大空間內之煙層底部高度於安全高度以上；此時於煙層底下的人員，可從容逃生避難。若無法控制煙層高度，其設計重點則為減緩煙層下降速度；此時逃生避難人員，亦可利用煙層下降至危險高度之時. − 15 −.

(27) 間，進行避難。其次，當火災發生在挑空中庭及大型開闊空間周圍連接區域時，此時大空間內之煙控系統，控制由大空間周圍區域流入之濃煙，其煙層底部高度於安全高度以上或減緩煙層下降速度。而挑空中庭及大型開闊空間周圍連接區域之煙控系統其設計重點，亦可從二個方向考量。首先，當火災發生在挑空中庭及大型開闊空間之內時，濃煙由大空間內之煙控系統控制，其煙層底部高度於周圍連接區域與大空間之開口高度以上；若無法達到而濃煙流入周圍連接區域時，則由周圍連接區域內本身的煙控系統進行處理，煙控方法可採取排煙或加壓。其次，當火災發生在挑空中庭及大型開闊空間周圍連接區域時，可配合其他設計，如防煙區劃、自動撒水系統，由本身的煙控系統處理，使濃煙不流入大空間內。若無法達到而濃煙流入大空間時，則由大空間內的煙控系統處理。關於上述挑空中庭及大型開闊空間與其周圍區域之煙控系統設計，將於本報告之第三章與第四章中有詳細敘述。而於本報告的最後，並將附上「挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範草案」，以供日後制定此類法規之重要依據。. − 16 −.

(28) 2.4. 小結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。就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。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。. − 17 −.

(29) 日後我國現行消防法規應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。故制定挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控技術規範時，其主要考量的原則有四項，包括：1.火災發生在挑空中庭及大型開闊空間之處內、2.火災發生在與挑空中庭及大型開闊空間連接區域之處（Fire in Communicating Space）、3.火災之偵測（Detection）、4.與火場之抑制（Suppression）等。第 1 項及第 2 項屬於火災發生地點之界定，與煙控策略之選擇與擬定有關。而第 3 項與第 4 項則屬於火災發生之後，煙控系統之啟動與運轉有密切關係。依照性能式火災安全工程設計（performance-based approach fire safety engineering design），進行挑空中庭與大型開闊空間建築物火災煙控系統之設計，並以電腦模擬、模型實驗、與全尺度實驗等方法，評估整體火災煙控系統之安全度。預期比依據條例式法規設計之建築物，可獲得下列好處： 1.建築設計彈性大（Flexibility）建築設計可維持較大之彈性，使具備寬敞、開闊、明亮之大空間建築特性，吸引大量人潮，增加建築物使用率。 2.獲得更高安全（High Level of Safety）依照歐、美、日本等先進之設計理念進行整體規劃，並配合必要之電腦模擬分析結果，以資佐證，可維持較高之安全水準。. − 18 −.

(30) 3.節省設備成本（Cost Effective）大量減少如防火鐵捲門之使用，不僅可節省設備投資成本，更能使逃生避難動線變為更為流暢。 4.危險度數量化（Quantification of Risks）可於隨機方式下，進行火災情境之數量化風險分析。此項評估結果其意義遠超過目前傳統之失誤樹或事件樹分析之方式。於不符合安全程度之時，可即時修改運轉程序而獲得性能上與經濟上之最佳化。有關挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控系統之設計分析，以下本報告將分為大空間內部與周圍區域二部份來討論，首先為挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統。其主要功能有二：一為處理發生於大空間內部之火災產生的煙，二為處理於大空間之周圍區域流入其內的濃煙。主要目的為，控制煙層高度或減緩煙層下降速度，使之於大空間內，如走廊與樓梯，提供一條無煙之逃生避難路徑。. − 19 −.

(31) 第三章. 挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統設計分析. 有關挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控系統之設計分析，將分為大空間內部與周圍區域二部份來討論。於挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統。其主要功能有二：一為處理發生於大空間內部之火災產生的煙，二為處理於大空間之周圍區域流入其內的濃煙。而其設計目的為，控制煙層高度或減緩煙層下降速度，使之於大空間內，如走廊與樓梯，提供一條無煙之逃生避難路徑。挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統設計，主要可分為自然式煙控與強制式煙控兩類。自然式煙控方式為蓄煙設計與自然排煙口設計，而強制式煙控則利用排煙風機進行機械排煙煙控。以下將就大空間內部之自然蓄煙煙控、自然排煙、及機械排煙等，三種常用之煙控系統設計方式加以探討。. 3.1. 大空間自然蓄煙煙控系統設計當大空間內部發生火災時，火焰上的煙柱（Plume）上升，於上升. 期間煙柱捲入周圍的空氣，使得煙氣溫度隨著煙柱上升高度愈高而降低，而煙量則隨著煙柱上升高度愈高而愈多。煙柱一直上升，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（Smoke Storage），如圖 3-1 所示，則能減緩煙層下降速度，使於大空間內部，提供一條無煙之逃生避難路徑。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。圖 3-2 為大空間挑空中庭周圍全面密閉之蓄煙區設計，圖 3-3 為部分密閉之蓄煙區設計。 − 18 −.

(32) − 19 −.

(33) 圖 3-1 大空間挑空中庭頂部蓄煙區設計. 圖 3-2 大空間挑空中庭周圍全面密閉之蓄煙區設計. 圖 3-3 大空間挑空中庭周圍部分密閉之蓄煙區設計. − 20 −.

