建築物火災模擬工具應用參考指南之研究

建築物火災模擬工具

應用參考指南之研究

期末報告

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 104 年 10 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）

建築物火災模擬工具

應用參考指南之研究

研究主持人： 蔡綽芳

協同主持人： 蔡匡忠

研 究 員： 雷明遠、蔡銘儒

羅啟文、蘇崇輝

研 究 助 理 ： 鐘偉庭、陳盈月

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 104 年 10 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）

I

目次

表次... II 圖次... III 摘要... V 第一章 緒論... 9 第一節 研究緣起與目的... 9 第二節 研究方法與步驟... 11 第二章 國外火災模擬發展現況及相關驗證及確認標準... 13 第一節 各國火災模擬程式發展現況... 13 第二節 國外火災模擬相關驗證及確認標準及分析... 29 第三章 國內火災模擬使用現況及相關研究成果... 41 第一節 國內火災模擬程式使用現況... 41 第二節 國內相關實驗及模擬研究成果... 59 第四章 各式設計火源實驗結果及 「建築物火災模擬工具之應用參考指南」草案 ... 67 第一節 各式設計火源實驗結果... 67 第二節 「建築物火災模擬工具之應用參考指南」草案及模擬範例... 81 第五章 結論與建議... 135 第一節 結論... 135 第二節 建議... 136 附錄一 期初會議審查回覆... 137 附錄二 期中會議審查回覆... 139 參考書目... 143

表次

表 2-1 各國區域模式之模擬程式 ... 14 表 2-2 各國場模式之模擬程式 ... 19 表 2-2 各國場模式之模擬程式(續)... 20 表 2-3 FDS 版本差異 ... 24 表 3-1 國內建築物性能式設計案件數-依年度 ... 41 表 3-2 國內建築物性能式設計以火災模擬程式驗證案件數 ... 43 表 3-3 我國以火災模擬程式進行驗證之性能式設計案調查表 ... 45 表 3-4 ○○投資開發-標準化參數確認公式 ... 55 表 3-5 ○○投資開發-標準化參數確認公式（修改部分輸入參數） ... 56 表 3-6 ○○○○博物館-標準化參數確認公式 ... 57

III

圖次

圖 3-1 神桌椅之熱釋放率 ... 60 圖 3-2 辦公椅之熱釋放率 ... 60 圖 3-3 高木櫃之熱釋放率 ... 61 圖 3-4 低木櫃枝熱釋放率 ... 61 圖 3-5 桌板之熱釋放率 ... 62 圖 3-6 通風良好（雙開口）時不同材料（雲杉木（spruce）與合板（plywood）） 設定下模擬與實驗熱釋放率比較... 63 圖 3-7 通風不良（單開口）時不同材料（雲杉木（spruce）與合板（plywood）） 設定下模擬與實驗熱釋放率比較... 64 圖 3-8 電纜線燃燒模擬與實驗熱釋放率比較 ... 64 圖 4-1 丙烷氣體燃燒器之熱釋放率（30 kW） ... 68 圖 4-2 攤販花車實驗圖 ... 69 圖 4-3 攤販花車之熱釋放率圖 ... 69 圖 4-4 攤販花車之質量損失率圖 ... 70 圖 4-5 穿鞋椅實驗圖 ... 71 圖 4-6 穿鞋椅之熱釋放率圖 ... 71 圖 4-7 穿鞋椅之質量損失率圖 ... 72 圖 4-8 塑膠桌子實驗圖 ... 73 圖 4-9 塑膠桌子之熱釋放率圖 ... 73 圖 4-10 塑膠桌子之質量損失率圖 ... 74 圖 4-11 塑膠椅子實驗圖 ... 75 圖 4-12 塑膠椅子之熱釋放率圖 ... 75 圖 4-13 塑膠椅子之質量損失率圖 ... 76 圖 4-14 車站座椅實驗圖 ... 76 圖 4-15 車站座椅之熱釋放率圖 ... 77 圖 4-16 車站座椅之質量損失率圖 ... 77 圖 4-17 液晶電視實驗圖 ... 78 圖 4-18 液晶電視之熱釋放率圖 ... 79 圖 4-19 廣告燈箱實驗圖 ... 80 圖 4-20 廣告燈箱之熱釋放率圖 ... 80

V

摘要

關鍵字：火災模擬程式、格點尺寸、不確定度分析 一、 研究緣起 火災數值模擬分析可用於分析探討複雜的火災現象，彌補無法一一進行火災 實驗之不足，尤其在大規模場所更顯價值。本研究研擬「建築物火災模擬工具之 應用參考指南」草案，提供常用火災模擬程式之選用及基本限制說明、火源及邊 界條件設定原則、格點之選用與檢核方式等，並編寫案例供設計者參考，亦供審 查者於審核時進行初步分析比較之用，以俾利建築物火災模擬程式使用之準確性。 另模擬輸入中重要資訊是設計火源（design fire），本研究調查察見可燃物，並剔 除文獻已知之實驗資訊，進行 7 項實驗，可擴充設計火源資料庫。 二、 研究方法 本研究以文獻分析、設計火源調查及試驗、建築物火災模擬程式範例及專家 座談諮詢四方式進行： 1. 文獻分析 蒐集常用之建築物火災模擬程式，分析其選用原則。另將蒐集國外有關火災 模式使用之標準或規範及我國近年來評定審查採用之規定，以研擬適用於我國 「建築物火災模擬工具之應用參考指南」，內容包括火源及邊界條件設定原則、 格點之選用與檢核、模擬結果分析、使用版本差異等。 2. 設計火源調查及試驗 調查國內外設計案例於設計時所採用之火源，研提實驗規劃，並進行全尺寸 火災實驗，建立熱釋放率數據，其結果供火災模擬程式建立火源設計之依據，以 增進火災模擬之準確性。 3. 建築物火災模擬程式範例 分析我國近年來消防署及建築中心建築物火災性能設計案例使用火災模擬 程式之情形，選出常見之建築型態及條件，再依上述研擬之「建築物火災模擬工

具之應用參考指南」規定進行示範，其結果不但可供設計者參考，並供審查者進 行初步分析比較之用。 4. 專家座談諮詢 在擬定「建築物火災模擬工具之應用參考指南」後，將召開專家座談會議， 邀請各領域專家、建管與消防審查人員及台灣建築中心防火避難安全性能審查評 定小組委員擔任本研究之專家諮詢委員。 三、 重要發現 本研究將依火災模擬程式使用現況、各式可燃物實驗及「建築物火災模擬工 具之應用參考指南」草案進行說明。 一、火災模擬程式使用現況 我國使用火災模擬程式進行驗證之建築類別多為供集會表演場所（A-1 類）（如：電影院），而建築型態多為挑空中庭及展覽場，而進行模擬驗證時， 多以液態燃料（煤油）進行模擬，而模擬結果是否符合真實情況將有待確認， 且模擬前未針對格點使用尺寸進行說明及分析，而格點尺寸對模擬結果影響 甚大，因此，建議模擬前針對格點尺寸進行探討及分析。 二、各式可燃物實驗 本研究針對各式非木質材料之可燃物進行實驗，共實驗 7 個項目，包含 攤販花車、穿鞋椅、塑膠桌子、塑膠椅子、車站座椅、液晶電視、廣告燈箱。 三、「建築物火災模擬工具之應用參考指南」草案 本指南第一章為火災模擬簡介，介紹火災模擬程式及其理論；第二章為 火災模擬程序，依序說明模擬目的及具體檢核項目、火災情境特徵、選擇火 災模擬程式之方式、計算火災成長情況、靈敏度及不確度分析及模擬結果紀 錄分析；第三章為模擬範例。

VII 四、 主要建議事項 建議一： 建立各式可燃物資料庫：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關與機構： 內政部營建署 我國目前歷年已進行相當多可燃物實驗，但尚未統整性彙整成資料庫，因此 建議統整各式可燃物資料庫，其內容可包含可燃物尺寸、重量、材質、熱釋放率、 值量損失率等參數，使我國火災模擬設計人員於設計時有所依據。 建議二： 推行「建築物火災模擬工具之應用參考指南」：立即可行建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關與機構：內政部建築研究所 現今性能式設計多以火災模擬程式進行驗證，但驗證結果之可信度卻無相關 評估基準，因此本研究研擬之「建築物火災模擬工具之應用參考指南」建立一系 列檢核基準，將可強化火災模擬結果之準確性，並加以提升我國防火安全。

9

第一章

緒論

在台灣人口不斷攀升的情況下，土地資源之有效利用已成為重要課題之一， 建築物而逐漸朝向都市集中，人民消費活動亦日趨頻繁。為滿足居住與使用需求， 建築物已有高層化、集合化、大型化及多元複合化發展之趨勢，並隨新材料、新 工法、新設備及技術的開發，建築物設計也更創新，如：巨蛋體育場、大型購物 商場、展覽中心、住商複合式之高層建築等，此類場所多以性能式設計排除「建 築技術規則」之規定，然排除「建築技術規則」1_{規定皆須提出相關驗證證明以} 證實該場所屬安全場所，目前多以火災模擬程式進行驗證，但驗證結果之可信度 卻無相關評估基準，因此若有一系列檢核基準，將可強化火災模擬結果之準確性， 並加以提升我國防火安全。

