自然排煙室及排煙口配置對排煙有效性驗證之研究

目錄

目錄

目錄 ... I

圖目錄 ... III

表目錄 ... VII

摘要 ... IX

Abstract ... XIII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究動機與背景 ... 1

第二節 研究方法及進度說明 ... 4

第二章 蒐集之資料及文獻分析 ... 7

第一節 國內相關文獻回顧 ... 7

第二節 美國自然排煙的設計規範 ... 8

第三節 鄰近國家自然排煙的設計規範 ... 10

第三章 我國相關防煙法規 ... 15

第一節 建築法令 ... 15

第二節 消防法令 ... 18

第四章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明 ... 21

第一節 電腦數值模擬方法 ... 21

第二節 電腦數值模擬區劃 ... 23

第三節 FDS 程式說明 ... 24

第四節 FDS 統御方程式 ... 26

第五章 自然排煙案例研究與數值模擬 ... 29

第一節 案例研究 ... 29

第六章 全尺度模型實驗量測與電腦模擬分析 ... 71

第一節 實體模型建置說明 ... 71

第二節 量測參數及實驗方法 ... 73

第三節 全尺度實驗模擬實測 ... 80

第四節 實驗實測與 FDS 電腦模擬分析 ... 101

第五節 實驗結果與分析 ... 111

第七章 結論與建議 ... 113

第一節 結論 ... 113

第二節 建議事項 ... 115

附錄一 計畫審查會議回應表 ... 117

附錄二 期中審查回覆表 ... 119

附錄三 期末審查回覆表 ... 123

附錄四 第 1 次專家座談會議紀錄 ... 127

附錄五 第 2 次專家座談會議紀錄 ... 131

附錄六 第 3 次專家座談會議紀錄 ... 133

附錄七 全尺寸模型實測照片摘錄 ... 135

附錄八 設計建議參考事項 ... 139

參考資料 ... 143

圖目錄

圖目錄

圖

1 工作流程圖 ... 5

圖

2 正煙囪效應下建築物管道與外界壓差 ... 8

圖

3 正、逆煙囪效應下之氣流移動示意 ... 9

圖

4 火場浮力造成之壓差變化 ... 9

圖

5

FDS 模擬程式與 S

MOKEVIEW

程式架構圖... 25

圖

6

案例一建築物外觀 ... 30

圖

7

案例一平面圖 ... 30

圖

8

案例二建築物外觀 ... 31

圖

9

案例二平面圖 ... 32

圖

10

建築物外牆風壓係數 C

W

分佈情況 ... 37

圖

11

矩型建築物風壓係數 C

W

分佈情況 ... 37

圖

12

地表風速外型圖 ... 39

圖

13

建築物外部氣流示意圖 ... 43

圖

14

自然排煙口配置與流場相對位置區分圖 ... 43

圖

15

案例一 FDS 平面及立體模型示意圖（排煙口長向配置） ... 48

圖

16

案例二 FDS 平面及立體模型示意圖（排煙口短向配置） ... 48

圖

17

案例一 FDS 平面及立體模型示意圖（特別安全梯間排煙室） ... 49

圖

18

案例一 FDS 格點設定情況示意圖 ... 51

圖

19

案例二 FDS 格點設定情況示意圖 ... 52

圖

20

外部風速 2

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 57

圖

21

外部風速 4

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 57

圖

22

外部風速 6

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 58

圖

25

下洗流區－溫度及能見度統計比較 ... 59

圖

26

平行流區－溫度及能見度統計比較 ... 59

圖

27

平行左側流區－溫度及能見度統計比較 ... 59

圖

28

平行右側流區－溫度及能見度統計比較 ... 60

圖

29

平行流區－溫度及能見度統計比較（長向偏左側位置） ... 60

圖

30

平行流區－溫度及能見度統計比較（長向偏右側位置） ... 60

圖

31

平行流區－溫度及能見度統計比較（特別安全梯間排煙室） ... 61

圖

32

外部風速 2

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 61

圖

33

外部風速 4

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 62

圖

34

外部風速 6

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 62

圖

35

外部風速 8

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 62

圖

36

外部風速 2

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 64

圖

37

外部風速 4

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 64

圖

38

外部風速 6

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 65

圖

39

外部風速 8

M

/

S

－溫度及能見度統計比較 ... 65

圖

40

上行流區－溫度及能見度統計比較 ... 65

圖

41

下洗流區－溫度及能見度統計比較 ... 66

圖

42

平行流區－溫度及能見度統計比較 ... 66

圖

43

平行左側流區－溫度及能見度統計比較 ... 66

圖

44

平行右側流區－溫度及能見度統計比較 ... 67

圖

45

外部風速 2

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 67

圖

46

外部風速 4

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 67

圖

47

外部風速 6

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 68

圖

48

外部風速 8

M

/

S

－壓力響應情況比較 ... 68

圖

49

全尺度模型實驗隔間示意圖 ... 72

圖目錄

圖

50

實驗儀器配置平面圖 ... 74

圖

51

進行實驗相關器材 ... 75

圖

52

全尺度模型實驗流程圖 ... 76

圖

53

長邊(CASE1)開口位置示意圖 ... 77

圖

54

短邊(CASE2)開口位置示意圖 ... 77

圖

55

外氣風速量測示意圖 ... 78

圖

56

長向(CASE1-A)排煙室溫度曲線圖 ... 83

圖

57

長向(CASE1-B)排煙室溫度曲線圖 ... 85

圖

58

長向(CASE1-C)排煙室溫度曲線圖 ... 86

圖

59

長向(CASE1-A)排煙室能見度曲線圖 ... 88

圖

60

長向(CASE1-B)排煙室能見度曲線圖 ... 90

圖

61

長向(CASE1-C)排煙室能見度曲線圖 ... 91

圖

62

短向(CASE2-A)排煙室溫度曲線圖 ... 93

圖

63

短向(CASE2-A)排煙室能見度曲線圖 ... 95

圖

64

長向(CASE1-A)與短向(CASE2-A)排煙室溫度曲線比較圖 ... 97

圖

65

長向(CASE1-A)與短向(CASE2-A)排煙室能見度曲線比較圖 ... 98

圖

66

CASE1-A 與 CASE2-A

45 度開口示意圖 ... 99

圖

67

CASE1-A 與 CASE2-A

45 度開口排煙室溫度曲線圖 ... 100

圖

68

CASE1

FDS 格點設定情況示意圖 ... 101

圖

69

CASE2

FDS 格點設定情況示意圖 ... 102

圖

70

CASE1-A 實測與 FDS 模擬溫度圖 ... 104

圖

71

CASE1-B 實測與 FDS 模擬溫度圖 ... 104

圖

72

CASE1-C 實測與 FDS 模擬溫度圖 ... 105

圖

73

CASE2-A 實測與 FDS 模擬溫度圖 ... 106

圖

74

CASE1-A 實測與 FDS 模擬能見度圖 ... 107

圖

75

CASE1-B 實測與 FDS 模擬能見度圖 ... 108

表目錄

表目錄

表

1 特別安全梯或緊急昇降機排煙室排煙條文修正對照表 ... 2

表

2

GB

50045—95 高層民用建築設計防火規範 ... 10

表

3

GB

50016—2012 建築設計防火規範 ... 11

表

4

建築法部份 ... 15

表

5

建築技術規則部份 ... 17

表

6

消防法部份 ... 18

表

7

各類場所消防安全設備設置標準部份 ... 19

表

8

案例差異分析表 ... 34

表

9

各種地形 值表 ... 40

表

10

臺北氣象站 1981-2010 年月平均風速(1 次/10

MIN

）統計表 ... 41

表

11

臺北市常年地表風速估算表 ... 41

表

12