(34) 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。當偵測器偵知到火災發生，隨即連動至火警警報器，通知防災中心，此時以自動或手動啟動自然排煙口或排煙風機，進行自然排煙或機械排煙。但啟動自然排煙口至全面開放，或啟動排煙風機至風機全速運轉之階段，皆需要一段時間才能達成。因此若有蓄煙區之設計，則蓄煙空間可用以緩衝排煙口或排煙風機完全開啟啟動前之時段。而於火災發生時，最先發揮作用之煙控策略，提供人員早期避難之需。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。如蓄煙區若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 Fail−Safe 的優勢。. − 21 −.

(35) 3.2. 大空間自然排煙煙控系統設計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，. 如圖 3-4 所示。在圖中，於挑空中庭之頂部設計凸出的屋頂“ 頸部“ ，即成為上一章節所述之蓄煙空間設計。當發生挑空中庭內發生火災時或其周圍區域濃煙流入時，則屋頂之“ 頸部“ 蓄煙空間，可先進行蓄煙煙控，再利用自然排煙口或機械風機將煙排出。. 圖 3-4 大空間自然排煙煙控系統示意圖上述之“ 頸部“ 蓄煙空間，除了可於屋頂設計凸出部分以外，亦可於建築物的頂樓層，以防火防煙材料隔開挑空中庭與周圍區域而形成蓄煙空間。例如，若有一棟 15 層高的挑空中庭，若於其 12 至 15 層之間，以防火玻璃隔開中庭，則於挑空中庭頂部有 3 層樓高度之頂部蓄煙空間。除以上常見的頂部蓄煙空間設計外，為配合自然排煙系統之設計，自然排煙口之位置，可位於挑空中庭頂部，或者蓄煙空間之側面。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。可藉由電腦模擬或全尺度實驗，印證其煙控性能。. − 22 −.

(36) 至於常見的頂部自然排煙口之設計有三種，包括：外推式、滑動式與破裂式。外推式之自然排煙口常用於蓄煙空間之側面，設計時須考慮自然風風向對排煙的影響。例如，若頂部側向自然排煙口開向北方時，火災時又吹北風，其自然排煙效果可能大不如預期。故實際設計時，或可於其頂部側向南面另開一外推式自然排煙口，以應付不同氣候下之不同風向。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。破裂式自然排煙口則比較類似滑動式自然排煙口，於發生火災時，可藉由連動或人力使之破裂，進行排煙。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 −.

(37) 3.3. 大空間機械排煙煙控系統設計除上述頂部蓄煙空間配合自然排煙口之設計外，另亦可於蓄煙空. 間之頂部或側面，裝置機械排煙煙控系統，如圖 3-5 所示。其機械排煙主要目的為控制煙層至建築物內之安全高度，或者減緩煙層下降速度，以提供一條無煙之逃生避難路徑，保障挑空中庭與其周圍區域之人身安全。. 圖 3-5 大空間機械排煙煙控系統示意圖挑高中庭頂部機械排煙之設計理念，如同大空間自然排煙系統，亦要設置“ 頸部“ 蓄煙空間，如此不但可以使挑空中庭頂部有蓄煙功能，更可預防 Plugholing 的現象產生，如圖 3-6 所示。所謂 Plugholing 現象類似水槽之水栓被拔開後，於水槽產生的漩渦一樣。為當挑空中庭機械排煙風機運轉時，由於頂部蓄煙煙量不足，使得排煙風機不僅抽到煙氣，亦大量抽到空氣。此現象發生時，因抽不到煙氣，不但降低排煙效率，更使煙氣向挑空中庭周圍區域蔓延，危害到人身安全。 − 24 −.

(38) 圖 3-6 大空間機械排煙運轉時，產生 Plugholing 現象為防止 Plugholing 現象發生，解決之道為於挑空中庭頂部設置適當容積大小的蓄煙空間，並制定最佳之機械風機啟動時序。亦即正確之大空間機械排煙運轉策略，為當煙氣於挑空中庭頂部之蓄煙空間蓄積到某個煙層厚度後，再啟動頂部機械排煙風機，進行排煙。此部份研究可透過大空間全尺度火災煙控實驗加以探討，以擬定最佳之煙控運轉策略。於大空間建築發生火災時，無論利用頂部蓄煙或進行機械與/或自然排煙，皆必須於底部加以補氣，以便造成推拉（Push−Pull）之有效氣流組織，才能達到最佳煙控策略。此時，外氣補氣量與補氣位置，便成為設計煙控系統時極重要之考量，如圖 3-7 所示。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。若補氣量不足，則排煙形同「抽真空」。而若補氣量太大，則火場由於形成大的紊流（Turbulent Flow），而使煙沈積速度急劇加大，造成人員避難上極大的危險。. − 25 −.

(39) 圖 3-7 大空間煙控系統補氣設計示意圖補氣位置如果不適當，亦會形成極大的後遺症。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。. − 26 −.

(40) 3.4. 大空間煙控系統其他附屬設計. 3.4.1 火警探測一般火警探測器大多裝置於建築物內的最頂端，如果發生火災時火與濃煙藉由熱浮效應上升至建築物頂部，而感應火警探測器。但於挑空中庭與大型開闊空間建築物之火警探測設計，則有不同考量。當挑空中庭屋頂附近內部之空氣，受因日照輻射熱的影響，其溫度可能達到 120 oF 或 50 oC 以上。此熱空氣層形成後，將先沈積於挑空中庭屋頂之蓄煙空間。當火災發生時，則煙的溫度受到其上升路徑周圍空氣的冷卻，其煙氣溫度反而比熱空氣層還低，而無法藉其熱浮現象，上升至挑空中庭頂部，如圖 3-8 所示。. 圖 3-8 挑空中庭屋頂熱空氣層形成，煙無法上升至頂部挑空中庭頂部熱空氣層形成後，煙層無法於事先設計之蓄煙空間進行蓄積，而使頂部樓層暴露於煙層底部，增加對人身安全的危害。此外，若中庭之火警探測器裝於屋頂，此時將無法感測到火災發生，而對自然或機械煙控系統進行連動。 − 27 −.