第一節 研究緣起與目的

一、 研究緣起 現今建築物逐漸往高層化、大型化、集合化、高密度化及多元複合化發展， 並隨著新材料、新工法、新設備及新技術的發展與創新，加上新穎的設計理念， 若使用傳統規格式法規（Route A），對設計者而言，將顯得綁手綁腳，若依避難 性能驗證法（Route B）設計，或依建築消防機關所認定之性能設計（Route C） 進行特定空間規劃的性能驗證評估，將有助於防火設計之合理化、科學化，且符 合成本經濟效益2，更將使建築技術發展能順應時代需求而不受阻礙，亦增加設 計彈性。 現今建築物性能設計皆以經驗公式、全尺寸火災實驗或數值模擬分析進行驗 證。經驗公式為簡化火災場景的實驗歸納公式，其為累積多次實驗結果進行歸納 而成，實驗條件通常被理想化或簡易化，套用經驗公式評估建築物火災特性雖然 較為簡易方便，但是誤差大。全尺寸火災實驗則是建立欲分析之全尺寸場景進行 1 「建築技術規則」，內政部營建署，民國 100 年 2 _{沈子勝、陳佳君，「台灣性能審議制度與發展」，建築防火前瞻科技國際研討會論文集，民國} 100 年

實際火場分析，實驗需投入大量人力、經費及場地，但研究成果可呈現真實情況， 其所建立之火場資料將可用於比對經驗公式及數值模擬分析之結果，使經驗公式 及數值分析更加準確。數值模擬分析多用於探討複雜的全尺寸火災，但目前無論 設計或審核均無一可依循的火災模擬程式應用規範，若設計者使用錯誤將無法檢 核，本研究擬研擬「建築物火災模擬工具之應用參考指南」，內容包括常用火災 模擬工具之選用及基本限制、火源及邊界條件設定原則、格點之選用與檢核、使 用版本差異等，並製作案例供設計者參考，並供審查者於審核時進行初步分析比 較之用，以俾利建築物火災模擬程式之準確性。此外，設計火源之設定尤其關係 火災初期之規模，需仰賴真實實驗數據，若能提供常見可燃物之燃燒曲線將俾利 建築物火災模擬程式之準確性。 二、 研究目的 1. 探討各常用建築物火災模擬程式之限制，並研擬選用原則以供設計者正確選 用適合之模擬程式。 2. 探討我國建築物性能設計使用火災模擬程式之現況。 3. 探討火災模擬程式設計火源需求，進行全尺寸火災實驗，建立熱釋放率數據 庫。 4. 研擬「建築物火災模擬工具之應用參考指南」供設計者及審核者對模擬結果 皆有明確檢核原則，並依應用指南研提建築物火災模擬程式之設計範例。

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第二節 研究方法與步驟

本研究以文獻分析、設計火源調查及試驗、建築物火災模擬程式範例及專家 座談諮詢四方式進行： 1. 文獻分析 蒐集常用之建築物火災模擬程式，分析其選用原則。另將蒐集國外有關火災 模式使用之標準或規範，如 ASTM E1355-火災模擬預測能力評估標準（Standard Guide for Evaluating the Predictive Capability of Deterministic Fire Models）、ASTM E1472-火災模擬程式文件化標準（Standard Guide for Documenting Computer Software for Fire Models ）、ASTM E1591-火災成長模擬資料取得標準（Standard Guide for Obtaining Data for Fire Growth Models）、ASTM E1895-火災模擬程式使 用及限制標準（Standard Guide for Determining Uses and Limitations of

Deterministic Fire Models）等標準，及我國近年來評定審查採用之規定，以研擬

適用於我國「建築物火災模擬工具之應用參考指南」，內容包括火源及邊界條件 設定原則、格點之選用與檢核、模擬結果分析、使用版本差異等。 2. 設計火源調查及試驗 調查國內外設計案例於設計時所採用之火源，研提實驗規劃，並進行全尺寸 火災實驗，建立熱釋放率數據，其結果供火災模擬程式建立火源設計之依據，以 增進火災模擬之準確性。 3. 建築物火災模擬程式範例 分析我國近年來消防署及建築中心建築物火災性能設計案例使用火災模擬 程式之情形，選出常見之建築型態及條件，再依上述研擬之「建築物火災模擬工 具之應用參考指南」規定進行示範，其結果不但可供設計者參考，並供審查者進 行初步分析比較之用。 4. 專家座談諮詢 在擬定「建築物火災模擬工具之應用參考指南」後，將召開專家座談會議， 邀請各領域專家、建管與消防審查人員及台灣建築中心防火避難安全性能審查評

13

第二章

國外火災模擬發展現況及相關驗證及確認標準

本研究蒐集各國火災模擬程式，並詳細說明常用火災模擬程式之使用限制及 假設條件，另蒐集國外火災模擬相關標準（ASTM E1355、ASTM E1472、ASTM

E1591、ASTM E1895、ISO 16730），上述相關彙整內容將於下列各節說明。

第一節 各國火災模擬程式發展現況

早期防火研究大多以實驗為主，需耗費大量實驗時間及成本。隨著電腦運算 能力之增強，電腦模擬之應用也倍受重視且模擬具有節省實驗成本及時間之優點， 已成為建築防火研究的重要工具之一。此外，順應各式新式建築物的需求及經濟 成本上之考量，電腦模擬亦為未來防火研究之趨勢，目前主要可分為區域模式及 場模式進行評估： 一、區域模式（Zone model） 區域模式係由許多空間組合起來，一般分為上、下兩區域，假設每個區域內 物理性質和化學性質皆為均勻狀態，上下區域分別為高溫熱層及低溫冷層，由理 想氣體和質量、動量與能量守恆方程式推導出一組常微分方程（ODE），而彼此 上下層能量、質量會因為火源所產生的氣柱進行交換。其優點為模式建立簡便， 計算所得到的結果為區域內變化的平均值，各區域間能量的傳送是以控制容積 （Control volume）來計算，所以只能得知區域與區域之間能量進出的情形，無 法得知區域內部的詳細變化。由於區域模式已簡化許多參數，因此需要大量實驗 數據輔助，而計算方式較簡單，所需模疑時間較短，對於一般初步評估可節省很 多時間，所得之結果可做為預測火場內部能量變動之參考。另現行區域模式模擬 程式如表 2-1 所示，下列將說明較常使用之 CFAST 及 BRI 2002 模擬程式。

表 2-1 各國區域模式之模擬程式

模擬程式 國籍 適用條件 空間特性 特殊條件 ARGOS DENMARK 多居室空間 ASET US 單一居室空間 無法模擬通風情境 ASET-B US 單一居室空間

BRANZFIRE NEW ZEALAND 多居室空間

火焰延燒、多火源火 災及機械通風之情 境 BRI-2 JAPAN/US 多樓層及多居室空 間 針對煙控模擬 BRI 2002 JAPAN 多樓層及多居室空 間 CALTECH US 閃燃前之情境 CCFM.VENTS US 多居室空間 適用於通風情境 CFAST/FAST US 多居室空間 CFIRE-X GERMANY 居室空間 液態油盤火災 CiFi FRANCE 多居室空間 COMPBRN-III US 居室空間 COMF2 US 單一居室空間， 閃燃後之情境 DACFIR-3 US 飛機機艙空間 DSLAYV SWEDEN 單一居室空間 FASTLITE US 多居室空間 FFM US 閃燃前之情境 FIGARO-II GERMANY FIRAC US 複雜的開口情境 FireMD US 單一居室空間 FIREWIND AUSTRALIA 多居室空間 FIRIN US 多居室空間 針對管道、風機、過 濾器之情況 FIRM US 單一居室空間 FIRST US 單一居室空間 適用於通風情境 FMD US 中庭空間 HarvardMarkVI US 單一居室空間 HEMFAST US 單一居室空間 家俱火災之情境 HYSLAV SWEDEN 閃燃前之情境 IMFE POLAND 單一居室空間 適用多開口之情境

15 MAGIC FRANCE 核電廠 MRFC GERMANY 多居室空間 煙的流動及溫度對 結構體之影響 NAT FRANCE 單一居室空間 結構的影響 NBS US 閃燃前之情境 NRCC1 CANADA 單一居室空間 NRCC2 CANADA 大型辦公空間 OSU US 單一居室空間 Ozone BELGIUM 結構的影響 POGAR RUSSIA 單一居室空間 RADISM UK 天花板噴流之情境 RFIRES US 閃燃前之情境 R-VENT NORWAY 單一居室空間 排煙通風之情境 SFIRE-4 SWEDEN 閃燃後之情境 SICOM FRANCE 單一居室空間 SMKFLW JAPAN 單一樓層 煙流之情形 SmokePro AUSTRALIA 單一居室空間 煙層位置 SP UK 閃燃前之情境 WPI-2 US 單一居室空間 WPIFIRE US 多居室空間 ZMFE POLAND 單一居室空間

