高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響評估

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高

層

建

築

物

外

部

風

環

境

對

排

煙

設

備

之

效

能

影

響

評

估

建築研究

所協同研究報告

年度

103

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高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響

評估

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國103年12月

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高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響

評估

計畫主持人：陳建忠

協同主持人：鍾光民

研究員：曾俊達、李信宏、陳玠佑、鍾政洋

研究助理：鄧安琪、陳韋帆

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國103年12月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

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I

目次 ... I 表次 ... IV 圖次 ... V 摘要 ... IX ABSTRACT ... XIII 第一章緒論 ... 1 第一節研究緣起與背景 ... 1 一、研究緣起 ... 1 二、研究背景 ... 2 第二節研究內容與方法 ... 3 第二章文獻回顧 ... 7 第一節國內外排煙設備設置之相關規範 ... 7 第二節建築物通風相關文獻 ... 11 第三章實驗設置與規劃 ... 17 第一節流場規劃 ... 17 第二節實驗模型規劃 ... 17 第三節風洞試驗儀器說明 ... 20 第四節 FDS 模擬原理與流程 ... 22 第四章研究成果與討論 ... 29

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II 第一節視流結果分析 ... 29 4-1.1 A 模型視流結果 ... 29 4-1.2 B 模型視流結果 ... 32 第二節外風壓量測 ... 37 第三節室內壓力量測結果與分析 ... 45 第四節 FDS 模擬結果與分析 ... 51 一、風向角效應 ... 51 二、開窗角效應 ... 55 第五章結論與建議 ... 71 第一節結論 ... 71 第二節重要發現 ... 73 第三節主要建議事項 ... 74 附錄一、期初審查會議記錄及廠商回應一覽表 ... 77 附錄二、第一次專家座談回應表一覽表 ... 82 附錄三、期中審查會議委員意見及回應一覽表 ... 86 附錄四、第二次專家座談回應表一覽表 ... 92 附錄五、期末審查會議委員意見及回應一覽表 ... 95 參考書目 ... 98

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IV

表次

表 A-1 評選委員發言單及廠商回應一覽表 ... 77 表 A-2 第一次專家座談委員意見及回應一覽表 ... 82 表 A-3 期中審查會議委員意見及回應一覽表 ... 86 表 A-4 第二次專家座談委員意見及回應一覽表 ... 92 表 A-5 期末審查會議委員意見及回應一覽表 ... 95

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V

圖次

圖 2-1 矩形高層建築斷面流場速度向量圖 ... 12 圖 2-2 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖 ... 13 圖 2-3 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖 ... 14 圖 2-3 矩形高層建築內流場速度向量圖 ... 15 圖 2-4 火災成長過程 ... 15 圖 3-1 模型安裝示意圖(單位：mm) ... 18 圖 3-2A 模型剖面圖(單位：mm) ... 19 圖 3-3B 模型剖面圖(單位：mm) ... 19 圖 3-4Coherent Innova 70c 氬離子雷射 ... 21 圖 3-5 電子式壓力掃描模組 ... 21 圖 3-6 壓力訊號處理系統 ... 21 圖 3-6 FDS 模擬區域示意圖 ... 27 圖 3-7A 模型、風向角 0ｏ時開窗角度示意圖 ... 27 圖 3-8 A 模型、風向角 0ｏ，1 號窗中心速度變化 ... 28 圖 3-9 A 模型記錄窗口速度位置 ... 28 圖 4-1A 模型視流結果 ... 31 資料來源：本研究拍攝 ... 31 圖 4-2B 模型視流結果 ... 36 圖 4-3 風向角 0o_{外部風壓係數分佈 ... 38}

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VI 圖 4-4 風向角 15o_{外部風壓係數分佈 ... 38} 圖 4-5 風向角 30o_{外部風壓係數分佈 ... 39} 圖 4-6 風向角 45o_{外部風壓係數分佈 ... 39} 圖 4-7 風向角 60o_{外部風壓係數分佈 ... 40} 圖 4-8 風向角 75o_{外部風壓係數分佈 ... 40} 圖 4-9 風向角 90o_{外部風壓係數分佈 ... 41} 圖 4-10 風向角 105o_{外部風壓係數分佈 ... 41} 圖 4-11 風向角 120o_{外部風壓係數分佈 ... 42} 圖 4-12 風向角 135o_{外部風壓係數分佈 ... 42} 圖 4-13 風向角 150o_{外部風壓係數分佈 ... 43} 圖 4-14 風向角 165o_{外部風壓係數分佈 ... 43} 圖 4-15 風向角 180o_{外部風壓係數分佈 ... 44} 圖 4-16 A 模型室內天花板平均壓力分佈圖 ... 49 圖 4-17A 模型、β=0o_{模擬場域速度分佈圖 ... 52} 圖 4-18A 模型、全開窗模擬風向角影響居室內速度分佈圖 ... 54 圖 4-19A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=0o ... 56 圖 4-20A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=30o ... 57 圖 4-21A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=60o ... 58 圖 4-22A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=90o ... 59 圖 4-23A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=120o ... 60 圖 4-24 A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=150o ... 61

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VII 圖 4-25A 模型全開窗、 1 號窗速度分佈圖 (a)β=0o (b)β=30o (c)β=60o (d)β=90o(d)β=120o ... 64 圖 4-26 A 模型開窗 45o_{、 1 號窗速度分佈圖 (a)β=0}o (b)β=30o (c)β=60o (d)β=90o(d)β=120o ... 65 圖 4-27A 模型開窗 90o_{、 1 號窗速度分佈圖 (a)β=0}o (b)β=30o (c)β=60o (d)β=90o(d)β=120o ... 66 圖 4-28A 模型、β=30o_{，2 號窗速度分佈圖 (a)全開窗(b)開窗 45}o (c)開窗 90o ... 67 圖 4-29 A 模型、β=60o，2 號窗速度分佈圖 (a)全開窗(b)開窗 45o(c)開窗 90o ... 68 圖 4-30A 模型 1 號窗平均速度 ... 69 圖 4-31A 模型 2 號窗平均速度 ... 69

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IX

摘要

關鍵詞：高層建築、排煙設備、視流、風壓係數、風洞實驗一、

研究緣起

當風場接近建築物時氣流逐漸分離，部份流場越過建築物上方，另一部分則在建築物附近於迎風面建築物高度約 70%的位置會有停滯點而出現最大風壓力。由此停滯點開始流場在迎風面往向上、兩側及往下低壓力區移動，流量最大的下切流場在接近地表處產生渦流，此渦流稱為：直立渦流(Standing Vortex)、前方渦流(Frontal Vortex)或馬蹄渦流 (Horseshoe Vortex)。此類的氣流特性在建築物周邊所產生之外部風場，包括迎風面渦漩、建築物尾流、穿堂風、角隅強風、遮蔽效應等，這些外部風場如遇排煙設備開啟時，風場將隨著排煙設備開啟的方向角度與開口大小而有變化，且進一步影響進入室內的流量。就環境風工程而言，過去學者多以探討舒適性及節能性居多，鮮少針對外部風場與煙流之互制影響，尤其當外部風場方向與煙流方向相反時，將破壞建築物原有排煙機制，例如:造成排煙窗無法開啟或導入外部風壓造成煙流蓄積室內，嚴重危害高層建築物安全性，如能透過風場模擬與驗證加以探討影響程度與研擬改善對策，將有助於提升我國高層建築物居住安全性，並可供目前法規修正與建築設計參考，爰有必要進行本項研究。按建築技術規則建築設計施工編第 101 條第 2 項規定：「排煙口在平時應保持關閉狀態，需要排煙時，以手搖式裝置，或利用煙感應器速動之自動開關裝置、或搖控式開關裝置予以開啟，其開口門扇之構造應注意不受開放排煙時所發生氣流之影響。」至於如何使開口門扇不受開放排煙時所發生氣流之影響，法規並未提及。實務上，由於高層建築受風

