空調兼排煙與天花板空間蓄煙
暨加壓防煙設計技術之研究
主 持 人：何明錦 所長
協同主持人：蔡尤溪 教授
研 究 員：雷明遠、李其忠、羅啟文
研 究 助理：林啟基、楊森州、卓鴻傑
內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告
中華民國 104 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）目 錄
目 錄 ... i 圖目錄 ... v 表目錄 ... ix 摘 要 ... xi ABSTRACT ... xiv 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與研究動機 ... 1 第二節 研究目的 ... 8 第三節 研究方法與研究流程 ... 9 第四節 文獻回顧 ... 10 第二章 國內外標準與規範 ... 13 第一節 國內\相關法規、標準與準則 ... 13 第二節 本計畫擬參考之國際標準 ... 15 第三節 國際標準重點截錄 ... 192.3.1 NFPA 90A, Handbook, 2015 ... 19
2.3.2 NFPA 92, Standard, 2015 ... 22 2.3.3 IBC Handbook, 2012. ... 23 第三章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明 ... 25 第一節 電腦數值模擬方法 ... 25 第二節 電腦數值模擬區劃 ... 27 第三節 FDS 程式說明 ... 28 第四節 FDS 統御方程式 ... 29 第五節 FDS 程式採用說明 ... 31 第四章 模擬相關應用理論及參數 ... 33 第一節 火源設計與規模 ... 33
4.1.2 火源規模 ... 35 第二節 煙生成率與釋熱率之關係 ... 36 第三節 煙層高度與煙層溫度 ... 37 第四節 格點獨立分析 ... 39 第五章 空調兼用排煙研究 ... 43 第一節 實例實地現堪及案例分析 ... 43 5.1.1 實例實地現堪 ... 43 5.1.2 案例分析 ... 45 第二節 空調兼用排煙系統之介面問題分析 ... 46 第三節 模型說明 ... 48 第四節 模擬情境說明 ... 49 5.4.1 煙塵隨空調風管蔓延問題 ... 49 5.4.2 空調系統與排煙系統相互干擾 ... 49 5.4.3 空調兼用排煙的可行性 ... 51 第五節 模擬結果說明 ... 52 5.5.1 煙塵隨空調風管蔓延 ... 52 5.5.2 空調系統與排煙系統相互干擾 ... 54 5.5.3 空調兼用排煙的可行性 ... 56 5.5.4 模擬結論 ... 56 第六節 現場實驗 ... 57 5.6.1 實驗規劃說明 ... 57 5.6.2 實驗環境說明 ... 58 5.6.3 實驗結果說明 ... 62 第六章 安全梯間加壓防煙設計檢討 ... 69 第一節 梯間加壓問題研究 ... 69 第二節 我國相關防煙法規 ... 71 第三節 國內特別安全梯間加壓規範之建議 ... 77 第四節 安全梯間加壓防煙設計技術手冊 ... 80 更新版之規劃 ... 80
第七章 天花板空間蓄煙之排煙系統可行性研究 ... 83 第一節 研究回顧 ... 83 7.1.1 以天花板上方為蓄煙空間，並設置排煙口進行排煙模擬分析 .. 83 7.1.2 其他相關研究結果 ... 85 7.1.3 研究結果綜整 ... 87 第二節工法探討 ... 88 7.2.1 電腦數值模擬 ... 88 第八章 建議 ... 105 第一節 空調兼排煙之建議 ... 105 8.1.1 空調兼用排煙系統之介面建議 ... 105 8.1.2 空調兼用排煙系統之注意事項 ... 106 第二節 國內特別安全梯間加壓規範之建議 ... 107 第三節 天花板空間蓄煙之排煙系統建議 ... 108 8.3.1 工法探討 ... 108 附錄 ... 109 附錄 1 計畫審查會議回應表 ... 109 附錄 2 期中審查回覆表 ... 111 附錄 3 期末審查回覆表 ... 113 附錄 4 專家學者座談會回覆表 ... 115 附錄 5 NFPA 90A (2015)相關章節中文摘譯 ... 117 附錄 6 NFPA 92 (2015)相關章節中文摘譯 ... 145 附錄 7 安全梯間加壓防煙設計技術手冊更新版 ... 185 參考文獻 ... 297
圖目錄
圖 1.1 氣壓控制形成壓力梯度之逃生示意圖 ... 2 圖 1.2 案例安全梯加壓及排煙室設備位置示意圖 ... 2 圖 1.3 案例空調防排煙系統示意圖 ... 3 圖 1.4 煙塵擴散平面圖 ... 4 圖 1.5 產房內部燒毀情景(靠天井走廊側) ... 5 圖 1.6 護理站前走廊上方天花板送風口有煙滲漏情形 ... 5 圖 1.7 護理之家病房區天花板送風口呈燻黑狀態，顯示濃煙已擴散至此。 ... 6 圖 1.8 走廊天花板空調送風口因熱煙溫度影響而變形 ... 6 圖 1.9 天花板蓄煙區示意圖 ... 7 圖 1.10 研究流程圖 ... 9圖 2.1 NFPA 90A, Standard, 2015 ... 18
圖 2.2 NFPA 90A, Handbook, 2015 ... 18
圖 2.3 NFPA 92, Standard, 2015 ... 18 圖 2.4 IBC Handbook, 2012 ... 18 圖 2.5 防煙區劃示意圖 ... 19 圖 2.6 醫院的防煙區劃示意圖 ... 23 圖 3.1 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖 ... 28 圖 4.1 T-Square 火災成長曲線圖 ... 34 圖 4.2 煙層分佈示意圖 ... 37 圖 4.3 格點分析火源熱釋放率 ... 40 圖 4.4 量測點分布圖 ... 41 圖 4.5 格點分析溫度分布(Z = 2.0 m，沿 X 軸向 1.5 m 位置) ... 41 圖 4.6 格點分析溫度分布(Z = 2.0 m，沿 Y 軸向 1.5 m 位置) ... 42 圖 5.1 現勘圖-實例單位 ... 43 圖 5.2 現勘圖-實例建築外觀 ... 43 圖 5.3 現勘圖-實例建築外觀 ... 44
圖 5.5 現勘圖-會議室 ... 44 圖 5.6 現勘圖-倉庫 ... 44 圖 5.4 現勘圖-辦公區域 ... 44 圖 5.7 現勘圖-茶水間(空調機房) ... 44 圖 5.8 建築平面圖 ... 45 圖 5.9 VAV 空調系統之控制流程圖 ... 46 圖 5.10 空調兼排煙風門增設示意圖 ... 47 圖 5.11 空調回風示意圖 ... 48
圖 5.12 Case 1 & Case 2 模型示意圖 ... 50
圖 5.13 Case 3 & Case 4 模型示意圖 ... 50
圖 5.14 Case 5 模型示意圖 ... 51 圖 5.15 Case 1 煙塵及溫度分布範圍(66s) ... 52 圖 5.16 Case 1 煙塵及溫度分布範圍(600s) ... 52 圖 5.17 Case 2 煙塵及溫度分布範圍(84s) ... 53 圖 5.18 Case 2 煙塵及溫度分布範圍(600s) ... 53 圖 5.19 Case 3 煙塵及溫度分布範圍(78s) ... 54 圖 5.20 Case 3 煙塵及溫度分布範圍(600s) ... 54 圖 5.21 Case 4 煙塵及溫度分布範圍(600s) ... 55 圖 5.22 Case 5 煙塵及溫度分布範圍(600s) ... 56 圖 5.23 實驗設備分布圖 ... 60 圖 5.24 煙霧產生機 ... 61 圖 5.25 煙塵進入會議室天花板上方空間 ... 62 圖 5.26 煙塵經由天花板上方空間水平擴散到隔壁倉庫 ... 62 圖 5.27 煙塵經由天花板上方空間水平擴散到隔壁倉庫 ... 63 圖 5.28 煙塵經由天花板上方空間水平擴散到隔壁倉庫 ... 63 圖 5.29 煙塵經由天花板上方空間水平擴散到隔壁倉庫 ... 63 圖 5.30 煙塵被空調風機吸入 ... 64 圖 5.31 煙塵經由空調風管輸送到各個送風口造成煙塵擴散 ... 64 圖 5.32 煙塵經由空調風管輸送到各個送風口造成煙塵擴散 ... 65
圖 5.33 煙塵經由空調風管輸送到各個送風口造成煙塵擴散 ... 65 圖 5.34 煙塵經由空調風管輸送到各個送風口造成煙塵擴散 ... 65 圖 5.35 煙塵經由送風口吸入可藉由空調風管將煙塵排出室外 ... 66 圖 5.36 煙塵經由送風口吸入可藉由空調風管將煙塵排出室外 ... 66 圖 5.37 煙塵經由送風口吸入可藉由空調風管將煙塵排出室外 ... 67 圖 5.38 煙塵經由送風口吸入可藉由空調風管將煙塵排出室外 ... 67 圖 5.39 煙塵經由送風口吸入可藉由空調風管將煙塵排出室外 ... 67 圖 6.1 室外安全梯設計案例(法國某大學宿舍) ... 70 圖 6.2 室外安全梯設計案例(交通設施建築物) ... 70 圖 6.3 特別安全梯加壓與排煙室設計案例 ... 76 圖 6.4 通廊加壓與排煙室設計案例 ... 82 圖 7.1 天花板蓄煙模擬空間示意圖-俯視圖 ... 84 圖 7.2 天花板蓄煙模擬空間示意圖-側視圖 ... 84 圖 7.3 煙層下降時間比較（1） ... 92 圖 7.4 煙層下降時間比較（2） ... 93 圖 7.5 CASE-A0-3（無排煙-有蓄煙）天花板上方煙層溫度 ... 94 圖 7.6 CASE-A1 天花板上方煙層溫度 ... 94 圖 7.7 CASE-A2 天花板上方煙層溫度 ... 95 圖 7.8 CASE-A3 天花板上方煙層溫度 ... 95 圖 7.9 CASE-A4 天花板上方煙層溫度 ... 96 圖 7.10 CASE-A2 第一點天花板上下壓力及壓差變化 ... 96 圖 7.11 CASE-A2 第二點天花板上下壓力及壓差變化 ... 97 圖 7.12 CASE-A2 第三點天花板上下壓力及壓差變化 ... 97 圖 7.13 CASE-A2 第四點天花板上下壓力及壓差變化 ... 97 圖 7.14 CASE-A2 第五點天花板上下壓力及壓差變化 ... 97 圖 7.15 CASE-A2 第六點天花板上下壓力及壓差變化 ... 98 圖 7.16 不同有效流動面積（8%、6%、4%、2%、1%）之煙層下降時間 ... 99 圖 7.17 CASE-B4 第一點天花板上下壓力及壓差變化 ... 99 圖 7.18 CASE-B4 第二點天花板上下壓力及壓差變化 ... 99