安全門二側（於 133N 開門力時）最大壓差限值表 ... 45

表

13

案例一 FDS 模型之摘要資料 ... 51

表

14

案例二 FDS 模型之摘要資料 ... 52

表

15

排煙室容許溫度及能見度判別標準 ... 54

表

16 案例一（緊急昇降機間排煙室）模擬項目統計說明表 ... 55

表

17

案例一（特別安全梯間排煙室）模擬項目統計說明表 ... 56

表

18

案例二模擬項目統計說明表 ... 63

表

19

外氣調整實測數據 ... 78

表

20

模擬情境表-長邊(CASE1) ... 81

表

21

模擬情境表-短邊(CASE2) ... 92

表

22

CASE1

FDS 模型之摘要資料 ... 102

表

23

CASE2

FDS 模型之摘要資料 ... 103

摘要

摘要

關鍵詞：排煙室、自然排煙、建築防煙、高層建築 一、研究緣起 煙是火災發生時影響人員逃生的重要因素，除有危害性之外，濃煙也會降低能見 度。高層建築的排煙室通往安全梯，是重要的逃生途徑，若是排煙室的煙流受到各種 因素造成之擾動，將不利於人員逃生。我國各類場所消防安全設備設置標準中，特別 安全梯或緊急昇降機(或兼用)之排煙室可採用自然排煙，排煙口可直接面向戶外，或 經由進風及排煙風管達到有效排煙的目的，排煙室的基本規定僅有排煙口與進氣口的 高度、面積與風量及排煙管斷面積。過去研究文獻顯示，建築設計以及風向均可能影 響自然排煙的效能，再者排煙室的深寬比、空間配置及建築外部空間之進深及面寬， 對於排煙的效能也可能有所影響。故本研究將針對以上問題以實際模型實驗及電腦模 擬進行探討，提出設計與法規面的檢討，以及提升排煙室排煙性能之建議。 二、研究方法 (一)文獻回顧： 本計畫先從蒐集國內外排煙室或類似之排煙設計文獻進行分析，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，對於期程內研究成果，提出階段性建議， 並對本計畫研究方向提供寶貴建議，使本案結論更加完善。 (三)電腦軟體模擬及實驗驗證： 透過案例之蒐集整理、電腦模擬分析等研究方法，再建置實驗進行測試驗證並與 電腦模型之分析比對。本研究全尺度之實驗模型，模擬特別安全梯或緊急昇降機之排

性能的主要因子，提出提升排煙室之排煙性能改善建議。 三、重要發現 (一)文獻分析發現，在自然排煙的研究上，過去以大空間之自然排煙設備性能驗證為 主，對於特別安全梯間及緊急昇降機間排煙室之自然排煙口性能探討，尚無具體研究 案例及成果可供參考，在以防煙為主的美國建築法規內對本問題亦無提及。 (二)由本研究結果顯示，在無風情況下，排煙室自然排煙口開啟後，在天花板 180cm 高度之實驗及模擬結果，均達到人員可維生環境條件，顯示依法設置之自然排煙口， 在正常操作情況下，其性能符合人員避難需求。 (三)經電腦模擬及實驗驗證後發現，特別安全梯間及緊急昇降機間排煙室之自然排煙 口性能，在無風情況下，當排煙口開啟後，持續進行排煙，直到排煙室溫度場下降至 接近室外溫度時，排煙現象停止；在有外部風情況下，當排煙口動作後，排煙室溫度 下降至接近室外溫度時，排煙情況仍持續，且排煙室內之溫度場下降速度及煙流消散 速度隨外部風速增加呈現加快之趨勢，由此現象顯示，外部風作用對於排煙室此種構 造條件及操作方式之空間，其排煙性能驗證結果，有別於過去認為外部風不利於自然 排煙口排煙性能之總體認知，研判原因，本研究排煙室面積約為 12m2_{，在長向牆面設} 置排煙口時，受風縱深為 3m，而一般居室之排煙區劃面積（法定為 500m2_{以下）及受} 風縱深則遠大於排煙室，就紊流混合深度問題，一般居室自然排煙口在受風後，其排 煙效果或會異於本研究呈現之成果。 (四)一般長方型排煙室，當排煙口設置於長向牆面時，其整體排煙性能上優於設置於 短向牆面。 (五)排煙室設置於建築物受風面之中心區域（平行流區），相對於其他位置在受外部 風影響時有較佳之排煙性能。 (六)面積較小之排煙室，相較於面積較大之排煙室，有較佳之排煙性能。 (七)高層建築物尚有外部風壓問題，過大的風壓或可導致排煙室防火門開啟因難問

摘要 題，以及影響其他空間不利之熱煙流竄，而風壓大小，取決於外部風速之影響；綜整 本研究結果，防火門容許壓差建議在 75Pa，其對應之容許外部風限速約為 4m/s，其對 應之建築物高度約為 50m。 四、主要建議事項 本研究主要以現行法規為基礎，結合座談會及審查會中各專家學者、業界、政府 相關主管機關等代表提供之意見，及實地實例電腦軟體模擬及實驗驗證，相關結果提 供主要建議事項如下： 建議一 排煙室幾何型狀、排煙口設置、開口方式及設計建議參考事項：立即可行建議 主辦機關：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 協辦機關：內政部建築研究所、消防署、財團法人台灣建築中心 一般長方型排煙室，當排煙口設置於長向牆面時，其整體排煙性能優於設置於短 向牆面；且排煙室設置於建築物受風面之中心區域（平行流區），相對於其他位置在 受外部風影響時有較佳之排煙性能之設計建議：在開口全開時，是靠煙本身溫度所造 成的熱浮力與外氣給予的驅動力，而當以在 45 度角開啟時，大部分只靠著煙本身的熱 浮力為驅動力，結果得知自然排煙室之自然排煙口開口方式建議以全開方式開啟，可 得到較佳之排煙性能。本研究已依成果完成綜整，並歸納提出設計建議事項。建請主 管機關及各設計單位參考，以改善現行排煙設計方式，提升建築物火災避難之安全性。 建議二 排煙室自然排煙口設計高度限制之深入研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部消防署、財團法人台灣建築中心

無虞情況下，參考國外文獻、法令及本研究結果後建議，排煙室防火門容許壓差可採 用 75Pa 或是利用附錄八公式(1)計算得知；如壓差採用 75Pa 其對應之容許外部風限速 約為 4m/s，其對應之建築物高度約為 50m，準此，排煙室以自然排煙口設計之方式， 建議設置於 50m 以下高度為宜。建議增列消防安全設備設置標準第 189 條第 7 目：建 築物高度超過 50 公尺之樓層，採機械排煙設備。 建議三 外部風對自然排煙室排煙性能之深入研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部消防署、財團法人台灣建築中心 有關本研究初次提出外部風作用有利於排煙室排煙性能之結果，在模擬與全尺寸 實驗部分已獲得充足資料，惟礙於本次研究經費及現有實驗場地限制，無法將成果延 伸至其他相關問題，如外部風對居室自然排煙與梯間自然排煙之性能差異性等，建議 持續進行後續研究，俾使本案結論更為完整。

摘要

Abstract

Keywords：Smoke exhaust lobby, natural smoke exhaust, building smoke control, high rise building

Introduction

Smoke is an important factor of safe evacuation in a case of fire. Besides smoke hazard, smoke would also lower the visibility. For high rise buildings, smoke lobby is the passage and important evacuation route to the special safe staircase. If the smoke flowing into the smoke lobby and flow disturbances occurs, it would impede the personnel evacuation. In the fire code smoke lobby for the special safe staircase (can be shared by emergency elevator) can apply natural smoke exhaust. The smoke can be exhausted to the outside, or by using ducting for inflow and smoke exhaust. For natural smoke exhaust, the basic requirements are the heights of makeup air inlet and the height of the exhaust outlet, or the cross section area for the exhaust duct. The past research showed that building design and the outside wind are factors to the smoke exhaust effectiveness. Moreover, the aspect ratio of the smoke lobby, the space outside the building, can also affect smoke exhaust. This research addresses the problems stated above by full scale experiments and computer modeling. Research results are presented for the experiments and the comparison with computer modeling. Discussion is given on the design guide and fire code amendment, on the base of improving the safety of smoke lobby.