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X 場氣流影響較大，特別是樓層越高處所受風壓越大，而理論上當排煙窗開啟時，煙流在無風狀態下應往外排出，但受氣流影響，煙流之排放效果如何則應加以深究。影響排煙之因素眾多，包括外部風場的風力、方向、與排煙窗的大小、型式、開啟角度，甚或兩者間的交互作用等均有相當程度之影響。

二、研究方法及過程

本計畫將建立高層建築物機械排煙設備失效時，外部風環境對自然排煙效能影響評估所需資料及排煙窗設計策略探討，對於高層建築物之排煙窗通風性能評估包括：不同風向角影響氣流導入建築物通風影響，改變排煙窗安裝位置以及開窗角度對建築物室內通風影響，透過視流、量測室內天花板風壓了解排煙窗在不同風向角排煙性能，並提出建議，將有助於了解自然排煙設備是否能發揮其效能。

三、重要發現

3-1.風向角對於居室內風場的影響：由本研究進行高層建築縮尺模型斷面視流結果顯示，風向角造成居室內流場流向的變化影響甚鉅，若發生火災時影響煙流走向對人員逃生時間與路線有重大影響。 3- 2.開窗角對於居室內風場的影響：本研究利用三種開窗角度進行 FDS 模擬，分別為全開窗、開窗 45o 與 90o ，由結果得知開窗 45o －90o 、在風向角 30o -90o 條件下導引氣流進入室內，窗口氣流流速明顯上升，室內流場對流效果提升。

四、主要建議事項

根據研究發現，本研究針對高層建築物外部風環境對排煙設備之效

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XI 能影響評估的實驗量測資料，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。建議一模擬不同開窗方向對排煙效能影響：立即可行建議協辦機關：成功大學航空太空中心、中華民國風工程學會主辦機關：內政部建築研究所本案僅對單一開窗方向、兩開窗角度進行試驗與模擬，市面上排煙窗型式眾多，可再針對不同款式排煙窗進行研究，其所得結果可提供業界使用。針對開窗角度與來流風向角變化及窗戶型式與風向角關係，分別為變因進行試驗，並歸納分析不同變因之間結果關係，建築師或消防技師再高樓設計時可採納，提高研究成果實用性。建議二進行矩形截面以外不同形狀之高層建物環境風場對排煙影響研究：立即可行建議協辦機關：中華民國風工程學會、成功大學航空太空中心主辦機關：內政部建築研究所建築物外型變化相當大，本研究受限期程只針對矩形截面進行研究，可持續進行不同形狀截面影響。另一方面，目前針對實場量測資料較缺乏，進行數值模擬需要相關數據。可在特定建築物安裝風速計記錄當地微氣候變化，以及利用風洞試驗針對不同外形建物外部風場特性研究，可作為通風模擬之邊界條件，其模擬結果可接近真實情況。

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XII 建議三訂定室內通風與排煙窗相關法規完善做為興建高層住宅建照審查標準：長期建議協辦機關：內政部消防署、內政部營建署主辦機關：內政部建築研究所、中華民國風工程學會目前關於相關建築消防規範針對高層建築自然排煙仍有完善空間，可利用前述研究成果修訂更加完備規範，於高樓設計之初便將此一因素納入，提高建物消防安全係數。訂定室內通風法規可確保居住者室內空氣品質以及排煙窗安裝位置與數量，配合蒐集當地氣象資料在發生火災時若機械排煙失效，調整適合排煙窗開窗角度，順利將煙排出可為民眾爭取逃生時間。

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1 XIII

ABSTRACT

According to the article 101, paragraph 2 of Building Technology Building Design and Construction, a smoke exhaust system is normally close. In case of a fire, the system is activated manually or automatically trigged by smoke sensors. Remote control is another option. It is also noted that the structure of exhaust system should not be affected by smoke under fire. In addition, when wind passes through a high-rise building, the stagnation point is usually located at about 70% of a building in height. A typical flow-field constitutes vortex, building wake, cross ventilation, corner strong win and shelter effect. Nevertheless, for smoke exhaust systems, previous studies are mainly on forced or natural ventilation. Limited works were done on the effect of external flow-field. The dominant factors include incoming wind speed, wind direction, size and opening of exhaust widows. In this study, an experimental study was conducted to visualize natural ventilation for a 1/33 scaled high-rise building with a square cross section. The incoming wind speed was fixed while the wind incidence ranged from 0o to 240o. The FDS software was also employed to simulate the flow patterns in the compartments.

keywords: high-rise building, exhaust system, flow visualization, pressure

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1 1

第一章緒論

第一節研究緣起與背景

一、研究緣起

當風場接近建築物時會逐漸分離，部分流場越過建築物上方，另一部分則在建築物附近於迎風面建築物高度約 70%的位置會有停滯點而出現最大風壓力，由此停滯點開始流場在迎風面往向上、兩側及往下低壓力區移動，流量最大的下切流場在接近地表處產生渦流，此渦流稱為：直立渦流 (Standing Vortex) 、前方渦流 (Frontal Vortex) 或馬蹄渦流 (Horseshoe Vortex)。此類的氣流特性在建築物周邊所產生之外部風場，包括迎風面渦漩、建築物尾流、穿堂風、角隅強風、遮蔽效應、金字塔效應等，這些外部風場如遇排煙設備開啟時，風場將隨著排煙設備開啟的方向角度與開口大小而有變化，且進一步影響進入室內的流量。就環境風工程而言，過去學者多以探討舒適性及節能性居多，鮮少針對外部風場與煙流之互制影響，尤其當外部風場方向與煙流方向相反時，將破壞建築物原有排煙機制，例如:造成排煙窗無法開啟或導入外部風壓造成煙流蓄積室內，嚴重危害高層建築物安全性，如能透過風場模擬與驗證加以探討影響程度與研擬改善對策，將有助於提升我國高層建築物居住安全性，並可供目前法規修正與建築設計參考，爰有必要進行本項研究。按建築技術規則建築設計施工編第 101 條第 2 項規定：「排煙口在平時應保持關閉狀態，需要排煙時，以手搖式裝置，或利用煙感應器速動之自動開關裝置、或搖控式開關裝置予以開啟，其開口門扇之構造應注