(41) − 28 −.

(42) 欲解決上述問題，除可避免讓挑空中庭屋頂熱空氣層形成，如挑空中庭屋頂內部之通風系統外，亦可採用較為先進之火警探測系統設計，如圖 3-9 所示。於圖中，挑空中庭之火警探測器為光電式偵煙器（Beam Smoke Detector），其裝置於兩邊側面，且裝置接近中庭屋頂之不同高度，而形成火警偵測網格（Gird）。. 圖 3-9 挑空中庭之光電式偵煙器設計此種挑空中庭光電式偵煙器之設計，亦可於每一層樓設置，而形成另一種重複檢測（Double Check）的策略。例如，有一棟 15 層高的挑空中庭，其周圍區域之 3 樓發生火災。濃煙沿著事先設計的防煙區劃流入中庭，此時中庭內部 4 樓之光電式偵煙器首先感應，5 樓之光電式偵煙器其次感應，接著 6 樓、7 樓……以此類推。於是防災中心接收到一連串之火警訊息，再決定要不要啟動中庭頂部之自然或機械煙控系統。可防止火警探測器因誤動作所產生之誤警報，減少不必要人員驚慌與可能之設備損失。. − 29 −.

(43) 3.4.2 撒水系統根據國外多項統計與實驗印證，建築物內裝置撒水系統可以抑制火場（Suppression），縮小延燒範圍。並可降低火場溫度，減弱煙氣熱浮力效應，使煙流動驅使力變少，可減少煙量。撒水系統無法取代煙控系統，而煙控系統亦無法取代撒水系統，兩者乃具備完全不同目的與功能之消防安全系統。因此，煙控系統若有自動撒水系統之配合，於設計煙控系統時所取之設計火源（Design Fire Size）較小，可減少煙控系統之設備容量，減輕設備成本支出。真正發生火災時，以可收到兩系統相輔相成之效果，減緩火災危害。另外，之前曾提及所有挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統設計原理皆為相同，即是利用煙氣的熱浮力現象。火災時煙柱上升並捲入周圍的空氣，煙氣溫度隨著煙柱上升高度愈高而降低。此較低的煙氣溫度，可能無法啟動裝置於挑高中庭頂部之自動撒水設備。若可啟動時，或許火場已經延燒到不可收拾的地步了！有關在挑空中庭及大型開闊空間頂部裝置自動撒水設備，NAPA 92B 建議，天花板高度介於 8 至 25 ft（2.4 至 7.6 m）之間可產生效果，天花板高過 25 ft 以上，不宜適用。另外，於美國國家標準局（NIST）亦利用撒水系統電腦模擬程式，模擬兩種不同火災成長模式下，標準反應時間自動撒水系統（200 RTI）與快速反應時間自動撒水系統（50 RTI）之啟動時間，模擬結果如表 3-1 所示。. − 30 −.

(44) 表 3-1. 二種火災成長模式下，不同反應時間自動撒水系統之啟動時間. 從 NIST 電腦模擬結果可得，挑空中庭及大型開闊空間頂部裝置自動撒水設備，有效之天花板高度介於 10 至 15m 之間。因在 15m 高度時，火場之熱釋率大增，由此判斷挑空中庭頂部之自動撒水系統，已無法控制火場大小，故其啟動時間亦較緩慢。大空間頂部若依我國「各類場所消防安全設備設置標準」等條例式法規進行一般型撒水系統之設計，則由於大空間中庭之挑高一般高達 30 公尺以上，則水噴淋系統噴下之水早已成為小水霧，無法有效控制火場大小。於巨蛋球場等情況下，此問題更形嚴重與複雜，於球場屋頂內部安裝一般噴水頭，更不實際。此時，長距離水槍（Water Cannon）配合紅外線（IR）火燄偵測系統之設計，於美日又有大量設計實例。此外，亦可於挑空中庭開口部底層周圍設置撒水系統，萬一中庭底層發生火災，則利用此套撒水系統來控制火場之成長。圖 3-10 為挑空中庭開口部撒水系統之平面示意圖，而圖 3-11 為其剖面示意圖。. − 31 −.

(45) 圖 3-10 挑空中庭開口部撒水系統之平面示意圖. 圖 3-11 挑空中庭開口部撒水系統之剖面示意圖. − 32 −.

(46) 3.5. 小結挑空中庭及大型開闊空間內部之煙控系統，其主要功能有二：. 一、處理發生於大空間內部之火災產生的煙二、為處理於大空間之周圍區域流入其內的濃煙。而其主要目的為，控制煙層高度或減緩煙層下降速度，使之於大空間內，如走廊與樓梯，提供一條無煙之逃生避難路徑。挑空中庭內部之自然式煙控系統，基本上利用建築區劃與浮力兩種煙控基本原理，以非機械之方式來控制煙流動。其優點有：一、可以利用建築物既有結構，作排煙、蓄煙等功能。二、自然式煙控系統沒有機械設施，故不必用電。一旦火災斷電時。仍可作用。三、順勢利用煙的熱浮現象，達到煙控目的。典型挑空中庭及大型開闊空間建築物之排煙煙控系統設計，為於挑空中庭之頂部，設計凸出的屋頂“ 頸部“ ，即成為一蓄煙空間。當發生挑空中庭內發生火災時或其周圍區域濃煙流入時，則屋頂之“ 頸部“ 蓄煙空間，可先進行蓄煙煙控，再利用自然排煙口或機械風機將煙排出。自然排煙口之設計，可位於挑空中庭頂部，或者蓄煙空間之側面。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。可藉由電腦模擬或全尺度實驗，印證其煙控性能。除上述頂部蓄煙空間配合自然排煙口之設計外，另亦可於蓄煙空間之頂部或側面，裝置機械排煙煙控系統。其機械排煙主要目的為控制煙層至建築物內之安全高度，或者減緩煙層下降速度，以提供一條無煙之逃生避難路徑，保障挑空中庭與其周圍區域之人身安全。. − 33 −.

