建築防火安全設計替代方法之研究(二) 防火區劃與排煙設備防煙功能替代之研究

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(1)內政部建築研究所專題研究計畫期末報告研究案：性能防火法規及設計法研究計劃編號：MOIS891002 執行期間：88 年 10 月 22 日至 89 年 10 月 21 日計劃名稱：建築防火安全設計替代方法之研究（二）防火區劃與排煙設備防煙功能替代之研究. 建築防火安全設計替代方法之研究（二）防火區劃與排煙設備防煙功能替代之研究. 計劃主持人鍾基強. 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中華民國八十九年八月.

(2) 目. 錄. 第一章緒論 1. 1 計畫目的 1. 2 研究方法與步驟 1. 3 預期成果第二章煙的危害及基礎數據 2. 1 火源設計 2. 2 可視度預估 2. 3 煙流束評估第三章不同防煙區劃下之煙流計算 3. 1 單一區劃之煙填充計算 3. 2 有開口空間之煙填充計算第四章實驗計劃 4. 1 實驗空間 4. 2 實驗設備概述 4. 3 實驗結果第五章實驗數據與模式預測之比較分析 5. 1 區域模式模擬預測. 第六章替代功能評估 6. 1 避難逃生時間預測第七章結論與建議. 1.

(3) 參考文獻. 2.

(4) 第一章緒論 1.1 計畫目的本研究將從基礎理論出發針對目前“建築技術規則” 與“各類場所消防安全設備設置標準”有關樓地板面積小於 100 平方公尺的建築物在某種特定條件下免用排煙設備進行探討。本研究將從火源的設計開始，進而瞭解火源產生的煙流形態與產生量(Fire Plume)，以此為基礎來探討其在小區劃面積內煙的充填過程，進而計算其充填時間及相對高度。然後提出理論模式的分析結果，作為替代設計方案之依據。計劃的第二階段將以全尺寸的實體實驗進行理論模式結果比對與分析，以確定模式分析的不準度，此全尺寸實驗也將以 100 平方公尺的實驗屋進行實際的燃燒實驗，量測其火場的煙溫度，煙層厚度，煙濃度等數據，相信經過實際的實驗比對分析，將對日後的理論模式的應用將更有把握。計劃之最後階段，將提出以理論為基礎的區劃防煙設計分析模式，使研究成果能落實為實際的工程應用技術，以提供政府相關單位作為設計規範或審核標準之重要參考依據，而完成整個研究計劃之工作內容。. 3.

(5) 1. 2 研究方法與步驟基本上所有的火源皆會產生不等數量的“煙”，煙的產生量則與燃燒物質的特性及其物理環境有直接密切的關係。如果在火場中的煙不加以控制或排除，則此股煙流將會因火場高溫之浮力及壓力膨脹作用擴散至其他區域，可能造成人員及財產的損失。排煙設備設計之主要目的是防止火場中的煙流進入逃生通道或避難空間內，原則上排煙設備的啟動應在起火初期以保護人員逃生與避難的順暢。既然排煙設備的功能是將火場中的煙加以控制並排除，那麼是否有可能在某種面積大小的防煙區劃內可以不必加裝排煙設備而不危害人員的逃生與避難，如果採用耐燃，低煙量的材料所組成的防煙區劃是否足以擔當保護人員安全的主要保護設施?這也是本研究主要的研究重點，因此本研究將從理論出發進行各項影響火場排煙重要設計參數的探討，以求得較合理的方案。本研究計劃的研究項目包括有： 1. 火源火源將以某種燃料以任一熱釋效率加以模擬，此物質燃燒時被轉換成焓及相對質量變化，此種火源可以安排在地板，也可在門口等任何位置。當火場中的氧氣漸漸不足時，火焰會開始往氧氣充分的方向延燃，例如會向上部移動，或往風口、門口等處移動，造成火場漸漸擴大延燒至隔壁的空間。 4.

(6) 2. 煙流與煙層當物質開始燃燒後，煙流產生且開始往上浮動並在天花板處開始累積。煙產生後由於高溫高壓的膨脹作用使初期產生的煙會很快的壓縮下層的空氣經由各式開口部流入接鄰的負壓區。當起火空間的煙層不斷下降至接近開口時，煙開始流入至接鄰空間中，直到煙將此空間填滿。在此煙填充過程當中，接鄰空間中的空氣受到煙層下降的影響而流入至起火區，形成一複雜的空氣與煙相互流動的交互作用，此刻焓與氣體質量的計算就必須謹慎。 3. 開口部效應煙流經開口部為預測模式相當重要的一部份，因為煙流經開口部時常會造成焓的快速改變，開口部氣流可分成兩部份，第一部分為水平流動，例如氣流流過窗、門等開口，另一部份為垂直流動，例如天花板上的開口，氣流流經開口的驅動力有兩種力量，一為藉由空間中的熱浮力，另一為氣體熱膨脹效應，此膨脹效應在起火空間中尤其明顯，不僅有密度改變的效應同時也有體積膨脹的效應。一般而言，除非非常快速的狀況變化，此膨脹效應並不明顯。 4. 熱傳火場中的熱量可藉由對流(convective transfer)方式傳至周遭低溫環境當中，本研究所採用的焓勢計算則考慮牆，天花板或地板的垂直方向傳遞為主。雖然我們知道物質的 5.

(7) 熱性質隨著溫度改變而改變，但可假設其皆為固定數，原因有二：(1)我們並沒有材料熱性質隨溫度變化完整的數據，(2)對某些常用材料而言，其隨溫度變化的範圍並不算太大。每一種不同氣體成份都會隨著氣流流動至不同位置而有不同的單位質量，本研究將計算煙層與空氣層中氣體的量隨時間變化的情形。質量與能量平衡式的計算應用在三個不同地方：(1)起火空間的空氣層(2)起火空間的煙層(3) 從下部空氣層進入上部煙層的流動氣流。本研究的另一個研究重點，是以全尺寸的實驗結果進行理論模式預測結果之比對，以驗證理論模式的可靠性，希望經由全尺寸實驗數據修正的模式，其廣用性可大幅提昇。全尺寸的實驗項目將包括有(1)單一區劃面積內煙層高度的量測（2）以長廊連接之多區劃面積內煙層高度量測，經由此 2 個不同項目的全尺寸實驗結果將可與理論模式有一完整的比較分析。以了解樓地板面積於一百平方公尺內之防火區劃是否有排煙設備替代之設計方案。同時根據此比對良好之理論分析再進行多種不同條件及參數變化之模擬，以探討各種不同參數效應之影響。詳細的研究流程及步驟如圖 1.1 所示。. 6.

(8) 計劃開始. 資料收集整理. NFPA 92A. NFPA Life Safety code. 火災模式分析. 穩態火源設計. 非穩態火源設計. 排煙量估算. 單一區劃區. 有防煙垂壁之多區劃區. 全尺寸實驗規劃數據量取與整理模式與實驗數據比較分析模式修正提出可行性替代設計方案. 計劃完成. 圖 1.1 研究流程圖 7. 分間牆分隔之多區劃區.

(9) 1. 3 預期成果 1. 完成穩態及非穩態火源設計下的發煙量估算。 2. 完成 100m2 區劃面積下煙沈降速率分析。 3. 建立全尺寸實驗室煙控實驗的操作與數據分析經驗。 4. 研究成果可做為“建築技術規則”及“各類場所消防安全設備設置標準”等相關排煙設備條文修訂之理論基礎。 5. 研究成果可供相關業者進行小區劃面積排煙設備替代設計的重要參考。 6. 本研究將以修正後的理論模式進行 multi-room 的實體模. 擬，以作為後續實驗驗證的基礎。. 8.

(10) 第二章煙的危害及基礎數據火場中所產生的有毒物質包含有相當多的刺激性及麻痺的成份，如果濃度過高或暴露其中的時間過長則容易導致吸入過多而引起昏迷、休克，嚴重的話甚至會引起死亡。此類煙氣成份大多為有機煙粒及酸性氣體，如 HCl 此種氣體刺激會快速引起眼睛及肺、呼吸道之疼痛，然後接著引起呼吸困難等症狀。在未達閃火點前所產生的使人麻痺氣體其成份主要為一氧化碳，而氰化物也是重要成份，但如果吸入上述氣體成分不多或暴露在此種氣體環境時間短暫則其受影響程度將相對減輕，換句話說，必須儘速離開火場及周遭區域，以避免遭受濃煙及有毒氣體的侵擊。火場除了煙毒性外，高溫煙流所產生的高溫也可經由對流效應造成人灼傷或由輻射效應造成皮膚或呼吸道灼傷，至於濃煙微粒及刺激性氣體產物也會使逃生路線遭到封阻，當欲逃生者因視線不良無法辨識逃生路線時，往往因逃避不及而起嚴重的傷亡，通常逃生者需有 8m 的可視距離才能行經煙區，此時大多數的火源將產生令人眼睛不舒服且刺激的感覺，但不至於造成逃生困難的昏厥。如果暴露於上述距離的煙層時間小於五分鐘將不至於吸入過量的麻庳性氣體而昏厥，因此針對短時間的火區暴露的限制時間可以煙透視度做為訂定條件的參考，但有一點仍需注意，即是頭頂上之高溫煙流的輻射效應仍會對人體造成 9.