（資料來源：An Updated International Survey of Computer Models

for Fire and Smoke

3

及本研究自行整理）

(一) CFAST

CFAST 為美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）所發展之區域模式模擬程式，CFAST 能預測多居室空間 （multi-compartment）火災發生時的物理現象與化學現象，並可有效的描述煙層 分佈與毒氣擴散。此軟體係利用許多區間將建築物空間劃分成若干區域進行模擬， 藉由輸入經實驗所得燃料質量損失率或熱釋放率，以及區間尺寸和通風條件等， 可以得知在每個區間隨時間變化之煙層厚度、煙的流量、熱層溫度和冷層溫度等， 並可設定水平與垂直開口，垂直開口可作為門、窗開關之情形，而其天花板、地 板、牆等材質可隨著不同區域而改變，室內空調、排煙、消防設備（如：自動撒

3 _{S.M. Olenick and D.J. Carpenter, 「An Updated International Survey of Computer Models for Fire}

水設備、偵熱探測器、煙探測器）等軟體內均有提供設定項目，軟體內建 31 種 材質之火源及 22 種材質之易燃物，亦可自行建立火場易燃物資料庫，另軟體提 供數種迅速的預測工具，如逃生時間、自動撒水設備和探測器的反應時間、天花 板噴流溫度等。對於外界環境可設定溫度、壓力、濕度等。可計算參數相當多， 如上下層溫度、煙層高度、壓力、各種氣體濃度（CO，CO2，O2，HCl …等）、 開口間的質量流率等。 1. 使用限制 (1) 空間 本模擬程式限制空間容積為上下兩區域，此限制條件主要針對空間進行初步 估算使用，若要運算非矩形空間，並探討流場之變化情形，如：走廊流體流 動情形、探測器作動情形或固體材料熱傳情形，則需使用計算流體力學（CFD） 模擬。 (2) 煙氣層 空間內將分為上下區域，上區域為高溫熱層、下區域為為低溫冷層，現實情 況下，兩層間約有 10%居室高度的過渡區，但此模擬假設兩層之間並無過渡 區。 (3) 熱釋放率 本模擬無法預測可燃物的火災成長情況，模擬設定之熱釋放率係由使用自行 設定，但一般熱釋放速率設定皆不超過 1 MW/m3 ，此限制主要考量氣流與 熱傳（傳導、對流、輻射）至邊界之情況。 (4) 輻射 火源之輻射情況假設為一點源，此假設將限制火源周圍輻射熱之準確性，同 時，居室間的輻射熱交換情況亦無法模擬。 (5) 通風及洩漏 在單一居室空間連結至另一空間時，其居室空間體積與開口面積之比例不超 過 2m，主要原因為假設開口為活塞流之情況。

17 (6) 熱物性 本模擬可由使用者自行設定物質的熱物理性質，但自行設定之物質性質將影 響模擬結果之準確度，例如自行設定材料的煙產生量，此項參數將影響煙氣 層的輻射吸收率及對流之情形，而輻射熱及對流又將影響浮力及流率，因此， 自行設定參數將影響各項性質之模擬結果。 2. 方程式簡介 CFAST 推導熱力變數隨時間演變之動態方程式，如下：



hL hU



V dt dP _ 1 _





      _{ }  dt dP V h P dt dV U U U 1 1 _ 





      _{ }  dt dP V T m c h V c dt dT U U U P U U U P U  1





      _{ }  dt dP V T m c h V c dt dT L L L P L L L P L  1 P ：壓力（Pa） t ：時間（s）  ：比熱比率 V ：體積（m3_） U h ：上層焓（W） L h ：下層焓（W） U V ：上層體積（m3_） L V ：上層體積（m3_） P c ：定壓比熱（J/kg K） U  ：上層密度（kg/m3） L  ：下層密度（kg/m3） U m ：上層質量流率（kg/s） L m ：下層質量流率（kg/s） U T ：上層溫度（K） L T ：下層溫度（K）

(二) BRI 2002

BRI 2002 為日本建築火災研究院（Japan at the Building Fire Research

Laboratory）所發展之區域模式模擬程式，BRI 2002 能預測多樓層、多居室空間 （multi-compartment）火災發生時的煙流情形，而模擬之火源僅可於單一空間內 設置單一火源，本模擬無法於各空間內設置單個或多個火源，而下列將分別說明 本模擬之假設條件、使用限制及模擬使用方程式簡介。 1. 假設條件 本模擬包含七項假設條件，詳細如下： (1) 建築物任何空間內皆分為上層及下層。 (2) 上層及下層係由一水平邊界平面劃分。 (3) 上層及下層皆為均勻狀態，因此內部物理性質皆相同。 (4) 上、下層間之質傳情形僅由火羽流進行傳遞。 (5) 上、下層間之輻射熱傳係由層間至邊界表面的輻射熱交換，而對流熱傳係由 層間至牆面接觸傳遞。 (6) 由火羽流傳遞火源熱釋放量，而火焰輻射熱損失忽略不計。 (7) 忽略居室間的輻射熱傳情形。 2. 方程式簡介 (1) 質量守恆方程式 (2) 物種守恆方程式 (3) 熱量守恆方程式

 



_



 



j ji ij m m V dt d _









l j ji j l ij l l V Ym Y m Y dt d _{   }



, 





  

_



 



j j ji ij p h p VT Q Q c m T m T c dt d _

19

(4) 理想氣體方程式

二、場模式（Field model）

場模式為計算流體力學（Computational Fluid Dynamics） 模式，係將計算 空間劃分成眾多細小格點，且利用數值方法將描述火災現象的動量、質量及組成 成份，紊流參數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，重 複迭代計算模擬空間中格點之物理特性，預測火災發生過程中每個格點的氣流速 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 式需要不同之物理化學模式（如流體動力學模式、燃燒模式及熱輻射模式等）， 以模擬火場中各種物理化學過程。與區域模式比較而言，所需假設較少，因此場 模式會有較仔細、正確的描述結果，缺點為計算時間較長。以往的電腦模擬因受 限於電腦的運算能力，故早期電腦模擬均以區域模式為主。隨著電腦硬體設備及 運算能力之提升，使得場模式模擬逐漸成為研究與驗證主流。另現行場模式模擬 程式如表 2-2 所示，下列將說明較常使用之 FDS 模擬程式。

表 2-2 各國場模式之模擬程式

模擬程式 國籍 適用條件 ALOFT-FT US 大型戶外火災煙流情形 CFX UK 火災及爆炸之情形 FDS US 低馬赫數之火災情境 FIRE AUSTRALIA 預測撒水對固/液相燃料之 燃燒速率及抑制之情形 FLUENT US JASMINE UK 預估設計問題造成火災之 後果

KAMELEON FireEx NORWAY 預測結構受熱之影響

KOBRA-3D GERMANY 複雜的空間之煙流擴散與 熱傳之情境 MEFE PORTUGAL 單一或雙居室空間，室內溫 度之變化情形 RT M P



表 2-2 各國場模式之模擬程式(續)

模擬程式 國籍 適用條件 PHOENICS UK 多功能之模擬程式 RMFIRE CANADA 居室空間內煙流之情形 SMARTFIRE UK SOFIE UK/SWEDEN SOLVENT US 隧道內煙流及熱傳之情形 SPLASH UK 自動滅火設備與火場煙流 之情境 STAR-CD UK UNDSAFE US/JPAN 開放空間或居室空間

（資料來源：An Updated International Survey of Computer Models

for Fire and Smoke）

(一) FDS（Fire Dynamics Simulator）

FDS（Fire Dynamics Simulator）為美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）所發展之場模式模擬程式，專門模 擬受火災浮力驅動氣流流動的三維數值計算之流體力學軟體。FDS 為計算流體力 學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟體，採用大渦流模擬（Large Eddy Simulation，LES）解控制方程式，軟體的核心為 Navier-Stoke 方程組，適用的範 圍為低馬赫數的流場分析，亦即火場中由熱驅動的低速流場，著重在煙流及熱傳 遞的現象，可預測模擬空間之多種火場資訊，目前已成為分析火災現象之最主要 軟體。 FDS 運算結果的後處理，是由 Smokeview 軟體進行，Smokeview 可將火災 運算結果繪製成火場佈置圖、格點圖、粒子圖、向量圖、等位面圖、切面圖等。 將模擬結果圖面化、色彩化、立體化，並可輸出動畫，如：氣流方向圖、氣流速 度圖、溫度分佈圖，使使用者快速的建立火場影像，更可快速的掌握火場資訊， 進一步對模擬結果進行分析。

21 1. 使用限制 (1) 假設低流速 FDS 僅可用於低流速之情況，如煙的流動或熱傳等現象，此模擬並不適用於 流速接近音速之情境，如爆炸、爆轟等。 (2) 直線幾何圖形 FDS 以直線網格進行區域劃分，如正方形或長方形。 (3) 火災成長及延燒 當未指定火場熱釋放率時，模擬將有較大的不確定性，有三個主要原因，(1) 真實的材料或燃料特性參數不易取得，(2)燃燒、輻射及固相熱傳的物理過程 比 FDS 數值計算更為複雜，(3)計算結果的靈敏度取決於數值模擬及物理參數 間。 (4) 燃燒 假設燃料和氧的反應是無限快，且反應過程與溫度無關，對於大尺度空間， 此假設是一個良好的假設，但此假設並不適用於通風不良之空間。 (5) 輻射 輻射熱傳是由輻射傳導方程式（RTE）解析，而輻射傳導方程式（RTE）相 似於熱傳導的有限體積法（FVM），另某些限制案例可使用寬帶模式（wide band model）。 2. 格點分析 FDS 用於模擬火場狀況，將目標空間切割成多個細小格點，利用數值方式不 斷計算各個格點之各種物理量，預估火場中的溫度、氣流流速、熱煙流的流動狀 況。而 FDS 格點設計須兼顧效率及準確性，當格點尺寸越小其模擬結果越精準， 相反所需的模擬時間越長，電腦規格及效能需求越高。在評估最佳格點尺寸上採 用火源特徵直徑計算方式，分析在最大熱釋放率下的最佳格點尺寸。Baum et al.4