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2 意不受開放排煙時所發生氣流之影響。」至於如何使開口門扇不受開放排煙時所發生氣流之影響，法規並未提及。實務上，由於高層建築受風場氣流影響較大，特別是樓層越高處所受風壓越大，而理論上當排煙窗開啟時，煙流在無風狀態下應往外排出，但受氣流影響，煙流之排放效果如何則應加以深究。影響排煙之因素眾多，包括外部風場的風力、方向、與排煙窗的大小、型式、開啟角度，甚或兩者間的交互作用等均有相當程度之影響。二、研究背景高層建築在流場中對風場形成一巨大的阻礙，在建築迎風面之流動型如下圖 1-1 所示，建築物高度約 70%的位置會有停滯點而出現最大風壓力，由此停滯點開始流場在迎風面往向上、兩側及往下低壓力區移動，流量最大的下切流場在接近地表處產生渦流。此迎風面氣流平常僅對建築物的結構風力和外牆風壓有相當程度之影響，此類議題亦是傳統風工程主要研究重點。但若考慮因消防安全所設置之排煙設備受外部風場的影響程度，排煙設備所設置的位置和型式則相形重要。目前國內常用的排煙設備型式如圖 1-2 所示，包含推開式、上開式、上倒式、橫軸旋轉式及縱軸旋轉式等，其中又以推開式、上開式、上倒式最為常見。排煙設備因設置位置不同受不同的流場型式影響，以圖 1-1 而言，若設置在 A 處則可能受迎風面垂直風壓影響較大，B 處則是受氣流往上方流動影響，C 處則是以下切氣流居多，D 處是受氣流向兩側流動產生之迴流影響。由上述可知，在建築物不同位置受不同型式流場影響，另外排煙窗開啟的角度與外風場氣動力行為交互作用，降低排煙設備排煙效能，甚至造成反效果。本研究即擬針對風向角與開窗角度進行室內風場變化探討，以期能整合出適當的排煙設備設置原則，使符合預期效能。

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1 3

圖 1-1 建築物外部風場

資料來源：本研究繪製

(a)推開式 (b)上開式 (c)外倒式

圖 1-2 數值模擬開窗型式示意圖

資料來源：本研究繪製

第二節研究內容與方法

本計畫之主要目的在了解當建築內因火災造成煙霧而啟動排煙設備時，外部風場對排煙效果之影響程度，而其主要影響因素包括：風場來流角度、排煙設備位置與開啟角度等。本研究擬以風洞試驗利用可視化

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4 試驗觀察煙霧受風場影響之流動行為，搭配量測居室內天花板風壓了解不同排煙設備型式、開口角度與設置位置對自然排煙之影響，有助於了解排煙設備之排煙性能，研究方法如下： 1. 蒐集國內外相關研究文獻與規範探討：針對高層建築物定義與設置排煙窗相關規範及研究成果文獻。 2. 流場模擬與量測：本研究利用本所風洞實驗室進行高層建築排煙性能視流與風壓量測實驗，以均勻流模擬在高層樓時作為流場條件，將模型安裝於旋轉盤上，模擬不同風向角觀察居室內流場特性。 1. 高層建築室內視流觀察與風壓量測： (1) 本研究以正方形斷面壓克力模型製作氣動力模型進行風洞實驗，變化條件為風向角的變化，由 0 度至 360o_{，根據 Cheng} 等人(2007)建議，以每 30o_{為間距進行視流觀測。其次在居室} 天花板均佈風壓孔，透過管線系統與電子式壓力量測系統連接，進行同步壓力量測。 (2) 由實驗量測所得之居室內天花板風壓資料首先將計算其風壓均值、擾動值，以完整掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示：平均風壓係數 ₂ 2 1 _V P C_P ρ = (1) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 V P C_P ρ ′ = ′ (2) 其中p為風壓時序列資料的平均值，p'為風壓時序列

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1 5 資料的擾動值，ρ為空氣密度，V 為參考風速。 2. FDS 軟體模擬：利用 FDS 火災動力學模擬軟體套入風洞試驗所用之模型與設定參數(如:風向角、開窗角度)模擬氣流流動方向在具有風向角來流作用下，配合局部表面風壓的統計特性包括平均值、變異數、偏態係數與峰度係數等檢討其統計特性，嘗試以統計分布函數加以擬合。並與前期研究成果僅考慮單純水平攻角時，兩者表面尖峰風壓表現的差異性。

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第二章文獻回顧

第一節國內外排煙設備設置之相關規範

隨著科技與醫療技術進步，人口持續增長，都市人口密集造成可使用土地逐漸減少，生活空間受限使得人們居住方式必須呈現緃向發展，因此都市集合住宅與商辦建築已趨向超高層化，原本 30 坪的平房可能容納 5 人，但 30 坪的大樓卻可容納超過 10 倍以上的人數，若發生火災時雲梯車高度有限，救災不易，以 2005 年台中金沙百貨大樓為例，起火點在 18 樓而雲梯車只能到達 15 樓，人員只能逃生至頂樓透過直升機吊掛救援，但還是造成人員傷亡，因此發生火災時需靠大樓消防與排煙設備發揮作用，增加逃生時間。高層建築幾乎在梯間設置強制排煙設備，另外在住宅牆面加設自然排煙窗，自然排煙窗是一種建造經濟、設置簡單、容易操作、維護也十分方便的排煙系統，因此國內、外相關規定分析如下:在國內相關建築技術與消防規範針對高層建築與排煙窗設置已有明確法條規定：建築技術規則建築設計施工編第 227 條，定義高層建築物，係指高度在五十公尺或樓層在十六層以上之建築物。在高層建築上，幾乎設置梯間與排煙設備，其中在各類場所消防安全設備設置標準第 188 條提到，排煙口之開口面積在防煙區劃面積之百分之二以上，且以自然方式直接排至戶外。排煙口無法以自然方式直接排至戶外時，應設排煙機。本研究只針對排煙窗排煙效能進行探討，排煙窗設置位置與大小在建築技術規則建築設計施工編第 101 條明訂，每層樓地板面積在 500 平方公尺以內得以防煙壁區劃，區劃範圍內任一部份至排煙口之水平距離，不得超過四十五公尺，排煙口之開口面積，不得小於防煙區劃部份樓地板面積百分之二，並應開設在天花板或天花板下八十公分範圍內之外牆，或直

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8 接與排煙風道 (管) 相接，以及在各類場所消防安全設備設置標準第 188 條提到，排煙口之開口面積在防煙區劃面積之百分之二以上，且以自然方式直接排至戶外。排煙口無法以自然方式直接排至戶外時，應設排煙機。當發生火災且機械排煙設備失效時，室內排煙僅能靠排煙窗自然排煙，但當氣流建築物外部風場發生氣流流入室內時，造成無法順利排煙且可能使煙續積於室內。本研究參照中國與日本法規進行比較: 中國建築設計防火規範(資料來源:建築設計防火規範) 下列場所應設置排煙設施： 1.丙類廠房中建築面積大於 300m2的地上房間；人員、可燃物較多的丙類廠。房或高度大於 32.0m 的高層廠房中長度大於 20.0m 的內走道；任一層建築面積大於 5000m2_{的丁類廠房；} 2.佔地面積大於 1000m2的丙類倉庫； 3.公共建築中經常有人停留或可燃物較多，且建築面積大於 300m2的地上房間；長度大於 20.0m 的內走道； 4.中庭； 5.設置在一、二、三層且房間建築面積大於 200m2或設置在四層及四層以上或地下、半地下的歌舞娛樂放映遊藝場所； 6.總建築面積大於 200m2或一個房間建築面積大於 50 m2_{且經常有人停留} 或可燃物較多的地下、半地下建築或地下室、半地下室； 7.其它建築中長度大於 40.0m 的疏散走道。第 9.4.2 條需設置機械排煙設施且室內淨高小於等於 6.0m 的場所應劃分防煙分區；每個防煙分區的建築面積不宜超過 500m2_{，防煙分區不應跨越防火分區。} 防煙分區宜採用隔牆、頂棚下凸出不小於 500mm 的結構樑以及頂棚或吊頂下凸出不小於 500mm 的不燃燒體等進行分隔。第 9.4.6 條