(11) 嚴重傷害而且煙濃度增加的速度非常的快速，這也是在設定限制條件時需特別考慮的。表 2.1 所列的為毒性氣體可能對人體造成傷害的暴露值。各不同氣體可以考慮其加成效應來評估其對人體所造成的影響，如 2/3CO + 1/3 HCN 即 400 ppm CO 與 50 ppm HCN 將可造成一般人的行動困難。至於閃火點前燃燒所產生的 HCN 及低氧度效應較不明顯。. 表 2.1 燃燒時所產生的一般性毒性氣體化學成份. ５分鐘無法行動. 死亡. ３０分鐘無法行動. 死亡. CO(ppm). 6000. 12000. 1000. 2500. HCN(ppm). 150. 250. 90. 170. HCl(ppm). 500. 16000. 200. <12%. 火場中除有毒及刺激性的煙流外，〞高溫〞效應常會伴隨著煙流而擴散，一般所考慮的高溫暴露狀況歸納如表 2.2 所示。. 10.

(12) 表 2.2 不同暴露狀況下的高溫限制暴露時間及型態. 影響程度. 溫度 (0oC). 熱輻射. 皮膚嚴重疼痛. 熱傳導（金屬；１秒）. 皮膚灼傷. 60. 熱對流（30 分鐘）. 皮膚灼傷. 100. 熱對流（<5 分鐘）. 皮膚及肺部灼傷. 120. 熱對流（<1 分鐘）. 皮膚及肺部灼傷. 190. 185. 上述各種參考數據，可做為設計防排煙設備替代方案選擇時之評估依據，可以其對人體所產生的危害做為替代方案是否可行的審核條件。. 11.

(13) 2.1 火源設計火源之設計需考慮隨時間變化的熱輸出值，在火災之初期階段，火源可充分地使氣流流動，此時其熱釋效率由燃燒體之型式數量及外型輪廓來決定，由國外文獻所收集到資料可整理如表 2.3 所示. 表 2.3 最大熱釋放率及其釋放時間. 火源地點. 火源等級. 最大熱釋放率 (kw). 經過時間 (sec). 紙類. 慢. 18. 400. 電器類. 中. 290. 640. 綿織品. 中. 117. 240. 木材類. 大. 650. 70. 火源的漫延非常快，稍一不甚，當火源達至屋頂時，閃火即會發生，此時整個區域的火勢即發展完成，當閃火（flash over）發生後，煙會大量產生此刻的煙控系統已無效了。但是如果火源發生在大空間鄰接的小區域內，產生的煙控系統設計仍可將閃火後經由窗或門進入大空間的煙控制下來以避免煙流無限制地擴大。 2.1.1 閃火發生的條件 12.

(14) 當在天花板高度下煙流溫度低於 600oC 時，我們可假設閃火不會發生，另外，在遠低於 600oC 時灑水系統啟動也可防止閃火的發生。 2.1.2 閃火前的火源已隨時間釋放的熱值可從實驗室中得到部份之值，在設計時可參考如表 2.4 所給的火源成長時間，中間值也可由相似曲線內插計算而得，一般設計所假設的”t-squared”火源如下方程式所示：. Q = 1000(. t 2 ) tg. (2.1). 其中 Q：為熱釋放放率(kw) t：點燃時間 tg：典型火源成長時間. 表 2.4 不同等級火源成長時間. 等級. tg(sec). 慢式火源. 600. 中等火源. 300. 快速火源. 150. 特快速火源. 75. 13.

(15) 為了簡化暫態火源時煙產生量的計算，一平均熱釋放率公式可採用：. ∫ Qdt Qave = t. (2.2). o. t. 如果考慮 t-squard 火源則以下列計算 Qave=333(t/tg)2. (2.3). 2.1.3 閃火後的火源此種情況的熱釋放率為 Q=Hc • R 其中 Hc：單位質量燃燒熱(kJ/kg) R：單位時間燃燒質量(kg/s) 上述中的 R 可定義為 R = 0.02[ Ao • ho. 1/ 2. ( At − Ao)(w / d )1 / 2. (2. 4). 其中 Ao：空間中空氣可流入之開口(窗或門)，m2 ho：開口之高度，m At：空間中所涵蓋的面積（牆、地板、天花板），m2 w：開口部之牆寬度，m d：開口部後之牆深度，m 上述公式從實際實驗木屋而得，不過該式仍可運用於大部份型態的火源負載(fire load)通常火源負載一般可換算成等重量之木材，火源負載可以 MJ 或 MJ/m2 也可以 kg 或 kg/m2 之木材來表示。 14.

(16) 當火源負載過小時，方程式（2.4）可能導至 R 值之高估，因此在典型裝潢之居室、辦公室及購物中心我們可假設一般火源可在 20 分鐘內控制住時，R 可以下式加以修正：. R=. L 1200. (2.5). 其中 L 為總火源負載. 2.2 可視度預估在火場中常因濃煙瀰漫造成逃生困難，除了濃煙之有毒性外，另外就是濃煙所造成可視度之降低，因此在避難逃生設計中可視度評估也是相當重要的工作。可視度為眼睛所能看到物體之最遠距離，S。一般而言，發光體較易為眼睛所看到。而可視度(S)的估算可依下列方式進行。Ａ、以發光體而言 KS = 8. (2.6). Ｂ、以反射體而言 KS = 3. (2.7). 其中 K 為熄滅係數（m-1）以木材或橡膠燃燒物則其 K 值約為 K ≈ 7 .6 × 10 3 ms. (2.8). 其中 ms 為煙粒子之單位體積之質量（kg/m3）如考慮一火源以 R(kg/s)值燃燒經過 t 秒鐘後，則其 ms 為 15.

(17) ms = Ys • R • t / Vs. (2.9). 其中 .v s 為煙流體積（m3） Ys 為單位質量燒物所產生的煙量（kg/kg）以發光體而言，將(2.8)(2.9)式代入(2.6)式可得： S = 8v s /(7.6 × 10 3 Ys Rt ). (2.10). 以反射體而言，將(2.8)(2.9)式代入(2.7)式可得： S = 3v s /(7.6 × 10 3 Ys Rt ). (2.11). 如果考慮以木材材質為主的燃燒情況時，Q 可以 13× 103 R 及 y s = 0.025 代入(2.10)及(2.11)式可得 S = 545Vs / Qt. (發光體). (2.12). S = 205Vs / Qt. (反射體). (2.13). 上述各種可視度的估算有些雖為經驗值不過在濃煙瀰漫的火場中仍具參考價值，如以一發光的逃生避難的指示燈而言，假設一中型火源發生則其 t g. = 300 sec ，代入方程式(2.1). 則可得 Q 值，其逃生避難指示燈位於門上方離地面 2m 處，則從圖 2.1 很清楚知道可視度隨時間的變化差. 16.

(18) 10 Small Fire ( tg=600 ) Medium Fire ( tg=300 ) Large Fire ( tg=150 ). Visibility ( m ). 8. 6. 4. 2. 0. 0. 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Time ( sec ). 圖 2.1 可視度隨火災成長時間變化情形. 17.

(19) 2.3 煙流束評估如要詳細評估火場中煙量的大小，首先要瞭解火場中空氣進入燃燒範圍的空氣量，而煙流束的形成則與火源的熱釋率有直接的關係。較常用的煙流束物理模型為假設其為圓錐體。 2.3.1 小直徑火源遠離牆面、位於地面的火源其煙流束被預期會成對稱發展，如圖 2.2 示。此火源具有一個假想火源點、空氣會從周遭流入並且沿著煙流的高度方向流動，直到煙流在天花板下方形成煙層。 Z. 18.

(20) 圖 2.2 小直徑火源煙流束擴展圖火源上方的燃燒火焰高度為： 2. z1 = 0.20Q p5. 在此 Q p. 2 5. (2.14). > 14.0d s. z1：燃燒火焰高度（間歇火焰）(m) Qp：對流部份的熱釋放率 (kW) ds：火源的直徑 (m). 在入口的質量流率部份，對於 z >z1 的情況下，入口的質量流率可表示成： M = 0.071Q p3 [z − zo ]3 1. 5. (2.15). 其中 M：入口的質量流率 (kg/s) z：火源上方的煙層高度 (m) z0：火源虛擬高度約趨近於 0 (m) 其中有兩點在使用該方程式進行煙流量計算時須特別留意： (a) 估計方程式(2.14)的係數值在 0.17 到 0.23 之間變化。 (b) 虛擬火源位置，僅有池型火災已經有被定義。對於大多數建築物內固體燃料火災，我們發現其 z0 值（虛擬火源高度）似乎都很小，在設計上 z0 的值可以設為零。. 火源距牆面一定距離內其入口的質量流率，可以假設大約是對稱點火源煙流的一半，利用方程式(2.15)可表示成： 19.

(21) 5. 1. M = 0.044Q p3 z 3. (2.16). 對於火源點位於牆角其入口的質量流率，可以假設大約是對稱點火源煙流的四分之一，利用方程式(2.15)可表示成： 1. 5. M = 0.028Q p3 z 3. (2.17). 2.3.2 大直徑火源對於一直徑為 ds 的圓型火源或是一邊長為 ds 的正方型火源，發生在遠離牆面的地板上其火源上方的燃燒火焰高度為： 2. z1 =. 2 5. 在此 Q p. 0.035Q p3. (2.18). 2.  d + 0.074Q 5  3 p  s  2. < 14.0d s. 在入口的質量流率部份，對於 z >z1 的情況下，入口的質量流率可表示成： 1. 5. M = 0.071Q p3 z 3. (2.19). 方程式(2.18)和(2.19)也可以被用在長邊不超過三倍短邊的長方形火源之估算。此種火源其尺寸 ds 和具有相同面積之圓形火源其直徑相同。一個可以交互使用，計算圓形或正方型火源之入口質量流率的方程式如下所示：對於 z < 2.5 p 並且 200 <（Qp / As）< 750： 3. M = 0.188 pz 2. (2.20) 20.