(47) 為防止 Plugholing 現象發生，解決之道為於挑空中庭頂部設置適當容積大小的蓄煙空間，並制定最佳之機械風機啟動時序。亦即正確之大空間機械排煙運轉策略，為當煙氣於挑空中庭頂部之蓄煙空間蓄積到某個煙層厚度後，再啟動頂部機械排煙風機，進行排煙。大空間頂部一般皆以明亮中庭配合天井之自然照明做為晝光利用以節約能源。於夏季時段，中庭頂部溫度長高達 45oC～50oC，形成一層高溫空氣層。萬一發生火災時，當煙氣自中庭底部上昇，於未達到頂部之前溫度已降低至 45oC 以下，被熱氣層阻擋而無法達到偵煙警報系統，同時排煙系統亦未能即時啟動。此種溫度預分層（Pre−Stratefication）之現象，可能導致大空間煙控系統之整體失效，必須尋求對策。另外，配合光束型（Beam−Type）及/或火焰探測系統之效益，以便與煙控系統達到有效整合。於實際大空間煙控系統設計時，此種光束型系統之 Redundancy 為一重要考量。大空間頂部若依我國「各類場所消防安全設備設置標準」等條例式法規進行一般型撒水系統之設計，則由於大空間中庭之挑高一般高達 30 公尺以上，則水噴淋系統噴下之水早已成為小水霧，無法有效控制火場大小。此時，長距離水槍（Water Cannon）配合紅外線（IR）火燄偵測系統之設計，於美日又有大量設計實例。此外，亦可於挑空中庭開口部底層周圍設置撒水系統，萬一中庭底層發生火災，則利用此套撒水系統來控制火場之成長。. − 34 −.

(48) 第四章. 挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之煙控系統設計分析. 有關挑空中庭及大型開闊空間建築物煙控系統之設計分析，其次將討論挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之煙控系統。其主要功能為處理發生於大空間周圍區域火災所產生的煙，另外亦可輔助大空間內之煙控系統，處理從大空間其內流入周圍區域的濃煙。使於挑空中庭大空間周圍區域內，提供一條無煙之逃生避難路徑。. 4.1 4.1.1. 大空間周圍區域之區劃設計防火區劃於「建築技術規則」建築設計施工篇第七十九條（防火建築物及. 防火構造建築物）規定：「防火構造建築物或防火建築物，其總樓地板面積在一、五ＯＯ平方公尺以上者，應按每一、五ＯＯ平方公尺，以具有一小時防火時效之防火牆、防火樓板及甲種防火門窗區劃分隔。……」故許多具備挑空中庭及大型開闊空間之建築物，依照本項法規之規定，在大空間周圍區域，如走道上，設置圍繞挑空中庭之防火鐵捲門，以符合規定。設置圍繞挑空中庭之防火鐵捲門，雖可滿足條例式法規對防火區劃之設計，但其亦暴露出許多缺點。例如，防火鐵捲門造價太高，往往一棟大型之購物中心須花費數千萬，甚至數億新台幣，去裝置防火鐵捲門。另外，防火鐵捲門數量過多，不僅平時維護不易，而且真正發生火災時，亦不保證能夠使用，發揮防火區劃之功能。 − 33 −.

(49) 而設置圍繞挑空中庭之防火鐵捲門最令人詬病的缺點，乃是破壞整體建築設計。近代建築講求寬敞明亮之意象，尤其是具備挑空中庭及大型開闊空間之建築物，更是如此。如今為求防火區劃之設計，而完全破壞原有建築本質，不僅平時建築景觀遭受破壞，真正火災緊急時，可能阻礙逃生避難動線，而造成重大傷亡。其實，若真要依循目前條例式法規設置防火區劃，並不只有防火鐵捲門可供選擇，於「建築技術規則」建築設計施工篇第七十五條規定如下：防火設備一、甲種防火門窗。二、乙種防火門窗。三、防火牆及防火樓板。四、裝設於開口處之撒水幕。五、裝設於開口面積在 100 平方公分以內之通風孔，且以鐵板、水泥板或其他類似材料所造之防火屏；或裝設於高出地板面一公尺以內之通風孔，孔目在 2 公厘以之金屬製網，視同防火設備。其中第四款「裝設於開口處之撒水幕」，相信可替代一般常用防火鐵捲門之設計，且無設置防火鐵捲門時之多項缺點。基於以上，本研究計畫將於下章“ 大空間全尺度火災實驗“ 中，探討挑空中庭及大型開闊空間建築物之防火區劃，有關水幕系統設計之分析，以提供於進行大空間周圍區域防火區劃設計時之參考。. − 34 −.