Research methods

The research methods are described as follows:

1. Literature search regarding codes and research on the factors of natural smoke exhaust. Comparison of codes in Taiwan with that practiced in other countries. The research literature as well as codes and standards were analyzed for possibility of adoption to

2. Researchers and professionals in the areas of HVAC, fire engineering, and government officials were invited to two seminars held in different stages of the research. Comments made in the seminars were considered in the research works.

3. Full scale experiments for natural smoke exhaust were conducted, along with computer modeling for comparison, and computer modeling for actual building cases. Key factors of natural smoke exhaust was tested in the experiments and modeled in the computer analysis. Improvements on natural smoke exhaust were proposed.

Research results

The important finds in this research are described as bellows:

1. Research literature focuses more on natural smoke in large buildings but not smoke lobby.

2. It was found that in the case of no wind, natural smoke exhaust can maintain tenable conditions under a height of 180cm, with the current fire code, meet the need of safe evacuation.

3. The experimental results and computer modeling show that with no wind conditions, smoke exhaust would continue until the temperature in the smoke lobby reaching the outside temperature. In the case of outdoor wind, however smoke exhaust would

proceed after the smoke lobby temperature has reached the outdoor condition. Moreover temperature would decrease faster with high wind speed, along with faster smoke diffuse. This study shows that contrary to some previous research, outside wind is advantageous to natural smoke exhaust. The cause would be the smoke lobby has an area of 12m2_{, with the short side at 3m (compared to smoke zone < 500m}2 _{), the}

turbulence mixing length could be larger than the smoke lobby depth, and has enhancement effects on smoke exhaust.

摘要 4. Smoke exhaust at the long side has better performance than at the short side.

Smoke lobby located the center of building block (middle floor), has parallel flow characteristics at the smoke exhaust plane, and performs better than other locations. 5. Smaller smoke lobby appears to have better smoke exhaust performance.

6. Wind pressure can have adverse effects for high rise buildings, such as excessive door opening force and smoke spread inside the building, etc. An door opening force analysis suggest that the pressure on the fire door should not exceed 75Pa, corresponding to 4m/s wind and a building height of about 50m.

Applications proposed

Immediate applications of the research results are proposed as below:

1. This proposal is referred to the practice engineers, and the government officials. Natural smoke exhaust is better designed at the long side of smoke lobby as a whole this would have better natural smoke exhaust. The smoke exhaust opening when designed nearer to the center of building façade would perform beter in the presence of external winds. Experimental results show that full smoke exhaust opening performs better than 45o opening. In additional to hot smoke buoyancy forces natural smoke vent would be enhanced more by external wind at full opening. It is therefore suggested full opening of smoke vent would be a better design. This report has proposed some good practice regarding to the position of smoke vent relative to the building façade, relative location in the smoke lobby, opening angle and the height limitation. It is suggested that the proposal be considered in the practice and in the design review by the government officials.

2. Outdoor Outdoor wind could impose high pressure on the fire door and cause excessive high opening force. With reference to NFPA standard allowable wind pressure of 75Pa is suggested. It is also proposed that in practice appropriate wind pressure can be calculated according to NFPA standard using Equation (1) in the Appendix. The

correspond a building height limit of 50m is suggested. It is proposed that natural smoke exhaust should be applied for buildings below 50m height. This proposal is referred to the practice engineers, and for the government officials to amend the fire code in the future.

3. The research results show that outdoor wind is advantageous to the smoke exhaust, verified by experiments and computer modeling. However the results can be extended other applications such as room smoke exhaust and natural smoke exhaust for staircase, etc. Further research in these areas is proposed.

第一章 緒論

第一章 緒論

第一節 研究動機與背景

火災發生影響人員逃生主要因素之一為煙，煙會降低能見度危害人員逃生，而排 煙室卻是重要的逃生途徑，若是排煙室的煙流動受到各種因素所造成之擾動，將不利 於人員逃生。建築物特別安全梯或緊急昇降機間(或兼用)的排煙室，提供建築物中的 人們避難緩衝與消防人員由外部進入救災救護使用空間。我國建築物排煙室之排煙系 統設計依據及法規沿革大約可分為：民國 78 年以前建築物依「建築技術規則」[1]設 計施工編第 100 條、102 條，民國 78-84 年建築物依「各類場所消防安全設備設置標準」 第 21 條及 106 條，民國 85-102 年建築物依「各類場所消防安全設備設置標準」[2]第 28 條及 188 條及 189 條，納入於消防搶救上之必要設備。 現今依建築技術規則或各類場所消防安全設備設置標準，所設置之建築物特別安 全梯或緊急昇降機(或兼用)的排煙室，可採用自然排煙，排煙口可直接面向戶外，或 經由進風及排煙風管達到排煙的功能，目前依法令排煙基本上僅對排煙口之高度面積 及進排煙管的斷面積等進行條列式規定。 從消防法規發展沿革著眼，在 85 年版「各類場所消防安全設備設置標準」修正頒 佈後，特別安全梯或緊急昇降機排煙室之排煙檢討及設計方式，並沒有做改變只著眼 於開口高度、管道開口尺寸及進排風風量等(詳表 1)。然而，以台灣地窄人稠的特性， 建築物樓層一直往上在發展，高度也越來越高，建築設計以及風向均可能影響自然排 煙的實際排煙效能，顯然排煙室已經不是每一個建築場所，皆可套用各類場所消防安 全設備設置標準去設計。 就排煙室而言，當火災發生時，是否可藉由自然排煙或機械排煙，自然進風或機 械進風，提供有效的排煙量，以達預期的排煙性能，需深入進行探討與研究分析，以 確保該區域於初期火災時能保持無煙危害，對於人員避難、等待救援與消防人員救災 有絕對之重要性。從整體建築物避難逃生概念切入，保持排煙室空間無煙狀態，有利 於人員初期避難逃生之使用，本研究擬針對以上問題以全尺度實驗及電腦模擬進行探