(22) 其中 p：火源的週長 (m) As：火源的平面面積 (m2) 在使用上述方程式進行大直徑火源煙流量計算須特別留意： (a)方程式(2.18)的係數值被認為代表一上限值。 (b)當 ds 相較於 z1 小很多時，方程式(2.18)可簡化成方程式(2.14)成為軸對稱型的煙流。當 ds 很大，方程式(2.18) 會得到和早期做木屋火災實驗所利用正方形火源相同的答案。 (c) 方程式(2.19)和方程式(2.15)相同。 (d) 對於 z ≤ z1 的情況，方程式(2.20)已經經由理論的證明。在限定的範圍內，對於較大的 z 值僅僅經過實驗上的驗證。. 21.

(23) 22.

(24) 第三章防煙區劃下之煙流計算根據美、英、日等先進國家的火災死亡調查統計，各約有 70%、80%、及 25%之火災死者係因火場中吸入毒氣體而中毒死亡，火場中有許多有機高分子材料受高溫分解及燃燒後的有毒氣體，伴隨大量的高密度濃煙常被視為火場中的頭號殺手。一般所謂「煙」包括了材料發生燃燒或熱解時隨著高溫散播於空氣之中，液態微粒及各種氣體煙濃度的高低，毒性的強弱常為避難者能否逃出火場，消防人員能否及時找出火源，撲滅火災的主要影響因素，而且「煙」會增加逃生者驚慌心理因為其有遮蔽視線及刺激效應。在許多情況下，逃生途徑上煙擴散速率往往比溫度更快且更早達令人難以忍受程度，因此對火場中煙流控制的研究為刻不容緩的工作。由於煙為火場中無法避免的危險因素，因此如何利用防煙區劃的設計及排煙設備的裝置來保護逃生者的安全此即為被動式防火工程相當重要的要求。在我國「各類場所消防設備設置標準」第 188 條對防煙區劃有下列要求： (1) 樓地板面積在 500m2 區劃內，加設自然排煙口且區劃內任一點距排煙口須小於 30m； (2) 防煙區劃樓地板面積小於 100m2 免設排煙設備； (3) 或者考慮以自天花板下垂 50cm 的防煙垂壁來阻擋煙流進行天花板下的橫向擴散 23.

(25) 在建築技術規則第１００條也有類似的限制，當樓地板面積超過５０平方公尺但在１００平方公尺以內以分間牆或以防煙壁區劃分隔者可免設排煙設備。法規中的第一點在 500m2 區劃內加設排煙口且規定區劃內任一點至排煙口之距離此對於保護火災初期逃生避難者不被濃煙或有毒氣體困住有決定性的正面幫助，但對於第二點及第三點所敘述的內容則與火場之能量負荷（fire load），使用人數，避難通道，空間之複雜性，區劃數目等條件有直接的關係，且為防排煙設備替代方案設計的重要評估參數，設計是否得當將為影響使用者能否順利於發生閃燃前離開火場之關鍵，因此有必要更深入研究，這也是本研究最主要的目的。本研究針對上述研究目的進行無防煙垂壁單一防煙區劃及有防煙垂壁或分間牆複式防煙區劃兩種區劃設計進行探討，以瞭解煙層下降高度是否會影響使用者之順利逃生及評估區劃設計是否合理，如圖 3.1 所示. 24.

(26) z. (A) 單一防煙區劃之煙流示意圖（側視圖）. (B) 有防煙垂壁之防煙區劃示意圖（側視圖）. (C) 不燃材料之分隔牆（上視圖） 25.

(27) 圖 3.1 多防煙區劃設計下之煙流分佈圖本研究探討小區劃面積採用耐燃材料時排煙設備是否有替代方案，因此本章節將針對區劃內火場煙流產生量及其擴散分佈狀況進行瞭解。在不同火源負荷時，煙流的累積狀況先以單一劃空間進行分析(如圖 3.1 所示)必需先計算圖 3.1(A)煙層高度後，才能夠續算經過防煙垂壁的煙流量及新的煙層高度。. 3.1 單一區劃之煙填充計算防排煙設備的裝設最基本的用意是在一規劃的避難時間內維持火場附近區域一定的煙流高度，因此研究一區劃空間內煙流流動的基礎物理模式為預測煙流層累積的最準確的方法。而在一典型的單一防煙區劃內煙流量情況如圖 3.1(A)所示。其守恆方程式可表示如下： ρ o Af. Qp dz +M + =0 dt ToCp. (3.1). 其中 Af：樓地板面積(m2) ρ o ：空氣密度(kg/m3). M：空氣進入量(kg/s) Qp：熱對流部份之熱釋放率(kw) To：空氣溫度(k) Cp：空氣比熱(kg/kgk) 26.

(28) 我們可將方程式(3.1)改寫成無因次化，得到下式： dΖ M + +Q = 0 dτ ρ O ( gh) 1 / 2 h 2. 其中 Z =. (3.2). z h. Q* =. Qp Qp = 1/ 2 2 ρ O ToCp( gh ) h 1100h 5 / 2. (3.3). τ = t ( g / h)1 / 2 ( h 2 / Af ) = (3.13th 3 / 2 ) / Af. 如果考慮一對稱發展之煙流束則 M 為 M = 0.071Qp1 / 3 ( Z − Zo)5 / 3. (3.3). 將(3.3)式代入方程式(3.1)中求解 Z 與 t，利用此結果則很容易估計一區劃中煙層下的速度是否會危脅人員之避難與逃生安全。根據上述針對單一防煙區劃的分析方程式，我們可以初步假設數據模擬火災發生後煙層在不同區劃面積中累積的高度及時間變化，如圖(3.2)所示。此圖假設火源為中型火源 (tg=300 秒)依據不同樓地板面積所得到煙層下降高度隨時間變化的情形。. 27.

(29) 3 Area =100 m 2 Area =70 m 2 Area =40 m. 2.5. 2. Smoke Height ( m ). 2. 1.5. 1. 0.5. 0. 0. 100. 200. 300. 400. 500. Time ( sec ). 圖 3.2 不同防煙區劃面積下之煙層高度變化圖. 28. 600.

(30) 3.2 有開口空間之煙填充計算在實際的使用空間中，如果存在有各種不同對外開口時，(例如門、窗等)則煙流擴散及累積的情況則會有明顯的不同，當新鮮空氣經由一火源房間的開口流入，如圖 3.3 所示，其水平方向的質量流率可表示成：. (. ). 1. M 0 = 0.09 Q p w02 3 h0. (3.4). z. h0. 圖 3.3 從火源房間開口流出的垂直煙流如為位於開口上方之垂直煙流，則其空氣的進入量為： M 0 = 0.23Q p3 w03 ( z + h0 ) 1. 2. (3.5). 其中 w0：開口的寬度 (m) h0：開口的寬度 (m) 29.

(31) z ：開口頂端上方，煙流的高度 (m). 如果有一個陽台位在開口處的上方，如圖 3.4 所示。則位於陽台上方之垂直煙流其空氣的進入量表示成： M = 0.36Q p3 lc3 ( zb + 0.25h0 ) 1. 2. (3.6). 其中 lc：隔間的寬度 (m) hb：開口上方陽台的高度 (m) zb ：陽台上方煙流的高度 (m). Balcony. zb. hb. 圖 3.4 從火源房間開口流出沿著陽台流動的垂直煙流當陽台下方沒有防煙垂壁，其垂直煙流之空氣的進入量可表示成： 30.

(32) M = 0.36Q p3 (w0 + b )3 ( zb + 0.25h0 ) 1. 2. (3.7). 其中 b：陽台的寬度 (m) 欲使用上述方程式進行有開口區劃內之煙流計算時須注意下列使用條件： (1)方程式(3.5)用在不受限制的直立煙流。假如煙流接觸到牆面頂端，則其進入的空氣量大約減少三分之一。 (2)方程式(3.4),(3.5),(3.6),(3.7)都是經由經驗證明而得並且在此前提下其沒有一致性的必要。 (3)當 z > 5ho 或 zb > 5hb 等煙流高度較高的火源，可以考慮其和對稱煙流情形一樣，利用方程式(2.11)來計算其入口的質量流率，其中的 zo 取零，這樣可以獲得較守衡的解。臨界條件假設為煙層溫度或煙濃度，那麼較小的 M 值會賦予一個守衡的解。假使臨界條件是煙流的體積，那麼較高的 M 值會賦予一個守衡的解。. 31.