(50) 4.1.2. 防煙區劃挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之煙控系統設計，除了可依循. 上述之機械排煙與自然蓄煙設計外，尚須配合適當的區劃設計，才可避免煙氣到處流竄。當居室內或走廊上的機械排煙系統，無法處理發生於居室內之火災濃煙時，基於上述設計理念，可將煙氣導入挑空中庭內；再由中庭頂部之自然或機械排煙系統，將煙排出戶外。如何將居室的煙氣適當地導入中庭內，則需靠適當的區劃設計。由於挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之每間居室，具備屬於自己單獨的機械排煙系統，故每個居室當然成為個別的防煙區劃。一旦煙氣流出居室外之走廊，而走廊又無適當的區劃時，則濃煙可能蔓延其他非火災居室，而無法順利導入挑空中庭內。圖 4-1 為居室外走廊無適當區劃時，煙氣到處流竄之情形。. 圖 4-1 居室外走廊無適當區劃，煙氣流竄之情形為改善居室外走廊無適當區劃煙氣流竄之情形，可於走廊上設置類似防煙垂壁之導煙垂幕（Channeling Screen），如圖 4-2 所示，則從居室流出的煙將沿著導煙垂幕流入挑空中庭內，而不至流入鄰近之非火場居室內。 − 35 −.

(51) 圖 4-2 走廊上設置導煙垂幕，居室的煙將沿其流入挑空中庭內另外，當居室流出的煙沿著走廊上的導煙垂幕進入挑空中庭時，除了考量不能讓煙沿著水平方向流入左右側之居室外，亦要考慮不能影響到上方樓層的走廊或居室。故此時需配合居室外走廊寬度的設計，則可避免流入挑空中庭的煙，再流入火場上層的走廊或居室。圖 4-3 為居室外走廊寬度不足時，下層火場之濃煙流入中庭時，又回捲入火場上方之走廊。根據英國 BRE 之全尺度實驗顯示，挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之走廊寬度大約在 2 m 以上時，則可避免流入挑空中庭的煙，再流入火場上層的走廊或居室，如圖 4-4 所示。. 圖 4-3 走廊寬度不足，濃煙流入中庭又回捲入火場上方之走廊. − 36 −.

(52) 圖 4-4 走廊寬度足夠，可避免濃煙再流入火場上層的走廊或居室. − 37 −.

(53) 4.2 4.2.1. 大空間周圍區域之煙控系統設計自然蓄煙挑空中庭周圍區域大型開闊空間周圍區域屬一般居室性質，於天. 花板上方與結構樑架之間，此空間可作為自然蓄煙之用，若能結合上述其內之機械排煙系統，將可形成先進之 Chambering Smoke Control System 策略，如圖 4-5 所示。其設計理念為將機械排煙系統之風管設置於天花板上方與結構樑架之間，即將風管深入自然蓄煙空間內。則當挑空中庭周圍區域發生火災時，居室所產生的煙，可以經由天花板面之開口，如燈座周圍，而進入天花板上方蓄煙區。等到蓄煙區的煙層形成後，再啟動於蓄煙空間內之機械排煙系統。此舉有如將吸管插入杯中吸取飲料一般，可大大增強排煙效率。. 圖 4-5 Chambering Smoke Control System 示意圖此種天花板上方之蓄煙煙控，其設計重點為火災時產生的煙能否透過天花板面之開口或間隙，而進入天花板上方之蓄煙區。亦即其煙之穿透率，能否達到煙控性能要求。 − 38 −.

(54) − 39 −.

(55) 機械排煙. 4.2.2. 大空間周圍區域煙控系統主要設計理念為儘量處理於本身區域所產生的煙，萬一無法處理再讓煙流入大空間內，由大空間內部煙控系統處理。因此，當居室發生火災時，先由居室本身的排煙系統排煙，不讓煙流入居室外之走廊，如圖 4-6 所示。或者讓煙流出居室，再由走廊的機械排煙系統排掉，不讓煙流入中庭，如圖 4-7 所示。. 圖 4-6 由居室本身的排煙系統排煙，不讓煙流入居室外之走廊. 圖 4-7. 煙流出居室，再由走廊的機械排煙系統排掉，不讓煙流入中庭 − 40 −.

(56) 挑空中庭及大型開闊空間周圍區域為一般居室屬性，其居室內部或走廊之煙控系統可依照我國現行法規「各類場所消防安全設備設置標準」中，第 189 條之相關規定，設計其內之機械排煙煙控系統。內容主要包括： c防煙區劃面積大小不得超過 500 m2 d防煙壁下垂之深度須大於 50 cm 以上 e防煙區劃任意點離排煙口距離不得超過 30 m f排煙口面積不得小於防煙區劃面積之 2/100 g排煙量不得小於該防煙區劃面積每平方公尺 1 cmm 建議所設計之機械排煙系統可採用豎井式機械排煙系統，如圖 4-8 所示。所謂豎井式機械排煙系統設計，為在建築物內部預留排煙豎井，每個排煙豎井並有一台的排煙風機。再設計平面排煙風管，使風管分佈至建築物的每一防煙區劃內。此項設計有別於傳統之平面式機械排煙系統設計。. − 41 −.

(57) 圖 4-8 豎井式機械排煙系統設計示意圖典型平面式機械排煙系統設計平面圖，如圖 4-9 所示。因為需要設計排煙風管至樓層的每個角落，故所需風管總長度則相當長。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。. 圖 4-9 典型平面式機械排煙系統設計平面圖. − 42 −.

(58) 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 4-10 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。. 圖 4-10 平面式機械排煙系統其風機有可能暴露於火場之中但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 4-11 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。. − 43 −.

(59) 圖 4-11 典型豎井式機械排煙系統設計平面圖另外也可節省管道空間，免除閃躲各種管線的煩瑣設計。此外風機個數也大量減少，只要每個排煙豎井一個排煙風機就夠了，不須每個區劃或每層樓一個排煙風機。風機個數減少，相對地代表緊急電源個數亦減少，節省設備初設成本。由於排煙風機只設置於排煙豎井上，故風機位置為位於建築物的最頂端，如圖 4-12 所示。如此可避免使排煙風機暴露於火場之中，不僅可免除排煙風機被燒燬的危險，更可節省機械室設置防火等級設施的設備投資成本。. 圖 4-12 豎井式機械排煙系統設計，其風機位於建築物的最頂端因此基於以上平面式與豎井式機械排煙系統兩者之優缺點比較，並考慮挑空中庭周圍區域之大面積的建築特性，於設計機械排煙系統時，可採用豎井式機械排煙系統設計。. − 44 −.