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9 機械排煙系統中的排煙口、排煙閥和排煙防火閥的設置應符合下列規定： (1)排煙口或排煙閥應按防煙分區設置。排煙口或排煙閥應與排煙風機連鎖，當任一排煙口或排煙閥開啟時，排煙風機應能自行啟動； (2)排煙口或排煙閥平時為關閉時，應設置手動和自動開啟裝置； (3)排煙口應設置在頂棚或靠近頂棚的牆面上，且與附近安全出口沿走道方向相鄰邊緣之間的最小水平距離不應小於 1.5m。設在頂棚上的排煙口，距可燃構件或可燃物的距離不應小於 1m； (4)設置機械排煙系統的地下、半地下場所，除歌舞娛樂放映遊藝場所和建築面積大於 50m2的房間外，排煙口可設置在疏散走道； (5)防煙分區內的排煙口距最遠點的水平距離不應超過 30m；排煙支管上應設置當煙氣溫度超過 280℃時能自行關閉的排煙防火閥； (6)排煙口的風速不宜大於 10m/s。 日本建築設計防火規範(資料來源:日本城市規劃法和建築基本法) 消防法施行規則第三十條第一款從天花板下設 50 公分以上(第二十八條第一項第一號所列防火對象，採 80 公分以上)之垂壁或其他同等性能以上之不燃材料造或包覆之阻煙構造。(以下稱防煙壁)樓地板面積五百 m2_{(第二十八條第一項第一號之} 防火對象，採三百平方米)以下，至少須設一區劃(以下稱防煙區劃)。但於有設給氣口(只限於用風管連接者)之防煙區劃，能有效排除煙之情形下，不在此限。 1. 防煙區劃內任一點至排煙口距離須小於30公尺。 2. 防煙壁須設置於天花板至樓地板高度1/2以上。 3. 排煙風管須直接接予外氣流通處。 4. 排煙口之構造由下訂之。 5. 當排煙口排煙時，不得因其排煙產生之氣流以致關閉。 6. 排煙用之風管在排煙以外時須保持氣密，以確保排煙性能及安全。建築基準法施行令排煙設備第116條之2

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10 依本法第35條(含本法第87條第3項、第127條適用場所)中有關居室之通風窗或其他開口另行規定，其規定如下。 1. 其面積合計須達該居室面積1/20以上(須為第20條規定有效採光計算之部分) 2. 可開啟通風之面積合計須達該居室面積1/50以上(須在天花板下80厘米範圍內)。若由隔扇、拉窗及其他隨時能打開之裝置所隔開之2室，於前項計算面積計算時，可做為1室計算。第126條之2 由法規附表1中欄1到4中所列之總面積超過500平方米，樓層數3層以上總面積大於500平方米的特殊用途建築物(高度31米以下之居室，地板面積100平方米以內，以分間牆或天花板下方以不燃材料造或包覆之50厘米以上垂壁或其他具同等效能以上阻止煙流動構造「以下稱防煙壁」所區劃者外)，及不符合第116條2第1項第2款總面積超過1,000平方米居室規定之必須通風窗或開口場所。及樓地板面積超過200平方米之居室 (高度31 米以下，每100平方米內以防煙壁區劃者除外)必須設置排煙設備。第126條之3 前條第1項之排煙設備，其構造規定如下。 1.建築物之樓地板面積每500平方米以防煙壁區劃。 2.排煙設備之排出口，風管及其他與煙接觸的部分，須為不燃材料構造。 3.排煙口於第1號規定中之區劃部分(以下稱「防煙區劃」)離該防煙區劃各部分水平距離須為30米以下，其須裝置於天花板下80厘米(防煙壁高度未滿80厘米時須於防煙壁上方)以內。風管須直接將煙排出至外氣。 4.排煙口須設置手動啟動裝置。 5.前項之手動啟動裝置操作部分，裝置於牆面時其高度須位於地板上80厘米以上1.5米以下之，從天花板垂下時須於地板上方約1.8米之高度，且須以易懂的方式標示使用方法。 6.如果排煙口，除設置手動啟動裝置外，如偵煙探測器及移報裝置或搖控啟動裝置未啟動前須保持封閉狀態，啟動時排煙口之構造不得因排煙產生之氣流而關閉。 7.第115條第1項第3款規定之排煙風管，若須貫穿防煙壁，其間隙須以砂漿或其它不燃材料填實。 8.排煙口之面積須為防煙區劃地板面積的50分之1以上，除直接面對外氣者外，必須設置排煙機。 9.前項之排煙機，須隨任一排煙口啟動而連動啟動，且其排煙量最小為120

(31)

11 立方米/分鐘以上，且符合防煙區劃之樓地板面積1平方米有1立方米之風量(若為2防煙區劃以上，則其風量須達最大區劃風量之2倍)以上。

第二節建築物通風相關文獻

氣流來流風向不同與建築物外形而形成氣動力行為有絕對關係。 Cheng 等人[2007]針對矩形斷面大樓避難層不同開口位置做一系列風場模擬研究，首先量測周圍風場氣動力特性，發現在邊角處易產生較強迴流區，尾流影響長度將會往下游延伸數倍大樓寬度，在尾流區背後形成一對渦流(如圖 2-1 所示)，上方渦流為順時針旋轉而下方渦流旋轉方向為相反。進一步針對避難層(平行兩面牆面為開放，另外兩面為封閉)改變風向角觀察走廊風場特性，由圖 2-2 速度向量圖可得知，在風向角 0o -45o 走廊位置氣流流速明顯高於風向角 60o_{，當風向角為 90}o_{時，壁面阻擋氣} 流進入避難層走廊，流速明顯降低。在 Cheng 等人[2008]進一步將模型增加有三面封閉與單面封閉模型以及改變開口位置(圖 2-3，橘色線為封閉建築物外牆)，由結果得知在 a、b 兩個模型通風量是較小，而 c 模型通風量受到風向角改變影響顯著。以 d、e、f 模型而言，僅有單面外牆罩覆因此通風率高於其於模型，尤其以 f 模型為最佳。Chow (2004)在高層建築中央樓層設置不同位置排煙窗進行 CFD 模擬室內流場(圖 2-1)，發現開窗位置不同對室內氣流通風效能於流向有顯著影響，但需要特別注意角落氣流停滯區，若發生火災濃煙極可能在此處蓄積無法排出至室外。 Chu(2011)等人發現風向角改變，氣流在窗口處產生迴流影響通風效果，造成空氣流率與氣流進入室內流動方式產生變化。

(32)

12

圖 2-1 矩形高層建築斷面流場速度向量圖

資料來源：Cheng et al.(2007)

(33)

13

圖 2-2 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖

(34)

14

圖 2-3 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖

資料來源：Cheng et al.(2008)

(35)