討，依據研究成果提出設計及法規面的檢討之建議，藉由法令強度提升，相對增加整 體的建築物安全性能。 表 1 特別安全梯或緊急昇降機排煙室排煙條文修正對照表 「各類場所消防安全設備設置標準排煙」特別安全梯或緊急昇降機排煙室排煙條文修正對照 版 本 78 年版 102 年版 條 文 第 21 條 左列場所應設置排煙設備： 一、供第五條第一款第一目至第八目使用 之樓層，每層樓地板面積超過五百平方公 尺以上者。但每一百平方公尺內以分間牆 或以防煙壁區劃分隔者，不在此限。 二、無窗戶及無開口樓層之居室。 三、供第五條第一款第一目使用之舞台部 分，樓地板面積大於三百平方公尺以上 者。 四、依建築技術規則應設置特別安全梯、 門及緊急昇降機間之場所者。 第 106 條 緊急昇降機間及特別安全梯之進風排煙 設備應依左列規定設置： 一、排煙口在平時應保持關閉狀態，需要 排煙時利用煙感應器連動開關予以開 啟，其開口門扇之構造應注意不受開放排 煙時所發生氣流之影響。 二、排煙口如裝設排風機，應能隨排煙口 之開啟而自動操作，其排風量不得小於每 分鐘一百二十立方公尺。 三、排煙口、排煙風（管）道及其他與火 第 28 條 下列場所應設置排煙設備： 一、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。 二、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。 三、樓地板面積在一千平方公尺以上之無開口 樓層。 四、供第十二條第一款第一目所列場所及第二 目之集會堂使用，舞臺部分之樓地板面積在五 百平方公尺以上者。 五、依建築技術規則應設置之特別安全梯或緊 急昇降機間。 第 189 條 特別安全梯或緊急昇降機間排煙室之排煙設 備，依下列規定選擇設置： 一、設置直接面向戶外之窗戶時，應符合下列 規定： （一）在排煙時窗戶與煙接觸部分使用不燃材 料。 （二）窗戶有效開口面積位於天花板高度二分 之一以上之範圍內。 （三）窗戶之有效開口面積在二平方公尺以 上。但特別安全梯排煙室與緊急昇降機間兼用

第一章 緒論 煙之接觸部分均應以不燃材料建造。排煙 風（管）道之構造以金屬或石棉製造者， 除以厚十公分以上金屬以外之不燃材料 包覆者外，應離開木料等易燃材料十五公 分以上。其為鋼筋混凝土造者，厚度不小 於十五公分；其為無筋混凝土或磚造者， 厚度不得小於二十三公分。 四、排煙設備應接緊急電源。 五、建築物高度超過三十公尺或地下層樓 地板面積超過一千平方公尺之排煙設 備，應將控制及監視工作集中於中央管理 室。 六、設有每秒可進風、排煙四立方公尺以 上，並可隨進風口、排煙口之開啟而自動 操作之進風機、排煙機者，進風之開口面 積不得小於一平方公尺（兼作排煙室使用 時，不得少於一 點五平方公尺），開 口位置應開設在樓地板或設於天花板高 度二分之一以下範圍內之牆壁上，開口應 直通連接戶外之進風管道，管道之內部面 積，不得小於二平方公尺（兼作排煙室使 用時，不得小於三平方公尺）。 時（以下簡稱兼用），應在三平方公尺以上。 （四）前目平時關閉之窗戶設手動開關裝置， 其操作部分設於距離樓地板面八十公分以上一 百五十公分以下之牆面，並標示簡易之操作方 式。 二、設置排煙、進風風管時，應符合下列規定： （一）排煙設備之排煙口、排煙風管、進風口、 進風風管及其他與煙接觸部分應使用不燃材 料。 （二）排煙、進風風管貫穿防火區劃時，應在 貫穿處設防火閘門；該風管與貫穿部位合成之 構造應具所貫穿構造之防火時效；其跨樓層設 置時，立管應置於防火區劃之管道間。但設置 之風管具防火性能並經中央主管機關認可，該 風管與貫穿部位合成之構造具所貫穿構造之 防火時效者，不在此限。 （三）排煙口位於天花板高度二分之一以上之 範圍內，與直接連通戶外之排煙風管連接，該 風管並連接排煙機。進風口位於天花板高度二 分之一以下之範圍內；其直接面向戶外，開口 面積在一平方公尺（兼用時，為一點五平方公 尺）以上；或與直接連通戶外之進風風管連 接，該風管並連接進風機。 （四）排煙機、進風機之排煙量、進風量在每 秒四立方公尺（兼用時，每秒六立方公尺）以 上，且可隨排煙口、進風口開啟而自動啟動。 （五）進風口、排煙口依前款第四目設手動開 關裝置及探測器連動自動開關裝置；除以該等 裝置或遠隔操作開關裝置開啟外，平時保持關 閉狀態，開口葉片之構造應不受開啟時所生氣 流之影響而關閉。 （六）排煙口、進風口、排煙機及進風機連接 緊急電源，其供電容量應供其有效動作三十分 鐘以上。 (資料來源：參考資料 2)

第二節 研究方法及進度說明

本計畫的目的為： 一、蒐集國內外有關排煙室自然排煙法規與研究文獻分析了解，供我國修訂相關法規 的參考。 二、由自然排煙室及排煙口配置的排煙性能實驗結果，確認現行自然排煙設計的性能 及有效性。 三、既設目標建物建電腦模擬研究，探討影響排煙性能的主要因子。 四、由電腦模擬與實驗結果，結合國內外相關法規文獻的了解，提出對自然排煙室的 排煙性能之設計建議參考事項，以提升業界對自然排煙的設計安全性。 本計畫之研究內容包括以下數項： 一、以案例建構 FDS 電腦模型，包括室內之擺置，材料熱值設定。 二、FDS 電腦模型排煙室自然排煙性能之模擬及探討。 三、實體模型模擬量測，其幾何形狀及設置位置對排煙性能之影響研究。 四、各種可能影響排煙性能因素。 五、舉辦座談會彙整相關學者專家意見。 本計畫之研究方法為： 一、研究調查國內建築物特別安全梯或緊急昇降機(或兼用)的排煙室，排煙設備之設 置現況，以了解其設計與使用問題。 二、建築物居特別安全梯或緊急昇降機(或兼用)的排煙室之設計案例研究。 三、國內、外建築物排煙室或自然排煙之法規規範研究，作為未來修訂相關法令及技 術規則等參考。 四、進行 FDS 電腦模擬找出影響排煙的重要因子。 五、以全尺度模型進行量測，實驗結果與 FDS 模擬結果作比對分析。 六、舉辦座談會彙整相關學者專家意見。

第一章 緒論

本計畫主要工作內容及其詳細進行步驟及目前進度，如以下之工作流程圖：(詳圖 1)

圖 1 工作流程圖 （資料來源：本研究整理）

一、國內外有關排煙室自然排煙法規與研究文獻分析了解，供我國修訂相關法規的參 考。 二、由自然排煙室及排煙口配置的排煙性能實驗結果，提出自然排煙設計建議參考。 三、排煙室之自然排煙係依各類場所消防安全設備標準設置，然而對於外部風對不同 高度樓層之影響，本研究成果將達成了解其相對之排煙性能關係。 四、既設目標建物建電腦模擬研究，找出影響排煙性能的主要因子，提出提升排煙性 能的改善建議。 五、由電腦模擬與全尺度實驗結果，結合國內外相關法規文獻的了解，提出對自然排 煙室的排煙性能之設計建議參考事項，以提升業界對自然排煙的設計安全性。