(33) 第四章實驗計劃實驗計畫為本研究相當重要的一部份工作。本研究希望利用國外全尺寸實驗室進行多區劃空間的煙流分佈實驗，其主要目的有：(1)希望經由全尺寸實驗吸收學習此種國內沒有實驗場所的實際經驗；(2)提供此寶貴經驗給建研所未來構建國家防災研究中心煙控實驗室的重要參考；(3) 利用此實驗之結果與火災模式模擬之結果進行比較驗證，以瞭解模式預測的準確度；(4)希望藉由此國際合作機會建立與國際著名防火研究單位的合作橋樑，繼續推展雙方共同的防火研究工作。. 4.1 實驗空間由於國內目前並未有全尺寸的煙控實驗室，因此本計畫的全尺寸實驗將借助於日本建設省建築研究所之全尺寸實驗室進行，日本建築研究所全尺寸實驗室平面圖如圖 4.1 所示。為了瞭解多區劃空間發生火災時，空間內實際煙流之特性，以及探討區劃空間大小對空間內實際煙流動及煙流溫度之影響，因此規劃實驗區域具有兩個房間和一個公共走道，並藉由調整長廊之防煙垂壁（Smoke curtain）位置來改變其空間之區劃大小進行比較討論，共分成實驗型態 A、實驗型態與實驗型態 C 三種不同實驗。 32.

(34) 利用實際火源燃燒產生煙流，透過空間內各組熱電偶的量測觀察其煙流特性（煙流溫度和煙層高度）。其實驗區域大小材質、熱電偶放置之位置及火源的採用如下說明：（Ⅰ）實驗空間和走道配置此實驗火源房間（ Fire room ）的尺寸為 7900×3300×2700(mm) （長 × 高 × 寬），火源房間和走道（Corridor）之間的房門尺寸為寬 1000(mm)、高 2000(mm)，走道天花板高度為 2700(mm)。火源房間內其牆面及天花板是由矽酸鈣厚板構成，而走道牆面的材質是石膏泥板（厚度 12mm）、天花板為矽化鈣板材質。由於火源房間所連結之走道之防煙垂壁的改變區分成三種不同的實驗型態來探討其煙流動的情形，此三種實驗型態之空間配置如圖 4.2 到圖 4.4 所示。圖 4.5 顯示各種開口型式。（Ⅱ）火源實驗所用的火源為一三角形聚氨酯的床墊，尺寸大小（底×高×厚）為 600×900×160(mm)如圖 4.6 所示，將其放置在一耐燃的平台上，其所在火源房間之相關位置如圖 4.2 到圖 4.4 所示。由三角形之頂端開始點火，火源隨著床墊的面積增加其火源熱釋放率可以利用 t-square 成長方式趨近，經過三分鐘後開始衰減。（Ⅲ）溫度量測點位置 33.

(35) 空間內溫度的分佈利用 K 型熱電偶來量測，其相關的位置如圖 6.2 到圖 6.4 中的 T0~T5、TS 及 TD。由於需知道實驗空間內溫度的垂直變化，因此每一測點的熱電偶呈垂直分布裝設，每一測點分別有 14 個（T0~T5 和 TS）和 18 個（TD）熱電偶，所有熱電偶的數量一共有 116 個，其分布的情形如圖 4.7 所示。. 34.

(36) 通. 男更. 洗手間. 一般空調機械室女更. 實驗室. 點火室. 實驗室. 風. 通. 實驗室. 道. 實驗室. 走. 會議室. 觀. 通風通道. 衣室廊察. 點火室. 室走. 倉庫. 作. 實驗室. 前室. 儀器量測中心. 操. 廊. 觀察室. 控制室. 排氣筒給氣筒. 室 EV 大廳火災室倉庫. 圖 4.1 日本建研所全尺寸實驗室平面圖 35. 排氣筒給氣室前室.

(37) 開口 D. 7,900. T1. Corridor2. T4 Corridor1. TS. 4900. T3. 4,100. 開口 C. 900. TD. 900. 1,180. 2,900. T5. 3,300. T1. 1050. T0. 1,800. 開口 A. 1,450. T0. Fire Source. T2 1,800. 900. Fire Fire room room. 1,650. Lobby. 825. 1,400. 1,650. 2,000. 4,375. 開口 B. 6,080. 9,600. ：熱電偶位置. （單位：mm）. 圖 4.2 實驗型態 A 之空間平面配置圖開口 D. 7,900. 1050. T1. T1. TD. Corridor2 4900. T3. T4 Corridor1. TS 4,100. 開口 C. 825 T0. Fire Source. T0. 2,900. T5. 4,375 開口 B. 8,980. 6,700 （單位：mm）. ：熱電偶位置. 圖 4.3 實驗型態 B 之空間平面配置圖 2,000. 1,400. 開口 D. 7,900 Fire Fire room room. 825. ,650. 35. Lobby. 3,300. 開口 A. 1,450. 1,800. 900. 1,180. Fire Fire room room. T2 1,800. 900. 1,650. Lobby. 1,650. 1,400. 900. 2,000. 1,450.

(38) （單位：mm）. 開口 A. 2700. 2000. 2000. 開口 B. 2500. 2700. 1800. 1900. 2700. 1000. 2000. 2700. 圖 4.4 實驗型態 C 之空間平面配置圖. 開口 D. 開口 C. （單位：mm）. 圖 4.5 各種型式之開口狀況. 36.

(39) 160. 600 火源（聚氨酯）. 托盤 900 點火位置 Load cell. （單位：mm）. 圖 4.6 火源示意圖. 20 80 200. 1 Ceiling 2. 1,000 50 100. 3. 200 4. 100. 2,700. 2,700 12. Opening 1 3. 100. 2,000 100 100 100 100 100 100. 200 13 200 14 200. 20 30. F.L.. 2 4 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TD. (b) TD. (a) T0~T5、TS. 圖 4.7 各組熱電偶垂直分布情形. 37. Ceiling. F.L..

(40) 4.2 實驗設備概述國內較缺乏此種全尺寸的煙控實驗室場所，此類實驗室需要有較大的封閉空間及完整的換氣系統，同時所需要的量測及儀器數目也不少，其所量測的項目包括有：火源熱釋放率、煙層溫度、煙層厚度及煙流速度等。所需各式量測設備分別說明如下： (1)溫度量測一般燃燒實驗較常使用的溫度量測設備為熱電偶。熱電偶具有價格便宜、製作容易、結構簡單，測溫範圍廣，準確度高，而且可以把溫度信號轉變成電信號進行遠距離傳送等優點。熱電偶的測量原理是在兩種金屬 A 和 B 組成的團合回路中，當兩個接點維持在不同的溫度 T1 和 T2 時，則該閉合回路中就會有溫差電動勢存在。當組成熱電偶材料 A 和 B 給定時，溫差電動勢由溫度 T1 和 T2 決定，如果讓 T1 固定在已知溫度 To，原則上就可以由 T2 決定溫差電動勢的大小；反之，可以由溫差電動勢的大小來確定和 T2。本實驗室內空間溫度之量測是採用 K-type 熱電偶，熱電偶直徑為 0.3mm 呈垂直分布，為避免熱電偶之訊號線受到煙流溫度影響而損毀，在線的外部包裹一層耐熱材料。 (2)速度量測雖然用於測量流場速度的感測器種類很多，譬如：熱線 38.

(41) 風速儀、激光測速儀、熱球風速計等，但由於測量煙氣運動流場時，要求感測器有一定的耐熱性和抗污染能力，而且，在測量流體流動時應能實施多點同步測量。因此，在感測器選擇上就限制了其範圍。使用熱線風速儀雖可以實現煙氣速度場的多點同時測量但其費用較高，而且煙氣可使熱線受污染引起測量誤差；激光測速儀也只能單點逐點測量，而且對測量環境要求嚴格，抗污染能力較差，難以適應火煙氣中污染物的接觸，在火場實驗中難以使用。熱球風速計則是一種比較適合於測量火場氣流場速度的測量系統，它不僅測量環境溫度的適用域值較寬，而且具有較強的抗煙氣粒污染能力，即使在測量中測頭受污染，也可以通過某種清洗方式來解決其污染問題，且熱球風速計可與數據採集系統配合，對煙氣流動的速度場實施多點同步測量。日本建築研究所火災實驗室原先的設置是規劃利用皮托管來進行煙流速度與空間壓力之量測，但由於燃燒所產生之煙粒將皮托管給堵住，因此建研所目前已沒有利用此設備來進行量測，故本實驗並沒有量測煙流速度。 (3)質量損失率之量測（Load cell）力量感測器主要是用來量取燃燒物於燃燒前後重量之變化，我們可以藉由質量的損失率來取得火源燃燒之熱釋放率。在此實驗中我們利用三個力量感測器分別放置於三角形燃燒物之下端，連續量測火原點燃後燃燒物之質量損失率， 39.

(42) 以取得燃燒火源期熱釋放率隨時間變化之關係。 (4)數據收集系統數據採集系統的作用主要是將煙氣流動過程中的溫度感測器所輸出的電壓變化信號，及力量感測器所測得之訊號進行傳輸並記錄下來，對於煙氣流動的溫度場、火源熱釋放率隨時間變化的研究，要求數據採集系統的數據採集頻率能夠達到一個較高的頻率，即達到實時傳輸、實時記錄，而且還必須具多點採集的功能。因此，在本實驗中選用的多點數據採集系統是一以 Pentium Ⅲ 500 的桌上電腦、A/D 板（類比/數位轉換器）、多點數據採集板為主要組成的高速數據採集系統，本採集系統可同時接收 240 點採集信號，並加以儲存和顯示功能。採集系統的採集速率可在每點每秒 60 次以內任意選擇。由於採集的電壓量級為毫伏量級，因此在數據採集系統中需要對信號進行放大，在實驗中所採用的放大倍數為 1000 倍。因此，所顯示的電壓信號為 0.1~1v，所採集的信號由電腦進行儲存，並通過電壓與溫度之間的換算，將電壓信號轉換溫度值。. 40.