15

圖 2-3 矩形高層建築內流場速度向量圖

資料來源：Chow.(2004)

國內對於高層建築火災相關文獻最早由鄭錦峰(1982)研究高樓火災對人民生命危險性研究，葉俊興(2001)透過文獻蒐集高層建築在發生火災各時期(圖 2-4)，利用消防管理分析消防成功搶救要件，搶救過程包含火災的察覺、通報、初期滅火、避難引導、安全防護、緊急救護與火勢撲滅，亦包含了使用建築物之防火自救。近年來 FDS(Fire Dynamic Simulation)軟體開發已趨成熟，透過模擬方式了解高層建築火災發生時情況，徐國龍(2012)與高銘圳(2013)利用 FDS 還原台中市金沙國際商業大樓與米高梅飯店還原火場進行分析，透過模擬參數的改變，如撒水器的變更、建材耐燃程度調整、感知器靈敏度等進行模擬研究，以了解防火設施對於逃生時間之影響，以達提升逃生者的生存機會。

圖 2-4 火災成長過程

資料來源：葉俊興(2001)

(a) (b)

(36)

16 綜合目前國內、外在關於高層建築排煙相關研究中發現，研究所使用模型為簡單矩形斷面探討不同風向角或改變開窗位置對居室內流場變化與影響，但在排煙窗部份相關研究少之又少，且以 FDS 或 CFD 軟體進行模擬，因此本研究將以台灣建築與消防規範設計風洞試驗模型進行吹試，在模型居室內進行視流觀察，了解在改變不同風向角與開窗角度對居室內氣流特性之影響，同時量測居室內天花板處風壓與 FDS 模擬結果比對，了解其軟體準確度。

(37)

17

第三章實驗設置與規劃

第一節流場規劃

本研究利用內政部建築研究所環境風洞進行建築物氣動力模型實驗研究，風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試斷面(第一測試區 4 m × 2.6 m、第二測試區 6 m × 2.6 m)，本研究採用第一試驗段進行，試驗段長 26.5 m，風洞可提供最大風速為 25 m/s。氣動力模型置於試驗段第一旋轉台，可用數控旋轉台旋轉模型，表現不同風向角的效果。本研究設定為高層建築，因此來流流場條件為均勻流模擬高層建築風場進行測試。為避免不同風速(雷諾數效應)影響壓力量測結果，本研究視流實驗將依情況調控於低風速下進行試驗，進行風壓量測為避免雷諾數效應干擾量測風壓結果，以及目前無法建立 1/33 大氣邊界層，暫時不考慮案流效應，測試風速設定為均勻流 12m/s。

視流實驗使用放煙機從模型地面放出煙霧再利用 Coherent Innova70c 氬離子雷射(圖 3-4)透過凌鏡與光纖線將雷射光頁照在模型上並平行模型斷面，觀察氣流流動情況。壓力量測管線系統為內徑 1mm、長 1.4m 之 PVC 管，管線系統連接至電子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以 64 個量測孔為一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近 64 個孔位規劃為同一壓力模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-5)，該系統每個單一模組有 64 個壓力輸入管( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應器，每一壓力感應器皆可單獨校正。各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-6)，此系統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及傳輸功能。本研究採樣頻率為 256Hz，實驗採樣 64.5 秒，擷取之資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦儲存分析。

(41)

21

圖 3-4Coherent Innova 70c 氬離子雷射

資料來源：本研究拍攝

圖 3-5 電子式壓力掃描模組

資料來源：本研究拍攝

圖 3-6 壓力訊號處理系統

資料來源：本研究拍攝

(42)

22

第四節 FDS 模擬原理與流程

利用電腦模擬來預測火災行為之數學模型，主要可分為兩種方式：區域模式(Zone model)及場模式(Field model)。區域模式是將區劃空間劃分數個區塊，每一區塊內的流場及物理化學性質假設為均勻，不同區塊有不同之性質，且區塊彼此間之動量、質量及熱量交換率則由動量通量、質量通量及熱通量來表示。雖然區域模式計算較簡單，運算速度快，由於大量假設需要實際實驗結果來作比對，故對實驗之依存性極高，且最終僅能求解高溫煙層與低溫空氣層的平均物理性質，無法詳細描述火場狀況。

場模式，即 CFD(Computational Fluid Dynamics) 模式，為將計算空間劃分成細小網格，進而利用數值方法描述火災現象的動量、質量及其相關狀態。一般的場模式為將紊流模式等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件之後重複迭代計算模擬空間中細小網格之物理特性，來預測火災發生過程中每個網格的氣流速度、壓力、溫度、濃度值。然而，火災進行過程中氣流通常呈紊流狀態，因此場模式需要許多物理化學模型(如流體動力學模型、燃燒模型及熱輻射模型等)，來模擬火場中各種物理化學過程。常見的計算流體力學(Computational Fluid Dynamicd)求解紊流的方式通常有：直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation,DNS)、雷諾平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS) 以及大渦流模擬法(Large Eddy Simulation, LES)三種。

DNS 法為直接求解 Navier-Stokes 方程式，對紊流無需任何假設。而

通常 DNS 所需的格點尺寸必須小於 Kolmogorov［5］尺度，一般為 10 −2

~ 10 −3 m 左右，因此以目前的電腦能力很難直接用 DNS 模擬建築物火災

(43)

23 流預測模式來預測流體流動。目前 RANS 的紊流預測模式相當多，但尚無通用之紊流模式。且火災的煙流動現象是瞬時變化，故利用以時間平均為基礎的 RANS 法通常無法精確預測複雜熱傳與渦流的發展。而 LES 法是將流體物理量區分為大尺度(grid-scale)和次格點尺度(subgrid scale) 兩部分。大尺度的物理量在 LES 中直接由 Navier-Stokes 方程式求解，而於次格點尺度內的物理量則需要模式化。模擬對象的格點尺寸必須小於一定的尺度方能使次格點應力模型精確地計算出流場的黏滯應力。其優點為 SGS model 僅需一個實驗常數，且可廣泛地應用在各種流場預測上。又由於紊流本身即為暫態，因此利用空間平均為基礎的 LES 法來預測煙流動現象較以時間平均為基礎的 RANS 法合適。本研究採用之火災煙控模擬程式為美國 NIST（National Institute of Standards and Technology）建築物與火災研究實驗室所發展之火災模擬軟體 FDS（Fire Dynamics Simulator）。FDS 程式即為以 LES 法為基礎的電腦火災模擬軟體。FDS 以低馬赫數（weakly compressible）之大渦流模擬 (Large Eddy Simulation, LES)統御方程式來描述受火災浮力驅動氣體流動之現象，並著重於煙流及熱傳遞現象。其統御方程式簡介如下：質量守恆方程式 (3) 動量守恆方程式 (4) 能量守恆方程式 (5)

(44)

24 理想氣體方程式 (6) 其中: ρ為流體密度（kg/m³） u、v、w 為三維方向之速度（m/sec） g 為重力加速度（m/sec²） T 為溫度（K） C_p為比熱（J/g•K） k 為熱傳導係數（W/ K•m²） p 為壓力（N/m²） R 為理想氣體常數（J/mol•K） FDS 根據 Boussinesq Approximation 將溫度（T）、密度（ρ）、與