4 _{H.B. Baum, B. J. McCaffrey, 「Fire induced flow field – theory and experiment」, Fire Safety}

定義火源附近最小場度尺寸（Length scale）以火源特徵直徑D（Characteristic fire diameter）計算，計算式如下： 5 2 0 0               g T C Q D p  其中  D 為特徵直徑、  Q 為熱釋放率（kW）、₀為空氣密度（kg/m3_）、 p C 為空氣 比熱（J/kg-℃）、T 為環境溫度（K）₀ 、g為重力加速度（m/s2）。

Baum et al.5以 FDS 格點尺寸於 0.1D時，大渦流模擬法（Large eddy

simulation, LES）的時間平均軸心速度與溫度會與 McCaffery6的實驗回歸公式吻

合，因此欲正確模擬單一火災流燃燒情形，格點尺寸以 0.1D最能兼具效率與準 確性。 3. 方程式簡介 (1) 質量守恆方程式 0       u t   ：流體密度 ( 3 / m kg ) u ：流體氣流速度 (m / ) s (2) 動量守恆方程式





  _   _      f g p u u t u p：壓力 (pa) f ：外力項，包含由撒水頭噴出的水滴所造成的摩擦力 ( N ) g：重力加氣流速度 ( 2 / s m )

 ：黏滯剪應力張量(Viscous Stress Tensor)

5 _{H.R. Baum, K. B. McGrattan, R. G. Rehm, 「Three dimensional simulations of fire plumes}

dynamics」, Fire Safety Science – Proceedings of 5th International Symposium, pp. 511-522, 1998.

23 (3) 能量守恆方程式

Y

D

h

q

l l l l r k T D Dt Dp hu h t           _{ }

_

_ ) ( h ：焓 (J /kg) k ：熱傳導係數 (W /mK) T：溫度 (K) D：擴散係數 (mm /2 s) l Y ：第 l 種的質量分率 (4) 物種守恆方程式

 

Y_l Y_lu

 

D _l Y_l mlm t            _{  }  m l m ：第 l 種分子每單位體積產生率 (5) 理想氣體方程式 RT pM   M ：分子量(kg /kgmol)

4. 版本差異 FDS 從2000年2月公開發表第1版，2001年12月發表第2版，2002年11月 發表第3版，2004年7月發表第4版，2007年10月發表第5版，2012年10月發表 第6版，我國開始使用 FDS 時間多為2007年後，因此本研究將針對 FDS 第5 版後之改版內容進行說明，包括 FDS 5.1、FDS 5.2、FDS 5.3、FDS 5.4、FDS 5.5、FDS 6.0.0、FDS 6.0.1、FDS6.1.0、FDS 6.1.1、FDS 6.1.2、FDS 6.2.0， 詳細內容如表2-3。

表 2-3 FDS 版本差異

版本 變更項目 FDS 5.1 修訂不同網格尺寸之對應情形，如圖(a)~(c)為不同網格尺寸 對應情形，此類為可用於模擬之情性，圖(d)為左側兩網格對應至 右側五網格，此類情形已不可模擬於 FDS 5.1 之後的版本。 (a) (b) (c) (d) 圖 不同網格尺寸對應範例

25

FDS 5.2

1. 新增一渦流消散模式(Eddy Dissipation Model)用於預估燃料與 氧氣的混合時間。 2. 噴霧液滴數量增加至每秒 5000 滴，而噴霧時間以每 0.01 秒計 算。原版本液滴數量為每秒 1000 滴，噴霧時間以每 0.05 秒計 算。 3. 平均波長(指令：PATH_LENGTH)不以整體區域進行計算，改 以 5 倍的網格尺寸進行計算。 4. 新增一可量化之參數，該參數為能見度(指令：VISIBILITY)。 FDS 5.3 1. 新增一輸出參數，該參數為有效分量(Fractional Effective Dose，FED)。 2. 模擬輸出量可利用時間積分統計法。 3. 任何氣體的產生量可在材料特性(指令：MATL)參數中以 NU_GAS 指令設定。 4. 可藉由指定噴嘴的數量決定撒水管的壓力。 5. 新增 DRY 指令至測量設備(指令：DEVC)項目內。

6. 新增卜勒粒徑分析(Phase Doppler Particle Analysis)，用於量測 液滴噴灑的情形。 7. 新增一輸入指令 MULT，該參數可避免重複性的輸入障礙物或 網格的指令。 8. 新增一輸入指令 BULK_DENSITY 於障礙物(指令：OBST)指 令群中，新更該指令可易於計算可燃物的總量。 9. 原量測煙層密的指令為 soot density，此版本修改為 QUANTITY='DENSITY', SPEC_ID='soot'。 10. 量測項目所輸出資料的單位可藉由 CONVERSION_FACTOR 指令變更單位。 FDS 5.4 1. 變更固體材料熱解指令，指令為 REFERENCE_TEMPERATURE 及 REFERENCE_RATE。 2. 新增 OpenMP 功能，該功能可使單台電腦以多個核心或處理器 進行計算，此功能更可與平行運算(MPI)結合。 3. 新增一輸入指令 ORIFICE_DIAMETER 於 PROP 項目內，該指 令提供簡易的方法設置液滴之流速。 4. 新增熱引起的電器故障模擬(Thermally-Induced Electrical Failure，THIEF)，用於預估電纜的損壞情形。 FDS 5.5 1. 增加回復動量方程式內的斜壓轉矩項目(原於 FDS 5.5.3 中刪 除)。 2. 增加部分液體熱學物理性質，如：水或常用燃料。 3. 增加氣體熱學物理性質中。 4. 擴充液滴量測項目(指令：PADA)。

5. 使用 SURF 指令說明拉格蘭吉恩粒子(Lagrangian particles)。 FDS 6.0.0 1. 流體力學與紊流 (1) 修改紊流模擬的黏滯係數，此模擬提供更大的動態範圍模 擬流場的變化情形。 (2) 建立焓守恆方程式，用於排除溫度異常及能量守恆錯誤之 情形。 (3) 包含斜壓轉矩項目。 (4) 修改牆的動量及熱通量函數。 2. 物質與燃燒 (1) 可在 SPEC 指令群中自行定義物種。 (2) 新增紊流燃燒局部混合反應模型，在子網格內有兩種狀態 物質存在，分別為未混合物及混合物， (3) 傳輸、產生及消耗毒性物質，如：一氧化碳、煙塵，其化 學反應機制須由使用者自行定義。 (4) 沉積氣膠在物體的表面。 (5) 增加物質特性的種類，亦包含液體物質。 3. 拉格蘭吉恩粒子 (1) 移動的粒子可在 SURF_ID 項目內設定。 (2) 液滴尺寸可由使用者自行定義。 (3) 液滴的輻射特性可由使用者自行定義。 4. 固相熱傳與熱解 (1) 對固體表面一維的熱傳及熱解性質不變，但增加數個功能。 (2) 增加材料密度對熱解模擬的設定，熱解模擬可確認材料表 面的收縮或膨脹情形。 5. 暖氣、通風及空調(HVAC) (1) 過濾器、散熱口及加熱/冷卻功能已增加至 HVAC 系統中。 (2) 6. 輻射 (1) RadCal 資料庫增加可燃性物質。 (2) 可指定 RadCal 資料庫中的物質至 SPEC 指令中。 7. 控制功能 (1) CTRL 已擴展到包含數學運算。 8. 設備與輸出 (1) 控制功能的數值可藉由 DEVC 項目輸出。 (2) 可在同一行 DEVC 指令內設定數個量測設備。 FDS 6.0.1

1. MPI 與 Open MPI 1.6.5 一起編寫。 2. 修訂相關物質的設定。

27 4. 修正粒子追蹤算法的錯誤。 5. 修正背牆的起始溫度。 6. 增加進氣口設定速度曲線的功能。 FDS 6.1.0 1. 平行運算 (1) 釋出 OpenMP。 (2) 新增 Linux 版本的 MPI。 2. 物質與燃燒 (1) 修正 SPEC 內的化學反應公式。 (2) 增加氣體和液體物質特性的種類。 (3) 新增三項物質的反應情形(如 A+ B+ M-> C + M)。 3. 邊界條件 (1) 修正 HVAC 中開口分裂之情形。 (2) 增加 CONVERT_VOLUME_TO_MASS 指令至 SURF 指令 群中。 (3) VOLUME_FLUX 變更為 VOLUME_FLOW。 (4) 修正固體表面質量通量。 (5) 禁止薄障礙物的速度邊界條件。 (6) MAX_LEAK_PATHS 指令可由使用者自行設定。 (7) BACKING 指令的預設值由 VOID 改為 EXPOSED。 4. 輸出參數

(1) 增加 FLOW WALL、 HEAT FLOW WALL 及 VOLUME FLOW WALL 作為 SOLID_PHASE_OUTPUT 的量測項目。 (2) 增加 SPEC_ID 指令至管道輸出量測項目。

