防煙壁與排煙口位置對煙層高度影響之研究

國 立 交 通 大 學

工學院產業安全與防災學程

碩 士 論 文

防煙壁與排煙口位置對煙層高度影響之研究

Study on the Location of Smoke Barrier and Exhaust Port:

Its Relation with and Influence on Smoke Layer Height

研 究 生 : 洪 聖 旻

指導教授 : 陳 建 忠 教授

金 大 仁 教授

中華民國 九十八 年 九 月

防煙壁與排煙口位置對煙層高度影響之研究

Study on the Location of Smoke Barrier and Exhaust Port:

Its Relation with and Influence on Smoke Layer Height

研 究 生:洪 聖 旻 Student : Shen-Ming Hung

指導教授:陳 建 忠 Advisor : Chien-Jung Chen

金 大 仁 Advisor : Tai-Yan Kam

國 立 交 通 大 學

工學院產業安全與防災學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Degree Program of Industrial Safety and Risk Management College of Engineering

National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

in

Industrial Safety and Risk Management SEP 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

防煙壁與排煙口位置對煙層高度影響之研究

學生:洪聖旻 指導教授:陳建忠

金大仁

國立交通大學工學院產業安全與防災碩士班

摘要

排煙設備為目前公共場所及大型空間常見之消防安全設備，惟現行消防 安全設備設置標準採條例式規定，遇建築物形態構造較不同者，其排煙口 與防煙壁設置即有許多法規規定與實務適用之問題，故性能式煙控設計研 究方興未艾。97 年 05 月 15 日各類場所消防安全設備設置標準修正後增加 之規定，「防煙壁下垂高度未達八十公分時，排煙口應設在該防煙壁之下垂 高度內」，其立意似與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中防煙壁規定 相同。惟防煙壁設置之目的為何，其與蓄積煙層高度之關係，有待更進一步 研究。 本研究欲利用目前許多國內外學者使用並經驗證之 CFD 火災模擬軟體 -FDS (Fire Dynamics Simulator)為模擬工具，針對現行法規規定排煙口 與防煙壁裝置位置與性能深入研究，瞭解目前規定之性能為何，並比較中 國、日本相關規定，探討其排煙設備設置目的，綜合法規比較及模擬結果， 提出可供我國排煙設備相關規定修正之建議。

Study on the Location of Smoke Barrier and Exhaust Port: Its

Relation with and Influence on Smoke Layer Height

Student : Shen-Ming Hung Advisor: Chien-jung Chen

Advisor: Tai-Yan Kam

Degree Program of Industrial Safety and Risk Management College of Engineering National Chiao Tung University

Abstract

Smoke control equipments are the common fire safety equipment installed in public places and large space now. However, the existing standard for installation of fire safety equipments is assuming the form of prescription code, so when the building type or structure is different from the norm, problems are likely to emerge as how to apply the regulations to and how to actually perform the

installation of exhaust port and smoke barrier. This is why the

design and research of performance-based smoke control are just in

the ascendant. On May 15th

, 2008, Standard for Installation of Fire Safety Equipments Based on Use and Occupancy were revised with a new provision, “…and the depth of the draft curtain is under 80 cm, the vent shall be installed within the depth of the overhanging draft curtain.＂ This idea seems to be similar with the regulation for smoke barriers in Handbook of Verification Method for Building Fire Egress Safety. Nevertheless, the purpose of installing smoke barriers and its relationship with the thickness of smoke deserve further researching.

The thesis will use CFD-FDS (Fire Dynamics Simulator), the certified simulator used by scholars all over the world, to conduct research on the existing regulations for the position and function of exhaust port and smoke barrier. In doing so, the thesis will explore what function the current regulations has required. Moreover, by

comparing related regulations of China and Japan, the thesis will probe into the aim of installing smoke control equipments. Together with comprehensive comparison of regulations and simulation results, the thesis will offer advice on revision of the regulations for smoke control equipments.

誌 謝 少年易老學難成，一寸光陰不可輕，未覺池塘春草夢，階前梧葉已秋聲。 這是宋朝朱熹的詩句，恰巧也是我現在的寫照。匆匆三年已過，現才頓時 驚覺。總覺得還未到寫論文的時候，待要動筆之時，卻又有種種繁務纏身。 但三年之中也完成學分修讀、完成終身大事、渡蜜月、歷經兩次職務調動、 EMT II 訓練等人生經歷，這三年確實過得一點都不浪費。也因如此，總在 工作與論文寫作中奮鬥，雖未焦頭爛額卻也左支右絀，求學之道實為艱辛。 非常感謝陳建忠老師，於學生撰寫論文期間悉心指導，因為工作因素所 以在短時間內密集的與老師 meeting 並完成論文，造成老師您的不便在此 向您說聲道歉。亦感謝金大仁老師給予學生邏輯思考之訓練，論文每遇困 境，老師總能給我一盞學海明燈。當然也要感謝跟我一起找老師 meeting， 奮鬥論文的同學淑惠，讓我完成論文的現在覺得，有同學真好。還有幫我 組了一台夠快電腦，讓我跑 FDS 時間大幅縮短的高中好友文富。最後感謝 父母親與家人的支持鼓勵，及我的另一半寧慧的默默支持。當然也不能忘 了感謝，在我寫論文時總在腳邊晃來逛去靜靜陪伴的愛犬米魯酷。有了你 們，才有今天這篇論文的產生!

目錄 摘要...III ABSTRACT...IV 誌 謝...V 目錄...VI 表目錄...X 圖目錄...XI 符號說明...XVI 第一章 緒論...1 1.1 研究動機與目的 ... 1 1.1.1 研究動機 ... 1 1.1.2 研究目的 ... 1 1.2 研究範圍與限制 ... 2 1.2.1 研究範圍 ... 2 1.2.2 研究限制 ... 3 1.3 研究架構與研究流程 ... 3 1.3.1 研究架構 ... 3 1.3.2 研究流程 ... 4 第二章 法規回顧 ...6

2.1 消防相關法規規定 ... 6 2.1.1 各類場所消防安全設備設置標準 ... 6 2.1.2 各類場所消防安全設備設置標準規定疑義解釋內授消字第 0960824121 號 ... 9 2.1.3 各類場所消防安全設備設置標準規定疑義解釋內授消字第 0970821322 號 ... 10 2.1.4 小結 ... 13 2.2 建築相關法規規定 ... 13 2.2.1 建築技術規則建築設計施工編規定 ... 13 2.2.2 小結 ... 16 2.3 日本相關排煙規範 ... 16 2.3.1 消防法施行規則 ... 16 2.3.2 建築基準法施行令 ... 17 2.3.3 小結 ... 19 2.4 中國相關排煙規範 ... 20 2.4.1 中國建築設計防火規範 ... 20 2.4.2 高層民用建築設計防火規範 ... 22 2.4.3 小結 ... 22 2.5 綜合分析 ... 23

第三章 研究方法...26 3.1 研究工具-FDS 模擬軟體 ... 26 3.1.1 FDS 原理 ... 26 3.1.2 FDS 架構 ... 30 3.2 FDS 驗證 ... 31 3.2.1 其他學者驗證案例 ... 31 3.2.2 FDS 實際模擬驗證 ... 37 3.2.3 小結 ... 44 3.3 實驗設計 ... 45 3.3.1 火源設計 ... 45 3.3.2 煙層高度判定 ... 48 3.3.3 空間設計 ... 50 3.3.4 模擬格點選定 ... 51 3.3.5 排煙設備設計 ... 53 3.4 FDS 模擬情境設定 ... 53 第四章 FDS 模擬實驗結果 ...57 4.1 各情境平均煙層高度與時間關係圖 ... 57 4.1.1 樓高 4.5m，防煙壁高 0.5m 情境組 ... 57 4.1.2 樓高 4.5m，防煙壁高 0.8m 情境組 ... 61 4.1.3 樓高 4.5m 對照情境組 ... 65

4.1.4 排煙口高度 4.5m 全時開啟情境組 ... 67 4.1.5 樓高 3m 之情境組 ... 69 4.2 各情境煙層跨越防煙壁時間及第 120 秒時煙層分布情形 ... 73 4.2.1 各情境煙層跨越防煙壁時間比較 ... 73 4.2.2 各情境第 120 秒時煙層狀況圖 ... 85 4.3 小結 ... 98 第五章 結論與建議...107 參考文獻...111 附錄...116

表目錄 表 1 居室排煙設備裝置位置規定比較表(本研究整理)... 24 表 2 穩定火源設計基準表... 46 表 3 T-squared 火源對照表... 47 表 4 高度 4.5m FDS 模擬空間特性參數表... 53 表 5 高度 3m FDS 模擬間特性參數表... 54 表 6 FDS 模擬情境表... 55 表 7 樓高 4.5m 之排煙口、防煙壁高度-平均煙層高度對照表 ... 98 表 8 樓高 3m 之排煙口、防煙壁高度-平均煙層高度對照表 ... 100 表 9 樓高 4.5m 之防煙壁高度-阻煙性能對照表... 102 表 10 樓高 3m 之防煙壁高度-阻煙性能對照表... 103 表 11 各情境煙層跨越防煙壁位置時間表... 105