(60) 4.3. 小結而於挑空中庭及大型開闊空間周圍區域之煙控系統，其主要功能. 為處理發生於大空間周圍區域火災所產生的煙，另外亦可輔助大空間內之煙控系統，處理萬一從大空間其內流入周圍區域的濃煙。挑空中庭及大型開闊空間周圍區域為一般居室屬性，其居室內部或走廊之煙控系統可依照我國現行法規「各類場所消防安全設備設置標準」中，第 189 條之相關規定，設計其內之機械排煙煙控系統。內容主要包括：防煙區劃面積、防煙壁下垂之深度、排煙口距離、排煙口面積、與排煙量等等。另外，基於平面式與豎井式機械排煙系統兩者之優缺點比較，並考慮挑空中庭周圍區域之大面積的建築特性，於設計機械排煙系統時，可採用豎井式機械排煙系統設計。並可結合於天花板上方與結構樑架間之自然蓄煙空間，形成先進之 Chambering Smoke Control System 策略，可大大增強排煙效率。此種天花板上方之蓄煙煙控，其設計重點為火災時產生的煙能否透過天花板面之開口或間隙，而進入天花板上方之蓄煙區。亦即其煙之穿透率，能否達到煙控性能要求。當居室內或走廊上的機械排煙系統，無法處理發生於居室內之火災濃煙時，基於上述設計理念，可將煙氣導入挑空中庭內；再由中庭頂部之自然或機械排煙系統，將煙排出戶外。如何將居室的煙氣適當地導入中庭內，則需靠適當的區劃設計。為改善居室外走廊無適當區劃煙氣流竄之情形，可於走廊上設置類似防煙垂壁之導煙垂幕，則從居室流出的煙將沿著導煙垂幕流入挑空中庭內，而不至流入鄰近之非火場居室內。 − 45 −.

(61) 除以上所述之外，中庭與大空間周圍區域層間加壓煙控系統之設計分析，亦為注意之重點。國際間大空間之煙控系統設計大抵依循「Cabin−Island」之理念發展，尤其是大型購物中心等更須防止火災產生時，濃煙快速於著火樓層擴散，而阻礙逃生避難之有效進行。因此，NFPA 92A 發展出層間加壓之煙控系統設計理念，利用著火樓層因 Cabin 排煙形成之負壓，搭配上下層 HVAC 之送風正壓，而形成有利之氣流組織而將火場煙流罩於其中之負壓區，而形成如三明治之壓力煙控系統。另外，為提供有效之無煙避難動線，進行樓梯間加壓為極有效之設計方式。如分析其打開單扇、二扇、及三扇樓層之逃生門時，風量洩漏之情形及風壓建立之數量化分析，亦為後續針對挑空中庭及大型開闊空間周圍區域煙控系統之研究。. − 46 −.

(62) − 45 −.

(63) 第五章 5.1. 大空間全尺度火災實驗. 大空間煙控實驗大空間全尺度火災實驗方面，將利用大型火災實驗場進行熱煙試. 驗，以重現真實火場中的溫度場與流場。由於內政部建築研究所目前規劃中之台南全尺度火災實驗場仍未完成，本計畫將與位於中國大陸安徽省合肥市之中國科學技術大學（USTC）火災科學國家重點實驗室進行合作，進行本研究中之大空間全尺度火災實驗。以下將就大空間煙控實驗分為：實驗內容、實驗設備、與結果分析等三部份加以討論。 5.1.1 實驗內容大空間煙控實驗之內容主要為觀察煙氣於挑空中庭內部之流動與沈積狀況，預計將進行自然填充、自然排煙、與機械排煙三種煙控策略。而其量測項目為： 1.大空間火場中之溫度分佈主要為量測大空間中庭火災時，煙層溫度分佈情形。所利用之實驗設備為熱電耦（Thermocouple）其所組成的儀器樹（Instrument Tree），再利用自動數據處理器記錄。 2.大空間火場中之煙沈積速度主要為量測大空間中庭火災時，煙層之下降速度。所利用之儀器設備與上述量測溫度分佈相類似，亦即利用儀器樹上之煙層溫度分佈量測結果，加上人工目視記錄與攝影機，配合實驗現場刻畫之量尺，判斷每個時候之煙層高度，藉以推論煙層下降速度。 − 46 −.

(64) 5.1.2 實驗設備大空間全尺度實驗場地的外部長寬高分別為 30.6m、18.6m、及 30.6m，內部空間為一立方体，淨尺寸為 22.4m×11.9m×27.0m。大空間全尺度實驗場地外圍共有六層回廊，每層回廊的東、北、西三面均有窗戶通向室外，以便於實驗中進行觀測，並可利用通向室外之窗戶進行自然排煙策略之煙控實驗。其外觀如圖 5-1 所示，大空間全尺度實驗場示意圖，如圖 5-2 所示。. 圖 5-1 大空間全尺度實驗場. 圖 5-2 大空間全尺度實驗場示意圖 − 47 −.

(65) 大空間全尺度實驗場的屋頂上有八個 1.2m × 1.2m 的排煙口，以做為自然排煙口和機械排煙口使用，如圖 5-3 所示。其中四個排煙口作為自然排煙口，而另四個排煙口則裝置四台排煙風機，其相關位置圖，如圖 5-4 所示。此自然排煙口與機械排煙風機，將可充分利用，變換出實驗時所需要之煙控策略。. 圖 5-3 大空間全尺度實驗場頂部自然與機械排煙口. 圖 5-4 大空間全尺度實驗場頂部排煙口相關位置圖 − 48 −.