(3) 增加 AMPUA_Z、CPUA_Z、MPUA_Z 及 MPUV_Z 量測項 目。

FDS 6.1.1

1. 加快粒子與液滴的運算速度。

2. 修正 RADIATIVE HEAT FLUX GAS 指令的錯誤。

3. 增加 NUMBER OF PARTICLES 及 CPU TIME PER STEP 至 DEVC 指令群內。 4. 修正對牆面的輻射熱通量。 5. 放寬 HVAC 的壓力邊界條件。 6. 允許於內建物質中創造新物質。 FDS 6.1.2 1. CHECK_VN=.TRUE.指令設為預設值，其指令可提高模擬穩定 性。 2. Windows 版的 FDS 使用英特爾 MPI 軟體。 3. 從 MPI 移除 OpenMP。 4. SECOND_ORDER_INTERPOLATED_BOUNDARY 指令作為 質量守恆。

5. 增加輸出量測項目 VOLUME FLOW WALL、MASS FLOW WALL 及 HEAT FLOW WALL。

6. 在 SPEC 輸入指令群內取消編碼之限制。 FDS 6.2.0 1. 增加功能及修訂錯誤 (1) 修正網格邊緣、角落及鏡面邊界的黏滯係數。 (2) 在 SURF 指令群中加入熱重分析(TGA)功能。 (3) 修正重新啟動(指令：RESTART)的功能，以提高可靠性。 (4) 使用新版 RadCal 資料庫，增加許多燃料種類。 (5) 降低 MPI 數據交換的大小，以減少 MPI 超時錯誤的可能性。 (6) 增加指定洩漏位置的功能。 (7) 增加模擬資料錯誤時標示名稱的功能。 2. 輸入參數 (1) SPECIFIC_SOURCE_TERM 指令更改為 INTERNAL_HEAT_SOURCE.。 (2) 使用者可自行設定 N_LAYER_CELLS_MAX 指令。 (3) 增加 HEAT_TRANSFER_COEFFICIENT_BACK 指令。 (4) GRAVITATIONAL_SETTLING 指令可控制固相沉積與氣 相沉降。 (5) 開放使用者自行設定 PR_GAS 指令的氣體普朗特數(預設 值為 0.7)。 3. 輸出參數

(1) 新增 DIFFUSIVITY、MASS FLUX WALL CELL 及 MACH NUMBER 量測項目。

(2) MLR_TOTAL 測量項目新增至熱釋放率資料夾中。

29

第二節 國外火災模擬相關驗證及確認標準及分析

本研究蒐集 ASTM 及 ISO 火災模擬相關標準，如：ASTM E1355-火災模擬 預測能力評估標準（Standard Guide for Evaluating the Predictive Capability of Deterministic Fire Models）、ASTM E1472-火災模擬程式文件化標準（Standard Guide for Documenting Computer Software for Fire Models ）、ASTM E1591-火災成 長模擬資料取得標準（Standard Guide for Obtaining Data for Fire Growth Models）、 ASTM E1895-火災模擬程式使用及限制標準（Standard Guide for Determining Uses and Limitations of Deterministic Fire Models）及 ISO 16730-消防安全工程之 評估，下列將分別說明。 一、美國 ASTM 相關標準 (一) ASTM E1355-火災模擬預測能力評估標準 1. 適用範圍 (1) 本標準提供一評估火災模擬預測能力，適用於所有火災模擬， 用以評估火災影響。 (2) 本標準包含四種評估方法，如下： i. 定義模擬程式及模擬情境。 ii. 驗證模擬程式之理論基礎及各種假設之適當性。 iii. 驗證火災模擬數學分析與數值分析之完整性。 iv. 量化火災模擬程式模擬相似情境之不確定度與準確度。 (3) 本標準並非解決所有安全的問題，使用者應制定合適的安全和 健康相關規範，並於標準使用前確定其適用性及相關限制。 (4) 本標準並無提供定量的方法。 2. 火災模擬與情境定義 (1) 火災模擬文件： i. 程式辨別： 說明模擬程式名稱、程式基本計算方式、程式運算流程圖、程 式發展版次、程式維護與更新方法。

ii. 參考文獻： 應列舉該模擬所引用的相關文獻資料。 iii. 模擬函數定義： 說明模擬背景資料及相關火災參數，如：火災成長速率、煙的 擴散速率與避難逃生時間等。 iv. 模擬理論基礎： 說明火災現象的理論基礎與模擬計算的相關物理法則、主要的 方程式及數學模式。 v. 模擬數學分析基礎： 說明數學方法、程序以及數值分析求解的計算算法過程。 vi. 程式說明： 列舉該程式所需輔助程式及外加數據檔案，說明求解各主要選 項之功能。 vii. 注意事項與限制： 列舉軟硬體的注意事項與限制，並提供模擬執行範圍和能力。 viii. 參數輸入： 說明參數輸入資料來源，例如工具書、期刊、研究報告與試驗 數據等，並提供預設值或一般慣用值。 ix. 輸出結果： 說明程式的結果輸出，及參數輸入與輸出結果之關聯性。 x. 變數列表： 表列程式與次程式中的變數及參數，並說明其使用條件與目 的。 (2) 模擬情境評估： i. 提供模擬評估結果，包括完整的參數範圍，進而使用者可 自行評估。 (i) 相關情境現象的描述。 (ii) 表列每一模擬預測值，進一步評估其準確性。 (iii) 每個變量之準確性評估。

31 3. 模擬理論基礎 (1) 模擬的理論基礎須透過火災現象的專家，以物理學與化學為基 礎做專業的審查。審查內容如下： i. 針對該文件進行完整的評估，特別針對理論基礎中的假設 值與近似值進行更完整的評估。 ii. 依據現行文件技術，評估理論基礎中的假設值與方法是否 合理。 iii. 評估經驗值或文獻資料所使用之常數與預設值的準確性 及適用性。 4. 數學與數值分析之完整性 (1) 分析試驗(Analytical Tests) 應用在已得知其解答的狀況下，進行分析測試能有效評估模擬 功能的正確性。 (2) 編碼檢查(Code Checking) 透過第三方來認證，檢查方式可透過人工或是電腦編碼程式來 找出錯誤，進而增加程式的信賴度。 (3) 數值分析試驗(Numerical Tests) 數學模式通常被表示在微分與積分的方程式中，而該數學模式 通常複雜並難以求解，因此數值方法通常被應用求得近似的結 果。 5. 量化相似模擬情境下之不確定性與準確度 (1) 模擬靈敏度 i. 模擬靈敏度是評估參數如何影響其模擬結果，參數輸入須 注意下列事項： (i) 主要影響模擬的參數。 (ii) 可接受的參數範圍。 (iii) 參數輸入與輸出結果量化模擬靈敏度。 ii. 參數輸入 (i) 情境資料，如：結構幾何、環境狀況與火災情境等。

(ii) 物質屬性資料，如：熱傳導係數、密度與比熱。 (iii) 數值常數，如：火災空氣捲入係數、孔流常數與結構 常數等。 (2) 模擬預測能力評估 i. 模擬必須針對模擬結果進行相關參數的評估，如下： (i) 火災成長及擴散(例如溫度、煙濃度與氣體濃度等)。 (ii) 火焰延燒速率及防火時效等。 (iii) 逃生避難時間與結構強度分析。 (iv) 主動式與被動式消防設備設計。 ii. 進一步模擬評估應包括模擬設計開發階段與模擬使用階 段。 (i) 設計者火場情境的建立是否正確 (ii) 使用者火災模擬的選擇是否正確 (iii) 電腦模擬計算是否正確 (二) ASTM E1472-火災模擬程式文件化標準 1. 適用範圍 (1) 本標準針對火災學研究、工程計算與相關防火工程之火災模擬， 提供電腦模擬文件化的相關資訊。 (2) 本標準提供三種文件的編寫方式：(1)技術文件; (2)使用者操作 手冊; (3)安裝、維護及程式手冊。 (3) 本標準無提供數值上的應用，僅建議採用國際單位制(SI)進行 文件編寫。 (4) 本標準並非解決所有安全的問題，使用者應制定合適的安全和 健康相關規範，並於標準使用前確定其適用性及相關限制。 (5) 本標準並無提供定量的方法。

33 2. 技術手冊內容 (1) 功能 i. 定義模擬程式運算火災的問題與功能，例如火災成長的計 算、煙的蔓延與逃生避難等。 ii. 說明火場情境，以流程圖表示。 (2) 技術說明 i. 理論基礎 (i) 說明現象的理論基礎。 (ii) 確認火災模擬內之主要假設及任何簡化性假設。 (iii) 提供模擬理論基礎的審查結果，標準 E1355 建議由一位 或多位精通火災的物理及化學反應之專家審查。 ii. 數學基礎 (i) 說明數學方法、程序及數值解之計算算法。 (ii) 提供參考算法和數值方法。 (iii) 提供經過模擬大量的數學&數值的分析結果。相關分析測 試、代碼檢查和數值分析在標準 ASTM E1355 有更多的 說明。 (3) 程式說明 i. 說明程式內容及程式執行所需的輔助程式或外部資料檔 案。 (4) 資料庫 i. 說明資料背景之來源及內容。 (5) 評估模擬程式預測能力 i. 評估模擬於特殊狀況的預測能力（參酌標準 ASTM E1355）。 (6) 靈敏度 i. 提供模擬靈敏度分析結果（參酌標準 ASTM E1355）