(43) 4.3 實驗結果 4.3.1 火源成長率三次不同實驗型態所得之熱釋放率分別如圖 4.8 到圖 4.10 所示，依照這些結果圖我們可以使用時間平方的成長（t-squared）關係來趨近，實驗型態 A 到實驗型態 C 我們可以分別利用火源成長率 α A=0.0023 [kW/s2] 、 α B=0.0027 [kW/s2] 、α=0.004 [kW/s2]來表示各個實驗其熱釋放率隨時間變化之情形。熱釋放率 Q = α ⋅ t 2. （kW）. 120. heat release rate [kW]. 100 80 60 40 20 0 0. 100. 200. 300. 400. time [s]. 圖 4.8 實驗型態 A 之火源熱釋放率. 100 41. [kW]. 90 80 70. 500. 600.

(44) 圖 4.9 實驗型態 B 之火源熱釋放率. 140. heat release rate [kW]. 120 100 80 60 40 20 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. time [s]. 圖 4.10 實驗型態 C 之火源熱釋放率. 4.3.2 煙層溫度（a）實驗型態 A 42. 600.

(45) 煙流溫度利用空間內各組熱電偶來進行量測，實驗型態 A 所量得各組熱電偶垂直溫度分布的結果如圖 4.11 到 4.18 所示。其中圖 4.11 和圖 4.12 顯示火源房間內（T0 和 T1）溫度受煙流影響隨時間變化之情形。由圖 4.11 和圖 4.12 可以明顯看的出火源房間內 T0 和 T1 因為距離火源位置的不同而所測得的溫度不同，且由於 T0 的位置離火源較近，因此其溫度較 T1 所量得的溫度相對高。由圖 4.13 的溫度變化可以看的出在火源點燃 210 秒之後煙層高度下降至開口 A 之頂端（距地面 2m），這也代表煙流在此時開始流入走道。走道受煙流的影響溫度隨時間上升的情形如圖 4.14 到圖 4.17 所示，其中 T5 由於距離開口 A 較近，受煙流的影響較早且溫度變化也較大，在 270 秒後上層溫度開始受煙流的影響而上升，T4 的溫度約在 300 秒左右才開始受煙流的影響而改變。當煙流在天花板下方流動時，由於受週遭環境空氣的影響會使煙流有熱損失，造成 T4 在每個時間點的溫度都較 TS 高。由於煙流流過 TS 之後會受到開口 B 的防煙垂壁之阻擋而在此累積，當煙層高度下降至垂壁高度 0.8m 以下之後，煙流會朝向 Corridor 2 來擴散，因此在走道末端之 T3 受到煙流的影響將會延遲，約略在 360 秒左右煙流才會到達。煙流通過開口 B 經 Corridor 2 到達開口 C 與開口 D，煙 43.

(46) 流到達開口 C 由於會受到牆面的阻擋，煙流開始在此累積並會有在此環繞的現象產生；到達開口 D 之煙流會受該處防煙垂壁的影響（高 0.7m），煙流受阻擋會在此累積待煙層高度下降至垂壁以下，煙流會往 Lobby 擴散，Lobby 中的熱電偶組 T6 受煙流影響約略在 390 秒左右。. 44.

(47) 2500. height [mm]. 2000. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 40. 60 temperature [℃]. 80. 100. 圖 4.11 T0 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s] 390 [s]. height [mm]. 2000. 1500. 1000. 500. 0 20. 40. 60. 80. 100. temperature [℃]. 圖 4.12 T1 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 45.

(48) 2000 1800 1600. height [mm]. 1400. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s] 390 [s]. 1200 1000 800 600 400 200 0 20. 40. 60. 80. 100. temperature [℃]. 圖 4.13 TD 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500. height [mm]. 2000. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s] 390 [s] 420 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.14 T5 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500 46. ]. 2000. 0 [s] 30 [s] 60 [s].

(49) 圖 4.15 T4 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500. height [mm]. 2000. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s] 390 [s] 420 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.16 TS 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500. t [mm]. 2000. 1500. 47. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s].

(50) 圖 4.17 T3 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. 2500 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s] 360 [s] 390 [s] 420 [s] 450 [s] 480 [s]. height [mm]. 2000. 1500. 1000. 500. 0 20. 25. 30. 35. 40. temperature [℃]. 圖 4.18 T2 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 A）. （b）實驗型態 B 實驗型態 B 主要是將實驗型態 A 中之開口 B 的位置往 48.

(51) Fire room 的方向移動 2m，使 Corridor 1 與 Corridor 2 的面積也改變，來觀察其煙流動的情形。實驗型態 B 所量得各組熱電偶垂直溫度分布的結果如圖 4.19 到 4.26 所示。其中圖 4.19 和圖 4.20 分別顯示 T0 和 T1 的垂直分布溫度受煙流影響隨時間變化之情形。由於實驗型態 B 的火源位置與 T0、T1 的位置與實驗型態 A 相同，因此還是會得到 T0 的溫度較 T1 所量得的溫度高之結果。煙層高度下降至開口 A 之頂端可由圖 4.21 的溫度變化看出，約在火源點燃 120 秒之後，此時煙流才開始流入 Corridor 1。圖 4.22 到圖 4.25 顯示走道受煙流的影響溫度隨時間上升的情形，T5 在煙流通過開口 A 後約略在 150 秒溫度開始變化。由於開口 B 的位置移動到 TS 之前，煙流流過 TS 之前會先受到開口 B 的防煙垂壁之阻擋而在此累積，當煙層高度下降至垂壁高度 0.8m 以下之後，煙流才會朝向 Corridor 2 來擴散，因此 TS 受到煙流的影響將會延遲，約略在 180 秒左右。Lobby 中的熱電偶組 T6 受煙流影響約略在 390 秒左右。. 2500. height [mm]. 2000 0 [s]. 49. 1500. 30 [s] 60 [s] 90 [s]. 1000. 120 [s].

(52) 圖 4.19 T0 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2500. height [mm]. 2000. 1500. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s]. 1000. 500. 0 20. 40. 60. 80. 100. temperature [℃]. 圖 4.20 T1 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2000 1800 1600. height [mm]. 1400 1200 1000 50. 800 600. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s].

(53) 圖 4.21 TD 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2500. height [mm]. 2000. 1500. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s]. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.22 T5 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2500. height [mm]. 2000. 1500 51. 1000. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s].

(54) 圖 4.23 T4 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.24 TS 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 52.

(55) 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.25 T3 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 25. 30. 35. 40. temperature [℃]. 圖 4.26 T2 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. （c）實驗型態 C 53.

(56) 實驗型態 C 將實驗型態 B 中之開口 B 的位置再往火源房間的方向移動 4m，觀察其煙流動的情形是否會受影響而改變。實驗型態 C 所量得各組熱電偶垂直溫度分布的結果如圖 4.27 到 4.34 所示。火源房間內煙流動的情形並不會受到開口 B 位置改變的影響，主要還是與火源距離有關，T0 和 T1 所測得的垂直分布溫度還是會得到 T0 的溫度較 T1 高之結果。圖 4.29 顯示位在開口 A 處之熱電偶組 TD 的溫度隨時間垂直變化的結果，TD 所量得的結果在前 150 秒，1.5m 到 1.8 米之溫度比 0.6m 到 1.4m 還高，這似乎有些不符合煙流受熱浮力影響由高往下累積的現象，其主要原因應該是因為 TD 熱電偶組在 0.6m 到 1.4m 處的溫度直接受到火源熱的影響，而此時煙流受開口 A 之垂壁阻擋並未能影響到 TD 在垂壁下方之熱電偶溫度，造成會有此現象產生。圖 4.31 顯示 T4 的溫度隨時間變化的情形，由結果可以知道在 1.5m 到 1.9m 高度處所測得的溫度最高，很明顯由於開口 B 與開口 A 相距太近，煙流在通過開口 A 時即已受阻擋，煙層高度降至 2m 以下後才往 Corridor 1 流動，此時煙流的熱浮力還來不及使煙層向上移動即被煙流橫向速度往前帶，快速往開口 B 的方向通過，造成開口 B 之防煙垂壁在此似乎延緩煙流擴散的作用不大。. 54.

(57) 2500. height [mm]. 2000. 1500. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s]. 1000. 500. 0 20. 40. 60. 80. 100. temperature [℃]. 圖 4.27 T0 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2500. height [mm]. 2000. 1500. 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s]. 1000. 500. 0 20. 40. 60. 80. temperature [℃]. 圖 4.28 T1 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2000 1800 1600 ]. 1400 1200. 55. 100.

(58) 圖 4.29 TD 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.30 T5 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2500. [mm]. 2000. 1500. 56. 0 [s].

(59) 圖 4.31 T4 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. temperature [℃]. 圖 4.32 TS 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 57. 60.

(60) 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 30. 40. 50. 60. temperature [℃]. 圖 4.33 T3 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 C）. 2500. height [mm]. 2000 0 [s] 30 [s] 60 [s] 90 [s] 120 [s] 150 [s] 180 [s] 210 [s] 240 [s] 270 [s] 300 [s] 330 [s]. 1500. 1000. 500. 0 20. 25. 30. 35. temperature [℃]. 圖 4.34 T2 熱電偶垂直溫度分布圖（實驗型態 B）. 58. 40.