(66) − 49 −.

(67) 大空間全尺度實驗場內部之煙氣溫度由熱電偶測量，在實驗大廳的四周，距牆邊約 2 m 處，共掛了四束由熱電偶組成之儀器樹。每一束儀器樹上有 20 個熱電偶，頂部第一個熱電偶距實驗場大廳頂部的距離約 1 m，其餘熱電偶相距為 1 m，如圖 5-5 所示。由熱電偶測量到之數據，利用自動數據處理器記錄，最後傳至個人電腦中轉成溫度信號而儲存，等待日後分析。. 圖 5-5 由熱電偶組成之儀器樹除利用上述儀器樹所量測所得之煙層溫度分佈結果，藉以推論煙層下降速度外。並且亦加上人工目視記錄與攝影機，配合實驗現場刻畫之量尺，判斷每個時候之煙層高度，亦可推論煙層下降速度。為了便於利用人工或攝影機觀測煙氣層界面變化之情形，在實驗場大廳的牆壁上設置了一大的標尺和標示燈，如圖 5-6 所示。標示燈每隔 2 m 一個，於實驗過程中，藉由每個標示燈的明滅，用以判斷當時煙層界面之高度。. − 50 −.

(68) 圖 5-6 實驗場大廳內部之標尺和標示燈 5.1.3 結果分析本實驗之火源為 4 個 1m × 1m 之油盤，實驗過程中，可用 1 個、2 個或 4 個油盤，以便進行不同火源功率下的實驗。所有實驗中，油盤均放在實驗場大廳的中央位置。由於火源的溫度很高，燃燒過程中，油盤底部很容易被高溫燒的變形，而凹凸不平，影響了火源的穩定和火源功率的確定。故為了保持整個油盤燃燒面的水平，使之均勻燃燒，於實驗前先在油盤中加入一定量的水，使之覆蓋油盤底部，然後再加入燃料，讓燃料浮在水面之上。如此，既可以保持均勻燃燒，又能降低油盤底部的溫度，使之不再變形。實驗時，點燃油盤情形，如圖 5-7 所示。火源的釋熱速率 Q（MW）則根據燃料的質量損失速率和燃料的燃燒熱值來確定。於實驗時，在某一燃燒油盤的下面放置一個六支點壓式之質量感知器，透過該質量感知器可以得到燃料的瞬間質量變化情形，然後在求得該次實驗之熱釋放率。實驗時火盤燃燒，煙氣向上竄升情形，如圖 5-8 所示。 − 51 −.

(69) 圖 5-7 實驗時點燃油盤情形. 圖 5-8 實驗時火盤燃燒，煙氣向上竄升情形. − 52 −.

(70) 首先進行的實驗為自然填充實驗，實驗條件為自然排煙口與機械排煙風機皆不開啟狀況，其油盤燃燒之總熱釋放率（Heat Release Rate），經量測結果約為 2 MW。圖 5-9 為自然填充實驗下，由熱電偶量測煙層溫度之結果，所推得之煙層下降圖。可由結果得知，約油盤燃燒 150 秒後，煙層即下降到離地面約 5 公尺處。圖 5-10 為自然填充實驗下，由人工目視所得之煙層下降圖。其煙層下降之趨勢，與熱電偶量測類似。為確認實驗之準確性，本研究利用美國中央標準局（NIST）所發展之火災電腦模擬程式 CFAST 進行大空間煙控系統模擬。圖 5-11 為自然填充實驗下，由 CFAST 電腦模擬所得之煙層下降圖。圖 5-12 為自然填充實驗下，熱電偶、人工目視與 CFAST 電腦模擬比較之煙層下降圖。由此三種煙層下降圖結果比較可得，本項全尺度實驗之準確性相當高。此結果可證明在挑空中庭無任何自然或機械之煙控系統輔助下，煙氣層下降地速度非常快，勢必對人員之避難，產生重大危害。故建議應設置自然或機械煙控系統，改善危險情況。另外，圖 5-13 中列出了四個位置的熱電偶量測值，其中 T26，T21， T16，T11 分別表示距地面 26m、21m、16m、及 11m 處的熱電偶。由圖中可看出，各位置的溫度變化基本上是一致的，隨著煙氣層的發展，煙氣的溫度逐漸升高，當油盤的火熄滅後又逐漸降低，位於上面的熱電偶比位於下面的熱電偶早先發生反應。且位於中間高度處的煙氣溫度比最高處的煙氣溫度高。此證明了當煙氣上升過程中，溫度逐漸降低，亦說明了大空間實驗場頂部對煙氣溫度的散熱作用非常顯著。圖 5-14 為相同火源功率，不同排煙速率之煙沈積速度比對。當排煙速率為 14m3/s 和 8m3/s 時，從圖中可以看出，此處的煙層下降速度有明顯的差別。加大排煙速率，可以得到比較好的煙控效果。 − 53 −.

(71) 30. 25. 20. 15. 10. 5. 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 5-9 自然填充實驗下，由熱電偶推得之煙層下降圖. 30. 25. 20. 15. 10. 5. 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 5-10 自然填充實驗下，由人工目視所得之煙層下降圖. − 54 −.

(72) 30. 25. 20. 15. 10. 5. 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 5-11 自然填充實驗下，由 CFAST 電腦模擬所得之煙層下降圖. 30. 25. 20. 15. 10. 5. 0 0. 圖 5-12. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 自然填充實驗下，熱電偶、人工目視與 CFAST 電腦模擬比較之煙層下降圖 − 55 −.