圖 7.19 CASE-B4 第三點天花板上下壓力及壓差變化 ... 100 圖 7.20 CASE-B4 第四點天花板上下壓力及壓差變化 ... 100 圖 7.21 CASE-B4 第五點天花板上下壓力及壓差變化 ... 100 圖 7.22 CASE-B4 第六點天花板上下壓力及壓差變化 ... 100 圖 7.23 天花板上方排煙區劃設置方式差異比較 ... 101 圖 7.24 CASE-A2 與 CASE-C1 之煙層下降時間比較 ... 102
表目錄
表 4.1 火源成長模式的係數 ... 34 表 4.2 火災規模估計值 ... 35 表 4.3 火災模擬格點獨立分析案例 ... 40 表 5.1 各模擬案例條件說明 ... 49 表 5.2 各模擬案例結果說明 ... 56 表 5.3 各實驗案例條件說明 ... 57 表 5.4 改裝前後對表 ... 58 表 6.1 消防法規部份 ... 71 表 6.2 建築法規部份 ... 73 表 6.32 安全梯間加壓防煙設置規範之簡列 ... 79 表 7.1 研究結果綜整 ... 87 表 7.2 格點統計表 ... 89 表 7.3 模擬項目統計說明表 ... 91 表 7.4 煙層下降時間統計表 ... 93 表 8.1 天花板上方作為蓄煙空間之可行工法建議項目表 ... 108摘 要
關鍵詞：空調兼排煙、梯間加壓、天花板空間蓄煙 一、研究緣起 過去火災案例(如臺南市北門醫院火災及全國護理之家)發現空調設備之設 置型態實有影響排煙設備效能之虞。國外之設計規則已列空調兼排煙應用，我 國本項實施案例不多，具性能驗證之實例較少之下，須了解火災發生時，空調 與排煙設備間之交互影響，評估空調兼用排煙使用之實務作法及其可行性。天 花板空間蓄煙並排煙，於前期研究電腦模擬結果發現天花板空間蓄煙排煙，有 利於防煙區劃內居室之排煙。另近年來，防火排煙技術已演進到用正壓防止煙 流入逃生通道及控制煙流入非火災區域，內政部建築研究所 90 年研究計畫已 有完成安全梯間加壓防煙設計技術手冊，但考量近年來加壓防煙技術之高度發 展，實有就現行成熟之技術進行研討，並修正上開技術規範，延伸氣壓梯度應 用，提昇逃生避難之安全性。 二、研究方法 (一)文獻回顧： 本計畫先從蒐集美國、中國及日本等國有關排煙及空調兼排煙之標準， 或相關手冊進行中文摘譯及分析，以國外相關設計規範進行比較分析，作為 我國法規及規範修訂之參考。 (二)學者專家座談會： 本計畫舉辦兩場學者專家座談會，邀請相關學者專家、建築師及空調技 師、消防設備師、政府相關主管單位等代表提供建言，針對空調型態影響排 煙、空調與排煙兼用、天花板蓄煙，以及梯間加壓提升安全避難等議題，對 本計畫期程內研究成果提出階段性建議，使本案結論更加完善。(三)電腦軟體模擬及實驗驗證： 透過實測建築案例之蒐集整理，以及電腦模擬分析等研究方法，進行空 調型態對排煙之影響之研究。在天花板蓄煙方面除了利用電腦模擬解析之外， 也提出可行之控制與工法。 三、重要發現 (一)文獻分析發現，無論歐美日與中國，皆已訂定相關正負壓煙控規範，用 於梯間加壓，以及避難途徑上，使逃生方向往較高安全區。在空調兼用排煙 方面提供適當的工法，並利用排煙造成負壓與空調供風的正壓效應，提升避 難逃生的安全性。
(二)摘譯 NFPA 92「煙控系統標準」2015 版及 NFPA 90A「空調及通風系統 安裝標準」2015 版，供產業應用及政府修訂相關法規之參考。
(三)美國建築師聯合會之產業規範 IBC(International Building Code)將具有加 壓防煙之特別安全梯視為防煙安全區(smoke proof enclosure)，為疏散逃生之 避難區。 (四)本研究電腦模擬發現，以空調風管兼排煙，可防止熱煙擴散到非火災區， 避免空調設備與排煙設備交互影響。實例測試發現即使空調停止運轉，熱煙 仍然會自風管或天花板上方流入鄰近空間，已參考國外文獻提出空調風管兼 排煙應注意之設計規範。 (五)經由前案之研究及國外法規文獻之分析，特別安全梯加壓有助於防排煙 及救災；且維持非火災區之安全性，可列入我國 Route B 及 Route C 性能式 設計之參考。本研究也修改安全梯間加壓防煙設計技術手冊，以國外最新相 關規範增修。 (六)本研究發現天花板空間蓄煙排煙之可行性，有助於延緩煙層下降， 對於天花板上方有無分間牆皆優，本研究對於防煙區劃及居室，提出天 花板空間蓄煙排煙之適當工法以降低火災風險。
四、主要建議事項 以本計畫研究成果及參考國外法規，結合座談會提供之意見，建議事項 如下： 建議一 空調兼用排煙系統之介面建議 空調兼用排煙風管設計基準，包括風門及風管耐溫保溫的差異，控制風 門之切換與控制邏輯確實避免空調使用與排煙使用之交互影響，需增設切換 的控制風門，以防止煙塵擴散到非火災區域。 主辦機關：內政部消防署、內政部建築研究所 協辦機關：中華民國消防設備師公會全國聯合會、中華民國全國建築師公會、 財團法人台灣建築中心 建議二 天花板空間蓄煙之排煙系統建議 經由電腦模擬研究，及與法規設計之模擬結果進行比較，建議以天花板 上方為蓄煙空間，並於天花板上方設置排煙口；或以天花板上方為蓄煙空間， 於天花板面設置排煙口，並建議天花板上方管線與設備之防火或耐溫性能等 工法。 主辦機關：內政部消防署、內政部建築研究所 協辦機關：中華民國消防設備師公會全國聯合會、中華民國全國建築師公會、 財團法人台灣建築中心 建議三 梯間加壓防煙 本手冊參考美、英、日及中國之最新規範，提供設計計算之參考，並提 出納入 Route B 及 Route C 性能式設計，由加壓防煙之設計概念將通廊、排 煙室及梯間安全等級做整體論述，逃生門開啟數與門開時之逆向風速、風機 選用與風管(道)之設計、風門規格標準等。
ABSTRACT
Keywords：Air-conditioning and smoke exhaust, staircase pressurization, ceiling space smoke control
1. Introduction
It was known that air-conditioning operation may affect smoke control. However it can be designed for smoke exhaust to elevate fire safety. There are some international standards on zone pressure control. Therefore it is important to investigate the practice and feasible design so to prevent smoke spread to non-fire zones. It was found in a previous research there are benefits of using ceiling space for smoke exhaust, further investigation on the installation would be needed. A handbook written in a previous project has to be updated with newly developed design standards. The handbook needs to be revised.
2. Research methods
It was found in the literature study that many nations such as United States, China and Japan, etc., have established standards regarding integration of ducting for air-conditioning and smoke exhaust. Some of the standards were abstracted into Chinese for further understanding and comparative study.
Two seminars were held to solicit reviews on the findings of this research. The reviewers include professions in architect, air-conditioning, smoke management, and government officials. The reviews were considered in the further investigation.