3. 使用者操作手冊內容 (1) 技術說明 i. 詳細內容如技術手冊中之技術說明。 (2) 程式說明 i. 全面且完備之說明。 ii. 說明使用之方法及程序，並說明計算流程。 (3) 操作與安裝資訊 i. 程式安裝說明。 ii. 確認程式可成功執行、編輯程式語言。 (4) 程式注意事項 i. 說明解決各種問題的各項功能。 ii. 說明程式輸入及輸出間之關係。 iii. 說明程式執行方法與技術基礎。 iv. 說明程式執行的操作基礎。 (5) 輸入資料 i. 說明輸入資料來源。 ii. 提供預設值或一般慣用數值。 iii. 輸入材料性質及其他輸入資料的相關程序，可參考 ASTM E1591。 (6) 外部資料文件 i. 說明資料文件的使用與程式執行的相關性。 (7) 系統需求 i. 說明安裝和運行電腦程式所需的程序。 (i) 表列執行程式所需的操作系統與控制指令。 (8) 輸出資訊 i. 說明程式輸出資料。 (9) 個人與程式需求 i. 說明一般人員執行一般運算時間與設定時間。

35 ii. 提供相關信息，供使用者評估在電腦系統上執行應用程式 的所需時間。 (10) 比對樣本 i. 提供樣本的輸出資料文件，使用者得以驗證是否正確使用 程式。 ii. 在選擇比對樣本時，考慮以下因素： iii. 選擇標準樣本或明確定義的範例。 iv. 選擇大部分皆可執行之項目。 v. 電腦的執行時間在合理範圍內。 (11) 限制 i. 列出硬體和軟體的限制。 (12) 錯誤訊息 i. 當錯誤訊息發生時，請表列其適當的對應對策。 ii. 當錯誤訊息顯示和說明時，請描述處理方法。 4. 安裝、維護及程式手冊 (1) 一般事項 i. 應適當的描述相關參考文件。 ii. 電腦產生之文件可以補充或取代傳統文件，如：表列程式 中詳細註解、子程式名稱。 (2) 系統需求 i. 硬體要求：表列程式已成功測試的整機配置設備。 ii. 軟體要求：作業系統、子程式資料庫。 (3) 軟體結構 i. 說明整體程式的結構、邏輯和詳細的流程圖。 (4) 資料文件 i. 程式有關資料庫和文件使用與維護的程序。

(三) ASTM E1591-火災成長模擬資料取得標準 1. 適用範圍 (1) 本標準說明火災成長模擬所需輸入之資料。 (2) 本標準說明如何取得資料。 (3) 本標準著重於固體材料之引燃、熱解及延燒情況。 (4) 本標準以國際單位 SI 制為標準單位。 (5) 本標準並非解決所有安全的問題，使用者應制定合適的安全和 健康相關規範，並於標準使用前確定其適用性及相關限制。 (6) 本標準無法用於提供定量的措施。 2. 本標準提供模擬所需輸入資料與相關材料屬性的彙編；進一步本標 準提供輸入參數的取得方式與訊息。 3. 針對以下輸入參數進行探討： (1) 燃燒效率 (2) 密度 (3) 放射率 (4) 火焰消光係數 (5) 火焰延燒參數 (6) 燃燒熱 (7) 汽化熱 (8) 熱裂解熱 (9) 熱釋放率 (10) 引燃溫度 (11) 質量損失率 (12) 燃燒產物生成率 (13) 熱裂解溫度 (14) 比熱 (15) 熱傳導係數 (16) 熱慣性

37 (四) ASTM E1895-火災模擬程式使用及限制標準 1. 適用範圍 (1) 本標準以有系統性之方法評估火災模擬程式。 (2) 本標標準提供具體的火災模擬之限制。 (3) 本標準主要為協助模擬開發者、模擬使用者與專家。 (4) 本標準並非解決所有安全的問題，使用者應制定合適的安全和 健康相關規範，並於標準使用前確定其適用性及相關限制。 (5) 本標準並無提供定量的方法。 2. 模擬使用者指引 (1) 定義評估對象是否具火災風險或火災危害。 (2) 評估合適之火災模擬程式。 (3) 評估火災模擬程式是否具備 ASTM E1472 要求之文件。 3. 模擬開發者指引 (1) 須記錄模擬於確認階段時之最佳設定方法與可能發生的錯 誤。 (2) 須提供公開模擬文件的路徑以供審查，特別針對模擬數值應用 分析、物理限制與模擬內部的限制等（參酌標準 ASTM E1472）。 (3) 應說明驗證火災模擬程式所採用之火災標準試驗法。 4. 專家指引 (1) 審查者應先備有模擬相關文件化文件（參酌標準 ASTM E1472）。 (2) 審查者應先備有模擬預測能力評估之所需文件（參酌標準 ASTM E1355）。 (3) 審查者需要求模擬分析的所需完整文件，包括模擬的描述、數 入與輸出參數表列、使用者假設的表列與模擬已知限制的描述 等。

二、美國 ISO 相關標準

(一) ISO 16730-消防安全工程之評估（assessment）、驗證（verification）及 確認（validation）計算方法 1. 適用範圍 (1) 確保計算程式與方法被正確執行（驗證）、並確認相應問題已 被解決的程序（確認）。 (2) 驗證計算方法的科學與技術文件 (3) 對計算方法與預測數據進行比對分析。 (4) 使用本標準之開發者及使用者，其使用計算方法評估結果。 2. 技術手冊內容 (1) 計算方法應包含下列項目 i. 目的：定義欲解決之問題。 ii. 理論：說明基本模擬概念及相關之物理理論。 iii. 輸入：說明需輸入之資料，並說明輸入資料之來源。 (2) 計算方法之評估應由第三方進行審核。 (3) 技術文件應包含一個範例，明確的說明代數公式及數學模擬的 運算情形。 3. 使用手冊內容 (1) 程式介紹 i. 介紹模擬程式本身。 ii. 說明模擬程式採用計算之方法及程序。 (2) 安裝及操作說明 i. 確認最低硬體配備之需求。 ii. 確認電腦已可執行。 iii. 確認電腦使用之作業系統類型及版本。 iv. 提供安裝程式之指令。 (3) 程式注意事項 i. 說明可用於解決各種問題之選項及功能。

39 ii. 確認程式之限制條件。 iii. 確認程式適當的數據範圍，若超過範圍時，程式反應之情 況。 (4) 輸入數據說明 i. 說明每個輸入變量之預設值或自行設定值，自行設定值須 說明來源。 ii. 說明任何特殊的輸入技術。 (5) 外部數據文件 i. 說明任何外部數據文件的內容及架構。 ii. 提供建立、修改或編輯外部數據文件之輔助程式。 (6) 系統控制 i. 細節設定及執行程式所需的程序。 ii. 列出操作系統控制指令。 iii. 列出程式的提示。 (7) 輸出資料 i. 說明程式輸出之資料及圖形。 ii. 提供適當的指令，以判斷程式是否已達收斂。 (8) 範例 i. 提供與輸出資料相關的樣本數據文件，使使用者確認是否 正確操作程式。 (9) 錯誤訊息 i. 列出程式可能產生之錯誤訊息。 ii. 提供錯誤訊息相對應之操作指令表。 iii. 說明違反程式限制之反應。 4. 方法 (1) 驗證 驗證過程的目的主要在於檢驗代碼是否能正確求解數學模型 所描述的方程組，主要包含下列三項：

i. 代碼檢驗：檢驗程序代碼是否正確，能否正確地求解描述 火災的微分方程。 ii. 時間與空間離散化：離散方法、離散格式能否滿足求解要 求。 iii. 迭代收斂性與相容性檢驗：檢查所用的求解方法能否滿足 數值穩定性，能否使方程快速收斂到正確的解，收斂準則 是否合適。 (2) 確認 確認過程主要是將程序的計算結果與真實的火災試驗數據進 行比對，以確認計算程序是否能真實反映現實火災。確認過程 中，求解精度一般由實驗數據來確定，強調求解問題是否正確， 查核模擬模型的誤差。 (3) 靈敏度分析 靈敏度分析係參數的變化對模擬結果之影響情形。 5. 驗證計算方法所要求的參考數據 驗證計算方法的參考數據可從實驗、火災調查案例或其他文獻中取 得。

41

第三章

國內火災模擬使用現況及相關研究成果

本研究調查國內火災模擬程式 94-103 年使用現況及相關常見性能式設計案 件，包含挑高空間、電影院、展覽館，另蒐集國內相關實驗與模擬研究成果，上 述相關彙整內容將於下列各節說明。

第一節 國內火災模擬程式使用現況

表 3-1 為統計財團法人台灣建築中心於 94 年度至 103 年度申請性能式設計 案件數，資料統計至 103 年 12 月 31 日。從統計結果顯示近年以火災模擬程式驗 證案件有逐漸增多之趨勢，而以 FDS 火災模擬程式進行驗證之案件最多，其次 為 BRI 2002 及 CFAST，其中 102 年 19 件案件中有 8 件使用 FDS 火災模擬程式 進行驗證，103 年 17 件案件中有 10 件使用 FDS 火災模擬程式驗證，顯示火災模 擬程式於驗證性能設計中扮演相當重要的角色，模擬結果是否合理將攸關建築物 之安全。