第二章 蒐集之資料及文獻分析

第二章 蒐集之資料及文獻分析

第一節 國內相關文獻回顧

國內目前消防及建築法規排煙設計，以「各類場所消防安全設備設置標準」[2]、 「建築技術規則建築設計施工編、建築構造編、建築設備編」[1]為設計依據，以排除 煙霧降低煙之危害為主，於建築物之安全梯、特別安全梯或緊急昇降機排煙室之排煙 設備，可採用機械排煙或自然排煙方式設計，法規規定將於第 3 章詳細探討。 在國內之相關研究部份，楊冠雄[3]之研究為大空間建築自然煙控設計之全尺度實 驗與驗證，探討現行消防法規中，有關煙控系統部分，典型條例式法規之規定防煙區 劃面積大小、防煙壁下垂之深度、排煙口位置與排煙量大小等等設計。而針對現行消 防法規並無充分考慮建築物特性，如自然排煙、蓄煙區、中庭等性能式設計方法列入 研究，如煙層底部高度計算、每小時換氣率、不同狀況相對應之排煙量設計等等。以 期訂定本土化之技術規範，對於具備大空間之挑高建築而言，條例式煙控系統設計並 不能完全重現發生火災時之煙流動狀況。對於大空間採取性能式煙控系統設計，以便 於發生火災時，提供一條無煙之逃生路徑，確實保障人身安全。 鍾基強[4] 為內政部建築研究所作了緊急昇降機及特別安全梯梯間排煙設備之研 究，及性能式煙控系統設計與檢證規範之研究-高層建築自然排煙之可行性分析[5]，探 討於建築技術規則內對於有直接對外之開口可採用自然排煙之設計，且對自然排煙口 面積大小有明確規定。排煙口在平時應保持關閉狀態，需要排煙時以手搖式裝置，或 利用煙感應器連動之自動開關裝置，或遙控式開關裝置予以開啟，其開口門扇之構造 應注意不受開放排煙時所發生之氣流之影響。但此部份對於自然排煙口並無開啟大小 及開度之規定，在實際現場時常常發生不同意見之討論，因此進行自然排煙開口大小 設計之風洞實驗以確實瞭解開啟角度與出口大小對自然排煙性能之影響。

第二節 美國自然排煙的設計規範

美國國家防火協會(National Fire Protection Association)推薦之設計規範 NFPA 92A[6]在以氣壓作煙控及梯間加壓系統方面建立了一些設計規範，相關之 NFPA 標準 如 92B[7]，為大空間或中庭煙控之指導方針。 在美國冷凍空調工程協會手冊應用編[8]，探討煙囪效應，在正煙囪效應、逆煙囪 效應下，因氣流溫度差異造成密度變化而形成之氣流移動方向，如圖 2、3、4 所示。 尤其在高層建築物中，若排煙室採用自然排煙設計，應考慮煙囪效應對排煙系統之影 響。 圖 2 正煙囪效應下建築物管道與外界壓差 (資料來源：參考資料 8)

第二章 蒐集之資料及文獻分析

圖 3 正、逆煙囪效應下之氣流移動示意 (資料來源：參考資料 8)

圖 4 火場浮力造成之壓差變化 (資料來源：參考資料 8)

第三節 鄰近國家自然排煙的設計規範

參考鄰近國家建築防災的設計規範，對自然排煙亦有相關規定。說明如下： 中國建築設計防火規範[9,10]，該規範適用於十層及十層以上的居住建築、建築高 度超過 24m 的公共建築之新建、擴建和改建的高層建築及其裙樓，但不適用於單層主 體建築高度超過 24m 的體育館、會堂、劇院等公共建築以及高層建築中的人民防空地 下室。有關自然排煙之規定如下： 表 2 GB 50045—95 高層民用建築設計防火規範 自然排煙 8.2.1 除建築高度超過 50m 的一類公共建築和建築高度超 過 100m 的居住建築外，靠外牆的防煙樓梯間及其前 室、消防電梯間前室和合用前室，宜採用自然排煙方 式。 8.2.2 採用自然排煙的開窗面積應符合下列規定： 8.2.2.1 防煙樓梯間前室、消防電梯間前室可開啟外窗面積 不應小於 2.00 ㎡，合用前室不應小於 3.00 ㎡。 8.2.2.2 靠外牆的防煙樓梯間每五層內可開啟外窗總面積 之和不應小於 2.00 ㎡。 8.2.2.3 長度不超過 60m 的內走道可開啟外窗面積不應小 於走道面積的 2%。 8.2.2.4 需要排煙的房間可開啟外窗面積不應小於該房間 面積的 2%。 8.2.2.5 淨空高度小於 12m 的中庭可開啟的天窗或高側窗 的面積不應小於該中庭地面積的 5%。 8.2.3 防煙樓梯間前室或合用前室，利用敞開的陽臺、凹廊 或前室內有不同朝向的可開啟外窗自然排煙時，該樓 梯間可不設防煙設施。 8.2.4 排煙窗宜設置在上方，並應有方便開啟的裝置。 (資料來源：參考資料 9)

第二章 蒐集之資料及文獻分析 表 3 GB 50016—2012 建築設計防火規範 (資料來源：參考資料 10) 山海敏弘[11]說明了日本排煙設備基本法，對日本之設計規範也作了一些討論及 說明。在日本，依照建築基準法令、消防法令，建築物有義務裝置排煙設備，但建築 基準法令之排煙設備，係以「避難上及滅火上」之觀點，規範該設備之裝設，避難者 可避免被煙所捲入而順利逃生，又期待消防隊員在滅火及搶救受困人員時能有效發揮 作用。以下根據山海敏弘之資料對日本在防煙之規範作討論。 依日本建築基準法令，規定須裝置之排煙設備，可大區分如下，建築物居室之排 煙設備，特別安全梯之附室(排煙室)及緊急昇降機間之排煙設備，及地下街通道之排 煙設備等。因地下街通道之排煙設備較為特殊，故僅對裝設於住宅等之排煙設備及特 別安全梯之附室及緊急昇降機間之排煙設備加以說明。需裝置排煙設備之居室為： (1) 高應用強度之場所，其樓地板面積超過 500 ㎡者。 10.2 自然排煙 10.2.1 下列建築中靠外牆的防煙樓梯間、消防電梯間的 前室和合用前室宜採用自然排煙設施進行防煙： 1 二類高層公共建築； 2 建築高度不大於 l00m 的住宅建築； 3 建築高度不大於 50m 的其他建築。 10.2.2 設置自然排煙設施的場所，其自然排煙口的有效 面積應符合下列規定： 1 防煙樓梯間的前室、消防電梯間的前室，不應 小於 2.0m2_{；合用前室，不應小於 3.0m}2_； 2 靠外牆的防煙樓梯間豎井，每 5 層內可開啟排 煙窗的總面積不應小於 2.0m2_； 3 中庭、劇場舞臺，不應小於其樓地面面積的 5%； 4 其他場所，宜取該場所建築面積的 2%～5%。 10.2.3 自然排煙的視窗應設置在房間的外牆上方或屋頂 上，並應有方便開啟的裝置。防煙分區內任一點 距自然排煙口的水準距離不應大於 30m。