Computer modeling and field tests were carried out in this research. A building case was tested for the spread of smoke through the ducting and the advantages of integration of ducting of air-conditioning. For the ceiling space smoke exhaust computer and appropriate methods of installation were studied.
3. Important findings
Some of the important findings are as follows:
(1) The pressurization design standards of many nations such as United States, Japan and China, can be applied to staircase and evacuation routes for fire safety. When the air-conditioning ducting used for smoke exhaust, higher safety during
evacuation can be realized.
(2) NFPA standard 92(2015 edition) and NFPA 90A(2015 edition) were abstracted for practical use and as a reference for government regulation amendment.
(3) IBC(International Building Code) of United States takes pressurized staircase as smoke proof enclosure, as refuge space for timely evacuation.
(4) Field tests show that air-conditioning can be used for smoke exhaust to prevent smoke spread to non-fire zones. The computer modeling verified that it has advantages over the current practice.
(5) Pressurization of staircase can be considered in the performance codes of Route B and Route C, so to maintain the safety of non-fire zones. The previous handbook on staircase pressurization was revised.
(6) Smoke exhaust through ceiling was found to be feasible, either for partition in ceiling or not, slower smoke decent can be achieved. Installation methods were proposed to reduce risk.
4. Proposals
The above research findings are proposed for practical use and in the regulation
(1) The basis of design for integration of ducting of air-conditioning and smoke exhaust includes dampers, insulation and fire proof, damper control, etc., so to prevent fire smoke spread to non-fire zones.
(2) Smoke accumulation in ceiling with smoke exhaust is feasible through the installation of smoke dampers in ceiling and on the ceiling. The facilities in the ceiling space have to be conformed to the requirement of high temperature.
(3) Staircase pressurization was proposed referring to standards of nations such as United States, United Kingdom, Japan and China. Design calculation
be included in the performance codes of Route B and Route C. Holistic approach that considers the entire evacuation routes is to be considered from the lobby to the smoke lobby and finally to the staircase. The calculation scheme includes the door opening, critical air speed, selection of dampers, fans, and ducts are given.
第一章 緒論
第一節 研究背景與研究動機
煙在火災中對人員逃生之影響大於火，煙對生命之危害主要有三方面，一為 煙之毒性，一旦吸入後會使人產生昏眩、癱瘓與毒害，二為煙的濃度會降低能見 度影響逃生，也會刺激眼睛防礙逃生速度；再者煙擴散的速率遠高於火，會迅速 擴散影響至逃生通道。 排煙最早應用於公眾之演藝場所，屬挑高的大空間，以自然或機械排煙使人 員在火災時得以逃生，在 1970 年代後先進國家如美國即開始步入煙控設計，對 於有很大內週區之大型建築，控制煙的流向以防止煙蔓延逐漸成為防煙之重點。 在 1980 年代後又發展為煙害管理(smoke management)之設計概念，將建築作整體 防煙之規劃設計，輔以適當控制將火災中生命與財產損失降至最低。 我國防煙區劃之基本觀念為防火區劃、防煙區劃及排煙[1]，在性能式設計已 邁進到防止水平及垂直蔓延。煙迅速流竄之通道，以汐止東方科學園區之火災為 證，煙熱氣經由水平擴散流入垂直之管道間，經由開口及孔隙向其他樓層蔓延， 所以除垂直防煙區劃應予特別重視，水平之區劃亦是防煙之重點。 防煙區劃之主要目的為防止煙自火災室侵入鄰接之區劃內，目前國外多以區 域煙控(zone smoke control)之方式，以對火災室排煙及對鄰接區劃加壓防止煙流 入，控制煙害及防止火災之蔓延。所謂安全區劃為確保避難安全，係指以適當區 劃及設計使避難者在朝向安全性較高的區域前進，並能有暫時停留之安全空間， 以達避難之目的。故除蓄煙垂壁及隔間外，應輔以氣壓控制，形成壓力梯度，人 員往較高氣壓安全性較高之區域逃生，如圖 1.1[2]。IBC Handbook, 2012, section 1022 smoke proof enclosure. [3]也明確表示，當形 成壓力梯度，人員自第一安全區，逃往第三安全區，加壓防煙特別安全梯可視為 防煙安全區。
圖 1.1 氣壓控制形成壓力梯度之逃生示意圖 (本圖取自參考文獻[2]) 安全梯加壓與排煙室之排煙系統方面，本研究團隊過去[4]曾進行一個實例測 試，該大樓分東西側，各樓層之東側及西側分別設置一座特別安全梯如圖 1.2， 具有安全梯加壓及排煙室設備，主要防排煙設備包含安全梯送風機、排煙室送排 煙機、偵煙式探測器等。排煙室送風機與排煙機係依國內相關消防法規設置，梯 間加壓系統係參考國外如 NFPA 92 標準設置[5]，研究結果發現梯間加壓可防止 熱煙竄入排煙室及安全梯。當因火災破損之窗口冒出有害氣體及煙霧，若濃煙被 吸入至梯間有害氣體恐影響人員安全逃生，因此吸入口若偵測到濃煙時即需關閉 該系統，請參閱圖 1.2。故加壓風機之設計，須要考量避免這類情境之發生。 圖 1.2 案例安全梯加壓及排煙室設備位置示意圖
如圖 1.3 該大樓空調系統兼用於排煙，空調由地下層空調箱集中提供各樓層 冷風，在各樓層東側及西側各設一處空調送風及回風控制閘門，控制該樓層區域 之空調系統開關或開度大小，其回風管內裝設偵煙式探測器，若偵測到煙霧時即 連動相關火警設備，維持大樓安全。其以每一樓層為一防排煙區域，於東側及西 側各裝設專用排煙機一台，而藉由管道間及空調系統回風管進行排煙，排煙管路 屬系統共用。火災發生樓層之上下各兩層，空調系統使用既有設施進行送風加壓， 避免熱煙流入，所謂”三明治”防煙設計，以利大樓人員避難逃生。以 30 樓發生火 災為例，當樓層 30F 排煙，火災區啟動排煙時所形成負壓區劃，其上下兩樓(樓層 31、32 及 29、28 層) 空調系統同時進行送風加壓形成之正壓區劃，如圖 1.3 所 示。 圖 1.3 案例空調防排煙系統示意圖 (本圖取自參考文獻[4]) F O R 2 F T O 2 7 F S A M E A S 1F SUP PL Y A IR DUCT R E T U R N A IR D U C T 回 風 管 道 送風管道 循 環 外 氣 連 動 柵 門 進 外 氣 柵 門 送 風 風 機 送 風 風 機 回 風 風 機 回 風 風 機 排 氣 柵 門 回 風 柵 門 送 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 排 氣 柵 門 循 環 外 氣 連 動 柵 門 進 外 氣 柵 門 排 煙 風 機 排 煙 柵 門 O P E N C L O S E D O P E N C L O S E D C L O S E D . O P E N O P E N C L O S E D O P E N C L O S E D F IR E C O N T R O L D IA G R A M S F O R A H U -1 O P E N 火 警 層 下 一 層 下 二 層 上 二 層 上 一 層 F IL T E R F IL T E R 3 2 F 3 1 F 3 0 F 2 9 F 2 8 F 1 F 2 F 2 7 F 3 3 F 3 4 F P H 1 3 2 F 3 1 F 3 0 F 2 9 F 2 8 F C L O S E D C L O S E D 回 風 柵 門 送 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 送 風 柵 門 回 風 柵 門 R .A S .A R .A S .A R .A S .A R .A S .A R .A S .A R .A S .A 回 風2 4 ℃ 送風 5.6℃ c c c c 回 風2 4 ℃