表 3-1 國內建築物性能式設計案件數-依年度

94 年度 95 年度 96 年度 97 年度 98 年度 99 年度 100 年度 101 年度 102 年度 103 年度 合計 申請 案件 性能設計 1 6 5 7 7 10 4 12 11 18 7 17 4 9 6 15 13 19 7 17 65 130 性能設計 (含綜合檢討) 5 2 3 8 7 10 5 9 6 10 65 採用 FDS 模擬 1 2 3 4 8 3 5 3 8 10 47 採用 BRI 2002 模擬 1 - 1 - - - 2 採用 CFAST 模擬 - - - 1 - - - - 1

（資料來源：本研究自行整理）

表 3-2 為我國建築物性能式設計以火災模擬程式驗證案件數，統計結果顯示 火災模擬程式多用於驗證供集會表演場所（A-1 類）（如：電影院），因電影院內 高低差較大，無法使用建築物防火避難安全性能驗證技術手冊進行驗證，因此， 使用火災模擬程式進行驗證較能預估煙層下降時間。另火災模擬程式亦著重於驗 證挑空空間之建築型態，此種建築型態亦無法使用建築物防火避難安全性能驗證 技術手冊進行驗證，而使用火災模擬程式將可有效評估各種對避難人員造成影響 之指標，如：CO 濃度、溫度、熱通量、能見度等。 表 3-3 我國以火災模擬程式進行驗證之性能式設計案調查表，統計我國常以 火災模擬程式進行驗證之建築型態，包含挑高辦公室空間、博物館、展覽會議中 心、電影院。本研究以兩種常見之建築形態進行說明，分別為挑空中庭之辦公室 空間及歷史展覽館，並以本研究研擬「建築物火災模擬工具之應用參考指南」之 標準化參數確認公式進行計算：(1) ○○投資開發竹北市世興段商場辦公室、飯店、 餐廳新建工程，(2) ○○○○博物館新建工程。 1. ○○投資開發竹北市世興段商場辦公室、飯店、餐廳新建工程 經標準化參數確認公式計算結果如表 3-4，其火焰長度比、當量比及徑 向距離比不在確認範圍內，若修改火源熱釋放率（2 MW 改為 5 MW）、 火源面積（1×1 m 改為 2×2 m）及火源高度（0 m 改為 0.8 m）即可符合 確認範圍（如表 3-5 所示）。 2. ○○○○博物館新建工程 此案件所輸入之參數經計算後皆符合「建築物火災模擬工具之應用參考 指南」標準化參數確認公式之確認範圍（如表 3-6 所示）。

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表 3-2 國內建築物性能式設計以火災模擬程式驗證案件數

94 年度 95 年度 96 年度 97 年度 98 年度 99 年度 100 年度 101 年度 102 年度 103 年度 合計 A-1 類組 電影院 1 1 - 3 4 2 2 1 3 4 21 A-1 類組 運動場 - - 1 1 1 - 1 1 1 6 A-1 類組 表演場 - - - - 1 - - - 2 2 5 A-2 類組 運輸場所 - - - - - - 1 - - - 1 B-1 類組 娛樂場所 - - - - - - 1 - - 1 B-2 類組 百貨商場 - - - - - - 1 1 - 1 3 B-2 類組 會展中心 - - - 1 2 - 2 1 6 B-3 類組 餐飲場所 - - - 1 1 - 1 3 B-4 類組 旅館 - - 1 - - - 1 2 4 C-2 類組 一般廠庫 - - 1 - - - - - 1 D-1 類組 健身休閒 場所 - - - 1 - - - 1 D-2 類組 文教設施 - 1 - - 1 - - - - - 2 D-2 類組 博物館 - - - - 1 - - - - 1 2 G-2 類組 一般事務 所 - - - - 1 - 1 - - 2 4 H-1 類組 宿舍 - - - 1 - - 1

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表 3-3 我國以火災模擬程式進行驗證之性能式設計案調查表

項 次 案件名稱 建築物型態說明 申請免適 用條文 驗證項目 驗證面積、高度 實際用途之 可燃物(如 區域用途、 尺寸、材質) 模擬 程式/ 版本 模擬 區域 火災模擬火源設計 格點設計 模 擬 時 間 火源可燃物 (如：設置位置、 尺寸、燃料、熱 釋放率、火災成 長速度) 參考來源 格點 尺寸 格 點 分 析 1 ○○投資 開發竹北 市世興段 商場辦公 室、飯 店、餐廳 新建工程 本案地上 21 層、地下 4 層，其中有四處挑空 中庭，分別為地上 4~14 層及地上 15~21 層各 兩處。 各層空間用途類別如 下： -商場使用(B-2)為地上 1 至 3 層。 -辦公使用(G-2)為地上 4 至 14 層。 -飯店(B-4)、餐廳(B-3) 使用為地上 15 至 21 層、部分地下 1 層。 -其他使用為部分地下 1 層及地下 2 至 4 層僅 供停車空間、機電設備 等使用。 第 79 條 之 2：挑 空中庭垂 直防火區 劃面積皆 小 於 1500 m2，但連 跨樓層超 過 三 層 樓。 火 災 延 燒 防 止 性 能驗證： 以「防止火災延燒 安 璇 性 能 驗 證 手 冊」進行驗證，驗 證基準如下。 -可燃物受輻射熱 應小於 10kW/m2_。 整棟避難安全性 能驗證： 以火災模擬程式 進行驗證，驗證基 準如下。 -溫度＜60℃ -CO 濃度＜1500 ppm -能見度＞10m -輻射熱＜ 2.5kW/m2 情境 1： 面積： 挑空區 182.23m2 非挑空區 112.06~134.37m 2 總面積 866.665m2 高度：4~14 層 情境 1： 休憩座椅 FDS 6.1.2 版 長 寬 高： 81.9m× 40.7m× 82.9m 情境 1、情境 2、 情境 3： 設置位置：挑高 中庭底部中央位 置 面積：1m×1m 燃料：煤油 熱釋放率：2MW 火災成長速度： 快速(Ultra-Fast) 根 據 加 拿 大 NRCC 的百貨 公司中庭的實 驗燃燒結果得 知，在堆積可 燃物且氧氣供 應充足的情形 下，整個試驗 時間至少維持 20 分鐘。由實 驗結果得知， 最大熱釋放率 均 在 1.5MW 左右。因此為 保守估計，本 模擬採用火源 大小為 2MW 熱釋放率的火 源，燃燒物質 為煤油，燃燒 火 源 區： 0.25m × 0.25m × 0.25m 非 火 源 區： 0.5m× 0.5m× 0.5m 無 720 秒 面積： 挑空區 182.23m2 非挑空區 147.6~169.92m2 總面積 1062.67 m2 高度：4~14 層 本空間與情 境 1 之空間 為對稱性空 間，而情境 1 蓄煙空間 較小，故選 取該空間進 行模擬。 情境 2： 面積： 挑空區 41.64、 情境 2： 餐廳

非挑空區 115.7~731.11m2 總面積 1026.33 m2 高度：15~21 層 1m×1m。 情境 3：面積： 挑空區 297.84m2 非挑空區 198.74~601.41m 2 總面積 1395.49 m2 高度：15~21 層 情境 3： 休息區、咖 啡廳 2 ○○○○ 博物館新 建工程 本案地上 6 層、地下 2 層，其中地上 1 層大展 覽廳為挑空空間，面積 超過 1500 平方公尺， 高度 15 公尺，挑空 3 個樓層。 各層空間用途類別如 下： -博物館使用(D-2)為地 上 1 至 6 層。 -停車空間為地下 1 至 第 79 條：防火 區劃面積 皆大於 1500 m2。 第 79 條 之 2：挑 空中庭垂 直防火區 劃面積皆 大於 火災延燒防止性 能驗證： 以「防止火災延燒 安璇性能驗證手 冊」進行驗證，驗 證基準如下。 -可燃物受輻射熱 應小於 10kW/m2。 整棟避難安全性 能驗證： 以火災模擬程式 挑空區面積： 1F：6057.02 m2 非挑空區面積： B1：230.95 m2 2F：2809.63 m2 3F：1960.62 m2 4F：0 m2 (僅挑 高) 高度： 地上 1~4 層，達 15m 情境 1： 佛像基座 FDS 版本 未說 明 無 詳 細 描述 情境 1： 設置位置：大展 覽廳中央 面積：2m×2m 燃料：煤油 熱釋放率：5MW 火災成長速度： 快速(Fast) 根據加拿大 NRCC 的百貨 公司中庭的實 驗燃燒結果得 知，在堆積可 燃物且氧氣供 應充足的情形 下，整個試驗 時間至少維持 20 分鐘。由實 驗結果得知， 最大熱釋放率 火源 區： 0.25m × 0.25m × 0.25m 非火 源 區： 0.5m× 無 240 0 秒 情境 2： 佛像基座 情境 2： 設置位置：大展 覽廳中央 面積：2m×2m