(2) 樓高三層以上且其樓地板面積超過 500 ㎡者。 (3) 無窗戶之居室。 (4) 總樓地板面積超過 1,000 ㎡之建築物中,居室面積超過 200 ㎡者。 但在用途上不裝設排煙設備對防火避難上不會特別構成問題時，可免除裝設排煙 設備，其具體條件如下：(第 126 條之 2 第 1 項但書，昭和 47 年建告第 33 號)。 (1) 建築法附表第一(甲)欄屬(二)項用途之特殊建築物中，樓板面積在 100 ㎡以內設置防火 區劃者。 (2) 學校或體育館。 (3) 樓梯部分，昇降機之昇降通路部分。 (4) 機械製造工場中，較無可能發生火災之部分。 (5) 樓高為二層以下之住宅(總樓地板面積在 200 ㎡以下)或長條形住戶(樓地板面積在 200 ㎡以下)之房間，其樓地板面積 1/20 以上俱有換氣上有效之開口部者。 (6) 用途上，不得不作為密閉滅火之部分。 (7) 牆及天花板等皆採用耐火構造或以不燃材料製造並作小區劃者。 特別安全梯之附室及緊急昇降機樓梯間之排煙設備，特別安全梯之附室及緊急昇 降機之樓梯間，義務規定須裝設排煙有效之窗戶或排煙設備。 日本「新建築防災計画指針」1995 年版[12]，針對自然排煙的設置要點包括，自 然排煙口設於直接面外氣之牆面，與鄰近建築之境界線至少應有 25cm 以上的空間。 建築物中庭自然排煙口，應注意熱氣上升對上層空間造成延燒。斷面積要求為 6-9 m2_{，外氣之風向、風速會影響排煙效果。對小建築影響較小，超高層建築則有顯著影} 響。 自然排煙口應注意外氣補氣源的供給，排煙口的形狀、構造、位置，及對上方樓 層的構造應加以注意，以避免延燒。 比較我國及鄰近中國、日本等國，對於自然排煙室及排煙口配置，我國的「各類 場所消防安全設備設置標準」，僅有排煙的基本規定，針對排煙口高度面積及進排煙 管的斷面積進行規範。而日本之「新˙建築防災計画指針」則提及自然排煙口應注意

第二章 蒐集之資料及文獻分析 外氣補氣源的供給，排煙口的形狀、構造、位置，及對上方樓層的構造應加以注意， 中國的建築設計防火規範，對防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室和合用前室，以 採用自然排煙方式為優先。設置自然排煙設施的自然排煙的開窗面積有列出面向及場 所建築面積的 2%～5％之規定。過去有研究成果顯示建築設計及風向均可能影響自然 排煙的效能，再者排煙室的深寬比、空間配置及建築外部空間之進深及面寬，對於排 煙的效能也可能有所影響。

第三章 我國相關防煙法規

第三章 我國相關防煙法規

我國建築物排煙系統設計依據及法規沿革，大約可分為：民國 78 年以前建物依「建 築技術規則」設計施工編第 100 條-102 條，民國 78-84 年建物依「各類場所消防安全 設備設置標準」第 21 條及 106 條，民國 85-102 年建物依「各類場所消防安全設備設 置標準」第 28 條及 188 條-190 條。有關建築及消防等適用排煙設備之相關法令條文， 綜整如後：

第一節 建築法令

民國 78 年以前興建之建築物，其消防安全設備，依建築法及建築技術規則，檢討 設計施工。相關法令條文如表 4、表 5： 表 4 建築法部份 「建築法」 第七十七條 建築物所有權人、使用人應維護建築物合法使用與其構造及設 備安全。直轄市、縣（市）（局）主管建築機關對於建築物得隨時 派員檢查其有關公共安全與公共衛生之構造與設備。 供公眾使用之建築物，應由建築物所有權人、使用人定期委託 中央主管建築機關認可之專業機構或人員檢查簽證，其檢查簽證結 果應向當地主管建築機關申報。非供公眾使用之建築物，經內政部 認有必要時亦同。 前項檢查簽證結果，主管建築機關得隨時派員或定期會同各有 關機關複查。第三項之檢查簽證事項、檢查期間、申報方式及施行 日期，由內政部定之。 「建築法」 第九十七條 有關建築規劃、設計、施工、構造、設備之建築技術規則，由中央 主管建築機關定之，並應落實建構兩性平權環境之政策。 「建築法」 第九十一條 有左列情形之一者，處建築物所有權人、使用人、機械遊樂設施之 經營者新臺幣六萬元以上三十萬元以下罰鍰，並限期改善或補辦手

拆除，恢復原狀或強制拆除： 一、違反第七十三條第二項規定，未經核准變更使用擅自使用建築 物者。 二、未依第七十七條第一項規定維護建築物合法使用與其構造及設 備安全者。 三、規避、妨礙或拒絕依第七十七條第二項或第四項之檢查、複查 或抽查者。 四、未依第七十七條第三項、第四項規定辦理建築物公共安全檢查 簽證或申報者。 五、違反第七十七條之三第一項規定，未經領得使用執照，擅自供 人使用機械遊樂設施者。 六、違反第七十七條之三第二項第一款規定，未依核准期限使用機 械遊樂設施者。 七、未依第七十七條之三第二項第二款規定常時投保意外責任保險 者。 八、未依第七十七條之三第二項第三款規定實施定期安全檢查者。 九、未依第七十七條之三第二項第四款規定置專任人員管理操作機 械遊樂設施者。 十、未依第七十七條之三第二項第五款規定置經考試及格或檢定合 格之機電技術人員負責經常性之保養、修護者。 有供營業使用事實之建築物，其所有權人、使用人違反第七十七條 第一項有關維護建築物合法使用與其構造及設備安全規定致人於死 者，處一年以上七年以下有期徒刑，得併科新臺幣一百萬元以上五 百萬元以下罰金；致重傷者，處六個月以上五年以下有期徒刑，得 併科新臺幣五十萬元以上二百五十萬元以下罰鍰。 「建築法」 第九十四條之一 依本法規定停止供水或供電之建築物，非經直轄市、縣（市） （局）主管建築機關審查許可，不得擅自接水、接電或使用；未經 許可擅自接水、接電或使用者，處一年以下有期徒刑、拘役或科或 併科新臺幣三十萬元以下罰金。 「建築法」 第九十五條 依本法規定強制拆除之建築物，違反規定重建者，處一年以下 有期徒刑、拘役或科或併科新臺幣三十萬元以下罰金。 (資料來源：參考資料 13)

第三章 我國相關防煙法規 表 5 建築技術規則部份 「建築技術規 則」建築設計施 工編 第四章 防火避難設施及 消防設備 第二節 排煙設備 第一百條 左列建築物應設置排煙設備。但樓梯間、昇降機間及其他類似部 份，不在此限： 一、供本編第六十九條第一類、第四類使用及第二類之養老院、兒 童福利設施之建築物，其每層樓地板面積超過五○○平方公尺 者。但每一○○平方公尺以內以分間牆或以防煙壁區劃分隔 者，不在此限。 二、本編第一條第三十一款第三目所規定之無窗戶居室。 前項第一款之防煙壁，係指以不燃材料建造之垂壁，自天花板 下垂五十公分以上。 「建築技術規 則」建築設計施 工編 第一百零二條 一、應設置可開向戶外之窗戶，其面積不得小於二平方公尺，二 者兼用時，不得小於三平方公尺，並應位於天花板高度二分 之一以上範圍內。 二、未設前款規定之窗戶時，應依其規定位置開設面積在四平方 公尺以上之排煙口，(兼排煙室使用時，應為六平方公尺以 上)，並直接連通排煙管道。 三、排煙管道之內部斷面積，不得小於六平方公尺(兼排煙室使用 時，不得小於九平方公尺)，並應垂直裝置，其頂部應直接通 向戶外。 四、設有每秒鐘可進、排四立方公尺以上，並可隨進風口、排煙 口之開啟而自動操作之進風機、排煙機者，得不受第二款、 第三款、第五款之限制。 五、進風口之開口面積，不得小於一平方公尺(兼作排煙室使用時， 不得小於一‧五平方公尺)，開口位置應開設在樓地板或設於 天花板高度二分之一以下範圍內之牆壁上。開口應直通連接 戶外之進風管道，管道之內部斷面積，不得小於二平方公尺 (兼作排煙室使用時，不得小於三平方公尺)。 六、排煙室之開關裝置及緊急電源設備，依本編第一○一條之規 定辦理。 (資料來源：參考資料 1)