圖目錄 圖 1 研究架構圖 ... 4 圖 2 研究流程圖... 5 圖 5 平均天花板高度示意圖... 12 圖 6 有效排煙量計算流程... 14 圖 7 排煙效果係數計算流程... 15 圖 8 FDS 工作流程圖... 31 圖 9 VTT 驗證實驗空間尺寸圖... 38 圖 10 VTT 驗證實驗 1 空間示意圖(火源 2MW，自然通風關閉) ... 39 圖 11 VTT 驗證實驗 2 示意圖(火源 3MW，自然通風關閉)... 39 圖 12 VTT 驗證實驗 3 示意圖(火源 4MW，機械排煙開啟)... 40 圖 13 VTT 驗證實驗 1 第 120 秒熱電耦所在斷面煙層高度示意圖 ... 41 圖 14 VTT 驗證實驗 1 第 240 秒熱電耦所在斷面煙層高度示意圖 ... 41 圖 15 VTT 驗證實驗 1 第 360 秒熱電耦所在斷面煙層高度示意圖 ... 42 圖 16 VTT 驗證實驗 1 第 480 秒熱電耦所在斷面煙層高度示意圖 ... 42 圖 17 VTT 驗證實驗 1 煙層高度比較圖... 43 圖 18 VTT 驗證實驗 2 煙層高度比較圖... 43 圖 19 VTT 驗證實驗 3 煙層高度比較圖... 44 圖 20 初步煙層位置示意圖... 49 圖 21 N-百分比法原理示意圖... 50 圖 22 不同格點之時間平均軸心速度（熱釋放率＝24kW）... 52

圖 23 不同格點之時間平均軸心溫度（熱釋放率＝24kW）... 52 圖 24 FDS 模擬空間示意圖... 55 圖 25 情境 1 平均煙層高度時間圖... 58 圖 26 情境 2 平均煙層高度時間圖... 58 圖 27 情境 3 平均煙層高度時間圖... 59 圖 28 情境 4 平均煙層高度時間圖... 59 圖 29 情境 5 平均煙層高度時間圖... 60 圖 30 情境 6 平均煙層高度時間圖... 60 圖 31 情境 7 平均煙層高度時間圖... 61 圖 32 情境 8 平均煙層高度時間圖... 62 圖 33 情境 9 平均煙層高度時間圖... 62 圖 34 情境 10 平均煙層高度時間圖... 63 圖 35 情境 11 平均煙層高度時間圖... 63 圖 36 情境 12 平均煙層高度時間圖... 64 圖 37 情境 13 平均煙層高度時間圖... 64 圖 38 情境 14 平均煙層高度時間圖... 65 圖 39 情境 15 平均煙層高度時間圖... 66 圖 40 情境 16 平均煙層高度時間圖... 67 圖 41 情境 17 平均煙層高度時間圖... 68 圖 42 情境 18 平均煙層高度時間圖... 68 圖 43 情境 19 平均煙層高度時間圖... 69

圖 44 情境 20 平均煙層高度時間圖... 70 圖 45 情境 21 平均煙層高度時間圖... 70 圖 46 情境 22 平均煙層高度時間圖... 71 圖 47 情境 23 平均煙層高度時間圖... 71 圖 48 情境 24 平均煙層高度時間圖... 72 圖 49 情境 1 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 73 圖 50 情境 2 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 74 圖 51 情境 3 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 74 圖 52 情境 4 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 75 圖 53 情境 5 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 75 圖 54 情境 6 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 76 圖 55 情境 7 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 76 圖 56 情境 8 第 24 秒時煙層跨越防煙壁... 77 圖 57 情境 9 第 24 秒時煙層跨越防煙壁... 77 圖 58 情境 10 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 78 圖 59 情境 11 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 78 圖 60 情境 12 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 79 圖 61 情境 13 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 79 圖 62 情境 14 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 80 圖 63 情境 15 第 60 秒煙層情形... 80 圖 64 情境 16 第 20 秒時煙層達空間正中央(防煙壁)位置 ... 81

圖 65 情境 17 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 81 圖 66 情境 18 第 20 秒時煙層跨越防煙壁... 82 圖 67 情境 19 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 82 圖 68 情境 20 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 83 圖 69 情境 21 第 24 秒時煙層跨越防煙壁... 83 圖 70 情境 22 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 84 圖 71 情境 23 第 22 秒時煙層跨越防煙壁... 84 圖 72 情境 24 第 26 秒時煙層跨越防煙壁... 85 圖 73 情境 1 第 120 秒煙層狀況圖... 86 圖 74 情境 2 第 120 秒煙層狀況圖... 86 圖 75 情境 3 第 120 秒煙層狀況圖... 87 圖 76 情境 4 第 120 秒煙層狀況圖... 87 圖 77 情境 5 第 120 秒煙層狀況圖... 88 圖 78 情境 6 第 120 秒煙層狀況圖... 88 圖 79 情境 7 第 120 秒煙層狀況圖... 89 圖 80 情境 8 第 120 秒煙層狀況圖... 89 圖 81 情境 9 第 120 秒煙層狀況圖... 90 圖 82 情境 10 第 120 秒煙層狀況圖... 90 圖 83 情境 11 第 120 秒煙層狀況圖... 91 圖 84 情境 12 第 120 秒煙層狀況圖... 91 圖 85 情境 13 第 120 秒煙層狀況圖... 92

圖 86 情境 14 第 120 秒煙層狀況圖... 92 圖 87 情境 15 第 120 秒煙層狀況圖... 93 圖 88 情境 16 第 120 秒煙層狀況圖... 93 圖 89 情境 17 第 120 秒煙層狀況圖... 94 圖 90 情境 18 第 120 秒煙層狀況圖... 94 圖 91 情境 19 第 120 秒煙層狀況圖... 95 圖 92 情境 20 第 120 秒煙層狀況圖... 95 圖 93 情境 21 第 120 秒煙層狀況圖... 96 圖 94 情境 22 第 120 秒煙層狀況圖... 96 圖 95 情境 23 第 120 秒煙層狀況圖... 97 圖 96 情境 24 第 120 秒煙層狀況圖... 97 圖 97 樓高 4.5m 情境-煙層高度比較圖... 99 圖 98 樓高 3m 情境-煙層高度比較圖... 100 圖 99 樓高 4.5m 防煙壁-火源側煙層高度比較圖... 102 圖 100 樓高 3m 防煙壁-火源側煙層高度比較圖... 103

符號說明

E:

每一防煙區劃之排煙量 * A:每一防煙區劃之排煙有效係數 e

V

:該居室有效排煙量 room A :該居室樓地板面積 top H :該居室最大高度 sc A :防煙區劃面積 w H :防煙壁下緣高度 st H :有效開口上端之平均高度

w

:有效排煙口之排煙能力

ρ

:流體密度

u

、

v

、

w

:三維方向之速度

g

:為重力加速度

T

:溫度

Cp

:比熱

k

:熱傳導係數

p

:壓力

R

:理想氣體常數

H

:總壓力 *

D

:特徵火源直徑 . Q:熱釋放率

0

ρ

:空氣密度 0

C

:空氣比熱 0

T

:環境溫度 Q：火源的熱釋放率 a：火源的成長係數 t：開始燃燒後的時間 0

t

：著火時間

( )

t

T

_ref

Δ

:煙層下降至測點之溫度與環境溫度之差

(

z

t

T

_all

,

)

)

:煙層至某測點之溫度

(

all amb

z

T

:當時所在環境溫度 Z:樓層高 u

T

:氣體上層溫度 l

T

:氣體下層溫度 int

z

:氣體中介面高度。

第一章 緒論

1.1 研究動機與目的 1.1.1研究動機 排煙設備為目前公共場所及大型空間常見之消防安全設備，現行法規規 定大於 100 平方公尺之居室即須設置排煙設備。現行消防安全設備設置標 準乃採條列式規定，但目前眾多新型態建築物因構造、用途關係無法適用 排煙設備規定，而委託學者、專家採煙控設計送消防署專案審核1 。且產、 學界已有許多針對特定空間之煙控、性能式排煙等相關研究，儼然成為排 煙研究之主流。惟上述特殊空間型態建物畢竟屬於少數，其餘為數眾多之 一般建築物仍適用現行法規，其排煙設備之排煙口2 與防煙壁設置仍有許多 適用之問題，造成設計、裝置、審查及檢查之困難，故本研究欲針對現行 排煙法規中之排煙口與防煙壁之高度、位置等規定，利用FDS軟體做一基礎 研究，以期解決其設計、裝置上之困難。而過去各類場所消防安全設備設 置標準與建築技術規則皆對防煙壁與排煙口設置有所規範，兩者條文多所 不同。但民國 97 年 03 月 13 日建築技術規則修訂及民國 97 年 05 月 15 日各 類場所消防安全設備設置標準修正後排煙設備相關條文已可以競合，其面 臨相同之困境。希能以此研究瞭解防煙壁、排煙口之作用與性能，以做為 法規修正之芻議。 1.1.2 研究目的 1_{依各類場所消防安全設備設置標準第 2 條規定。} 2 _{本研究之排煙口僅限於機械排煙。}