衛生署新營醫院北門分院，於 101 年 10 月發生火災事故，本次火災計造成 13 人亡，59 人受傷住院。內政部建築研究所安全防災組事後提出火災勘查報告 [6]，報告中指出，起火點為產房(目前當倉庫使用)，煙塵沿著走廊，天花板上空 間，藉由空調風管水平擴散到護理之家各病房，如圖 1.4 ~ 圖 1.8 所示。 由北門醫院的案例發現以下問題： 1. 防煙區劃天花板上空間無區隔問題 2. 煙塵自空調風管水平擴散問題 圖 1.4 煙塵擴散平面圖 (本圖取自參考文獻[6])
圖 1.5 產房內部燒毀情景(靠天井走廊側) (本圖取自參考文獻[6])
圖 1.6 護理站前走廊上方天花板送風口有煙滲漏情形 (本圖取自參考文獻[6])
圖 1.7 護理之家病房區天花板送風口呈燻黑狀態，顯示濃煙已擴散至此。 (本圖取自參考文獻[6])
圖 1.8 走廊天花板空調送風口因熱煙溫度影響而變形 (本圖取自參考文獻[6])
本研究團隊在 102 年計畫[7]研究居室排煙口性能，同時發現居室排煙如利用 天花板上方作為蓄煙空間，會延緩煙層之下降，有助於安全逃生，對於一些避難 弱勢之場所(醫院、養護機構等)更形重要。天花板蓄煙區示意圖，如圖 1.9 所示。 該計畫亦提出天花板上蓄煙應配合排煙設計與工法，方能達到更佳效果，應 進一步研究精進設計與工法。 圖 1.9 天花板蓄煙區示意圖 (本圖取自參考文獻[7])
第二節 研究目的
過去火災案例發現空調設備之設置型態實有影響排煙設備效能之虞，早期國 外以關閉空調作為因應之控制，如今國外已實施空調兼用排煙之設計與工法。火 災發生時，空調及排煙設備間之交互影響及空調兼用排煙使用之實務作法之可行 性，實需要瞭解及進行研究。天花板空間蓄煙排煙，見於我國捷運月台層結合空 調回風之應用，如上述於前期研究發現天花板空間蓄煙排煙，有利於防煙區劃內 居室之排煙。近年來防煙之設計觀念朝向控制煙之流向，並已演進到用氣壓做煙 控，以氣壓防止煙流入逃生通道及避免煙流竄至非火災區域，作為提升防火安全 的有效手段。本計畫主持人過去曾將研究成果彙編，內政部建築研究所於 90 年 12 月出版安全梯間加壓防煙設計技術手冊。但考量近年來加壓防煙技術之高度發 展，實有就現行成熟之技術進行研討，並修正上開技術規範，延伸氣壓梯度應用， 提昇逃生避難之安全性。 因此本計畫擬結合三個研究主題： (1) 空調兼用排煙使用 (2) 安全梯間加壓防煙設計與工法之精進 (3) 結合天花板空間蓄煙排煙之可行性研究 故本計畫預計成果主要產出，空調兼排煙與天花板空間蓄煙排煙具體可行之 建議方案，針對安全梯間加壓防煙設計技術手冊，以國外最新相關規範及現行成 熟設計技術進行研討，探討增修訂相關法規之必要，以及天花板空間蓄煙排煙設 計工法之建議。第三節 研究方法與研究流程
本研究之流程如圖 1.10。
第四節 文獻回顧
關於建築物防煙系統有關之設計規範，在國外以 NFPA 92A 為重要參考文件， 在 2003 以前之版本，其名稱為 NFPA 92A，Recommended Practice for
Smoke-Control Systems[8](煙控系統設計之建議)，為一設計規範(guidance)建議，以壓差 方式達到(1)防止煙進入梯間、提供人員疏散、避難區域、電梯管道及類似區域之 避難途徑，(2)維持安全逃生環境，供人員疏散、避難所需時間，(3)防止熱煙在防 煙區擴散，(4)提供火災區外人員可存活環境，以增加搜救機會及定位、控制火場，
(5)保護生命及降低財產損失。其位階基本上為設計規範。
NFPA 92A 於 2006 年版後改稱為 NFPA 92A，Standard for Smoke-Control Systems Utilizing Barriers and Pressure Differences[9]，名稱略作調整，為「使用防 煙壁及壓差之煙控系統標準」，而其位階則由設計建議(guidance)提升至標準 (standard)之地位，足見壓差煙控系統之重要性及必須性。 2009 年版 NFPA 92A[10]透過 1.梯間加壓，2.正負壓區劃防煙，3.電梯煙控， 4.前室，5.熱煙避難區域等設計手法，達到與以往建築物防煙之目標。各設計手 法說明如下： 1. 梯間加壓 於梯間設置風機對梯間加壓，以防止煙進入梯間、提供人員疏散所需之 允許環境。而風機在不同之開啟門扇數目條件下，以旁通廻路、以壓力 感測器與旁通風門連動，或以設置壓力釋放之方式，維持設計之推力。 加壓風機可設置於梯間任何位置，以單送風口或多送風口方式對梯間加 壓。 2. 正負壓區劃防煙 正負壓區劃防煙，主要係透過空調系統，對不同樓層或防煙區劃之形成 不同壓力分布，以防止煙不同防煙區劃流動，提供人員疏散所需之允許 環境。 使用正負壓區劃防煙，建築物應分為不同煙控區劃，以防煙壁互相分隔， 一個防煙區劃允許由單一或多個樓層組成，一個樓層允許由單一或多個 防煙區劃組成。區劃煙控系統動作，排煙區與鄰近非排煙區之壓差，應 符合最小設計壓差。排煙應排至建築物外，允許採機械排煙或自然通風。
3. 電梯煙控 有電梯煙控需求時，應設獨立區劃。以防止煙不同防煙區劃流動，提供 人員疏散所需之允許環境。 4. 排煙室 排煙室應允許作為建築物煙控系統之一部份，但排煙室未必需要，若有 設置排煙室，對排煙室加壓或不加壓均可允許。 5. 熱煙避難區域 區劃煙控系統中非排煙區劃，應允許使用一特定區域對人員避難提供一 段時間之保護，或提供熱煙避難區。對避難區鄰近樓梯或電梯，應避免 壓力損失，或由於熱煙避難區之煙控與管道煙控互相作用而超過之壓力。 以上標準之修訂乃為因應在建築物火災發生時，火焰及濃煙經常四處流竄至 使造成傷亡；樓梯、電梯佈滿濃煙，會阻礙逃生嚴重威脅人們生命與財產。美國 冷凍空調學會將「煙」定義為物質於空氣中進行熱分解或燃燒作用，所產生固體、 液體微粒子與氣體之混合物[11]，而煙控的目的係在火災發生時煙霧限定在某特 定區域內，或是改變煙的流動方向，藉以控制並降低火災區之煙霧蔓延擴散，同 時在人員進行疏散時，提供可維生的環境，並利消防人員進行援救工作，降低人 員傷亡及財物損失。 故煙控結合空調設計與控制，涉及包含防火區劃、排煙、加壓與氣流控制等 等，其種類包含自然及機械煙控系統，煙控系統則是利用機械設備，如風機、風 管、閘門等，配合建築空間特性，讓煙的移動範圍受到一定限定，逃生路徑特定 空間維持可維生環境，約束煙霧不易進入，以達到煙控制的效果。 目前應用於建築物之機械式煙控系統，建築物主要常使用方式可分為下列三 種方式；包含樓梯間加壓煙控系統、正負壓區劃煙控系統與機械式排煙系統等。 目前國內相關法規乃以機械式排煙系統為主，包含室內排煙及緊急昇降機間及特 別安全梯之進風排煙設備相關規定。而正負壓區劃煙控系統，運用正負壓區劃理 論來防止煙滲透擴散進入樓梯間的觀念始於 1960 年，亦即使起火樓層進行負壓， 其餘四周形成正壓[2]，此方式為本案研究探討之重點。
第二章 國內外標準與規範
第一節 國內\相關法規、標準與準則
1. 美國 NFPA 等協會，將煙控的目的定義為，使煙霧限定在某特定區域內， 或是改變煙的流動方向，藉以控制並降低火災區之煙霧蔓延擴散，提供 人員疏散時可維生的環境，並利消防人員進行援救工作。 2. 其可結合空調設計與控制，常使用方式可分為下列三種方式： (1) 樓梯間加壓煙控系統 (2) 正負壓區劃煙控系統與 (3) 機械式排煙系統等。 3. 目前國內相關法規乃以機械式排煙系統為主，包含室內排煙、緊急昇降 機間及特別安全梯之進風排煙設備相關規定。 4. 國外研究具體成果主要呈現在 NFPA 92A。5. 2003 以 前 之 版 本 ， 稱 為 Recommended Practice for Smoke-Control Systems(煙控系統設計建議)，其建議主要為以氣壓控制達到： (1) 防止煙進入梯間、提供人員疏散、避難區域、電梯管道及類似區域 之避難途徑。 (2) 維持逃生環境，供人員疏散、避難所需時間。 (3) 防止熱煙在防煙區擴散。 (4) 增加搜救機會及定位、控制火場。 (5) 保護生命及降低財產損失。
6. 2006 年 版 後 改 稱 為 NFPA 92A ， Standard for Smoke-Control Systems Utilizing Barriers and Pressure Differences，位階由設計建議(guidance)提升 至標準(standard)之地位，2009 年版則有五種設計手法，如下：
(1) 梯間加壓：於梯間設置風機對梯間加壓。
(2) 正負壓區劃防煙：對不同樓層或防煙區劃之形成不同壓力分布。 (3) 電梯煙控：有電梯煙控需求時，應設獨立區劃。
以上標準之修訂為防煙技術隨時間之精進，以避免當火災發生時，火焰及濃 煙四處流竄至使造成傷亡；樓梯、電梯佈滿濃煙，會阻礙逃生嚴重威脅人們生命 與財產。
第二節 本計畫擬參考之國際標準
本計畫擬參考之國際標準為：
1. NFPA 90A, Standard for the installation of Air-conditioning and Ventilating Systems, 2015[12].
2. NFPA 90A, Handbook, 2015[13].
3. NFPA 92, Standard on Smoke Control Systems, 2015[5]. 4. IBC Handbook, 2012[3].
NFPA 90A (2015)為最新之版本，該標準提供空調與通風設計與施工單位之 遵循，目的為防止煙經由空調系統竄流至非火災區，降低因送風系統所造成之火 勢延燒，內容主要為空調系統之設計安裝，本版重點之一為將通風空調與建築營 造整合，及提供相關的火警偵測、控制與驗收之準則，相關摘譯如附件 1 所示。
NFPA 90A Standard for the Installation of Air-Conditioning and Ventilating Systems，相關章節如下所示：
Chapter 5 Integration of a Ventilation and Air-Conditioning System(s) with Building Construction
5.1 Air-Handling Equipment Rooms.
5.1.2 Air-Handling Equipment Rooms Used as Plenum Space.
5.1.3 Air-Handling Equipment Rooms That Have Air Ducts That Open Directly into a Shaft.
5.2 Building Construction.
5.3* Penetrations — Protection of Openings.