壓力（p）區分為空間平均項（Spatially Averaged Quantity）與擾動項（Perturbation），其型式如下： (7) (8) (9) 空間平均項可由（4）、（5）與（6）以及絕熱過程（Adiabatic Process）表示如下：

(45)

25 (10) (11) (12) 而速度、溫度與壓力的擾動項則可表示成： (13) (14) (15) 其中: H 為總壓力 (16) (17) 綜合上述，FDS 由能量方程式、動量方程式、總壓力方程式以及空間平均溫度、密度與壓力方程式聯立求解計算區域之速度、溫度、密度與壓力。在統御方程式的數值方法方面，FDS 對空間座標的微分項採用二階中央差分法，時間的微分項則以顯性二階 Runge-Kutta 法離散化。而 Poisson 方程式形式之總壓力微分方程式則利用快速傅利葉轉換法（Fast

(46)

26 Fourier Transform）直接求解。本研究利用 FDS 進行模擬與實驗結果比對其差異，因此儘量使周圍環境條件相同，FDS 模擬之模型尺寸與風洞試驗相同，距離來流入口處為 2m 與風洞實驗相符。環境設定上，溫度 20oC，壓力為 1 大氣壓，計算空間如圖 3-6 所示。入口條件設定為 12m/s。由於視流法或壓力量測不易觀察開窗角度對室內排煙影響，因此利用 FDS 模擬進行。開窗角度定義如圖 3-7 所示，設定煙盤位置於 1 號窗入口處，熱釋放率為 500kW。另外為確保模擬結果準確度，以 A 模型、風向角 0ｏ進行格點測試，並在 1 號窗中心處記錄速度變化，其速度變化如圖 3-8 所示。氣流剛衝擊至 1 號窗時，該位置風速變化劇烈，在 4s 後風速逐漸減低，趨近於穩定，網格總數共有 416000。使用視流法或壓力量測難以觀察開窗角度對室內流場變化影響，此項試驗使用 FDS 模擬進行分析，觀察室內流場變化，同時記錄 1、2 號窗口各九點位置(圖 3-9)風速並計算其平均值。

(47)

27

圖 3-6 FDS 模擬區域示意圖

資料來源：本研究繪製

圖 3-7A 模型、風向角 0

ｏ

時開窗角度示意圖

資料來源：本研究繪製

(48)

28 t (s) 0 2 4 6 8 10 w ind s peed (m /s ) 0 5 10 15 20 25 30 84000 192000 604800 1155000 1965600

圖 3-8 A 模型、風向角 0

ｏ

，1 號窗中心速度變化

資料來源：本研究繪製

圖 3-9 A 模型記錄窗口速度位置

資料來源：本研究繪製

(49)

29

第四章研究成果與討論

第一節視流結果分析

4-1 .1 A 模型視流結果 為比較風向角之影響，本研究採用目前高層大樓最為普遍：四拼(單層樓四間居室)與雙拼(單層樓二間居室)的平面隔間模型進行視流觀察實驗，首先測試 A 模型，視流結果如圖 4-1 所示。以β=0o_{為例(圖 4-1a)，} 來流由 1 號窗進入沿著梯間呈逆時針流動再由 2 號窗流出，但靠近右上方處氣流幾乎無流動呈停滯狀態。隨著 β 增加至 45o (圖 4-1c)，氣流進入居室之角度逐漸呈逆時針旋轉且流速增加往 2 號窗排出，明顯在氣流行進路徑兩側產生渦流，右上方處滯留區區域縮小。當β=90o_{時(圖 4-1d)，來流氣流與 1 號窗平行，氣流無法直接進入反} 而產生吸力將居室內部氣流往外帶動。2 號窗位在下游背對來流方向，受到模型後方尾流影響不明顯，無明顯氣流流動現象發生。在 β>90o_時，1 號與 2 號窗位在模型尾流處，以β=120o_{為例(圖 4-1f)，1 號窗受到邊角(圓} 點處)尾流干擾，渦流產生間歇性溢放，兩扇窗對居室空間內流場產生間歇性吸力影響，使居室內氣流來回震盪(藍色箭頭)。當β=135o_{時，1 號與} 2 號窗與氣流來流方向軸線呈對稱位置，同樣受到尾流影響，氣流同時從 1 號與 2 號窗進入居室，但進入居室之氣流為間歇性流入並非持續流入，因此在β>90o_{時條件，氣流滯留在室內時間較}_β<90o_{條件下來得長。}

(50)

30 (a)β=0o (b)β=30o (c)β=45o (d)β=60o (e)β=90o _(f)β=120o 1 號窗 2 號窗

(51)

31 (g)β=135o

圖 4-1A 模型視流結果

資料來源：本研究拍攝

(52)

32 4-1 .2 B 模型視流結果 圖 4-2 為 B 模型雙併隔間視流結果，β=0o結果如圖 4-2a 所示，氣流由 1 號窗進入流動至右方牆面，靠近下方牆面處有些微渦流順時鐘捲動，氣流衝擊至右方牆面時，往上流動並呈逆時鐘旋轉，且沿著梯間壁面往 3 號窗流動，隨著β 增加至 45ｏ，居室內氣流流動速度明顯增加，原因為進入居室內氣流無受到阻礙快速由 3 號窗排出。當β>45o_{居室內流速減慢，} 尤其是 β=90o_{(圖 4-2e)觀察到居室內因霧緩滿擴散，處於停滯狀態。在} β>90o_{條件下，氣流轉為由 3 號窗流入居室，但流速較 90}o_>_β>0o_條件下來得低，原因為 3 號窗靠近模型中央位置，氣流進入居室直接衝擊上方隔間壁面，阻礙氣流流入居室，直到 β=180o_{(圖 4-2h)才可明顯觀察到氣流} 由 3 號窗流入再由 1 號窗排出。當β=210o_{(圖 4-2i)時，氣流流向轉為由右} 上流至左下方，受到梯間壁面阻礙之氣流流入居室程度降低，因此居室內氣流流動速度明顯上升，由圖 4-2i 觀察到靠近 3 號窗梯間轉角處產生一順時鐘旋轉渦流，氣流由右上衝擊左下壁面處，在上方與右方產生一對反向旋轉渦流區。當β 增加至 240o (圖 4-2j)時，氣流由 3 號窗進入衝擊下方壁面位置較遠離 1 號窗，因此居室內氣流流動速度減緩，居室內氣流呈順時針旋轉，無明顯渦流產生區域。在 β=270o_{條件下(圖 4-2k)，氣} 流流向與開窗呈平行，氣流無法有效進入居室內，居室內氣流呈停滯狀態。在風向角為 300o (圖 4-2l)時，可觀察到氣流轉為由 1 號窗進入，居室內氣流呈逆時鐘旋轉，但進入居室後撞擊至下方壁面反彈，靠近中心梯間壁面位置產生大尺度渦流結構，緩慢往左方移動，進一步觀察β=330o (圖 4-2m)，居室內氣流流動路徑同樣為逆時針方向，明顯觀察到氣流進入居室偏斜角度減緩，氣流流速增加，靠近梯間壁面處渦流結構縮小。

(53)

33 (a)β=0o (b)β=30o (c)β=45o (d)β=60o 1 號窗 3 號窗

(54)

34

(e)β=90o

(f)β=120o

(55)