47 m2，連跨 樓層達三 層樓。 準如下。 -溫度＜60℃ -CO 濃度＜1500 ppm -能見度＞10m -輻射熱＜ 2.5kW/m2 -煙層高度＞1.8m 熱釋放率：5MW 火災成長速度： 快速(Fast) 左右。而 NFPA92B 建 議一般挑空區 域之熱釋放率 為 5MW。本 次模擬依設定 情境，採用 2MW 及 5MW 熱釋放率之火 源。 0.5m 情境 3： 縱火情境 情境 3： 設置位置：入口 處 面積：2m×2m 燃料：煤油 熱釋放率：5MW 火災成長速度： 極 快 速 (Ultra-Fast) 情境 4： 寄物櫃 情境 4： 設置位置：寄物 櫃設置處 面積：1m×1m 燃料：煤油 熱釋放率：2MW 火災成長速度： 極快速 (Ultra-Fast)

3 ○○○○ 貿易展覽 會議中心 建 築 物 共 計 地 上 3 層，地下 1 層，合計 4 層，建築高度為 36.4m 地下室主要規劃為機 房、停車空間、中央廚 房與員工餐廳，地上1 層規劃為展示場及小 型店舖，地上2 層規劃 為機房、商務中心、媒 體 室 等 行 政 作 業 空 間，地上3 層規劃為會 議廳、辦公室。 地 上 1 層 展 場 1 面 積 8,915.0 m2，樓層高度 12m ， 展 場 2 面 積 9,144.0 m2，樓層高度 29m 第 79 條： 防火區劃 面積應小 於 1,500m2 設有自動 滅火設備 面積得加 倍。 整 棟 避 難 安 全 性 能驗證： 以 火 災 模 擬 程 式 進行驗證，驗證基 準如下。 -CO 濃 度 ＜ 1400 ppm -能見度＞10m - 輻 射 熱 ＜ 2.5kW/m2 CO2≦5% O2≧12% 氣 流 層 溫 度 ≦60℃ 情境 1～情境 4： 面積：8,915.0 m2 高度：1 層 樓層高度 12m 1.一般火載 量展覽： 此類型展覽 以說明介紹 形式為主， 主要物品種 類為產品型 錄、少量的 主題產品、 現場裝修以 及 簡 單 的 OA 傢俱， 因此主要火 載量來源為 裝 修 與 傢 俱，屬於火 載量較小的 展 覽 ， 例 如 ： 發 明 展、留學遊 學展、花卉 展 、 旅 遊 展、五金材 料展等。 2.較高火載 量展覽： 現場放置較 多 的 展 示 FDS 5.4 版 情 境 1 ～ 情 境 4： 非 加 密 區塊 202.5ｍ ×67.5ｍ ×13.5ｍ 加 密 區 塊 12ｍ× 9ｍ× 13.5ｍ 火源位置： 情境一地上 1 層 展場 1 中央 情境二地上 1 層 展場 1 北側主要 出入口 情境三地上 1 層 展場 1 靠近中央 內街主要出入口 情境四地上 1 層 展場 1 淨空走道 附近發生火災 情境五地上 1 層 展場 2 中央 情境六地上 1 層 展場 2 南側主要 出入口 情境七地上 1 層 展場 2 靠近中央 內街主要出入口 情境八地上 1 層 展場 2 淨空走道 附近發生火災 火 源 規 模 ： 14.4MW 火源燃燒速率： 快速成長曲線 相關火載量引 用依據： 1. NIST 網站 全 尺 寸 燃 燒 實 驗 數 據 。 http://fire.n ist.gov/fast data/FAST Data.htm ，1985。 2. 經 濟 部 南 港 展 覽 館 新 建 工 程 防 災 計 畫 書。 3. 陳建忠，可 燃 物 火 載 量 先 期 評 估 技 術 建 立 與 應 用，內政部 建 研 所 ， 2005。 4. PIARC，世 界 道 路 協 會。 5 張尚文、林 慶元、王鵬 智 、 陳 建 忠、 蕭邦 安，自動撒 水 設 備 對 騎 樓 空 間 機 車 火 災 防 護 效 果 火 源 區： 0.25 m× 0.25 m× 0.25 m 非 火 源 區： 0.75 m× 0.75 m× 0.75 m 有 120 0 秒 情境 5～情境 8： 面積：9,144.0 m2 高度：1 層 樓層高度 29 m 情 境 5 ～ 情 境 8： 非 加 密 區塊 202.5ｍ × 67.5ｍ× 36ｍ 加 密 區 塊 12ｍ× 9ｍ× 36ｍ

49 於展場內放 至部份待銷 售貨品。因 此主要火載 量來源為展 示商品及展 示架，屬火 載量較高的 展 覽 ， 例 如：書展、 電腦展、多 媒體展、傢 俱展…等。 3.單一大型 火 載 量 展 覽： 展示物品本 身為單一大 型量體，可 能造成單一 大型火源的 展覽，主要 火源即是展 覽品本身， EX ： 汽 車 展 、 機 車 展、遊戲機 展 、 廚 具 T-squared（t2） 考量展場內可燃 物 包 含 各 種 材 料，包括裝修木 材、汽車內裝之 塑膠、座椅、油 料等，因此以塑 膠、木材、煤油 加以平均計算火 源參數。 依據原案委員審 核意見，補充發 煙 量 更 高 之 PE 火源，進行嚴苛 的補充驗證。 究，內政部 建 築 研 究 所，2007。 6 陳建忠、鄭 紹材，住宅 電 器 火 災 防 火 改 善 技 術 與 防 制 對 策 之 研究-以電 視 機 火 災 為例，內政 部 建 築 研 究 所 ， 2005。

展…等。 ○○○○ 貿易展覽 會議中心 建 築 物 共 計 地 上 3 層，地下 1 層，合計 4 層，建築高度為 36.4m 地下室主要規劃為機 房、停車空間、中央廚 房與員工餐廳，地上1 層規劃為展示場及小 型店舖，地上2 層規劃 為機房、商務中心、媒 體 室 等 行 政 作 業 空 間，地上3 層規劃為會 議廳、辦公室。 地 上 1 層 展 場 1 面 積 8,915.0 m2，樓層高度 12m ， 展 場 2 面 積 9,144.0 m2，樓層高度 29m 第 79 條： 防火區劃 面積應小 於 1,500m2 設有自動 滅火設備 面積得加 倍。 火 災 延 燒 防 止 性 能驗證： 以 NFPA 92B、「防 止 火 災 延 燒 安 全 性能驗證手冊」及 FDS 進行驗證，驗 證基準如下。 -可燃物受輻射熱 應小於 10kW/m2_。 可 燃 物 表 面 溫 度 <210℃ 主要燃燒物 為 木 作 裝 修 、 木 製 櫃 、 展 示 架、桌椅 FDS 5.4 版 非 加 密 區塊 16 ｍ × 13 ｍ × 12ｍ 加 密 區 塊 9ｍ× 7ｍ× 12ｍ 情境 1：一般火載 量 設置位置：火源 位於展場中央 面積：3m×3m 燃料：木材 熱 釋 放 率 ： 8.2MW 火災成長速度： Fast 相關火載量引 用依據： 1. NIST 網站 全 尺 寸 燃 燒 實 驗 數 據 。 http://fire.n ist.gov/fast data/FAST Data.htm ，1985。 2. 經 濟 部 南 港 展 覽 館 新 建 工 程 防 災 計 畫 書。 3. 陳建忠，可 燃 物 火 載 量 先 期 評 估 技 術 建 火 源 區： 0.1m × 0.1m × 0.1m 非 火 源 區： 0.2m × 0.2m × 0.2m 有 120 0 秒 主要燃燒物 為 木 作 裝 修 、 木 製 櫃 、 展 示 架、桌椅 情境 2：較高火載 量 設置位置：火源 位於展場中央 面積：3m×3m 燃料：木材 熱釋放率： 11.2MW 火災成長速度： Fast 主要燃燒物 為汽車及少 量木作裝修 情境 3：單一大型 火載量 設置位置：火源

51 面積：3m×6m 燃料：塑膠 熱釋放率： 14.4MW 火災成長速度： SFPE 汽車燃燒熱 釋放率曲線 用，內政部 建 研 所 ， 2005。 4. PIARC，世 界 道 路 協 會。 5 張尚文、林 慶元、王鵬 智 、 陳 建 忠、 蕭邦 安，自動撒 水 設 備 對 騎 樓 空 間 機 車 火 災 防 護 效 果 之 實 驗 研 究，內政部 建 築 研 究 所，2007。 6 陳建忠、鄭 紹材，住宅 電 器 火 災 防 火 改 善 技 術 與 防 主要燃燒物 為 木 作 裝 修 、 木 製 櫃 、 展 示 架、桌椅 非 加 密 區塊 15 ｍ × 13 ｍ × 12ｍ 加 密 區 塊 9ｍ× 7ｍ× 12ｍ 情境 4：一般火載 量 設置位置：火源 位於展場角落 面積：3m×3m 燃料：木材 熱 釋 放 率 ： 8.2MW 火災成長速度： Fast 主要燃燒物 為 木 作 裝 修 、 木 製 櫃 、 展 示 架、桌椅 情境 5：較高火載 量 設置位置：火源 位於展場角落 面積：3m×3m 燃料：木材 熱 釋 放 率 ： 11.2MW 火災成長速度： Fast 主要燃燒物 情境 6：單一大型