5.4 Fire Dampers, Smoke Dampers, and Ceiling Dampers. Chapter 6 Controls
NFPAR 90AStandard for the Installation of Air-Conditioning and Ventilating Systems Handbook 2015，相關章節如下所示：
Chapter 4 HVAC Systems
4.1 General Requirements for Equipment.
4.2 System Components, Outside Air Intakes, Air Cleaners and Air Filters, Fans, Air-Cooling and Heating Equipment.
4.3 Air Distribution. 4.4 Materials.
4.4.1* Noncombustible Material.
Chapter 5 Integration of a Ventilation and Air-Conditioning System(s) with Building Construction
5.1 Air-Handling Equipment Rooms. 5.4.6 Damper Location Information. Chapter 6 Controls
Chapter 7 Acceptance Testing
最新版的 NFPA 92 標準將過去 92A 與 92B 整合為一，目的為防火與煙控系 統之設計，提供最新的工程計算方法、煙控設計程序、及配合建築設備與控制， 相關摘譯如附件 2 所示，相關章節如下所示：
Chapter 6 Building Equipment and Controls
6.2* Heating, Ventilating, and Air-Conditioning (HVAC) 6.2.1 General. 空調兼排煙設備之設置位置
6.2.2 Outside Air. 空調系統須要引入外氣加壓 6.2.3 以防煙閘門隔離空調排氣與供風
6.2.4 排氣風機與供風風機之連動
6.3 Smoke Dampers. 符合 ANSI/UL 555S, Standard for Smoke Dampers./UL 555, Standard for Fire Dampers
IBC Handbook (2012)為美國建築設計規範最新之版本，內容包含了各種建築 法規的規定，其中以第 7 章與第 10 章節提到消防相關的規定：
Chapter 7. FIRE AND SMOKE PROTECTION FEATURES Section 709 Smoke Barriers
Section 710 Smoke Partitions Section 712 Vertical Openings Section 713 Shaft Enclosures
Section 717 Ducts and Air Transfer Openings
Chapter 10. MEANS OF EGRESS Section 1003 General Means of Egress Section 1009 Stairways
Section 1016 Exit Access Travel Distance Section 1022 Interior Exit Stairways and Ramps Section 1023 Exit Passageways
以上標準在某種程度上整合近期加壓防煙方面之技術發展及工法。及空調排 煙兼用方面近期之研究成果及精進技術，亦為國外最新標準與法規。
以上標準之封面如圖 2.1~2.4 所示。
圖 2.1 NFPA 90A, Standard, 2015
(本圖取自參考文獻[12])
圖 2.2 NFPA 90A, Handbook, 2015
(本圖取自參考文獻[13])
圖 2.3 NFPA 92, Standard, 2015 (本圖取自參考文獻[5])
圖 2.4 IBC Handbook, 2012 (本圖取自參考文獻[3])
第三節 國際標準重點截錄
本研究參考各國際標準將其與研究主題相關章節摘譯如附件 1~2 所示，其中 重點說明如下：
2.3.1 NFPA 90A, Handbook, 2015
1. 防煙區劃的要求，如圖 2.5 所示。
A.3.3.25 Smoke Barrier. A smoke barrier might be vertically or horizontally aligned, such as a wall, floor, or ceiling assembly. A smoke barrier might or might not have a fire resistance rating. See NFPA101, Life Safety Code, Chapter 8, for additional guidance.
圖 2.5 防煙區劃示意圖
2. 對天花板風道材料的要求
4.3.11.6 Wall or Ceiling Finish in Plenums.
4.3.11.6.1 Wall or ceiling finish in plenums, except as indicated in 4.3.11.6.2, shall be noncombustible or shall exhibit a flame spread index of 25 or less and a smoke developed index of 50 or less, when tested in accordance with ASTM E 84*, Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Materials, or ANSI/UL 723, Standard for Test for Surface Burning Characteristics of Building Materials, at the maximum thickness intended for use.
*Asbestos-cement board has a FSI value of 0, and red oak wood has 100. ASTM E 84
*SDI is a measure of the concentration of smoke a material emits as it burns, asbestos-cement board has a value of 0, and red oak wood has 100.
3. 對風管材料的要求
4.3* Air Distribution. 4.3.1 Air Ducts.
4.3.1.1 Air ducts shall be constructed of iron, steel, aluminum, copper, concrete, masonry, or clay tile, except as otherwise permitted in 4.3.1.2 or 4.3.1.3.
4.3.1.2 Class 0* or Class 1* rigid or flexible air ducts tested in accordance with ANSI/UL 181, Standard for Safety Factory-Made Air Ducts and Air Connectors, and installed in conformance with the conditions of listing shall be permitted to be used for ducts where air temperature in the ducts does not exceed 121°C (250°F) or where used as vertical ducts serving not more than two adjacent stories in height. 4.3.1.3 Gypsum Board Air Ducts.
4.3.1.3.1 Gypsum board having a flame spread index not exceeding 25 without evidence of continued progressive combustion and a smoke developed index not exceeding 50 when tested in accordance with ASTM E 84, Standard Test Method for Surface Burning
Test for Surface Burning Characteristics of Building Materials, shall be permitted to be used for negative pressure exhaust and return ducts where the temperature of the conveyed air does not exceed 52°C (125°F) in normal service.
*Class 0 - Air ducts and air connectors having surface burning characteristics of zero.
*Class 1 - Air ducts and air connectors having a flame-spread index of not over 25 without evidence of continued progressive combustion and a smoke-developed index of not over 50.
4. 防煙風門之應用
5.3.5 Smoke Barriers.
5.3.5.1 Smoke dampers shall be installed at or adjacent to the point where air ducts pass through required smoke barriers, but in no case shall a smoke damper be installed more than 0.6 m (2 ft) from the barrier or after the first air duct inlet or outlet, whichever is closer to the smoke barrier, unless otherwise permitted by 5.3.5.1.1 through 5.3.5.1.5.
5.3.5.1.1 Smoke dampers shall not be required on air systems other than where necessary for the proper functioning of that system where the system is designed specifically to accomplish the following:
(1) Function as an engineered smoke-control system, including the provision of continuous air movement with the air-handling system (2) Provide air to other areas of the building during a fire emergency (3) Provide pressure differentials during a fire emergency
2.3.2 NFPA 92, Standard, 2015
1. 防煙區劃(smoke barrier)是區域防煙的必要條件 4.8* Zoned Smoke Control.
4.8.1 Smoke Control Zones.
4.8.1.1 When zoned smoke control is to be used to provide containment, the building shall be divided into smoke control zones, with each zone separated from the others by smoke barriers.
2. 以自然或強制方法，對外排煙 4.8.2 Smoke Zone Exhaust.
4.8.2.1 The smoke zone exhaust shall discharge to the outside of the building.
4.8.2.2 The smoke zone exhaust shall be permitted to be either mechanical or natural ventilation.
3. 防煙避難區，屬區域防煙系統 8.4.6.6 Smoke Refuge Area.
8.4.6.6.1 A smoke refuge area shall be treated as a zone in a zoned smoke control system.
(1) 電梯間加壓亦屬區域防煙系統
8.4.6.7.3 Elevator Pressurization and Zoned Smoke Control System. 8.4.6.7.3.1 The elevator pressurization system shall be considered as one
2.3.3 IBC Handbook, 2012.
1. 醫院的防煙區劃(407.5) ，如圖 2.6 所示。 Section 709 Smoke barrier
The use of smoke barrier is assigned to those portions of buildings intended to provide refuge to occupants who may not be able to exit the building in a timely manner.
2. 防煙外殼和加壓樓梯及斜坡
Section 1022.10 Smoke proof enclosures and pressurized stairways and ramp
It is required that all exits in such buildings be smoke proof enclosures or pressurized stairways for each of the exits that serve seven stories where floor surface is located more than 75 feet above the level of fire department vehicle access or more than 30 feet below the level of exit discharge serving such floor level.