(61) 4.3.3 煙層高度利用 N-percent （N=10﹪）的方法（附註），可以經由空間內各組熱電偶量測的溫度結果來估算空間內煙層高度隨時間變化的情形，實驗型態 A 至實驗型態 C 所估算的結果如圖 4.35 到 4.37 所示。 (1)火源房間由圖 4.35 到圖 4.37 可知，三種實驗型態其火源房間內（T0 和 T1）煙層開始形成、發展約略是在點火後 70 秒後，煙層隨著火源燃燒開始累積、下降，由於 T0 較靠近火源位置，所以由結果圖也可以看出 T0 的煙層下降的速度較 T1 來得快，在燃燒後期約略 170 秒與 230 秒左右 T0 與 T1 處的煙層已降至地板上方約 0.2m 處。由上述的結果可以知道無論走道開口位置如何改變，火源房間內的煙層高度隨時間變化的趨勢不會受到影響。 (2)走道由圖 4.35 到圖 4.37 可知，走道煙層開始發展的時間約略在 165 秒左右，走道煙層發展的情形明顯受到垂壁放置位置的影響，實驗型態 A 其 TS 煙層形成之時間約略在 170 秒左右，而實驗型態 B 與實驗型態 C 之開口 B 移至 TS 之前，防煙垂壁延緩了 TS 煙層的形成，大約 200 秒後形成。T5、 T4 的煙層高度約在 180 秒與 200 秒左右會降至 1.5m 安全高度以下。 59.

(62) 3000 2500. T0. 2000. T1 Ts. 1500. T2. 1000. T3. 500. T4. 0. T5 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 4.35 實驗型態 A 煙層高度隨時間變化圖 3000 2500. T0. 2000. T1 Ts. 1500. T2. 1000. T3. 500. T4. 0. T5 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 4.36 實驗型態 B 煙層高度隨時間變化圖 3000 2500. T0. 2000. T1 Ts. 1500. T2. 1000. T3. 500. T4. 0. T5 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 圖 4.37 實驗型態 C 煙層高度隨時間變化圖 60.

(63) 第五章實驗數據與模式預測之比較分析依據上述實驗的條件，利用電腦火災區域模式 CFAST 進行模擬，依每種實驗型態量得之熱釋放率選用火源、實驗空間尺寸，牆面和天花板建材的種類及開口位置（在 CFAST 為水平 Vent 設置）輸入，並依照當時實驗之環境溫度做為燃燒前之起始溫度。將 CFAST 模擬的結果與實驗之量測值值進行比較分析，在此分為煙層溫度與煙層高度來比較討論。 5.1 煙層溫度之比較圖 5.1 到圖 5.12 分別表示實驗型態 A 到實驗型態 C 的 CFAST 模擬預測煙層溫度和實驗所得煙層溫度之比較圖。由各圖中的預測值與實驗值相比較結果可以發現，CFAST 模擬計算所得之煙層溫度都比實際實驗所量測的煙流溫度還高，尤其是在火源房間的部份甚至有些還高出將近 30℃。煙流溫度開始上升的時間，CFAST 預測的結果也較實際實驗來的早，不過整體煙溫隨火源成長而上升、隨火源衰退而下降的趨勢很接近實際量測的溫度變化趨勢。由火源房間實驗與模擬預測之結果可知火源房間內之 T0 與 T1 之溫度受到火源成長率不同的影響而有所差異，整體溫度的趨勢隨火源熱釋放率變化而改變。如圖 5.1、圖 5.5 與圖 5.9 可知在相同的火源房間大小，由於實驗型態 C 之火源成長率較實驗型態 A 與實驗型態 B 大，因此在型態 C 火源房間內之 T0 與 T1 所量得的溫度較高，且隨著火源熱釋放 61.

(64) 率而變化，型態 C 所預測之溫度最高可達 110℃要比型態 A 所預測之最高溫度 95℃與型態 B 最高溫度 100℃要高。如果將煙層溫度的預測值與煙層高度預測結果搭配來看，通道內煙層溫度開始上升時間會比煙層高度開始下降的時間還提早，這是因為通道內開始有煙流流進後，此時受煙流影響溫度即開始上升，但煙層高度由於受空間蓄煙的影響煙層並不會馬上下沈。CFAST 所預測的結果符合上述的情況，通道內煙流溫度開始上升時間比預估煙流開始沈降時間來的早。由於 CFAST 區域模式本身為了簡化理論方程式已經假設一區間內分成了上下兩個區域，每一區域內其煙流特性在同一時間都相同，所以一個區間在同一時間其煙層溫度視為一樣，但事實上每一個位置的煙流溫度與煙層介面高度都會不同，會受距離火源位置的不同、建築物相關配置的不同而影響建築物內煙流流動情形，例如火源房間內 T0 和 T1 位置實際受火災煙流影響其溫度會有不同的變化，離火源位置越近溫度變化上升越快且溫度越高；整個 Corridor 1 受煙流溫度的影響也不會都一致，因此在進行區域火災模式模擬時，適當的分割區間是相當重要。. 62.

(65) 120 E xperim e nt A (T 0 ) E xperim e nt A (T 1 ) P re dict by C F AS T. Smoke layer height ( m ). 90. 60. 30. 0. 0. 60. 120 180 T im e ( sec ). 240. 300. 圖 5.1 實驗型態 A 之火源房間煙層溫度比較圖. 80. E xperim ent A (T S ) E xperim ent A (T 4 ) E xperim ent A (T 5 ) P redict by C F AS T. Smoke layer height ( m). 60. 40. 20. 0. 0. 60. 120 180 T im e ( sec ). 240. 300. 圖 5.2 實驗型態 A 之 Corridor-1 溫度比較圖 63.

(66) Smoke layer height ( m ). 60. 40. 20. E xperim ent A (T 3 ) P re dict by C F AS T. 0. 0. 60. 120 180 T im e ( sec ). 240. 300. 圖 5.3 實驗型態 A 之 Corridor-2 煙層溫度比較圖. 50. Smoke layer height ( m ). 40. 30. 20. 10. 0. E xperiment A (T 2 ) P redict by C F AS T. 0. 60. 120 180 T im e ( sec ). 240. 300. 圖 5.4 實驗型態 A 之 Lobby 煙層溫度比較圖 64.

(67) 120 E xperiment B (T0 ) E xperiment B (T1 ) P redict by C FAS T. Smoke layer height ( m ). 90. 60. 30. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.5 實驗型態 B 之火源房間煙層溫度比較圖. 80. E xperiment B (T4) E xperiment B (T5) P redict by CFAS T. Smoke layer height ( m ). 60. 40. 20. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.6 實驗型態 B 之 Corridor-1 溫度比較圖 65.

(68) Smoke layer height ( m ). 60. 40. 20 E xperiment B (TS ) E xperiment B (T3 ) P redict by C FAS T. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.7 實驗型態 B 之 Corridor-2 煙層溫度比較圖. 50. Smoke layer height ( m ). 40. 30. 20. 10. 0. E xperiment B (T2) P redict by CFAS T. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.8 實驗型態 B 之 Lobby 煙層溫度比較圖 66.

(69) 120 E xperiment C (T0 ) E xperiment C (T1 ) P redict by CFAS T. Smoke layer height ( m ). 90. 60. 30. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.9 實驗型態 C 之火源房間煙層溫度比較圖. 80 Experiment C (T4) Experiment C (T5) Predict by CFAST. Smoke layer height ( m ). 60. 40. 20. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.10 實驗型態 C 之 Corridor-1 溫度比較圖 67.

(70) 60. Smoke layer height ( m ). E xperiment C (TS ) E xperiment C (T3 ) P redict by C F AS T. 40. 20. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.11 實驗型態 C 之 Corridor-2 煙層溫度比較圖 50. Smoke layer height ( m ). 40. 30. 20. 10. 0. Experiment C (T2) Predict by CFAST. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.12 實驗型態 C 之 Lobby 煙層溫度比較圖 68.

(71) 5.2 煙層高度之比較實驗型態 A 到實驗型態 C 的 CFAST 模擬預測煙層高度和實驗所得煙層高度之比較圖分別如圖 5.13 到圖 5.24 所示，圖中將分別就每一區間 CFAST 的預測值與區間內所有量測點之量測值來比較。由圖 5.13 到圖 5.24 所有的火源房間其煙層高度比較圖可以看出，火源剛燃燒時由 CFAST 所估算的煙層介面高度會隨著火源的快速成長而迅速沈降，初期所預估的煙層高度皆會比實際量測結果還低，由於 T0 量測點離火源位置很接近，且離牆角僅 1m 左右，煙流會在天花板下方快速累積，並沿牆面快速沈降，T0 所得煙層高度約略過了兩三分鐘後會降到地板上方 0.2m 的最低高度，會比 CFAST 的預估值來的低，而到了燃燒的後期，各量測的煙層高度會維持在一固定高度不會再往下降，主要是最後熱釋放率已降至很低，煙流溫度不會上升再加上與下層之冷空氣的作用，所以煙層不會在繼續沈降。至於通道部份的煙沈降情形，由於煙流會於火源房間天花板下方累積，當累積的煙層高度低於火源房間房門高度 2m，煙流會開始往通道流竄並慢慢累積，由 CFAST 模擬所得通道煙層高度約略會在火源房間煙沈降至 2m 時才間開始下沈，這完全符合煙流會在火源房間的天花板下方先累積的實際狀況。將 CFAST 所預測的通道煙層高度與實際通道內 69.