35

(h)β=180o

(i)β=210o

(56)

36 (k)β=270o (l)β=300o (m)β=330o

圖 4-2B 模型視流結果

資料來源：本研究拍攝

(57)

o

_{外部風壓係數分佈}

資料來源：本研究繪製

(64)

44 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 Y D a ta -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 X Data -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 β=180o

圖 4-15 風向角 180

o

_{外部風壓係數分佈}

資料來源：本研究繪製

(65)

45

第三節室內壓力量測結果與分析

透過視流實驗可幫助了解室內氣流流向，為將室內氣流流向與排煙效果數據量化，進一步在室內天花板位置量測壓力，進行平均(Cp)與擾動壓力(C'p)數據分析，利用相對壓力差以及擾動壓力值大小判別氣流流向。圖 4-16 顯視在不同風向角平均壓力分佈。由圖 4-16a 中觀察到，氣流由 1 號窗進入室內後衝擊梯間，造成靠近梯間壁面形成正壓區(在 x=9－11、 y>19 區域)，C_p值約為 0.17。氣流衝擊梯間壁面轉為往下方流動，因此在天花板處形成擾流，在梯間轉角處(x=9、y=16)形成負壓區。當氣流沿著梯間往 2 號窗流出時，帶動 x=4、y=15 處周圍空氣流動，可能在此區域產生向上翻轉渦流與天花板壁面磨擦，因此量測得負壓較大於 1 號窗入口處。隨著β 增加至 15o (圖 4-16b)，氣流進入室內流向逆時鐘旋轉，朝向 1 號窗梯間壁面 Cp值上升至 0.1，另外在左側壁面(x=0、y=0－15)壓力值由負壓上升至正壓，但在右下角處壓力無明顯變化。當β=45o (圖 4-16c)，由視流結果證明氣流進入室內速度增快，室內氣流流動速度增加，因此量測德壓力明顯下降負壓程度增強，值得注意的是左側邊面 Cp值較高，原因可能為在此處形成滯留區，尤其在β=60o(圖 4-16d)最為明顯。當β=90o 時，室內 Cp值下降至-0.77，由視流結果發現 1 號窗位置受到側面迴流影響，室內氣流被牽引至室外，且室內氣流流動方向混亂，因此量測得天花板無明顯壓力梯度變化。在β=120o_{(圖 4-16e)時，1、2 號窗位在模型尾} 流處，由於尾流渦流溢放影響，氣流間歇性由此兩窗進入與排出，因此壓力梯度變化較 β=90o_{明顯，但在} _β=150o_{(圖 4-16f)，受到尾流渦流溢放} 影響降低，氣流間歇性進入與排出頻率降低，因此室內壓力梯度變化變得不明顯。

(66)

46 (a) β=0o

(b) β=15o

1 號窗

(67)

47 (c) β=45o

(68)

48 (e) β=90o

(69)

49 (g) β=150o

圖 4-16 A 模型室內天花板平均壓力分佈圖

資料來源：本研究繪製

(70)

(71)

51

第四節 FDS 模擬結果與分析

一、風向角效應 由於視流觀察實驗有其限制，無法明確了解居室內氣流流動情形，因此本研究利用 FDS 建立模型進行模擬。由圖 4-17 顯示Ａ模型在 β=0o 條件下模擬結果，清楚觀察模型受風後兩側面產生迴流區，迴流泡外圍速度明顯遠高於迴流區內，模型後方產生尾流擺盪現象，速度明顯遠低於其餘位置。觀察居室內部氣流速度分佈情況如圖 4-18 所示，β=0o_條件下(圖 4-18a)，氣流由 1 號窗進入延著隔間衝擊至梯間再往左由 2 號窗流出，靠近左下角產生一逆時針旋轉迴流區，迴流區內速度約為 2 m/s。隨 β 增加，由 1 號窗進入氣流衝擊梯間程度減低，當 β=45o_{時，結果如圖 4-18c} 所示，氣流衝擊靠近隔間壁面與 2 號窗交界角落處，且部份氣流直接由 2 號窗流出，靠近梯間與左側兩處行程滯流區。雖然 1 號窗相對於來流方向投影面隨著 β 增加而減少，但由結果觀察到，氣流流至 2 號窗幾乎呈直線快速排出，流速遠高於其他風向角案例。當 β 大於 45o_{時，圖 4-18d} －f 顯示氣流進入室內衝擊點轉為 2 號窗壁面左側，因此左側滯留區範圍減小，右側滯留區範圍擴大。另一方面，1 號窗相對於來流方向投影面積逐漸縮小，氣流進入室內速度也逐漸降低，排煙效果變差。當β=90o_時(圖 4-18e)，1 號窗位在左側，且開口來流方向呈垂直關係，氣流無法直接進入室內。迴流泡在側面形成產生溢放現象時，室內氣流由 1 號窗受迴流泡負壓間歇性吸出，同時受尾流影響，引導部份氣流由 2 號窗進入室內，由動畫觀察氣流流動速度緩慢且為間歇性，室內流場幾乎是停滯狀態。β 大於 90o兩窗戶位在尾流區，以 β=120o_{為例(圖 4-18f)，氣流受尾流影響} 間歇性同時從兩窗戶進入與排出，但室內氣流停滯時間居多。β=150o -330 ｏ_與β=30o -120ｏ結果對稱，因此將不進行討論。

(72)

52

圖 4-17A 模型、β=0

o

_{模擬場域速度分佈圖}

(73)

53 (a)β=0o

(b)β=30o

(c)β=45o 滯留區

(74)

54 (d)β=60o (e)β=90o (f)β=120o

圖 4-18A 模型、全開窗模擬風向角影響居室內速度分佈圖

資料來源：本研究整理

滯留區

(75)

55 二、開窗角效應 排煙窗開啟形式與角度對氣流進入室內有一定程度影響，本研究將對排煙窗開啟單一方向不同開窗角度進行探討。首先探討 β=0o開窗角為 45o(圖 4-19a)，發現氣流流動方式由 1 號窗進入後略為偏左，而開窗 90o(圖 4-19b)為直線進入室內，與全開窗(圖 4-18a)結果比較無明顯差異。隨著β 增加，開窗角度影響效果越趨明顯。由圖 4-20a 可觀察到，開窗外推 45o 導引氣流延隔間壁面流動，室內氣流速度低於全開窗(圖 4-18b)，其原因為窗戶遮蔽部份開口面積所導致。值得注意得是，開窗 90o_{(圖 4-20b)導引} 原本全開窗不會進入室內氣流進入室內，室內流場速度明顯增加。因風向角與開窗角度關係，β=60o_{開窗 45}o_{與 90}o_{速度分佈(圖 4-21a、21b)與全} 開窗結果比較明顯增加。當 β=90o_{時，由圖 4-22a、22b 可觀察到室內速} 度分佈與全開窗結果無明顯差異，室內氣流流動主要受側面迴流泡與尾流影響，受開窗角度影響變化不大。β 超過 90o_{時，由全開窗結果可得知，} 室內氣流流動轉為由迴流泡與尾流產生壓力差驅動。由圖 4-23 可發現 (β=120o)，在 1 號窗處受迴流泡溢放影響，氣流轉為 1 號窗排出 2 號窗流入。值得注意的是，β=150o _{模型外流場現像、氣流進入與排出室內方向} 與β=120o_{結果對稱。在}_β=150o_-360o_{條件時，由於 2 號窗為全開窗無窗戶} 外推，其結果與全開窗β=0-120o_為對稱。