圖 2.6 醫院的防煙區劃示意圖
第三章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明
第一節 電腦數值模擬方法
在流體動力的計算中，求解紊流方式中有：直接數值模擬法(Direct Numerical
Simulation，DNS)、平均化紊流模式法(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation modelling，RANS)及大渦流模擬(Large Eddy Simulation，LES)。
1. 直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation，DNS)
直接數值模擬法(DNS)是直接求解高可信度的 Navier-Stokes 方程式，並非以 近似解來模擬紊流，用足夠小的網格涵蓋整個流場，只使用流體之動粘滯係數 (Dynamic Viscosity)，而不使用任何假設或模式係數來閉合紊流模式，而以高階 差分的數值方法，直接求解連續方程式及 Navier-Stokes 方程式。此法必須計算流 場內所有大小旋渦動態變化，然而為了呈現出所有的渦流，最大應大到邊界尺寸， 最小應小到消散運動，其所需的格點解析度必須精細到克氏尺度(Kolmogorov micro-scale)，以雷諾數為 106的三維平板邊界層流場為例，約需 5×107的格點數， 若對一實際建築物條件(雷諾數約為 106 )加以計算，則所需的格點數將達 5×1013； 再者，計算時間間隔必須小到得以解析最快速的變動量，如此遠遠超過現今超級 電腦的運算容量。目前此法僅適用於低雷諾數、簡單的邊界條件的流場，並不適 用實際的工程問題。因此，以 DNS 之計算方法實際應用於火災模擬研究較為困 難。 2. 平均化紊流模式法
(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation modelling，RANS)
平均化紊流模式法(RANS)將流場內之大小渦流或隨時間變化之紊流，以特 定之紊 流模式 產出流 場的等 效粘係數(Effective Viscosity)，據以求取
Navier-Stokes 方程式流場平均值解，此種計算方式失去了瞭解因紊流而產生之其他重要 特性，且因特定紊流模式與流場之幾何條件相關，因此計算方式不具泛用性。而 且火災發生時煙流動現象是瞬時萬變的，利用時間平均為基礎的 RANS 通常無法
3. 大渦流模擬(Large Eddy Simulation，LES)
大渦流模擬(LES)是由 Deardorff (1970)提出，係介於 DNS 及平均化紊流模式 法之運算方式。他建議模擬紊流流場時可以在頻率域(Frequency domain)或時間域
(Time domain)中，僅計算大於網格尺寸(Grid Scale)之渦流，將小於網格尺寸之旋 渦或紊流以次網格模式(Sub-grid Scale Model, SGS model)表示之，便可求得流場 中的主流和較大的渦流，直接計算流場暫態變化，氣象預測常用這種方法進行天 氣模擬。 經由 LES 模式計算，可取得所需之流場變化訊息及混沌(Chaos)，且計算結 果也較不敏感於次網格紊流模式係數之設定，因此使得計算結果之可信度大為提 升。FDS 內定採用 LES 模式，其相關之實驗驗證。為兼顧時效與可信度，本模 擬之運算方式採用 LES 模式進行模擬。
第二節 電腦數值模擬區劃
以電腦數值模擬研究火災主要可分為兩種方式，一般可區分為區域模式
(Zone model)與場模式(Field model)兩種。 1. 區域模式(Zone model) 所謂區域模式，乃將建築物內空間劃分若干個區域，每個區域內再劃分成物 理與化學性質(如：溫度、煙、濃度等)均勻的高溫煙層與低溫空氣層。區域模式 利用能量、動量、質量組成守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每個區 域內的溫度、濃度分布情形。區域模式之求解方式為隱性(Implicit)型式，係利用 高溫煙層與低溫空氣層之總守恆方程式與數值方法，代入輸入條件，迭代求出高 溫煙層與低溫空氣層之物理特性。區域模式只能預測平均的場分布，此類工具均 為 二 層 模 式 。 此 類 的 計 算 軟 體 有 ASET 、 CFAST 、 FIRST (Fire Simulation
Technique) 、 HAZARD 、 FAST (Fire and Smoke Transport) 、 CCFM 、 ASET 、 COMPF2、LAVENT… …等。 2. 場模式(Field model) 而場模式如同計算流體力學(CFD)之計算方式，是將建築物空間細分成多個 控制體積(Control Volume)，利用數值方法，將描述火災現象的動量、質量、組成 成份及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，以模擬空間中各控制體積(即格點)之物理特性，預測火災發生過程中， 每個格點的速度、壓力、溫度、濃度值。場模式亦為隱性型式。但由於需要的假 設較少，因此對火災現象，能較仔細、正確的描述，而且能預測形狀複雜的建築 物內煙的流動；可應用在預測因為高溫所引起的煙流擴散行為，同時也可進行對 於煙層溫度及濃度的計算預測。目前採用場模式可成功地模擬室內熱源，室內空 氣加熱之程度及煙流方向及大小。 但場模式仍無法以自然對流的方式，模擬受熱空氣所引起的熱對流效應，另 外場模式並沒有討論火焰延燒的現象，無法將燃燒過程真實的完全模擬，則為有 待突破之處。採用場模式模擬，所需的計算時間長，且要高階的工作或電腦方能 執行。此類的計算軟體有 FDS、STAR-CD、FLUENT、PHOENICS、CFX4、 FLOW3D… …等。
第三節 FDS 程式說明
本研究所採用之工具為美國國家標準局與技術研究院(NIST, National Institute
of Standards and Technology)建築與火災研究實驗室(Building and Fire Research Laboratory)所開發的 FDS(Fire Dynamics Simulator)火災模擬軟體[14, 15]。該軟體 於 2000 年 2 月發行，可在 Windows/OS X Lion 或 Linux 環境下使用，其主要功能 是用來模擬火災現象，求解溫度、速度、壓力等參數場以了解各種情況下煙流的 擴散狀態。NIST 持續對 FDS 程式進行版本更新，目前最新版本為 2015 年 4 月發 行 6.2.0 版。
該軟體除了有針對火災設計的前後處理工具之外，尚有其他軟體所沒有的撒 水頭模式。而後處理的工具為 Smoke view[16, 17]，可對溫度場、濃度場等模擬結 果作 2D、3D 的動畫展示。NIST 持續對 Smoke view 程式進行版本更新，目前最 新版本為 2015 年 4 月發行 6.2.1 版。 圖 3.1 為 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖[16]，以文字檔建立輸入， 在 FDS 程式下執行求解，而輸出之結果，依輸出選項，分別建立附檔名為 smv、 bf、s3d、part、sf、iso、q 等。而以 Smokeview 程式為後處理之界面，顯示計算 結果之剖面、等值分布、煙塵分布等圖形，而以 JPG 檔輸出圖形。 圖 3.1 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖 (本圖取自參考文獻[16])
第四節 FDS 統御方程式
FDS 應用的範圍為低馬赫數流場的分析，可分析模擬與火災相關之溫度場、 速度場與濃度場，FDS 提供之物理模式應用如下： 1. 室內及大氣中之各種火災問題。 2. 建築物之排煙系統、撒水頭系統之模擬。 3. 非壓縮流體之溫度場、速度場、濃度場之計算。 FDS 程式由方程式(3.1)至(3.4)聯立求解計算區域的速度、溫度、密度與壓力 等參數，在數值計算方法上，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，至於 Poisson 方程式形式的總壓力微分 方程式，則利用快速傅利葉轉換法(Fast Fourier Transform)求解。FDS 火災模擬軟體，是以數值方法求解控制方程式，包括模擬煙塵流動與 熱量傳遞的數學模式。這些控制方程式基本上是由 Navier-Stokes 方程式推導而來， 是屬於符合守恆守則的方程式，包括符合質量守恆的質量方程式、動量守恆的動 量方程式以及能量守恆的能量方程式等等，其方程式[15]如下： 1. 連續方程式(Conservation of Mass)
( )
=0 ⋅ ∇ + ∂ ∂ u t ρ ρ (3.1) 2. 動量方程式(Conservation of Momentum)(
)
ρ τ ρ +∇ = + +∇⋅ + ⋅∇ ∂ ∂ f g p u u t u (3.2) 3. 能量方程式(Conservation of Energy)( )
+∇⋅ − = ′′′−∇⋅ +∇⋅ ∇ +∇⋅∑
( )
∇ ∂ ∂ l l l l r k T h D Y q q Dt Dp hu h t ρ ρ ρ (3.3) 4. 化學種方程式(Conservation of Species)( )