第二節 消防法令

民國 78 年以後興建之建築物，其消防安全設備，依消防法及各類場所消防安全設 備設置標準，檢討設計施工。相關法令條文如表 6、表 7 所示： 表 6 消防法部份 消防法 第六條 本法所定各類場所之管理權人對其實際支配管理之場所，應設置 並維護其消防安全設備；場所之分類及消防安全設備設置之標 準，由中央主管機關定之。 消防機關得依前項所定各類場所之危險程度，分類列管檢查及複 查。 第一項所定各類場所因用途、構造特殊，或引用與依第一項所定 標準同等以上效能之技術、工法或設備者，得檢附具體證明，經 中央主管機關核准，不適用依第一項所定標準之全部或一部。 不屬於第一項所定標準應設置火警自動警報設備之旅館、老人福 利機構場所及中央主管機關公告場所之管理權人，應設置住宅用 火災警報器並維護之；其安裝位置、方式、改善期限及其他應遵 行事項之辦法，由中央主管機關定之。 不屬於第一項所定標準應設置火警自動警報設備住宅場所之管理 權人，應設置住宅用火災警報器並維護之；其安裝位置、方式、 改善期限及其他應遵行事項之辦法，由中央主管機關定之。 消防法 第三十五條 依第六條第一項所定標準應設置消防安全設備之供營業使用場 所，或依同條第四項所定應設置住宅用火災警報器之場所，其管 理權人未依規定設置或維護，於發生火災時致人於死者，處一年 以上七年以下有期徒刑，得併科新臺幣一百萬元以上五百萬元以 下罰金；致重傷者，處六月以上五年以下有期徒刑，得併科新臺 幣五十萬元以上二百五十萬元以下罰金。

第三章 我國相關防煙法規 消防法 第三十七條 違反第六條第一項消防安全設備設置、維護之規定或第十一 條第一項防焰物品使用之規定，經通知限期改善，逾期不改善或 複查不合規定者，處其管理權人新臺幣六千元以上三萬元以下罰 鍰；經處罰鍰後仍不改善者，得連續處罰，並得予以三十日以下 之停業或停止其使用之處分。 規避、妨礙或拒絕第六條第二項之檢查、複查者，處新臺幣 三千元以上一萬五千元以下罰鍰，並按次處罰及強制執行檢查、 複查。 (資料來源：參考資料 14) 表 7 各類場所消防安全設備設置標準部份 「各類場所消防安 全設備設置標準」 第二編 消防設計 第二十八條 (102 年版) 下列場所應設置排煙設備： 一、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。 二、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。 三、樓地板面積在一千平方公尺以上之無開口樓層。 四、供第十二條第一款第一目所列場所及第二目之集會堂使用， 舞臺部分之樓地板面積在五百平方公尺以上者。 五、依建築技術規則應設置之特別安全梯或緊急昇降機間。 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。 「各類場所消防安 全設備設置標準」 第三編 消防安全設備 第四章 消防搶救上之必要 設備 第三節 排煙設備 第一百八十九條 特別安全梯或緊急昇降機間排煙室之排煙設備，依下列規定選擇 設置： 一、設置直接面向戶外之窗戶時，應符合下列規定： （一）在排煙時窗戶與煙接觸部分使用不燃材料。 （二）窗戶有效開口面積位於天花板高度二分之一以上之範圍內。 （三）窗戶之有效開口面積在二平方公尺以上。但特別安全梯排 煙室與緊急昇降機間兼用時（以下簡稱兼用），應在三平 方公尺以上。

示簡易之操作方式。 二、設置排煙、進風風管時，應符合下列規定： （一）排煙設備之排煙口、排煙風管、進風口、進風風管及其他 與煙接觸部分應使用不燃材料。 （二）排煙、進風風管貫穿防火區劃時，應在貫穿處設防火閘門； 該風管與貫穿部位合成之構造應具所貫穿構造之防火時 效；其跨樓層設置時，立管應置於防火區劃之管道間。但 設置之風管具防火性能並經中央主管機關認可，該風管與 貫穿部位合成之構造具所貫穿構造之防火時效者，不在此 限。 （三）排煙口位於天花板高度二分之一以上之範圍內，與直接連 通戶外之排煙風管連接，該風管並連接排煙機。進風口位 於天花板高度二分之一以下之範圍內；其直接面向戶外， 開口面積在一平方公尺（兼用時，為一點五平方公尺）以 上；或與直接連通戶外之進風風管連接，該風管並連接進 風機。 （四）排煙機、進風機之排煙量、進風量在每秒四立方公尺（兼 用時，每秒六立方公尺）以上，且可隨排煙口、進風口開 啟而自動啟動。 （五）進風口、排煙口依前款第四目設手動開關裝置及探測器連 動自動開關裝置；除以該等裝置或遠隔操作開關裝置開啟 外，平時保持關閉狀態，開口葉片之構造應不受開啟時所 生氣流之影響而關閉。 （六）排煙口、進風口、排煙機及進風機連接緊急電源，其供電 容量應供其有效動作三十分鐘以上。 (資料來源：參考資料 2)

第四章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明

第四章 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)。

一、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，亦即用足夠小的網格涵蓋整個流場，只使用流體體動粘滯係數(Dynamic Viscosity)，而不使用任何假設或模式系數來閉合紊流模式，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之所有的大小 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 5×10}7_{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 5×10}13_{；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。

二、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 紊流模式產流場的等效粘係數(Effective Viscosity)，據以求取流場之 Navier-Stokes 方程 式平均值解，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 通常無法精確的預測複雜熱傳與渦流的 發展。

三、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 不受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[15] 內定採用 LES 模式，有相關之實驗驗證。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。

第四章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明

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[16]，一般可區分為區域模式(Zone model)與場模式(Field model)兩種。 一、區域模式(Zone model) 所謂區域模式，是將建築物空間劃分若干個區域，每一個區域內再劃分成物理、 化學性質(如：溫度、煙、濃度等)均勻的高溫煙層與低溫空氣層。並利用能量、質量 守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每一個區域內的溫度、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。 二、場模式(Field model) 場模式如同計算流體力學(CFD)之計算方式，是將建築物空間劃分成多個控制體 積(Control Volume)，且利用數值方法，將描述火災現象的動量、質量及組成成份、紊 流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件重複迭代計算，模 擬空間中各控制體積(即格點)之物理特性。預測火災發生過程中，每一個格點的速度、 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，而且能預測複雜形狀建築物內煙的流動；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 前採用場模式已可成功地模擬室內熱源，將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[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 2014 年 9 月發行 6.1.2 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，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 2014 年 9 月 發行 6.1.12 版。

圖 5 為 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖，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。

第四章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明

圖 5 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖 (資料來源：參考資料 15)

第四節 FDS 統御方程式

FDS 應用的範圍為低馬赫數的流場分析，可分析與火災相關之溫度場、速度場、 濃度場模擬計算，FDS 提供之物理模式應用如下： 一、室內及大氣中之各種火災問題 二、建築物之排煙系統、撒水頭系統之模擬。 三、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(4.1)至(4.4)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，其方程式如下： 1、連續方程式(Conservation of Mass)

 

0      u t   (4.1) 2、動量方程式(Conservation of Momentum)





            _{ }   f g p u u t u (4.2) 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     (4.3) 4、化學種方程式(Conservation of Species)