目前我國各類建築物建造時所遵循的消防安全設備法規，為「各類場 所消防安全設備設置標準」。本法中，有關排煙口與防煙壁設置位置部分， 僅規定防煙壁下垂之深度、排煙口位置等。各類場所消防安全設備設置標準 第 188 條第三項規定:「…排煙口設於天花板或其下方八十公分範圍內…前 項之防煙壁，指以不燃材料建造，自天花板下垂五十公分以上之垂壁或具有 同等以上阻止煙流動構造者…」。以修法前之防煙壁功能而言，其明文為阻 止煙流動之構造。但修法後又加註「防煙壁下垂高度未達八十公分時，排煙 口應設在該防煙壁之下垂高度內」，此規定似賦予防煙壁蓄煙供排煙口排煙 之作用，並更嚴格限制排煙口位置。且高 50 公分以上之天花板下結構物即 為防煙壁。以目前建築物狀況而言，若防煙壁下垂高度未達八十公分時，排 煙口應設在該防煙壁之下垂高度內，則樓板荷重大之場所，如工廠等，其樓 板下必以較密之格子樑設計以承重。若該場所之樑深皆大於 50 公分，則以 現行法規規定每一格子樑區劃皆須設置排煙口且須於防煙壁高度之上3 。實 際上施作困難且不符經濟效益，類似情形實所多見。故欲以本研究探討防煙 壁其設置目的為何?及排煙口位置對煙層蓄積高度影響為何?並由研究結果 提出合理有效之裝置建議。 1.2 研究範圍與限制 1.2.1 研究範圍 1.以目前我國各類場所消防安全設備設置標準及建築相關法規中有關防

煙壁及排煙口裝置規定為研究範圍，並比較日本、中國之相關法規，分 析其規定差異及設置目的。 2.探討我國相關規定中之防煙壁與排煙口，其設置位置對煙層之影響。 3.本研究以美國NIST所製作之CFD火災模擬軟體FDS5.3為模擬實驗工具。 1.2.2 研究限制 1.模擬實驗空間係依各類場所消防安全設備設置標準之規定應設防煙區劃 空間，以 500m²為 1 區劃，共設 2 區劃，其中央設防煙壁分隔。模擬空間 高度，依法若高於 5 米則排煙口可設於 1/2 樓地板高度即可，故高度採 4.5m。研究空間尺寸為 50m×20m×4.5m，材質為混凝土。 2.火源設計採較安全設計，其規模參考相關學者研究數據，採中等規模穩態 丙烷火源位於一側區劃之角落處，釋熱率為 2MW。 3.排煙口為考慮研究結果收斂，於火源側設一組位於該區劃正中央，非採實 務考慮風機能力及風損，將 500m²防煙區劃再予細分成更多小區劃。尺寸 採實務常用 0.6m×0.6m 尺寸。 4.本研究係防煙壁及排煙口與煙層高度相對關係之研究，FDS 除模擬煙流狀 態及高度外，不考慮其他參數。 5.本研究實際執行 FDS 模擬前已預做測試模擬，發現模擬至 120 秒時煙層已 呈穩定狀態。故為節省模擬花費時間，FDS 模擬時間共 120 秒。 1.3 研究架構與研究流程 1.3.1 研究架構

法規學理面 國內排煙口與防煙 壁法規規範 中國、日本排煙口與防煙 壁法規規範 研究工具 FDS 排煙口與防 煙壁配置組合 模擬 FDS 驗證 工程實務面 排煙口與防煙壁實 務上裝置遭遇之難 題 合理有效之排煙口與防煙壁 配置 圖 1 研究架構圖 本研究之架構先比較各國相關之排煙條例式法規後，發現僅日本及中國 有類似規定。故以我國規定與此二國規定做比較，探討其中之差異。並以我 國目前排煙實務上所面對之問題做為參照，以期除改良目前規定矛盾之處且 亦能解決目前實務上之困境。而使用之研究工具 FDS，先探討其使用限制及 模擬之正確性，確保操作使用正確及能產出可用結果。以多種防煙壁及排煙 口之配置探討防煙壁與排煙口之性能，並以結論探討防煙壁設置之實際功能 為何與能因應多種建築型態之防煙壁、排煙口裝置規定。 1.3.2 研究流程

研究動機 排煙口與防煙避配置 組合及模擬空間建立 FDS模擬結果 結論與建議 台灣、日本、中國 排煙口及防煙壁 規定比較分析 文獻回顧 FDS 原理與驗 證 圖 2 研究流程圖

第二章 法規回顧

2.1 消防相關法規規定 排煙設備原規定於建築技術規則中，非屬消防安全設備。因民國 79 年 至 86 年期間發生多起重大傷亡火災［1］，且火災產生之濃煙常造成消防 人員搶救困難，故民國 82 年 12 月份召開內政部建管、消防專案協商小組 第一次會議，並以內政部 82.12.3.台(82)內營字第 8289332 號函將室內排 煙設備列入消防機關之消防安全設備審驗［2］。自民國 85 年修訂之各類 場所消防安全設備設置標準中才明確規範室內排煙標準(78 年版各類場所 消防安全設備設置標準中，只規範緊急昇降機間及特別安全梯間之排煙設 備)。而於各類場所消防安全設備設置標準中之排煙設備分為 2 種，即自然 排煙及機械排煙。自然排煙為採達樓地板面積 2%之天花板下 80 公分內開 口，利用熱對流方式將煙排出。因其為排煙區劃全空間檢討，較少再以防 煙壁區劃，幾無排煙口與防煙壁裝置位置之問題，故本研究不予討論。而 機械排煙受限於風機能力、排煙口尺寸，通常有個別排煙口排煙能力之限 制，故需將空間切割為符合其排煙能力之排煙區劃。有關排煙口與防煙壁 規範如下。 2.1.1 各類場所消防安全設備設置標準 各類場所消防安全設備設置標準第 28 條為規定應設排煙設備場所，其主 要須裝置場所為:

供第十二條第一款及第五款第三目所列場所使用，樓地板面積合計在五百 平方公尺以上。 樓地板面積在一百平方公尺以上之居室，其天花板下方八十公分範圍內之 有效通風面積未達該居室樓地板面積百分之二者。 樓地板面積在一千平方公尺以上之無開口樓層。 而前項場所之樓地板面積，在建築物以具有一小時以上防火時效之牆壁、 平時保持關閉之防火門窗等防火設備及各該樓層防火構造之樓地板區劃， 且防火設備具一小時以上之阻熱性者，增建、改建或變更用途部分得分別 計算。 而第 188 條為應設後須如何設置之規定，主要規定有以下數項: 每層樓地板面積每五百平方公尺內，以防煙壁區劃。但戲院、電影院、歌 廳、集會堂等場所觀眾席，及工廠等類似建築物，其天花板高度在五公尺 以上，且天花板及室內牆面以耐燃一級材料裝修者，不在此限。 地下建築物之地下通道每三百平方公尺應以防煙壁區劃。 依第一款、第二款區劃（以下稱為防煙區劃）之範圍內，任一位置至排煙 口之水平距離在三十公尺以下，排煙口設於天花板或其下方八十公分範圍 內，除直接面向戶外，應與排煙風管連接。但排煙口設在天花板下方，防 煙壁下垂高度未達八十公分時，排煙口應設在該防煙壁之下垂高度內。 排煙設備之排煙口、風管及其他與煙接觸部分應使用不燃材料。 排煙口之開口面積在防煙區劃面積之百分之二以上，且以自然方式直接排 至戶外。排煙口無法以自然方式直接排至戶外時，應設排煙機。