(73) Temperature (℃). 25 20 15 10. T26 T21 T16 T11. 5 0 0. 100. 200. 300. T i me ( s ). 圖 5-13 四個位置的熱電偶量測值. 30. T12183 sol i d T12261 open. Elevation (m). 25 20 15. Obser vat i on Ther mocoupl e Vi deo Obser vat i on Ther mocoupl e Vi deo. 10 5 0 0. 50. 100 t ( s). 150. 200. 圖 5-14 相同火源功率下，不同排煙速率之煙沈積速度比對. − 56 −.

(74) 5.2. 水幕性能實驗. 5.2.1 實驗內容許多具備挑空中庭及大型開闊空間之建築物，依照「建築技術規則」建築設計施工篇第 79 條之規定，在大空間周圍區域，如走道上，設置圍繞挑空中庭之防火鐵捲門，以符合規定。設置圍繞挑空中庭之防火鐵捲門，雖可滿足條例式法規對防火區劃之設計，但造價太高，往往一棟大型之購物中心須花費數千萬，甚至數億新台幣，去裝置防火鐵捲門。另外，防火鐵捲門數量過多，不僅平時維護不易，而且真正發生火災時，亦不保證能夠使用，發揮防火區劃之功能。於「建築技術規則」建築設計施工篇第 75 條第 4 款之「裝設於開口處之撒水幕」，相信可替代一般常用防火鐵捲門之設計，且無設置防火鐵捲門時之多項缺點。基於以上，本實驗主要目的為分析當發生火災時，大空間中庭水幕（Water Drench）之性能與防止火災延燒之效果。所利用之儀器設備包括水幕系統之水路管線及噴頭，及各種控制啟動閥、及連動控制器等。經由全尺度火災實驗，觀測於火場水幕系統啟動後之煙流動特性，及確認能有效控制煙流動與防止延燒之所需水量。故本實驗內容包括如下： 1. 靜態水幕性能觀察，本項實驗將於無油盤狀況下，觀察撒水頭不同出水量下，水幕系統所形成之水簾形狀與性能。 2. 熱量量測，本項實驗將於有無水幕系統作用下，利用熱量計量測火場輻射熱量之值。 3. 溫度量測，本項實驗將於有無水幕系統作用下，利用熱電偶量測火. − 57 −.

(75) 場溫度之值。 5.2.2 實驗設備本水幕實驗利用建築研究所五股防火試驗室前之空地進行。將兩只防火居室吊起，置於臨時製作之水槽上後，整個實驗設備大致完成，如圖 5-15 所示。. 圖 5-15 水幕實驗大體設備俟實驗之大體設備完成後，接著將進行水幕系統之設計。由於我國目前並無任何有關水幕系統設計之法規規定，故本研究之水幕系統設計將依循日本「消防法施行規則」第 15 條（開口部に設置するドレソチヤ一設備）之規定設計。其內容重點如下： 1. 水幕系統之撒水頭需設置於其開口部之上緣，且二個撒水頭之距離不得大於 2.5 公尺以上。 2. 水幕系統之每個撒水頭放水量，每分鐘需大於 20 公升以上。 3. 水幕系統所連結之供水裝置需加以防火保護，以防止火災時遭受破壞，喪失功能。. − 58 −.

(76) 因此基於上述日本水幕系統相關規定，本水幕實驗之水路系統設計如圖 5-16 所示。. − 59 −.

(77) 2HP 變頻式水泵. 6. 撒水頭. 試驗箱. 試驗箱. 1m. 1m. 撒水頭. 6 噸水箱圖 5-16 水幕系統水路圖由於水幕系統之用水量相當大，除於試驗箱底部設置一個 6 噸水箱外，並裝置 2HP 之循環水泵，讓水從兩個撒水頭噴出後，能循環使用。圖 5-17 為位於試驗箱後方之循環水泵。. 圖 5-17 水幕系統之循環水泵 − 60 −.

(78) − 61 −.

(79) 本實驗將於有無水幕系統作用下，量測火場釋放熱量與火場溫度之值。實驗進行時，將採取二個試驗箱比對方式，故只有左邊試驗箱中才有油盤，右邊試驗箱中並無油盤。將在有油盤的試驗箱中裝置熱量計及熱電偶，量測火場釋放熱量與火場溫度，如圖 5-18 所示。而沒有油盤的試驗箱中，只裝置熱電偶，量測試驗箱中溫度。而所有熱量計與熱電偶量測值，皆送到電腦進行自動數據記錄，如圖 5-19 所示。. 圖 5-18 有油盤的試驗箱中裝置熱量計及熱電偶. 圖 5-19 熱量計與熱電偶量測值之自動數據記錄. − 62 −.

(80) 5.2.3 結果分析 1. 靜態水幕性能觀察本項實驗將於無油盤狀況下，觀察撒水頭不同出水量下，水幕系統所形成之水簾形狀與性能。之前曾提及日本水幕系統之設計內容，其中規定「水幕系統之每個撒水頭放水量，每分鐘需大於 20 公升以上」。實驗結果顯示，當調整循環水泵使水幕系統撒水頭之出水量小於每分鐘 20 公升時，其所造成之水簾效果較為不佳，如圖 5-20 所示。而調整水幕系統撒水頭之出水量大於每分鐘 20 公升時，則水簾效果明顯，如圖 5-21 所示。. 圖 5-20 撒水頭之出水量小於每分鐘 20 公升時，水簾效果不佳. − 63 −.

(81) 圖 5-21 撒水頭之出水量大於每分鐘 20 公升時，水簾效果佳. − 64 −.