Yl Ylu( )
D l Yl Wl t +∇⋅ =∇⋅ ∇ + ′′′ ∂ ∂ ρ ρ ρ (3.4)上式中 ρ：流體密度，(kg/m3 ) t：時間，(s) u：流體速度，(m/s) P：流體壓力，(kg/cm2) g：重力向量，(m/s2) f：外力向量（重力向量除外），(kg/s2/m) τ：黏性應力張量，(kg/s2 /m) h：流體熱焓，(kJ) q ′′′ ：單位體積內的釋熱率，(kW/m3) qr：輻射熱通率向量，(kW/m2) k：流體熱導度，(W/m/K) T ：流體溫度，(K) l：化學種 l，(-) l h ：化學種 l 的流體熱焓，(kJ) D：擴散係數，(m2/s) l Y ：化學種 l 的質量分率，(-) l W ′′′ ：單位體積內化學種 l 的產生率，(-)
第五節 FDS 程式採用說明
本計畫採用 FDS 之原因為：
1. FDS 為美國國家研究單位所發展具有權威性，且持續改版及更新相關資 料庫。
2. FDS 採用 LES(large eddy simulation)計算法，採矩形格點，具有應力張量 (sub-grid scale)運算，對煙流等屬自由邊界流場模擬，其精確度較高。 3. FDS 內置有建材熱質及燃燒特性資料庫。
本計畫亦會採用其它 CFD(computational fluid dynamics)作為空調系統氣流模 擬，尤其是非結構性網格方面之模擬。
第四章 模擬相關應用理論及參數
第一節 火源設計與規模
4.1.1 火源設計
火源大小代表熱釋放率的量，熱釋放率會影響火源之成長速度，而且與火災 濃煙產生量有直接的關係。一般火災強度的設定有穩定的火源（steady fire）、不 穩定的火源（unsteady fire）以及實際量測火災成長曲線三種方法。本研究採用不 穩定火源做為模擬的火源設計。 1. 穩定的火源(Steady fire) 在自然狀態下火源是不穩定的，但將其理想化成穩定的火源，較容易描述及 研究。穩定的火源其熱釋放率為定值，在應用上，通常採用穩定的火源做為明確 且保守的設計。 2. 不穩定的火源(Unsteady fire) 火源在潛伏期內燃燒的熱釋放率非常低，當火源成長至一臨界點後，其熱釋 放 率 會 與 時 間 的 平 方 成 正 比 ， 可 將 此 狀 況 表 示 成 理 想 化 的 拋 物 線 方 程 式 （Heskestad , 1984）(
)
2 o t t Q=α − (4.1) ㄧ般模擬的煙控系統，火源成長期並非必要之考慮因素，故可以將上次簡化成 2 g t Q=α (4.2) 上式中 Q：火源的熱釋放率，(kW) α：火源的成長係數，(kW/s2) t：開始燃燒後的時間，(s) to：有效的著火時間，(s) tg：有效的燃燒後時間，(s)上式即為消防安全工程設計上通稱的"t－squared fires"。NFPA 92 廣泛的使用 成長時間的觀念，成長時間tg定義為有效燃燒之成長至 1,055kW（1,000Btu/s）之 時間。表 4.1 列出一些火源模式tg之值。因火源防護之作用或燃燒空氣之缺氧， 其熱釋放率便會至一臨界點後停止成長，而後其熱釋放率可視為常數，如圖 4.1 所示。 本研究 採用普通速 度的火災 成長曲線模擬 火源，其成長係數α =0.01172 kW/s2，以火源規模 1.0MW 為例成長時間應為 tg=370s。 表 4.1 火源成長模式的係數 項目 成長係數 成長時間
T-Squared Fires α (kW/s2) α(Btu/s3) tg(s) 緩慢(Slow） 0.002931 0.002778 739 普通(Medium） 0.01172 0.01111 370 快速(Fast） 0.04689 0.04444 185 極快速(Ultra Fast） 0.1876 0.1778 93 圖 4.1 T-Square 火災成長曲線圖 (本圖取自參考文獻[5])
3. 實際量測火災成長曲線
實際量測火災成長曲線是指利用 Cone-Calorimetry, Bench-Scale Test 或
Full-Scale Test 等方法量測可燃燒物質在實際燃燒時之熱釋放率(Heat Release Rate)，進 而得到實際發生火災的熱釋放率成長曲線。
4.1.2 火源規模
發生火災時，依其火源不同其熱釋放率亦不同。熱釋放率越大其可能產生之 煙霧也越大，因而造成之危害也越大。表 4.2 為 NFPA 92 提供之火災來源與其熱 釋放率之概略數值。本研究對象為辦公場所，可能之火災規模為 105.5kW 至 1266kW 間，故採用本模擬之火災情境，採最大熱釋放率 1000kW (1MW)做為設 計火災規模。 表 4.2 火災規模估計值 (本表取自參考文獻[5]) 火災原因 熱釋放率(kW) 熱釋放率(Btu/s) 中型的廢紙箱 105.5 100 大型的廢紙箱 147.7 140 沙發椅 369.25 350 床 1266 1200 客廳/起居室 4220-8440 4000-8000第二節 煙生成率與釋熱率之關係
依據 Zukoski、Heskestad、McCaffrey 等[2]所提出之火羽流實驗公式得知煙 生成率與釋熱率成一定的比例關係。 以 Zukoski 火羽流質量流率實驗公式為例，其方程式如下： 𝑚𝑚̇
𝑃𝑃 = 0.21( 𝜌𝜌∞ 2𝑔𝑔 𝑐𝑐𝑃𝑃𝑇𝑇∞ ) 1 3 𝑄𝑄̇
1 3∙ 𝑍𝑍 5 3(4.3) 上式中 𝑚𝑚̇𝑃𝑃：火羽流之質量流率，(kg/s) 𝑄𝑄̇ ：釋熱率，(kW) 𝜌𝜌 ：周圍空氣之密度，(kg/m3) 𝑔𝑔 ：重力加速度，(m/s2 ) 𝑐𝑐𝑃𝑃：周圍空氣之定壓比熱，(kJ/kg/K) 𝑇𝑇∞：周圍空氣之溫度，(K) 𝑍𝑍 ：火焰高度，(m) 在本研究中，經由 FDS 模擬結果定性探討各單一項目時，於比對分析前， 將先進行釋熱率比對，藉以瞭解模擬過程中火煙生成趨勢及變化情況。
第三節 煙層高度與煙層溫度
NFPA 92 附錄 A 提出煙層定義如圖 4.2 所示，並說明 CFD 模擬之煙層高度， 得以自模擬結果量測煙層溫度資料，經由線性內差方式判斷煙層界面高度，其方 程式如下： Tn = Cn（Tmax – Tb）+ Tb (4.4) 上式中 Tn：煙層高度之溫度，(K) Tmax：煙層最高溫度，(K) Tb：室內溫度，(K)Cn：內插常數(first indication of smoke - 0.1 至 0.2)
(smoke layer interface - 0.8 至 0.9)
圖 4.2 煙層分佈示意圖 (本圖取自參考文獻[5]) FDS 提供了定義煙層界面高度的方法，其方程式如下： (𝐻𝐻 − 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼)𝑇𝑇𝑢𝑢+ 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝑇𝑇𝑙𝑙 = ∫ 𝑇𝑇0𝐻𝐻 (𝑧𝑧)𝑑𝑑𝑧𝑧 = 𝐼𝐼1 (𝐻𝐻 − 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼)𝐼𝐼1𝑢𝑢+ 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼1𝑙𝑙= ∫0𝐻𝐻𝐼𝐼(𝑧𝑧)1 𝑑𝑑𝑧𝑧 = 𝐼𝐼2 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑙𝑙�𝐼𝐼1𝐼𝐼2−𝐻𝐻 2� 𝐼𝐼1+𝐼𝐼2𝐼𝐼𝑙𝑙2−2𝐼𝐼𝑙𝑙𝐻𝐻 （4.5）
上式中 𝑇𝑇𝑢𝑢：煙層溫度（平均煙層溫度） 𝑇𝑇𝑙𝑙：室內溫度 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼：煙層高度 而𝑇𝑇𝑢𝑢可由以下方程式獲得： (𝐻𝐻 − 𝑍𝑍𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼)𝑇𝑇𝑢𝑢 = ∫𝑍𝑍𝐻𝐻𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝑇𝑇(𝑧𝑧)𝑑𝑑𝑧𝑧 (4.6)
第四節 格點獨立分析
當以數值計算方法進行模擬分析時，須探討模型之尺寸對數值計算之影響， 即為格點分析。其原理是僅改變模型中，梯度最大區域(即火源)附近之格點大小， 而其他模擬條件應保持相同，比較相同位置之特定參數計算結果差異，以得知格 點精度對數值計算收斂狀況之影響，在與其模擬時間比較選擇誤差較小且耗費時 間較短之格點大小，做為後續模擬之基準。 模擬用格點獨立分析選用之模型尺寸為 20m(L) × 21.6m(W) × 4m(H)，火災釋 熱量為 1 MW，予以簡化運轉條件，不運轉排煙風機與空調風機減少因流場過度 擾動而增加計算收斂之變數。火源附近之格點配置，以 CFD 模擬火災產生的濃 煙之流動與熱傳問題，計算模型格點的解析度需達一定之尺寸，方可得到收斂， 以確保計算結果之正確。FDS 以火源附近最小長度尺度(length scale)為火災特徵 直徑(Characteristic fire diameter, D*)，其方程式[18]如下：5 2 * ⋅ ⋅ ⋅ = ∞ ∞ • g T c D p Q ρ (4.7) 上式中 D*：火災特徵直徑，(m) Q ：火源的釋熱率，kW ρ∞：外氣空氣密度，(kg/m3 ) Cp：定壓空氣比熱，(kJ/kg/K) T∞：外界空氣溫度，(K) g：重力加速度，(m/s2) 參考 NFPA 92 建議值，火載量取 Q = 1 MW，計算 D* 為 0.97m，遵循美國 核管理委員會 NUREG-1824 [19]，格點大小建議 D* / max(Δδ) = 4 ~ 16，則 max(Δδ) 約為 0.24 ~ 0.06 m，此值可作為初步估計火源附近所需合理之格點尺寸。 變化火場附近之格點尺寸。擬定 4 個模擬案例，模型之格點配置採均勻格點，以 進行分析格點精度對數值計算結果之影響。(Δδ = 0.25 m、0.20 m、0.15 m、0.10