(76)

56 (a)β=0o，開窗 45o (b)β=0o_{，開窗 90}o

圖 4-19A 模型模擬居室內速度向量分佈圖，β=0

o

資料來源：本研究整理

圖 4-25A 模型全開窗、1 號窗速度分佈圖

65 β=0o 1.12 1.12 1.12 1.12 1.08 1.08 1.08 1.08 1.04 1.04 1.04 1.04 1.12 1.12 1.12 1.12 1.08 1.08 1.08 1.08 1.04 1.04 1.04 1.04 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (a) β=0o , no.1 β=0o 1.2 1.2 1.2 1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 0.9 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (b) β=30o , no.1 β=0o 1.015 1.015 1.015 1.015 1.010 1.010 1.010 1.005 1.005 1.000 0.995 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (c) β=60o_{, no.1} β=0o 0.70 0.70 0.70 0.70 0.65 0.65 0.65 0.65 0.60 0.60 0.60 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (d) β=90o , no.1 β=0o 0.60 0.60 0.55 0.55 0.50 0.45 0.75 0.70 _0.70 0.65 0.65 0.65 0.65 0.60 0.60 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (e) β=120o_{, no.1}

圖 4-26 A 模型開窗 45

o

_{、1 號窗速度分佈圖}

66 β=0o 1.04 1.04 1.04 1.04 1.00 1.00 1.00 1.00 0.96 0.96 0.96 0.96 1.04 1.04 1.04 1.04 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (a) β=0o , inlet _β=0o 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.4 1.4 1.4 1.4 1.2 1.2 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0 1.0 0.8 0.8 0.8 0.8 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (b) β=30o , inlet β=0o 1.20 1.20 1.20 1.20 1.15 1.15 1.15 1.15 1.10 1.10 1.10 1.10 1.05 1.05 1.05 1.05 1.00 1.00 1.00 1.00 0.95 0.95 0.95 0.95 0.90 0.90 0.90 0.90 0.85 0.85 0.85 0.85 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (c) β=60o_{, inlet} Col 3 β=0o 0.81 0.81 0.81 0.81 0.80 0.80 0.80 0.80 0.79 0.79 0.79 0.79 0.78 0.78 0.78 0.78 0.77 0.77 0.77 0.77 0.82 0.82 0.82 0.81 0.81 0.81 0.81 0.80 0.80 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (d) β=90o_{, outlet} β=0o 0.60 0.60 0.55 0.55 0.50 0.45 0.75 0.70 _0.70 0.65 0.65 0.65 0.65 0.60 0.60 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (e) β=120o_{, inlet}

圖 4-27A 模型開窗 90

o

_{、1 號窗速度分佈圖}

no.2

β 0 50 100 150 200 250 300 350 U/U re f 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 全開窗開窗 45o 開窗 90o

圖 4-31A 模型 2 號窗平均速度

資料來源：本研究整理

(90)

(91)

71

第五章結論與建議

第一節結論

本研究利用高層建築縮尺模型進行氣動力實驗觀察居室內流場特性，探討之因子包括：不同風向角影響。本次研究獲致之結論如下：風向角影響：由本研究進行高層建築物居室內視流觀察，由 A 模型結果可發現，風向角改變明顯影響氣流進入居室之角度，在風向角 0o氣流直接衝擊模型正面且部分氣流進入 1 號窗，但進入居室內氣流衝擊至梯間壁面再轉向 90o_{由側邊 2 號窗導出，另一方面在靠近邊角處產生一逆時鐘旋轉迴流} 區。風向角角度增加至 45o_{時，氣流進入居室內衝擊梯間程度減緩，氣流} 直接由 1 號窗與 2 號窗連線路徑流出。當風向角超過 45o_{至 180 度時，氣} 流無法直接由 1 號或 2 號窗流出。B 模型視流結果同樣觀察到在風向角 45o時，室內氣流流動速度高於其餘風向角結果，在風向角 90o_{與 270}o_氣流呈停滯狀態。綜合以上結果，進氣窗與來流風向夾角小於 90o_，對室內排煙效果非常明顯，在來流與進氣窗成平行時，室內氣流處於停滯狀態無明顯流動現象。由 A 模型平均壓力結果觀察到室內天花板相對壓力差分佈，但無法明確判別室內氣流流向，需靠 FDS 模擬輔助判別。 FDS 模擬風向角 0o結果可清楚觀察模型外部流場在邊角處明顯有加速效應產生，氣流進入居室內流向與與速度分佈與視流結果相符，可觀察視流結果不足部份。隨著風向角增加至 30ｏ -60ｏ，室內氣流流速增快。在風向角超過 90o_{時，室內氣流處於停滯狀態。開窗角度明顯影響室內流} 場，其中風向角 30o_{開窗 90}o_{窗口速度最大，表示開窗具有導引氣流進入}

高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響評估

高

層

建

築

物

外

部

風

環

境

對

排

煙

設

備

之

效

能

影

響

評

估

建築研究

所協同研究報告

年度

高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響

評估

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國103年12月

高層建築物外部風環境對排煙設備之效能影響

評估

計畫主持人：陳建忠

協同主持人：鍾光民

研 究 員：曾俊達、李信宏、陳玠佑、鍾政洋

研 究 助 理：鄧安琪、陳韋帆

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國103年12月

目次

表次

圖次

摘要

研 究 緣 起

二 、 研 究 方 法 及 過 程

三 、 重 要 發 現

四 、 主 要 建 議 事 項

ABSTRACT

第一章緒論

第一節研究緣起與背景

一 、 研 究 緣 起

圖 1-1 建築物外部風場

資料來源：本研究繪製

圖 1-2 數值模擬開窗型式示意圖

資料來源：本研究繪製

第二節研究內容與方法

第二章文獻回顧

第一節國內外排煙設備設置之相關規範

第二節建築物通風相關文獻

圖 2-1 矩形高層建築斷面流場速度向量圖

資料來源：Cheng et al.(2007)

圖 2-2 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖

圖 2-3 矩形高層建築逃生層流場速度向量圖

資料來源：Cheng et al.(2008)

圖 2-3 矩形高層建築內流場速度向量圖

資料來源：Chow.(2004)

圖 2-4 火災成長過程

資料來源：葉俊興(2001)

第三章實驗設置與規劃

第一節流場規劃

第二節實驗模型規劃

圖 3-1 模型安裝示意圖(單位：mm)

資料來源：本研究整理

圖 3-2A 模型剖面圖(單位：mm)

資料來源：本研究整理

圖 3-3B 模型剖面圖(單位：mm)

資料來源：本研究整理

第三節風洞試驗儀器說明

圖 3-4Coherent Innova 70c 氬離子雷射

資料來源：本研究拍攝

圖 3-5 電子式壓力掃描模組

研究員：曾俊達、李信宏、陳玠佑、鍾政洋

研究助理：鄧安琪、陳韋帆

研究緣起

二、研究方法及過程

三、重要發現

四、主要建議事項

一、研究緣起

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{外部風壓係數分佈}

_{模擬場域速度分佈圖}