(72) 所量測之煙層高度相比較，CFAST 所預估的煙開始沈降時間都會比通道內各個位置所量測的要來的早。另外從這一系列的實驗與 CFAST 模擬計算比較結果可以知道，CFAST 對於區域內的煙層介面高度會比實際所量測的煙層高度要來的低、煙沈降速度會較實際的快，雖然這對於消防工程設計來說會較為安全，但卻也可能造成工程設計上的誤判，因此如果能將 CFAST 區域模式進行進一步的模式修正，這對於使用 CFAST 估算煙層降更有保障且能與實際情況更為接近。. 70.

(73) 3 E xperiment A (T 0 ) E xperiment A (T 1 ) P redict by C F AS T. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 T ime ( sec ). 240. 300. 圖 5.13 實驗型態 A 之火源房間煙層高度比較圖. 3. Smoke layer height ( m). 2.5. 2. 1.5. 1 E xperiment A (T S ) E xperiment A (T 4) E xperiment A (T 5) P redict by C FAS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.14 實驗型態 A 之 Corridor-1 高度比較圖 71.

(74) 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. E xpe rim e nt B (T 3 ) P re dict by C F AS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 T im e ( se c ). 240. 300. 圖 5.15 實驗型態 A 之 Corridor-2 煙層高度比較圖 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. E xperiment B (T 2 ) P redict by C F AS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 T ime ( sec ). 240. 300. 圖 5.16 實驗型態 A 之 Lobby 煙層高度比較圖 72.

(75) 3 E xperiment B (T0) E xperiment B (T1) P redict by CFAS T. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.17 實驗型態 B 之火源房間煙層高度比較圖 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1 Experiment B (T4) Experiment B (T5) Predict by CFAST. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.18 實驗型態 B 之 Corridor-1 高度比較圖 73.

(76) 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1 Experiment B (TS) Experiment B (T3) Predict by CFAST. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.19 實驗型態 B 之 Corridor-2 煙層高度比較圖. 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. E xperiment B (T2) P redict by C FAS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.20 實驗型態 B 之 Lobby 煙層高度比較圖 74.

(77) 3 E xperiment C (T0) E xperiment C (T1) P redict by CFAST. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.21 實驗型態 C 之火源房間煙層高度比較圖 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1 Experiment C (T4) Experiment C (T5) Predict by CFAST. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.22 實驗型態 C 之 Corridor-1 高度比較圖 75.

(78) 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1 E xperiment C (T S ) E xperiment C (T 3 ) P redict by C FAS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.23 實驗型態 C 之 Corridor-2 煙層高度比較圖. 3. Smoke layer height ( m ). 2.5. 2. 1.5. 1. E xperiment C (T2) P redict by CFAS T. 0.5. 0. 0. 60. 120 180 Time ( sec ). 240. 300. 圖 5.24 實驗型態 C 之 Lobby 煙層高度比較圖 76.

(79) 第六章替代功能評估由前面一、二章我們可以知道火災所產生的煙流具有使人員昏厥甚至休克的危害性，同時煙流也會造成火場的可視度下降而影響人員逃生避難，造成煙流往往是火災事故中人員傷亡的最大因素。因此煙沈降的速度快慢，攸關火場中人員是否會受煙害，能否順利逃離火場的重要因素，也是評估防煙區劃是否能滿足避難計劃的重要依據。煙沈降率的快慢和火源與建築物面積的大小有關，火源大小越大其產生的煙越多，煙層沈降的速度也越快，建築物面積越大其能蓄積的煙流愈多，煙沈降的速度也較慢。此外建築物適當的避難設計會影響人員逃生所需時間，必須與煙層降時間一併考量，以確定人員是否有足夠的時間逃離火場。. 6.1 避難逃生時間預測任何建築物發生火災時第一要務為保障人員生命的安全，唯有火場內人員能順利逃離或避開火災現場才是成功的消防工程設計，在探討某種面積大小的防煙區劃內可以不必加裝排煙設備而不危害人員的逃生與避難的替代研究時，避難系統的設計規劃也必須加以考慮。適當的逃生路徑規劃除了考慮走道的寬度和樓梯與出口能容納的逃生人數外，還需考慮建築物本身的結構及其使用性，同時適當的逃生路線安排與指標指引也是影響逃生避難之重要因素。在此我們僅就 77.

(80) 逃生路徑的容量是否足夠，進行避難的計算評估。在建築物發生火災時，很多人員在逃生時被濃煙困住或是因為通道、逃生出口過於狹窄造成人員堵塞無法逃生，造常人員慘重的傷亡。因此避難設計的方式必須能夠估算出逃生的時間以評估人員是否能在受煙危害前逃離火場，並且要能估算最大的排隊人數用來判斷是否會有過多人在排隊，形成通道或出口的瓶頸而影響逃生。下面我們將介紹避難時間估算的方法。 6.1.1 居室避難評估（Ⅰ）一居室僅有一出口的情況：居室內避難估算相當複雜，即使居室僅有唯一出口的最簡單情況，其假設避難路徑如圖 6.1(a)所示。1997 年由 Hoshino 和 Tanaka 等人所提出避難時間 tE 和最大滯留人數 Cmax 的保守估算方式分別如下所示：當 NB < pV (l1 + l2 ) 時 tE =. P 1 NB + NB 2 pV 2. (6.1).   NB C max = P 1 − pV (l1 + l 2 ) . (6.2). 其中 P：居室內人員總數（人） N：流動係數（人/ m⋅sec） B：出口有效寬度（m） p：居室內人員密度（人數/ m2） 78.

(81) V：人員移動速度（m / sec） lmax：最大逃生距離（m） l1 和 l2 的定義：將居室由出入口垂直劃分成兩區域，l1 和 l2 分別為此兩區域最短邊的距離。如圖 6.1(a)所示， l1=min{ra,b}；l2=min{(1-r)a,b}。當 pV (l1 + l2 ) ≤ NB 時 l max V. (6.3). C max = 0. (6.4). tE =. （Ⅱ）一居室具有多出口的情況：具有多出口的居室，人員可以視情況選擇他們能夠快速離開的避難出口，如圖 6.1(b)所示。在此我們假設每一個出口在相同時間條件下都還未受煙層遮蔽，假設具有 n 個出口則其避難時間算可由下式估算。 n. tE =. P n. N ∑ Bi. 1 N + 2 pV 2. i =1. ∑B i =1 n. 2 i. (6.5). ∑B i =1. i. 而每個出口所通過的避難人數可以下式求得： Pk =. n  1 N 2  n 2 Bk     + − P B B   k ∑ Bi   n  2 pV 2  ∑ i i =1   i =1 ∑B   i =1. (6.6). i. 其中 Pk 代表通過任意出口 k 的避難人數。一居室具有 n 個出口也可以假設看成有 n 個僅具有一出口的居室，則其避難時間和滯留人數可依前面所介紹的一居室僅具單一出口的計算方式估算。 79.

(82) 6.1.2 樓層全區避難評估一樓層通常由多個空間構成，而這些連貫的空間透過出口相連結。而這些避難路徑有很多都是屬於合併路徑或是分支路徑，其避難時間和最大滯留人數和逃生移動距離和避難通道寬度有直接關係。（Ⅰ）避難路徑無合併或分歧的情況多空間的建築物其逃生路徑最簡單的情況是無合併或分支的狀況，如圖 6.2 所示。圖中在避難路徑上任意位置，人員避難所需時間 tE,l 可以簡單的估算。 t E ,l =. l P + V NBmin. (6.7). 其中 l：避難路徑的距離（m） Bmin：人員避難所通過最小的出口寬度（m）任意出口其最大滯留人數 Cmax,k 為：  B  C max,k = P1 − k  Bntk  . (6.8). 其中 Bntk：所有逃生路徑中最狹窄出口的寬度（m）在(6.8)中必須 Bntk> Bk，當 Bntk<Bk 則在出口 k 將不會有人有停滯的情況發生。（Ⅱ）避難路徑有合併的情況此種避難逃生狀況是多個逃生路線最後會合併到同一出口，例如避難人員從不同的房間分別移動到走道並且同時要從走道的唯一出口逃生，如圖 6.3(a)所示。此種狀況可能. 80.

(83) 會有大量人員匯集在同一出口造成嚴重的滯留情形，因此在避難設計上相當重要。房間距離出口的遠近將也會影響人員不同的避難時間需求，在進行此種型態的時間估算時將選擇距離出口最遠的房間。 n. t E ,l =. ∑P. l max i =1 i + V NB a. (6.9). 其中 Ba：合併逃生路徑最後的出口寬度（m）   B = ∑ Pi 1 − n a  i =1  ∑ Bi i =1  n. C max.      . (6.10). 上式為最大滯留人數的估算方式。（Ⅲ）避難路徑有分支的情況另外一種避難情況是人員避難通過一出口，進入一有多個開口的空間如圖 6.3(b)所示。假使距離房間出口最近的空間出口其寬度大於房間出口寬度，避難時間將不會因為人員滯留在出口而延遲，反之則還是需考慮人員停滯的影響。 n  l P N Bi  i + ∑  o V i =1 t E = min  n  N ∑ Bi  i =1.     . (6.11). 其中 P0：進入空間的避難人數（人） k：1,2,3……..n li：房間出口至空間出口 I 的距離（m）出口 k 最大的滯留人數： 81.