排煙機應隨任一排煙口之開啟而動作。排煙機之排煙量在每分鐘一百二十 立方公尺以上；且在一防煙區劃時，在該防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 一立方公尺以上；在二區以上之防煙區劃時，在最大防煙區劃面積每平方 公尺每分鐘二立方公尺以上。但地下建築物之地下通道，其總排煙量應在 每分鐘六百立方公尺以上。 前項之防煙壁，指以不燃材料建造，自天花板下垂五十公分以上之垂壁或 具有同等以上阻止煙流動構造者。但地下建築物之地下通道，防煙壁應自 天花板下垂八十公分以上。 97 年 5 月 15 日各類場所消防安全設備設置標準修訂前，排煙口規定須 裝置於天花板下 80 公分範圍內，防煙壁為天花板下 50 公分之不燃材料構 造。以其規定來說防煙壁並無特別做為蓄煙供排煙口排煙之用，純為阻止 煙流動之構造。但設置標準修訂後增加「但排煙口設在天花板下方，防煙 壁下垂高度未達八十公分時，排煙口應設在該防煙壁下垂高度內」規定。 以此規定凡防煙壁未達 80 公分則排煙口均應設在其下垂高度內，造成非地 下建築物及地下通道之一般場所若應設排煙設備，則天花板下所有大於 50 公分之不燃構造物所圍起之範圍內，皆須裝置排煙口。因本條規定第一款 第三項中明定依第一款、第二款區劃（以下稱為防煙區劃）之內，排煙口 設於天花板或其下方八十公分範圍內，而此增加之規定將排煙口之位置限 制於防煙壁之上，較法規修訂前明確1，但卻造成排煙設備檢討及裝置之問 1 _{法規修訂前因未規範排煙口與防煙壁相對位置，故各縣市排煙設備審驗上有所不同。} 如可能將排煙口裝置於天花板下 80 公分後，要求再將防煙區劃用防煙壁向下延伸至低

題2 。此應為法規邏輯出現衝突，應尋合理解決途徑。而法規於 28 條規定應 設之場所，第 188 條規定應如何設置排煙設備(防煙壁、排煙口)，再於第 190 條規定如何免設。而大部分場所無論是否應設排煙設備，其天花板下必 有可形成防煙壁之樑柱等構造，故形同已有設部分排煙設備。而若此場所 應設排煙設備時，又須依法規規定區劃，但因已有部分已形成區劃之樑柱 構造，則必使區劃更形複雜，甚產生衝突。又先規定應設場所再予以排除， 此種法規編排邏輯必產生矛盾，合理方式為先規定排除之方式，無法滿足 排除規定者才需設置排煙設備，此方式可避免法規自相矛盾之發生。 2.1.2 各類場所消防安全設備設置標準規定疑義解釋內授消字第 0960824121 號 提案六：依各類場所消防安全設備設置標準第188條應設置機械排煙設 備之場所，天花板多處設有樑者，其排煙口及防煙壁設置疑義。 決議：應設排煙設備場所之樑為裸露式者，交錯之樑形成之各防煙區劃 皆應設置排煙口。但其樓地板面積每500平方公尺防煙區劃內， 防煙壁及排煙口之設置，符合各類場所消防安全設備設置標準第 188條第1項第3款規定，並符合下列規範者，不在此限。 A＋X≧ 50 (1) （A＋X）－B≧30 (2) 2 _{法規修訂前若遇天花板下格子樑(若均大於 50 公分)，雖大於 50 公分之不燃構造物皆} 為防煙壁，但排煙口可裝置於天花板下 80 公分內，只須註記某部分樑其為供防煙區劃 區隔用即可符合規定。而修訂後排煙口須裝置於未滿 80 公分之防煙壁上方，則每一格 子樑區劃之空間皆須裝置排煙口，困難度及成本大增。

式中，A：大樑深度（cm）。 B：中樑深度（cm）。 X：大樑下加設之垂壁高度（cm），其值得為0。 A＋X：防煙壁下垂高度（cm）。 此疑義解釋規定應設排煙場所其天花板下裸露超過 50 公分之樑，其形 成之區劃(以下簡稱格子樑區劃)內皆須設置排煙口，符合設置標準第 188 條 之規定。惟此解釋規定之計算方式當大樑加防煙壁下垂高度(A＋X)大於 80 公分時，中樑 B 為 50 公分則符合（A＋X）－B≧30。其結果表示認定以大樑 (A＋X)為防煙區劃之防煙壁，中樑 B 就算大於或等於 50 公分亦不為防煙區 劃用防煙壁。此計算方式明顯違反設置標準第 188 條中「防煙壁，指以不燃 材料建造，自天花板下垂五十公分以上之垂壁或具有同等以上阻止煙流動 構造者」之規定，且若樑深皆大於 50 公分未滿 80 公分，則每一樑之區劃皆 須設排煙口，亦不符合經濟。 2.1.3 各類場所消防安全設備設置標準規定疑義解釋內授消字第 0970821322 號 提案四：有關同一防煙區劃天花板高度不同時，排煙口之有效範圍認定疑義。 決議：按各類場所消防安全設備設置標準第188條第1項第3款明定，排煙口設 於天花板或其下方80公分範圍內；另內政部93年5月21日內授消字第 0930091048號令提案5決議明文，建築物天花板或斜屋頂與牆壁交接處 高度在5公尺以上，其排煙設備之排煙口符合所定要件者，該排煙口得

劃之天花板高度不同時，其排煙口有效範圍，視實際個案空間配置條 件，依下列方式之一認定： 一、天花板高度僅分為高低兩層，排煙口緊鄰較高天花板，則較高天花板 之橫寬在80公分以上者，其排煙口之有效範圍，為較高天花板下方80 公分範圍內；較高天花板之橫寬未達80公分者，其排煙口之有效範 圍，為較低天花板下方80公分範圍內（圖3參照）。 二、核算平均天花板高度，視為前開規定天花板之高度。平均天花板高度 未達5公尺者，其排煙口之有效範圍，為平均天花板高度下方80公分 以上之範圍；平均天花板高度在5公尺以上者，其排煙口之有效範圍， 為平均天花板高度二分之一以上之範圍。平均天花板高度，指防煙區 劃部分樓地板面積除以防煙區劃部分容積之商（圖4參照）。 _{H2為排煙口之有效範圍。H1及H2≦} 80cm。 L＜80cm時， L≧80cm時， H1為排煙口之有效範圍。 圖 3 有效天花板高度示意圖

S：防煙區劃部分之樓地板面積(m2 ) V：防煙區劃部分之容積(m3 ) 式中，H：平均天花板高度(m) H=V／S 圖 4 平均天花板高度示意圖 此疑義解釋第一項針對小範圍天花板高低差較無疑義，而第二項將較大 範圍天花板高低差空間之天花板高度計算，採建築技術規則建築設計施工編 第1條第1款第14項規定，以其室內樓地板面積除室內容積之商作天花板高 度。若空間形狀與圖B類似則排煙口之裝置位置並無爭議，但若其空間剖面 形狀如下圖5 圖 5 平均天花板高度示意圖 則依此規定則平均天花板高度將高於較低處B，即平均天花板水平面將於A 或C空間內。若B處天花板相對A及C處高低差大於50公分，依各類場所消防 安全設備設置標準第188條規定「防煙壁，指以不燃材料建造，自天花板下 垂五十公分以上之垂壁或具有同等以上阻止煙流動構造者」，則若排煙口 設於A處，則就C處而言其受B處(可視為一超寬樑)之落差區劃，依2.1.3節

所述「應設排煙設備場所之樑為裸露式者，交錯之樑形成之各防煙區劃皆應 設置排煙口」，則C處亦需設置排煙口。則此時若採平均天花板高度為基準， 排煙口之設置即無法滿足前述相關規定。 2.1.4 小結 目前各項消防安全設備如發生法規疑義時，皆由消防署做統一疑義解 釋。排煙設備相關疑義自各類場所消防安全設備設置標準施行以來，提問 次數名列前矛，而針對所提出疑義之解釋通常未整體通盤考量，致解決此 問題卻造成另一問題。今日修法後增加之排煙口須於防煙壁之上之規定， 未經條文整體修正而直接加註，造成滯礙難行，且對防煙壁之名詞定義應 更明確，及對其功能做基礎研究，以免造成實務應用上之誤解。我國法規 常引用自國外先進國家，引用時應先瞭解其來龍去脈，如須修改以符合我 國國情時，應整體修正而非僅修改部分，以免造成法規之自我矛盾。 2.2建築相關法規規定 2.2.1 建築技術規則建築設計施工編規定 其第100條、第101條與第215之規定原則與各類場所消防安全設備設置標 準第28條、第188條與第189條相同，其規定修訂後已可互通。而內政部建築 研究所發行之建築物防火避難安全性能驗證技術手冊為依據建築技術規則 總則篇第三條及第三條之四所稱「建築物防火避難安全性能設計計劃書」 中之避難計劃之避難安全性能驗證規定［3］。其非採條例式之規定，而以 公式之計算以得到一定之防火與避難性能，雖仍未達到完全針對場所量身

定做之性能式設計，但仍為我國性能式法規之濫觴。其中關於現行排煙相 關計算簡述如後。 有效排煙口之排煙能力

E

乃依據排煙口的數量、排煙方式及設置位置 計算；而排煙效果係數 * A則依據區劃內否設置防煙垂壁、設置之位置、防 煙區劃之面積來計算，其流程如下［4］:

而居室無論分割為幾個防煙區劃，火源周邊之防煙區劃，因煙直接蓄積 而煙層較厚，則有效排煙量大；反之若居室內部只有一防煙區劃，因區劃 較大而使煙層較薄，有效排煙量也隨之變小。又排煙量會隨著煙層的厚度 增加而增大，防煙壁的設置乃為使火源附近之煙層厚度增加，提高該防煙 區劃排煙口之排煙能力。如防煙區劃較大之場所，其煙層蓄積時間長，則 排煙效果係數小；但防煙壁高度較大之場所，其可蓄積較厚煙層，則排煙 效果係數較大。排煙效果係數之計算流程如下: 圖 7 排煙效果係數計算流程 而機械排煙之排煙量計算如下式

( )

(

)

_⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ₋ = =

∑

∑

2 3 8 . 1 9 . 3 , min min min e w H w E _c (3) (3)式中第一項 表示有效排煙口排出的能力，其排煙量值可能比實際排煙 機的排煙能力小，故一般規定為其上限值。第二項 w

(

)

2 3 8 . 1 9 . 3 Hc − w (Hc為排

煙口之高度)表示由排煙機所排除排煙口下方煙層之有效排煙量。由上述內 容可知，依目前建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中之計算式，可知 防煙壁之目的為蓄積煙層以提高排煙效果係數，亦即蓄煙而非單純阻止煙 流動之構造。而排煙口之目的主要為排出排煙口下方至高度1.8m處之煙 層，使煙層不致低於1.8m之安全範圍。 2.2.2 小結 我國建築與消防法規之排煙口與防煙壁之規定修訂後兩者已能競合。排 煙口須裝置於天花板下80公分內之規定，應由有效通風之高度推演而來， 因煙有向上蓄積之特性，若開口未設於天花板下一定範圍內，則煙無法順 利於開始蓄積初期順利排出。此原則亦適用於自然排煙，限制開口之高度 及大小後即能有一定之排煙效果。而機械式排煙規定亦沿用有效通風及自 然排煙之高度限制概念，未另行規範，且防煙與排煙區劃未做詳細說明， 設置之邏輯前後順序並不明確。依建築物防火避難安全性能驗證技術手冊 之類性能式規定，其防煙壁與排煙口設置之目的相對清楚明確，一為增加 有效排煙量，另為排出排煙口下方至高度1.8m處之煙層。承上，就法規而 言，為減少適法性之困擾，仍應清楚明訂規定之目的與名詞之定義，並須 針對設置之邏輯順序做重新檢討。 2.3 日本相關排煙規範 2.3.1 消防法施行規則 第三十條第一款

イ 從天花板下設50公分以上(第二十八條第一項第一號所列防火對象，採 80公分以上)之垂壁或其他同等性能以上之不燃材料造或包覆之阻煙 構造。(以下稱防煙壁)樓地板面積五百平方米(第二十八條第一項第一 號之防火對象，採三百平方米)以下，至少須設一區劃(以下稱防煙區 劃)。但於有設給氣口(只限於用風管連接者)之防煙區劃，能有效排除 煙之情形下，不在此限。 ロ _{防煙區劃內任一點至排煙口距離須小於30公尺。} ハ _{防煙壁須設置於天花板至樓地板高度1/2以上。} ニ 排煙風管須直接接予外氣流通處。 ホ 排煙口之構造由下訂之。 (イ) 當排煙口排煙時，不得因其排煙產生之氣流以致關閉。 (ロ) 排煙用之風管在排煙以外時須保持氣密，以確保排煙性能及安全。 2.3.2 建築基準法施行令 第３節 排煙設備 第116條之2 依本法第35條(含本法第87條第3項、第127條適用場所)中有關居室之通 風窗或其他開口另行規定，其規定如下。 1. 其面積合計須達該居室面積1/20以上(須為第20條規定有效採光計算之 部分) 2. 可開啟通風之面積合計須達該居室面積1/50以上(須在天花板下80厘米 範圍內)。

若由隔扇、拉窗及其他隨時能打開之裝置所隔開之2室，於前項計算面積 計算時，可做為1室計算。 第126條之2 由法規附表1中欄1到4中所列之總面積超過500平方米，樓層數3層以上總 面積大於500平方米的特殊用途建築物(高度31米以下之居室，地板面積 100平方米以內，以分間牆或天花板下方以不燃材料造或包覆之50厘米以 上垂壁或其他具同等效能以上阻止煙流動構造「以下稱防煙壁」所區劃 者外)，及不符合第116條2第1項第2款總面積超過1,000平方米居室規定 之必須通風窗或開口場所。及樓地板面積超過200平方米之居室 (高度31 米以下，每100平方米內以防煙壁區劃者除外)必須設置排煙設備。 下略。 第126條之3 前條第1項之排煙設備，其構造規定如下。 1.建築物之樓地板面積每500平方米以防煙壁區劃。 2.排煙設備之排出口，風管及其他與煙接觸的部分，須為不燃材料構造。 3.排煙口於第1號規定中之區劃部分(以下稱「防煙區劃」)離該防煙區劃各 部分水平距離須為30米以下，其須裝置於天花板下80厘米(防煙壁高度未 滿80厘米時須於防煙壁上方)以內。風管須直接將煙排出至外氣。 4.排煙口須設置手動啟動裝置。 5.前項之手動啟動裝置操作部分，裝置於牆面時其高度須位於地板上80厘 米以上1.5米以下之，從天花板垂下時須於地板上方約1.8米之高度，且

須以易懂的方式標示使用方法。 6.如果排煙口，除設置手動啟動裝置外，如偵煙探測器及移報裝置或搖控 啟動裝置未啟動前須保持封閉狀態，啟動時排煙口之構造不得因排煙產 生之氣流而關閉。 7.第115條第1項第3款規定之排煙風管，若須貫穿防煙壁，其間隙須以砂漿 或其它不燃材料填實。 8.排煙口之面積須為防煙區劃地板面積的50分之1以上，除直接面對外氣者 外，必須設置排煙機。 9.前項之排煙機，須隨任一排煙口啟動而連動啟動，且其排煙量最小為120 立方米/分鐘以上，且符合防煙區劃之樓地板面積1平方米有1立方米之風 量(若為2防煙區劃以上，則其風量須達最大區劃風量之2倍)以上。 下略。 2.3.3 小結 參照日本相關排煙規定後，可知台灣消防法規之基礎為參考日本相關法 規，其排煙設備規定原則上與我國雷同。日本消防設備裝置規定部分主要 乃由日本建築基本法施行令避難設施中規定，與我國主要為規定於消防法 令中不同。而防煙壁未滿80公分時排煙口須位於其上之規定乃應參照日本 建築基本法施行令第126條之3第1項第3款而來。惟二者規定之邏輯有所不 同，日本排煙設備主要以防煙壁形成防煙區劃蓄煙，延長煙層水平擴散及 垂直蓄積時間為主。如日本居室部分只要高度31m以下、每100m²內以防煙 壁區劃即免設排煙設備，我國並未有如此規定。故以日本規定即使如面積

大於500 m²之工廠(高度小於31m)，其天花板下之樑只要大於0.5m且其所區 劃之空間均小於100m²，其亦無須裝置排煙設備。若須裝置排煙設備之場所 其天花板必為平滑構造無樑等不燃構造物所構成之防煙壁，故其須每500 m ²內以防煙壁另作區劃，且排煙口裝置於其上方則屬合理，因無須穿樑或被 格子樑區劃之問題。由日本規定亦可知防煙壁裝置場所其高度上限為31m， 且以裝置防煙壁形成防煙區劃為主要防煙手段，排煙口僅為無法滿足防煙 區劃規定時之輔助設備。我國排煙設備規定雖參照日本而來，但因應我國 國情修正後，其裝置邏輯便與日本不同，造成規定上邏輯錯誤，以致實務 執行無法有效符合法規規定，實應再行檢討後予以修訂。 2.4 中國相關排煙規範 2.4.1 中國建築設計防火規範 第 9.1.3 條 下列場所應設置排煙設施： 1.丙類廠房中建築面積大於 300m2的地上房間；人員、可燃物較多的丙類廠 房或高度大於 32.0m的高層廠房中長度大於 20.0m的內走道；任一層建築 面積大於 5000m2 的丁類廠房； 2.佔地面積大於 1000m2 的丙類倉庫； 3.公共建築中經常有人停留或可燃物較多，且建築面積大於 300m2 的地上房 間；長度大於 20.0m的內走道； 4.中庭； 5.設置在一、二、三層且房間建築面積大於 200m2 或設置在四層及四層以上