表 4.3 火災模擬格點獨立分析案例 案例 格點尺寸 (m) 格點數目 總網格數 D*/max (Δδ) CPU time (hr) δx δy δz 1 0.10 0.10 0.10 200×216×40 1,728,000 9.70 99.229 2 0.15 0.15 0.15 134×144×27 520,992 6.47 24.150 3 0.20 0.20 0.20 100×108×20 216,000 4.85 8.708 4 0.25 0.25 0.25 80×90×18 129,600 3.88 3.984
CFD 模擬火源為 NFPA 之「T-Square」模型，屬極快速(Ultra fast)成長模型， 由模擬時間為 0 秒火源規模為 0MW 開始，達到最大熱釋放率 1 MW 之模擬時間 設為 74 秒，之後持續維持此一穩態之釋熱量至 600 秒後模擬結束，如圖 4.3 所示。 圖 4.3 格點分析火源熱釋放率 關於 CFD 計算程式格點精度，對於物理上時間及空間之斂散行為，因此必 須選擇與燃燒有關的物理量來檢驗格點精度的收斂性。FDS 內建可輸出之物理量 有溫度、壓力、CO 濃度…等等，依前述理由，本模擬選用溫度為分析參數。因 此本模擬直接取模擬時間 600 秒時，隧道火源上方、短向剖面中心處之平均值、 沿隧道軸向，繪出溫度分布，在不同格點配置下計算結果之溫度差異，其火源中 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 1,100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 H ea t R el ea se R a te ( k W ) Time (second)
Heat Release Rate
圖 4.4 量測點分布圖 在火源正上方 2.0m 處，依照各網格精度沿軸向 X 與 Y 軸向，在不同位置下 繪出溫度分布。除了取樣位置過於接近火源的偵測點，所量測到的溫度值變化較 大，不容易判各網格精度之間的差異。其他區域的偵測點所量測到的溫度值都較 為穩定，在網格精度Δδ = 0.10m、0.15m、0.20m 顯然有頗高之一致性，網格精度 Δδ = 0.25 m 則與其他案例差別較大，如圖 4.5~圖 4.6 所示。 圖 4.5 格點分析溫度分布(Z = 2.0 m，沿 X 軸向 1.5 m 位置) 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 T E M P E R A T U R E ( ℃ ) SEC (s)
X軸火源中心1.5m溫度
0.10 0.15 0.20 0.25 量測點 火源中心 X 軸 Y 軸 Z 軸圖 4.6 格點分析溫度分布(Z = 2.0 m，沿 Y 軸向 1.5 m 位置) 整體而言，案例 1 (Δδ = 0.10 m)、案例 2 (Δδ = 0.15 m)與案例 3 (Δδ = 0.20 m) 比較之計算均有較高一致性，明顯具有良好的收斂值及重複性。而案例 4 (Δδ = 0.25 m)，則與其他案例有明顯差別。為兼顧網格精度與配合現今計算機硬體之計 算能力，由上述分析，本研究模擬之格點尺寸，採用案例 3 之格點尺寸，Δδ = 0.20 m 進行模擬。 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 T E M P E R A T U R E ( ℃ ) SEC (s)
Y軸火源中心1.5m溫度
0.10 0.15 0.20 0.25第五章 空調兼用排煙研究
第一節 實例實地現堪及案例分析
5.1.1 實例實地現堪
由於本研究案，將對實例場所做空調設備與排煙設備的改善工作，為避免造 成未來所內經費核銷困擾，故不適合選址於私人企業或場所，因此實例現勘場所 選定：國立臺北科技大學 行政大樓 三樓(如圖5.1~5.7)，本實例亦為公務單位且 與本研究團隊有地緣關係，該單位承辦人員可協助配合相關，改善工作與實驗工 作的執行。 本項之重點為： 1. 尋找之實例為即有合法建築，有願意提供場地供本計畫進行測試。 2. 以無害熱煙，採用煙流可視化分析。 3. 為改善空調及排煙設備間之交互影響，本計畫可提供部份改善經費，驗 證改善成果，故以公務單位為優先考量。 4. 測試案例符合現行法規，本計畫目標為進一步提升避難安全。 5. 改善項目包括控制件，管件等，降低空調與排煙設備間之交互影響。 圖 5.1 現勘圖-實例單位 圖 5.2 現勘圖-實例建築外觀圖 5.3 現勘圖-實例建築外觀
圖 5.5 現勘圖-會議室
圖 5.6 現勘圖-倉庫
圖 5.4 現勘圖-辦公區域
5.1.2 案例分析
國立臺北科技大學，行政大樓，三樓，主要用途為辦公區域及會議室，該空 間目前並無消防排煙設備的設置，其建築空間描述，如圖5.8所示。 1. 建築結構：RC 構造。 2. 內部構造：室內以矽酸鈣板裝修區劃四個獨立空間使用。 3. 茶水間(空調機房)：約 8m2。 4. 倉庫：約 36m2。 5. 會議室：約 110m2。 6. 辦公區域：約 104m2。 圖 5.8 建築平面圖第二節 空調兼用排煙系統之介面問題分析
1. 風管大小的設計差異： 空調系統是以空間的空調負荷設計風管大小，排煙風管是以 1CMM/m2， 兩者設計基礎不同，風管否適用需再確認。 2. 適用風速的差異： 空調風管建議最高風速約 10m/s，排煙風管風速可能高於 10m/s。兩者產 生的振動與噪音不同，風管否適用需再確認。 3. 風門及風管耐溫的差異： 排煙使用的風管及風門耐溫及洩漏率等級皆高於空調使用，選用風管及 風門時等級需提高。 4. 控制風門切換的時機與控制邏輯： 空調風門多用常開型(Normally open)風門，排煙風門多用常閉型(Normally closed)風門，兩種風門的控制方法與控制邏輯不同須注意，如下圖 5.9 所 示。 圖 5.9 VAV 空調系統之控制流程圖 (本研究自行整理) 5. 空調風機與排煙風機的起停控制邏輯： 空調風機與排煙風機若同時開啟，在空調使用時會降低冷房能力，在排 煙使用時會加速煙塵的擴散，操作時須確保同時開啟的交互引響。6. 保溫材的差異： 空調風管常用保溫來隔熱，使用於排煙時保溫材的耐火等級需提高。保 溫的方式也須調整成外保溫。 7. 區劃的差異： 空調風管常以主風管、次風管依序供應到不同的空調空間。但排煙風管 因為防火區劃的不同，其風管的設計與路徑也會調整以滿足法規。 8. 風量調整： 空調風管為確保個空調空間的風量平衡，多增設調節風們以方便 TAB 的 執行，排煙風門並無 TAB 需求。 9. 空調兼排煙： 空調使用與排煙使用，需增設切換的控制風門，如下圖 5.10 所示。 圖 5.10 空調兼排煙風門增設示意圖
第三節 模型說明
本研究案例分為四個獨立空間分別為會議室、倉庫、辦公區域、茶水間(空調 機房)，空調系統係以空氣調節箱送風，搭配送風風管供風，回風則採用走道空間 作為回風通道，如下圖5.11所示。火源假設於會議室，近風管之盡頭。
第四節 模擬情境說明
本研究各項模擬案例條件說明，如表5.1所示： 1. 火源：1000 kW，會議室失火。 2. 空調箱：冷凍能力 10 RT，風量 1.8 m3/s。 3. 排煙風機：風量 4.4 m3/s (以最大區劃 2 倍面積計算)。 4. 動作時間：偵煙器啟動後(模擬時間 0 秒)，風門關閉，後排煙機全載運轉 (模擬時間 75 秒)。 5. 送風口：風速 1m/s，面積 0.1m2，18 口。 6. 排煙口：風速 11 m/s，面積 0.4m2，1 口。 7. 模擬時間：0~600s。 8. 環境溫度：20℃。 表 5.1 各模擬案例條件說明 編號 空調設備 排煙設備 說明 Case 1 開啟 無設備 現況，無設置排煙系統 Case 2 關閉 無設備 現況，無設置排煙系統 Case 3 開啟 開啟 空調與排煙風管各自獨立設置 Case 4 關閉 開啟 空調與排煙風管各自獨立設置 Case 5 關閉 開啟 空調兼用排煙5.4.1 煙塵隨空調風管蔓延問題
Case 1 & Case 2 模擬研究，以既有建築現況為基礎，分別以 Case 1 空調開啟 狀況與 Case 2 空調關閉狀況，來分析火災發生時，煙塵與溫度的擴散情形， 其建築模型，如圖 5.12 所示。
5.4.2 空調系統與排煙系統相互干擾
Case 3 & Case 4 模擬研究，以火災室加入獨立的排煙風管，分別以 Case 3 空 調開啟狀況與 Case 4 空調關閉狀況，來分析火災發生時，煙塵與溫度的擴散 情形，其建築模型，如圖 5.13 所示。
5.4.3 空調兼用排煙的可行性
Case 5 模擬研究，以空調風管兼用排煙風管，空調設備關閉、排煙設備開啟， 來分析火災發生時，煙塵與溫度的擴散情形，其建築模型，如圖 5.14 所示。