(84)  B  C max,k = P1 − k  B0  . (6.12). 其中 B：人員通過房間出口進入空間入口的寬度（m） 6.1.3 樓梯避難估算樓梯的避難估算可以將其視為垂直通道的觀點，利用 (6.9)和(6.10)可分別估算出其避難時間和最大滯留人數。. B1.  P   p=  AFLR . Pl b. P. Pn Bn. V. Pk. B ra. Bk. (1-r)a. （b）多出口. （a）單一出口. 圖 6.1 單一居室之避難情況. Bl. Bmin. Bn. P. l. 圖 6.2 樓層避難路徑無合併或分歧的情況 82.

(85) Ba P0 ll. B1. l3. l2. ll ln l2. P1. P2. lk Bn. P3 B2. (a) 避難路徑有合併的情形. Bk. (b) 避難路徑有分支的情形. 圖 6.3 樓層避難路徑有合併或分歧的情況. 83.

(86) 6.2 煙層降時間與避難時間之比較前面一個章節已經介紹避難時間估算的方法，本節將以實際無排煙系統之建築物為案例來進行避難時間估算，並與其煙填充時間進行比較。在此將採用之前於日本建設省建築研究所進行的全尺寸火災實驗作為案例，以分析在此實驗區劃面積與配置且無排煙裝置的情況下，煙層降時間與實際避難所需時間之關係。我們可藉由煙層降時間與實際避難所需時間之關係來判斷在某種建築物的空間配置，其防煙區劃內可否不必加裝排煙設備而不會危害人員的逃生與避難，假設所計算出的人員避難所需時間大於避難路徑上的煙層降至安全高度 1.5m 以下的時間，則此時的防煙區劃必須加裝煙空設備以確保火災發生時人員的安全。而人員避難所需時間估算結果如果小於煙層降時間，表示在無排煙系統的情況下，防煙區劃足以使人員在受煙危害前安全避難逃離火場。分別以下烈的情況來討論： (A) 火源位於區劃內假設火災發生位置位於防煙區劃內，如圖 6.4 所示。此實際建築物中，任何一點位置到出口的最大移動路徑為 24.8m，出口寬度約 1.4m、出口容許的人員流動係數為 0.6 人/m⋅s，假設防煙區劃空間內有 10 人，空間中僅有一出口位置，如果我們以最保守的方式估計人員逃生移動速度約為 84.

(87) 0.3m/s（假設火場因為失火而停電造成火場環境很黑暗，且人員對於逃生路線不熟悉），並考慮區劃房間至走道之出口會有排隊效應，利用(6.7)式計算可知人員逃生避難所需時間約為 99 秒，根據實際實驗的結果，在此時內煙層並未降至危害為人員安全之高度，人員可順逃離火場。. (B) 火源位於區劃外如圖 6.5 假設火源位於走道上，此時在防火區劃內的人員於火災發生後要逃至出口處需經過走道，因此需先考量走道之煙層降情形與人員移動至走道所需時間之關係，由防煙區劃最角落處移動至火源位置（約 13.5m）所需時間 62 秒左右，而根據 CFAST 模擬估算的結果此時走道最低煙層高度約在 1.6m 左右，過了 80 秒後即會降至逃生安全高度以下，而此時的煙層溫度約 42℃，人員還可以順利通過，而到達出口時（99 秒），此時出口處的煙層回不會危害到人員的逃生。以上的所得的狀況是防煙區劃內的人員於火災一發生即開始逃生，如果將人員預知火災而開始反應時間考慮進去，或許會有不同的狀況。. 85.

(88) 6.3 小結由上述簡單的案例分析可知，在探討某種情況下防煙區劃內是否可不必加裝排煙設備，必須將煙層降時間與人員避難逃生所需時間一併加以考量，而煙填充時間與防煙區劃面積大小有直接的關係，也與其周遭相關空間情形、面積大小有關，而人員避難時間則與建築物的配置、避難路徑規劃是否適當有關。因此在做小面積的防煙區劃替代排煙系統之研究時必須以整體的觀點來做考量，並無法單就區劃面積的大小作為可否替代之標準。雖然如此，但在此可以總結一個在做替代評估個案分析時，一審核與檢驗之方法：當. TS＞TE. （無法替代）. TS＜TE. （可以替代）。. 86.

(89) 出口. 7,900 防. 2,500. 煙. 區. Fire Source. 走. 1,800. 900. 1,000. 劃 3,300. 1,400. 1,400. 2,000. 道. 9,600. 6,980. （單位：mm）. 圖 6.4 火源位於區劃內之示意圖. 出口. 7,900. 防. 2,500. 煙. 區. 劃. 900. 1,000. 3,300. 1,400. 1,400. 2,000. 走. 道. 1,800. Fire Source. 8.29 9,600. 6,980. （單位：mm）. 圖 6.5 火源位於區劃外之示意圖. 87.

(90) 第七章結論與建議本研究為探討防火區劃排煙設備防煙功能替代方案之研究，目前已完成單一區劃空間煙流量的產生及填充時間的計算部份，同時針對多區劃空間也已開始應用建研所過去的區域模式（CFAST）的研究成果，進行初步的模擬計算，所有的計算成果將與下階段在日本建築研究所所做的全尺寸實驗數據進行比較分析。排煙設備替代方案的研擬，其前題必須不危害逃生避難者的安全，因此在此要求下，我們必須瞭解火場煙流層對人體有害及影響人員行動能力的各項參數，如有毒氣體濃度，高溫煙層輻射效應，濃煙之可視度等，我們必須參考上述各項設計數值，才能提出安全完整的替代方案，本期中報告內也附有相關的經驗數據供設計者參考。下階段本研究計劃的工作重點，將完成與日本建築研究所合作的全尺寸煙流填充及擴散實驗，然後比較分析模式預測的準確性，也可做為日後性能法規設計規範的參考。當有完整準確不同條件的煙填充預測時間，則可根據此做為排煙設備替代方案研擬的依據。. 88.

(91) 參考文獻 (1) HAZARD I:Fire Hazard Assessment Method, software User’s Guide, Version 1.1, NIST Handbook 146, 1991. (2) Takeda, H. and Yung, D., “Simplified Fire Growth Models for Risk-Cost Assessment in Apartment Buildings,” J. of Fire Prot. Engr. 4(2), p.53, 1992. (3) Davis, W.D., Forney, G.P. and Klote, J.H., “Field Modeling of Room Fires,” NIST NISTIR 4673, 1991. (4) Hadjisophocleous, G. V. and Cacambouras, M, “Computer Modeling of Compartment Fires”, J. of Fire Prot. Engr., 5, 1993, pp. 39-52. (5) Weeb, W.A. “Zoned Smoke Control Applications”, ASHRAE Jourbal, 12,1998, pp.36-41. (6) Clarke, F.B. “Physiological Effects of Smoke: Managing Escape”, ASHRAE Journal, 3,1997, pp.47-56. (7) Brooks, W.N. “Comparison of ‘Regular’ and ‘Irregular’ Methods of Calculating Smoke Layer nterface Heights in 1996 BOCA National Building. Code”,. ASHRAE. Transactions:. Symposia,. 5,1997,. pp.554-568. (8) Clarke, F.B. “Physiological Effects of Smoke:. Managing Escape”,. ASHRAE Transactions :Symposica, 2,1997, pp.411-417. (9) Lougheed,. G.D.. Effectiveness”,. “Investigation ASHRAE. of. Atrium. Transactions:. Smoke. Exhaust. Symposia,. 5,1997,. pp.519-533. (10) Chow, W.K. “Smoke Development and Engineering Aspects of Smoke-Extraction Systems for Atria in Hong Kong”, 11,1993, pp.71-77. (11) Chow W.K. and Wong W.K. “On the Simulation of Atrium Fire Environment in Hong Kong Using Zone Models”, 11,1993, pp.3-48. (12) Chow W.K. “Review on Using the ‘Time Constant’ for Studying the Atrium Smoke-Filling Processes”, ASHRAE Transactions: Research, 1998, pp.280-290. 89.

(92) (13) Milke J.A. “Computer-Aided Design for Smoke Management in Atria and Covered Malls”, ASHRAE Transactions: Research, 1998, pp.448-456. (14) SFPF Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, 1988. (15) NFPA 92A:Recommended Practice for Smoke Control systems, National Fire Protection Association,1998. (16) Fire engineering, CIBSE Guide, 1995.. 90.

(93) 附註一 N-percent method 之說明火源點燃後任一時間，一組熱電偶中量得溫度最高者減去該熱電偶在時間為 0 時所量得的溫度(環境溫度)⇒ ∆Tref (t ) = max[T (zall , t ) − T (zall , t = 0)]. 在時間 t 下熱電偶中有一溫度升高. N ∆Tref (t ) 100. 即：.  N  T (zi , t ) − Tamb (zi ) ≥  ∆Tref (t )，則此時即可判定煙流已沈降至該 100 . 熱電偶高度位置，如圖(a)所示。 Height. Smoke layer height. Temperature. ∆ T ref N﹪∆ T ref. Tmax. Tmim. 圖(a) N-percent method 之示意圖 91.

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