或地下、半地下的歌舞娛樂放映遊藝場所； 6.總建築面積大於 200m2 或一個房間建築面積大於 50m2 且經常有人停留或可 燃物較多的地下、半地下建築或地下室、半地下室； 7.其它建築中長度大於40.0m的疏散走道。 第9.4.2條 需設置機械排煙設施且室內淨高小於等於 6.0m的場所應劃分防煙分區； 每個防煙分區的建築面積不宜超過 500m2 ，防煙分區不應跨越防火分區。 防煙分區宜採用隔牆、頂棚下凸出不小於500mm的結構樑以及頂棚或吊頂 下凸出不小於500mm的不燃燒體等進行分隔。 第9.4.6條 機械排煙系統中的排煙口、排煙閥和排煙防火閥的設置應符合下列規定： (1)排煙口或排煙閥應按防煙分區設置。排煙口或排煙閥應與排煙風機連 鎖，當任一排煙口或排煙閥開啟時，排煙風機應能自行啟動； (2)排煙口或排煙閥平時為關閉時，應設置手動和自動開啟裝置； (3)排煙口應設置在頂棚或靠近頂棚的牆面上，且與附近安全出口沿走道方 向相鄰邊緣之間的最小水平距離不應小於 1.5m。設在頂棚上的排煙口， 距可燃構件或可燃物的距離不應小於 1m； (4)設置機械排煙系統的地下、半地下場所，除歌舞娛樂放映遊藝場所和建 築面積大於 50m2 的房間外，排煙口可設置在疏散走道； (5)防煙分區內的排煙口距最遠點的水平距離不應超過 30m；排煙支管上應 設置當煙氣溫度超過 280℃時能自行關閉的排煙防火閥；

(6)排煙口的風速不宜大於10m/s。 2.4.2 高層民用建築設計防火規範 第8.2.4條 排煙窗宜設置在上方，並應有方便開啟的裝置。 第8.4.1條 一類高層建築和建築高度超過32m的二類高層建築的下列部位，應設置機 械排煙設施： （1）無直接自然通風，且長度超過 20m 的內走道或雖有直接自然通風，但 長度超過 60m 的內走道； （2）面積超過 100m²，且經常有人停留或可燃物較多的地上無窗房間或設 固定窗的房間； （3）不具備自然排煙條件或淨空高度超過 12m 的中庭； （4）除利用窗井等開窗進行自然排煙的房間外，各房間總面積超過200m² 或一個房間面積超過50m²，且經常有人停留或可然物較多的地下室。 第 8.4.4 條 排煙口應設在頂棚上或靠近頂棚的牆面上。設在頂棚上的排煙口距可燃 物構件或可燃物的距離不應小於 1.00m。排煙口平時應關閉，並應設有 手動和自動開啟裝置。 2.4.3 小結 中國相關規範亦同日本及我國，排煙口依防煙區劃設置，惟仍未對排煙 口設置高度做出明確規定，僅於高層民用建築設計規範第8.2.4、8.4.4條

中規範排煙口應設在上方或頂棚上及靠近頂棚的牆面上，並未實際限制其 裝置範圍。故可推測中國之法規其精神應與日本相同，其著重以防煙壁形 成防煙區劃防止煙層擴散，排煙設備除特定場所外仍屬輔助設備。其並未 如同我國強制規範排煙口須裝置於天花板下80公分及須位於防煙壁高度 內，裝置彈性較我國為大。 2.5 綜合分析 我國各類場所消防安全設備設置標準中並無名詞定義之說明，故以目前 防煙壁之設置目的而言，除原有阻止煙流動之構造外，應有蓄煙之作用， 而其何種性能較佳仍有待研究，排煙口之裝置位置與性能應有因果關係。 參照日本、中國法規與我國皆規定天花板下大於50公分以上樑或構造物等 不燃物皆可做為防煙壁，且日本雖規定排煙口裝置高度，但其法規以防煙 區劃為主，無法滿足防煙區劃規定者才需設置排煙口。又中國法規只規範 防煙壁高度並未規範排煙口高度。二者排煙設備規定之目的以防煙壁形成 防煙區劃阻止煙流動為主，排煙口控制煙層高度為輔。前述我國相關二法 修法前防煙壁皆規範為天花板下50公分，排煙口為天花板下80公分，相繼 修正後加註防煙壁下垂未滿80公分者，排煙口須於其下垂高度內。若以一 般工廠為例(高度小於5公尺)天花板下有格子樑，若樑深皆未滿80公分，依 修法後規定則每一格子樑區劃內皆須設排煙口。但實務上此要求並不經 濟，且風管亦極難架設(須穿樑)。又以內授消字第0960824121號解釋，大 樑加防煙壁若大於80公分而中樑為50公分時，中樑則可忽略之而以大樑加 防煙壁為區劃。則此規定與設置標準188條之防煙壁規定之防煙壁定義有所

矛盾，且會造成。且天板有高低差者若排煙口位置採平均天花板高度計算， 若天花板垂直落差達50公分以上，則由高對低來說有類似防煙壁區劃效 果，又須依內授消字第0960824121號解釋每一區劃皆設排煙口。此為我國 法規邏輯發生之謬誤，防煙壁及排煙口規範雖主要參考日本規定卻未採用 其整套排煙設備裝置邏輯，以致造成目前使用遭遇之困難。參酌三國法規 及實務設計裝置之問題後，應做防煙壁與排煙口功能之基礎研究，瞭解防 煙壁及排煙口之性能，並提供經濟、合理及有效之設置規範建議。但以條 例式法規而言，應採日、中之規定方式較佳。三國設置位置規定比較如下 表。 表1居室排煙設備裝置位置規定比較表(本研究整理) 相關規 定 法規 排煙口設置邏輯 防煙壁 高度 防煙壁材質 防煙區 劃面積 排煙口高度 排煙 口距 防煙 區劃 任一 點距 離 各類場所消 防安全設備 設置標準 明文規定應設場 所後，再規定如 何設防煙區劃。 區劃內再設排煙 口。 0.5m或 0.8m以 上 不燃材料 500㎡ 天花板下0.8m內，及 防煙壁之上。 30m 建築技術規 則建築設計 施工編 同上。 0.5m或 0.8m以 上 不燃材料 500㎡ 天花板下0.8m內。 45m 建築物防火 避難安全性 能驗證技術 手冊 設置區劃後再設 排煙口。 0.3m以 上 不燃材料 依其設 計 天花板下0.3m內。 30m 日本消防法 施行規則 僅規定排除設置 排煙設備場所。 0.5m或 0.8m以 不燃材料 300㎡或 500㎡ 未規範。 30m

天花板 高度1/2 以上) 日本建築基 本法施行令 先規定免設排煙 設備場所，應設 後再行規範防煙 區劃與排煙口 0.5m以 上 不燃材料 500㎡ 天花板下0.8m內，及 防煙壁之上。 30m 中國建築設 計防火規範 明文規定應設場 所後，再規定如 何設防煙區劃。 區劃內再設排煙 口。 0.5m以 上 不燃材料 500㎡ 未規範。 30m 中國高層民 用建築設計 防火規範 明文規定應設之 空間，以空間為 裝置基準而非區 劃。再規定排煙 口設置方式。 以空間 為主無 防煙壁 規定。 未有此規 定。 未有此 規定。 僅規定於上方或靠 近天花板及牆壁之 上方即可。 30m

第三章 研究方法

3.1 研究工具-FDS模擬軟體 3.1.1 FDS原理

電腦模擬之發展上，可用來預測火災行為之數學模型，主要可分為兩 種方式：區域模式(Zone model)及場模式(Field model)。區域模式是將區 劃空間劃分數個區塊，每一區塊內的流場及物理化學性質假設為均勻，不 同區塊有不同之性質，且區塊彼此間之動量、質量及熱量交換率則由動量 通量、質量通量及熱通量來表示。雖然區域模式計算較簡單，運算較快， 但需要大量的假設，而這些假設則需要實際實驗結果來作依歸，故對實驗

之依存性極高。且最終僅能求解高溫煙層與低溫空氣層的平均物理性質，

無法詳細描述火場狀況。場模式亦即CFD(Computational Fluid Dynamics) 模式，是將計算空間劃分成眾多細小網格，並利用數值方法描述火災現象 的動量、質量及其相關狀態。一般的場模式為將紊流模式等非線性偏微分 方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件後重複迭代計算模擬空間中細 小網格之物理特性，預測火災發生過程中每個網格的氣流速度、壓力、溫 度、濃度值。然而火災進行過程中氣流通常呈紊流狀態，所以場模式需要 許多物理化學模型(如流體動力學模型、燃燒模型及熱輻射模型等)，來模 擬火場中各種物理化學過程。其運算法可區分為直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation,DNS)、雷諾平均法(Reynolds Averaged