 

Yl Ylu

 

D l Yl Wl t        _{   } (4.4)

第四章 電腦數值模擬與 FDS 程式說明 上式中 ：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)  ：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，(-)

第五章 自然排煙案例研究與數值模擬

第五章 自然排煙案例研究與數值模擬

第一節 案例研究

5.1.1 實設案例選定

本研究整理排煙室面積標準，依內政部 95.6.19 台內營字第 0950803499 號解釋函， 有如下說明：「按緊急昇降機機間係供消防人員攜帶救災裝備器材執行救災工作所需 使用，並據本部消防署查日本（東京消防廳預防事務審查檢查基準）規範，每座緊急 昇降機門廳之樓地板面積應在 10 平方公尺以上。故有關建築技術規則建築設計施工編 第 107 條第 1 款第 6 目規定「每座昇降機間之樓地板面積不得小於 10 平方公尺」，上 開規定機間面積之計算範圍，不包括機道或機廂所占面積。」，故建築物緊急昇降機 機間排煙室面積設計，以大於 10 平方公尺為基準。 另於建築設計施工編第 97 條第 1 項第 5 款規定：「建築物達十五層以上或地下層 三層以下者，各樓層之特別安全梯，如供建築物使用類組 A-1、B-1、B-2、B-3、D-1 或 D-2 組使用者，其樓梯間與排煙室或樓梯間與陽臺之面積，不得小於各該層居室樓 地板面積百分之五；如供其他使用，不得小於各該層居室樓地板面積百分之三。」， 且同條第 2 項規定：「安全梯之樓梯間於避難層之出入口，應裝設具一小時防火時效 之防火門。建築物各棟設置之安全梯，應至少有一座於各樓層僅設一處出入口且不得 直接連接居室。」，準此，本研究即依前述規定為案例選定依據。 經篩選可獲得之自然排煙設備設置案例，選擇較具代表性的典型排煙設計，做為 本研究之實際建築物案例，並以此做為本研究基礎模型，發展後續模擬計劃。其規模 及設備檢討情況分述如下說明： 一、案例概述： 案例一：某辦公大樓（建築物如圖 6、平面圖如圖 7）

圖 6 案例一建築物外觀 （資料來源：本研究整理）

圖 7 案例一平面圖 （資料來源：本研究整理）

第五章 自然排煙案例研究與數值模擬 (一)建築結構：RC 構造，地上 15 層，地下四層 (二)建築面積：2065.87 平方公尺 (三)樓層高度：58.1 公尺。 (四)緊急昇降機間排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。 (五)特別安全梯排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。 (六)法規適用情況： １、本場所符合各類場所消防安全設備設置標準第 28 條第 5 款規定，為應設置緊急昇 降機間及特別安全梯排煙室排煙設備之場所。 ２、本建築排煙室依各類場所消防安全設備設置標準第 189 條規定檢討設計設置。 案例二：某辦公大樓（建築物如圖 8、平面圖如圖 9） 圖 8 案例二建築物外觀 （資料來源：本研究整理）

圖 9 案例二平面圖 （資料來源：本研究整理） (一)建築結構：RC 構造，地上 15 層，地下 4 層 (二)建築面積：483 平方公尺 (三)樓層高度：49.64 公尺。 (四)緊急昇降機間排煙室設備：自然排煙窗（有效排煙面積：2 平方公尺）。 (五)法規適用情況： １、本場所符合各類場所消防安全設備設置標準第 28 條第 5 款規定，為應設置緊急昇 降機間排煙設備之場所。 ２、本建築排煙室依各類場所消防安全設備設置標準第 189 條規定檢討設計設置。

第五章 自然排煙案例研究與數值模擬

5.1.2 差異性分析

一、案例一： 本研究案例排煙室 A(緊急昇降機間排煙室)，為典型的梯間排煙設計案例，其排 煙口位置，設於排煙室長向牆面。本案例排煙室為專用，其面積依規定設計為 2 ㎡， 有效高度於天花板高度之 1/2 以上，排煙室尺寸為 4.3m(L) x 2.95m(W) x 3m(H)，面積 約為 12.7 ㎡。由於排煙口設置之牆面位於較寛之長向，為 4.3m，故自然排煙窗設計可 依外牆情況有多種位置及型狀之變化。此種長向配置型態之設計案例，將設定為本研 究之第一種研究類型，用以探討排煙口配置與排煙性能之相互關係。 本案例另設有特別安全梯排煙室 B，其排煙口位置亦設於排煙室長向牆面，惟排 煙室尺寸僅 2.97m(L)x1.38m(W)x3m(H)，面積約為 4.1 ㎡，其餘設計與排煙室 A 同， 此種面積小於 10 ㎡之梯排設計案例，將設定為本研究之第二種研究類型，用以探討排 煙室面積與排煙性能之相互關係。 二、案例二： 本研究案例緊急昇降機間排煙室，為另一種典型的梯間排煙設計案例，其排煙口 位置，設置於排煙室短向牆面，因排煙室為專用，其面積依規定設計為 2 ㎡，有效高 度於天花板高度之 1/2 以上，排煙室尺寸為 5.85m(L) x 2.6m(W) x 3m(H)，面積為 15.21 ㎡。由於排煙口設置之牆面寛度僅約 2.6m，故設置 2m(w)x1m(h)之自然排煙口於此牆 面時，其上下方向及左右向位置相對已無多餘的移動空間，因此，在此種短向配置型 態之梯排設計案例，將設定為本研究之第三種研究類型，用以探討短向排煙口配置與 排煙性能之相互關係。 兩案例差異性分析詳表 8 說明。

名稱 設置位置 排煙室面積 排煙窗配置 備註 案例一 緊急昇降機間 12.7 ㎡ 設於排煙室長向牆面 第一種研究類型 特別安全梯 4.1 ㎡ 同上 第二種研究類型 案例二 緊急昇降機間 15.21 ㎡ 設於排煙室短向牆面 第三種研究類型 （資料來源：本研究整理）

5.1.3 排煙性能影響因子分析

火災生成的煙，受各種驅動力作用影響，會漫延飄散至建築物各處，形成煙害， 其主要驅動力有煙囪效應、熱浮力、氣體膨脹、外部風、空調系統、電梯活塞效應等。 而良好的建築防火避難設施設計規劃，在火災的情況下，可提供一定能力的防火 排煙性能，供人員逃生避難。從避難路徑的觀點而言，自然排煙室的設計，屬於相對 安全的第二次安全區域，其位置於走廊通道及安全梯之間，藉由排煙室防火區劃及排 煙設備，阻隔火煙，提供一個相對無煙的區域，供人員順利避難，在正常操作情況下， 其出入口以常閉式防火門，或與火警系統連動之常開式防火門設置，以確保排煙室的 區劃完整。 在功能正常的情況下，煙只有一種情況會進入排煙室，也就是火災室煙流已進入 走廊通道（第一次安全區域），隨著避難人員開啓防火門進入排煙室同時，煙流一併 進入排煙室內；人員進入排煙室防火門關閉後，煙流停止進入，已流入之煙層，則由 排煙設備進行排除。 影響排煙室自然排煙窗性能相關因素，經考慮有以下部分： 一、排煙驅動力 (一)熱浮力作用 從驅動力而言，已經流入排煙室之煙層溫度 Tf，與建築物外部大氣溫度 TO，仍保 有一定之溫差，從（5.1）式，可得到因溫差產生的壓差△Pfo，方程式表示如下：