Simulation)三種。DNS 法為直接求解Navier-Stokes 方程式，對紊流無需 任何假設。而通常DNS 所需的格點尺寸必須小於Kolmogorov［5］尺度，一 般為 m左右，故以目前的電腦能力很難用DNS直接模擬建築物火災 的氣體流動現象。RANS法是利用時間平均Navier-Stokes方程式加上紊流預 測模式來預測流體流動。目前RANS的紊流預測模式相當多，但尚無通用之 紊流模式。且由於火災的煙流動現象是瞬時變化，利用以時間平均為基礎 的RANS法通常無法精確預測複雜熱傳與渦流的發展。而LES法是將流體物理 量區分為大尺度(grid-scale)與次格點尺度(subgrid scale)兩部分。對於 大尺度的物理量在LES中直接由Navier-Stokes方程式求解，而於次格點尺 度內的物理量則需要模式化。模擬對象的格點尺寸必須小於一定的尺度方 能使次格點應力模型精確地計算出流場的黏滯應力。其優點為SGS model 僅需一個實驗常數，且可廣泛地應用在各種流場預測上。又由於紊流本身 即為暫態，因此利用空間平均為基礎的LES法來預測煙流動現象較以時間平 均為基礎的RANS法合適。本研究採用之火災煙控模擬程式為美國NIST （National Institute of Standards and Technology）建築物與火災研 究實驗室所發展之火災模擬軟體FDS（Fire Dynamics Simulator）。FDS程 式即為以LES法為基礎的電腦火災模擬軟體。FDS以低馬赫數（亦即weakly compressible）統御方程式來描述受火災浮力驅動之氣體流動，並著重在 煙流及熱傳遞現象。其統御方程式簡介如下［6］： 3 2 10 ~ 10− − 連續方程式

0

=

⋅

∇

+

∂

∂

u

t

ρ

ρ

(4) 動量守恆方程式

σ

ρ

ω

ρ

_⎢⎣

⎡

+

∇

−

×

_⎥⎦

⎤

+

∇

−

=

∇

⋅

∂

∂

g

p

u

u

t

u

2

2

1

(5) 能量守恆方程式

T

k

q

dt

dp

T

u

t

T

c

p

⎥⎦

−

=

+

∇

⋅

∇

⎤

⎢⎣

⎡

₊

_⋅

_∇

∂

∂

₀

ρ

(6) 理想氣體方程式

( )

t

RT

p

₀

=

ρ

(7) 其中:

ρ

為流體密度（kg/m³）

u

、

v

、

w

為三維方向之速度（m/sec）

g

為重力加速度（m/sec²）

T

為溫度（K）

Cp

為比熱（J/g·K）

k

為熱傳導係數（W/ K·m²）

p

為壓力（N/m²）

R

為理想氣體常數（J/mol·K） FDS根據Boussinesq Approximation 將溫度（

T

）、密度（

ρ

）、與

（Perturbation），其型式如下：

( )

t

( )

T

T

T

=

₀

1

+

~

(8)

( )(

ρ

)

ρ

ρ

₁

~

0

+

=

t

(9)

( )

r

t

p

( )

t

( )

t

gz

p

( )

r

t

p

,

~

,

0 0

r

r

₌

₋

_ρ

₊

(10) 空間平均項可由（4）、（5）與（6）以及絕熱過程（Adiabatic Process）表示如下：

(

∫

∫

)

∫

_∂Ω

⋅

+

=

−

_Ω

qdV

+

_∂Ω

k

∇

T

⋅

d

S

dt

dp

V

S

d

u

p

r

r

v

γ

γ

γ

1

0 0 (11) 0 0 0

RT

p

=

ρ

(12)

γ

ρ

ρ

1 0 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ∞ ∞ p p (13) 而速度、溫度與壓力的擾動項則可表示成：

( )

_⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

_∇

_⋅

₊

+

=

∇

⋅

+

∂

∂

dt

dp

u

T

T

u

t

T

~

₀

1

~

~

r

r

₍₁₄₎

(

)

[

ρ ρ τ ρ ω +∇ = − + +∇⋅ × − ∂ ∂ ∞ g f H u T ur _r 1 _r r

]

(15)

(

)

F

t

u

H

r

r

⋅

∇

−

∂

⋅

∇

∂

−

=

∇

2 (16) 其中:

H

為總壓力

2

~

2 0

u

p

H

r

+

=

ρ

(17)

(

)

[

ρ

ρ

τ

ρ

ω

−

−

+

+

∇

⋅

×

−

=

u

_∞

g

f

F

r

r

1

r

r

]

(18)

綜合上述，FDS由（15）式的能量方程式、（16）式的動量方程式、（17） 式的總壓力方程式以及（12）～（14）式的空間平均溫度、密度與壓力方 程式聯立求解計算區域之速度、溫度、密度與壓力。在統御方程式的數值 方法方面，FDS對空間座標的微分項採用二階中央差分法，時間的微分項則 以顯性二階Runge-Kutta法離散化。而Poisson方程式形式之總壓力微分方 程式則利用快速傅利葉轉換法（Fast Fourier Transform）直接求解。

3.1.2 FDS架構 FDS程式之主要架構可分為以下三部份： (1)前處理部份 前處理部份中，以純文字格式輸入模擬建築物尺寸、網格配置、火源設 定、煙控系統、灑水系統與邊界條件等，以做為下一階段數值運算之基 礎。 (2)數值運算部份 此為FDS模擬程式之運算核心部份，將前處理之諸多參數讀入後，以數值 方法求解，並將計算結果輸出至後處理。 (3)後處理部份 FDS之後處理為結合繪圖軟體「Smokeview」，可將FDS計算輸出之結果， 利用圖形以2D與3D視覺化效果呈現。其餘模型中設置之偵測或感知設備 所得之值，能以CSV格式儲存以供後續運算製表之用。 FDS 模擬程式之工作流程，如下圖所示［7］。

圖 8 FDS 工作流程圖 3.2 FDS驗證 3.2.1 其他學者驗證案例 FDS自發表後，目前已發展至5.3版。已有許多使用者應用FDS從事相關防 火、排煙研究及性能式設計應用，其範圍可從性能式煙控系統設計、火場 延燒行為、火場重建、撒水頭性能研究…等。而歸納以往相關研究結果可 初步評估FDS有效使用範圍及限制，經由驗證可得知FDS模擬之可信度。ASTM E1355中定義了何謂驗證：「是一個確定某數學運算法其是否能精確描述及 預測現實世界狀態所及程度的過程」［8］。而另一定義為FDS技術參考手 冊5第3卷:驗證中所提﹕「驗證乃確定做為某重要真實物理現象其數學模型

之統御方程式是否正確之過程。一般來說驗證通常就是比較模擬結果與實 驗結果」［7］。以下為國內外學者使用FDS預測或驗證真實火災之介紹。 1.McLeans Island Isoroom illustration［9］

Petterson為評估FDSv2.0預測室內溫度、氧氣濃度、煙層高度之準確性 進行實驗及FDS 模擬。作者之結論如下： (1)FDS 無法正確獲得所需熱釋放率輸出值，需使用試誤法獲得所需值。 (2)若格點過於粗糙，物件位置會受限於格點尺寸，而無法使物件坐落於正 確位置增加模擬誤差。 (3)格點配置愈精密除會增長計算時間外，並不代表較符合實驗值。 (4)煙產生速率預設值偏低，使上層熱氣輻射熱回饋較低，導致房間下層氣 體溫度低估。 (5)引火源表面附近處若格點不夠精密，會降低模擬之準確度。

2.FDS MODELLING OF HOT SMOKE TESTING,CINEMA AND AIRPORT CONCOURSE ［10］ 澳洲學者Alex Webb為了驗證FDS用於大空間場所之安全設計之可信度， 利用FDS重建了數個根據澳洲法規AS 4391 -1999所做的全尺寸實驗。並 比較FDS模型與全尺寸實驗之差異。作者發現FDS用於防火工程設計上確 實能合理的預測出某些參數於全尺寸實驗的結果，如熱煙層的狀態與高 度，但其餘參數的部分差異仍大。且全尺寸實驗相較於全棟複雜建築物 的真實火災情況，其仍處於控制條件的限制之下，不能真實反應實際火

火災情境。故作者結論為FDS能準確預測熱煙層之性能可作為防火工程設 計之指引(guide)，但不可做為防火系統安裝之驗證工具(system install certification tool)。

3.Validation of FDS for the World Trade Center Investigation［11］ 為了協助調查世貿中心恐怖攻擊並重建當時其建物受熱與結構狀態，FDS 被選為其中一種調查模擬模型。而為了評估FDS是否能準確預測於一燃燒 區劃中之熱流場用於此調查，NIST於2003年實施了一系列全尺寸實驗， 這些實驗是以世貿中心案為參考設計。當時以FDS 4.0版本模擬與全尺寸 實驗結果比較後其結論如下: （1） FDS能準確預期釋熱率與時間之關係。 （2） FDS預測已釋出一半能量時間與實驗結果相比較，誤差於22%以內。 （3） FDS預測已釋出一半能量時其釋熱率與實驗結果相比較，誤差於9% 以內。誤差極小。 （4） FDS預測特定火源持續加熱時間與實驗結果相比較，誤差於15%以 內。惟燃燒後半之釋熱率預測稍低。 （5） FDS預測火場上層氣體溫度與實驗結果相比較，誤差於10%以內。 以上足以驗證FDS之模型準確度。

4.Work by Zou and Chow［12］

學者Zou and Chow，利用一類似於ISO標準空間之區劃並使用不同尺寸之 油盤燃燒提供不同之釋熱率最高達2.6MW及控制該區劃通風達能產生閃

燃之結果，以此全尺寸實驗結果與FDS 3.01模擬(93,000個均一格點)結 果相比較。其結論為預測閃燃後火場之溫度與幅射熱通量於上述特定實 驗設計下，其準確度與實驗結果極為符合。惟其有特別提到於冷卻階段 時，FDS預測之區劃溫度低估達40%。

5.Three Dimensional Simulation of Fire Plume Dynamics［13］ Baum等人以FDS v1.0 模擬單一火源，並定義火柱最小長度尺度

(minimum length scale)以火源特徵直徑(characteristic fire

diameter)

D

*表示，其定義為： 5 2 0 0 0 . * ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = g Q D

T

C

ρ

(19) 其中 為熱釋放率(W)， . Q

ρ

₀為空氣密度(kg/m³)， 為空氣比熱(J/kg． ℃)， 為環境溫度( 0

C

0

T

o

K

)，g為重力加速度(m/s²)。文中以設計長45m× 寬45m×高22m 之飛機棚中心放置熱釋放率15MW 尺寸3m×3m 之JP-5燃料 火源燃燒實驗，並比較實驗與FDS模擬結果，其結論表示FDS可精確模擬 單一火源溫度及氣流速度變化，並提出若欲正確的模擬單一火災煙流燃 燒情形，格點尺寸以0.1

D

*之尺度最為合適。

6.Validation of Fire Dynamics Simulator (FDS) for forced and natural convection flows［14］

學者Smardz於此研究中以FDS 4.07模擬與小尺寸實驗中驗證FDS對於強制 與自然對流預測之正確性。其發現於其設計之實驗中，FDS預測氣體流速 與溫度可達5~20%之誤差(與質量及熱傳導有關)。惟此實驗乃針對較簡單

之火場情境，其釋熱率被優先決定並作為模擬輸入條件。且此研究亦證 實前人研究關於模擬格點大小將影響模擬結果之精確度，較大之格點與 實驗結果相比較其誤差甚至大於20%。 7.大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析［15］ 國內學者李訓谷以FDS 1.0模擬中國科學技術大學大空間火災實驗廳之全 尺度大空間中庭建築火災實驗並與上述實驗結果相比較。其與比較分析 結果顯示，利用場模式法可準確預測出火災產生之濃煙的流動現象以及 煙層沈積速率。文中並以以一個20cm×20cm 的油盤燃燒（熱釋放率＝ 24kW ）測試模擬格點的解析度。計算區域為1.5m 長、1.5m 寬、3.5m 高。 其結論為利用LES model 模擬中庭建築發生火災時之煙沈積與流動現象 的最大格點尺寸為 0.1

D

* 。 8.以FDS 預測ISO 9705 房間試驗火場情境之可行性研究［16］ 國內學者黃雄義以FDS 3.1為模擬工具，評估FDS 替代房間試驗之可行 性。其發現軟體準確度與使用者所輸入之格點配置條件及材料參數影響 重大。其研究結果顯示

R

*＝0.05 時可獲得單一火源熱釋放率、溫度、氣 流速度、火焰高度準確模擬結果為最佳使用格點尺寸。非均勻格點配置 上以寬高比在1:2 時可獲得最佳結果。Multi-block 區塊間格點重疊方 式不同雖會影響模擬結果但差異不大，另在非火源區塊較大格點與火源 區塊格點有效使用比例為1:3以下較為適當。其結論表示若火場條件未涉 及可燃物延燒時較能準確預測地板熱通量及天花板附近氣體溫度，但延

燒發生時，則無法準確評估房間溫度及閃燃現象，此外對於房間氧氣、 二氧化碳及一氧化碳濃度變化均無法準確預測。 9.大空間建築性能式煙控系統設計之3D CFD電腦模擬分析與全尺度實驗印 證［17］ 國內學者葉琮勤以FDS 3.1模擬與全尺寸(面積10300㎡，高20m)實驗比較 大空間性能式煙控設計與傳統法規式排煙設計性能孰佳。其結論中於FDS 預測煙層高度與實驗結果相比較，其誤差分別為13.33%與18.31%。且240 秒內FDS模擬與全尺寸實驗之煙沈積結果相當吻合，印證FDS模擬運用於 建築物性能式煙控系統設計之可靠度。惟300秒後，由於全尺度實驗之燃 料慢慢用盡，不似FDS模擬中持續供應燃料，故兩者之結果開始有較大之 誤差。此研究並於實驗中收集其煙層溫度量測結果，並採用NFPA 92B 中 N百分比法判定煙層高度，於N百分比法之N值取N=60% 時與全尺寸實驗結 果印證，其高度幾近相同，故亦驗證NFPA 92 B中N百分比法所預測之煙 層高度。 10.密閉空間火場模擬及熱應力分析［18］ 國內學者邱健倫以FDS模擬暫態的密空間的火場，再以文獻的實驗驗證 用大尺度渦流模擬(LES)法在模擬房間紊流流場及溫度分佈之能力，並依 Smagorinsky模式裡不同經驗參數的模擬結果根據實驗數據來加以分析 比較，結果發現影響結果好壞的因素為網格大小，網格邊長取1/10特徵 火焰直徑及Cs=0.16時在溫度場的預測平均誤差低於3%，在靠近天花板位

置也只有4%左右的誤差，顯示結果已優於先前文獻的模擬結果。與Cs (Smagorinsky constant)，在與Steckler實驗比較驗證後發現計算領域 大小因邊界條件限制亦對結果造成誤差。模擬後結論在通風口的速度場 及溫度場分佈與實驗數據比較都有令人滿意的結果。

3.2.2 FDS實際模擬驗證

VTT(Technical Research Centre of Finland)於2001年曾實施一全尺寸 實驗，研究煙層於大空間及斜屋頂狀況下之移動情形［19］。其共實驗三 種情境，空間尺寸為19m(高)×27m(長)×14m(寬) ，外牆為內外1mm厚鋼板內 夾5mm礦物棉，樓板為混凝土材質，每一情境之火源大小為2MW、3MW、4MW。 情境3空間內離地12m處有一機械排煙，其開口為1m²，風速為11m³/s。此實 驗之目的欲得到4種測量結果:熱氣體層溫度、厚度、火燄高及煙柱之溫度。 其中共建立3組垂直熱電耦樹於空間正中切面(y軸7.2m處)及2個位於煙柱 內之熱電耦，其所得數據用來與FDS模擬相對照。實驗所得熱氣體層溫度值 再利用二層煙層高度判定法推算出其厚度［20］，再與FDS模擬計算輸出之 熱煙層厚度值做一比較。 二層煙層高度判定法其原理如下［21］: 設熱煙層同一高度其溫度相同則可得連續方程式T

( )

z ，溫度T為樓高z之函 數。

(

)

( )

(

int

)

int ₀

_{( )}

2 1 0 int int 1 1 1 I dz z T T z T z H I dz z T T z T z H H l u H l u = = + − = = + −

∫

∫

(19)

故

(

)

H

T

T

I

I

H

I

I

T

z

l l l

2

2 2 1 2 2 1 int

−

+

−

=

₍₂₀₎ 則

(

H

z

)

T

H

T

(

z

dz

(21) z u

=

∫

−

int int

)

其中 z=0時為樓地板高，z=H時為天花板高， 為上層溫度， 為下層溫度， 為中介面高度。 u

T

T

_l

z

_int 今利用FDS 5.3版本模擬其實驗情境，並與該實驗所得數據比較，以驗證其 對煙層之預測能力。其實驗空間規格及空間配置如圖9~圖12，模擬時間600 秒。 圖 9 VTT 驗證實驗空間尺寸圖

圖 10 VTT 驗證實驗 1 空間示意圖(火源 2MW，自然通風關閉)

圖 12 VTT 驗證實驗 3 示意圖(火源 4MW，機械排煙開啟)

為方便比較二者之差異，故利用其實驗之熱電耦樹所得數據(3 組熱電耦樹 平均值)，以 EXCEL 利用(21)式計算得出平均煙層厚度。又 FDS 於輸入檔中 設定之輸出值記錄為 CSV 格式檔案，今利用 EXCEL 將 FDS 輸出值依(21)式 計算煙層厚度後，依每 60 秒為間隔，依各情境製表比較如下圖 18~19。

圖 13 VTT 驗證實驗 1 第 120 秒熱電耦所在斷面煙層高度示意圖

VTT EXP1

0

5

10

15

20

0

_{60 12}

0

18

0

24

0

30

0

36

0

42

0

48

0

時間

高度

FDS模擬

全尺寸實驗

圖 17 VTT 驗證實驗 1 煙層高度比較圖

VTT EXP2

0

5

10

15

20

0

60

₁₂

0

18

0

24

0

30

0

36

0

42

0

時間

高度

FDS模擬

全尺寸實驗

圖 18 VTT 驗證實驗 2 煙層高度比較圖