大 型 挑 空 空 間 自 動 撒 水 與 煙 層 擾
動對人員避難安全影響之研究
內政部建築研究所協同研究報告
中華民國 107 年 12 月
大 型 挑 空 空 間 自 動 撒 水 與 煙 層 擾
動對人員避難安全影響之研究
研究主持人： 王榮進 協同主持人： 蔡尤溪 研 究 員： 雷明遠、陳佳玲 廖浩仁、邱治國 研 究 助 理 ： 黃奕銘、劉博文 研 究 期 程 ： 中華民國 107 年 2 月至 107 年 12 月內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告
中華民國 107 年 12 月
I
目錄
Abstract ... XIII 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究動機與背景 ... 1 1.2 研究計畫目標 ... 2 1.3 方法及進度說明 ... 3 第二章 文獻資料回顧 ... 7 2.1 研究文獻回顧 ... 7 2.2 國內外相關文獻法規回顧 ... 10 第三章 大型挑空空間自動撒水系統設計 ... 19 3.1 自動撒水系統選用流程 ... 19 3.2 放水型撒水系統設計程序 ... 20 3.3 放水型撒水系統設計原則 ... 21 第四章 挑空空間自動撒水實驗設置 ... 29 4.1 實驗器材 ... 29 4.2 實驗模型: ... 29 4.3 實驗配置 ... 35 4.4 實驗情境規劃 ... 38 4.5 撒水頭粒徑大小分析 ... 38 4.6 案例模型 ... 42 4.7 FDS 程式說明 ... 43 4.8 電腦模擬 ... 46 4.9 模擬結果分析 ... 50 4.10 撒水滅火效果 ... 73 4.11 燃料比例實驗 ... 74 4.12 實驗量測現場照 ... 75 4.13 實驗量測結果 ... 77 4.14 實驗總結 ... 88II 第五章 訪視案例 ... 89 5.1 案例一 ... 89 5.2 案例二 ... 96 5.3 案例三 ... 103 5.4 三個參訪案例設計之比較 ... 109 第六章 三個參訪案例之電腦模擬分析 ... 111 6.1 三個參訪案例模型 ... 111 6.2 火災模擬劇本 ... 113 6.3 格點配置 ... 113 6.4 模擬結果分析 ... 114 6.5 三個案例模擬結論 ... 125 6.6 提前撒水與延後撒水之差異 ... 125 6.7 自然排煙與機械排煙之差異 ... 134 6.8 側牆型撒水頭改為天花板型撒水頭 ... 142 6.9 小結 ... 151 第七章 研究發現與建議 ... 153 7.1 研究發現 ... 153 7.2 建議事項 ... 154 7.3 後續研究 ... 155 參考文獻 ... 157 附錄一 第一次座談會紀錄 ... 159 附錄二 第二次座談會紀錄 ... 161 附錄三 期中審查意見回應 ... 165 附錄四 期末審查意見回應 ... 169 附錄五 放水型撒水設備設置指導綱領(草案) ... 173 附錄六 各類場所消防安全設備設置標準研提建議 ... 195 附錄七 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊研提建議 ... 197
III
圖目錄
圖 1.1 研究流程表 ... 5 圖 2.1 撒水造成煙層下降 ... 9 圖 2.2 撒水作動後挑空空間之擾流造成煙層下降 ... 9 圖 3.1 撒水設備系統選用流程圖 ... 19 圖 3.2 放水型撒水設備設計流程圖 ... 20 圖 3.2 放水型撒水設備設計流程圖 ... 20 圖 3.3 放水區域示意圖 1 ... 21 圖 3.4 放水區域示意圖 2 ... 21 圖 3.5 放水區域重疊示意圖 1 ... 22 圖 3.6 放水區域重疊示意圖 2 ... 22 圖 3.7 警戒區域示意圖 ... 22 圖 3.8 單邊之側壁噴頭示意圖 ... 23 圖 3.9 雙邊之側壁噴頭示意圖 ... 23 圖 3.10 側壁型與天花板之噴頭組合示意圖 ... 23 圖 3.11 放水曲線涵蓋範圍示意圖 1 ... 24 圖 3.12 放水曲線涵蓋範圍示意圖 2 ... 24 圖 3.13 有高低差之放水區域示意圖 ... 24 圖 3.14 噴頭安裝位置示意圖 ... 25 圖 3.15 放水區域重疊放水示意圖 1 ... 25 圖 3.16 放水區域重疊放水示意圖 2 ... 25 圖 3.17 警戒區域考量示意圖 1 ... 26 圖 3.18 警戒區域考量示意圖 2 ... 26 圖 3.19 警戒區域考量示意圖 3 ... 26 圖 4.1 挑空空間實驗場構造示意俯瞰圖 ... 30 圖 4.2 撒水頭位置示意圖 1 ... 30 圖 4.3 撒水頭位置示意圖 2 ... 31 圖 4.4 天花板式撒水頭之規格與撒水分布圖 ... 32 圖 4.5 側牆式撒水頭之規格與撒水分布圖 ... 33 圖 4.6 挑空空間現場實際安裝圖 1 ... 34 圖 4.7 挑空空間現場實際安裝圖 2 ... 35 圖 4.8 熱電偶樹分布位置俯視圖 ... 36 圖 4.9 熱電偶樹分布位置正視圖 ... 36 圖 4.10 照度計分布位置俯瞰圖 ... 37 圖 4.11 照度計分布位置正視圖 ... 38 圖 4.12 撒水頭之粒徑分析實測圖 ... 39IV 圖 4.13 天花板型撒水頭撒水近拍圖 ... 40 圖 4.14 側牆型撒水頭撒水近拍照 ... 40 圖 4.15 側牆型是粒徑分析圖 ... 41 圖 4.16 側牆型是粒徑分析圖 ... 42 圖 4.17 實驗案場建築平面圖 ... 43 圖 4.18 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖 ... 44 圖 4.19 FDS 建模模型圖 ... 47 圖 4.20 情境一-50s 與 130s 之煙層下降 ... 50 圖 4.21 130s 之情境一速度場 ... 51 圖 4.22 130s 之情境一-溫度分布 ... 51 圖 4.23 50s 與 130s 之情境一-可視度 ... 52 圖 4.24 情境二-50s 與 108s 之煙層下降 ... 53 圖 4.25 108s 之情境二-速度場 ... 54 圖 4.26 108s 之情境二-溫度分布 ... 54 圖 4.27 50s 與 108s 之情境二-可視度 ... 55 圖 4.28 50s、108s 與 117s 之情境三-煙層下降 ... 57 圖 4.29 108s 與 117s 之情境三-溫度分布 ... 58 圖 4.30 108s 與 117s 之情境三-速度場 ... 59 圖 4.31 50s、108s 與 117s 之情境三-可視度 ... 60 圖 4.32 50s、108s 與 117s 之情境四-煙層下降 ... 62 圖 4.33 50s、108s 與 117s 之情境四-溫度分布 ... 64 圖 4.34 108s 與 117s 之情境四-速度場 ... 65 圖 4.35 50s、108s 與 117s 之情境四-可視度 ... 66 圖 4.36 50s、108s 與 117s 之情境五-煙層下降 ... 68 圖 4.37 50s、108s 與 117s 之情境五-溫度分布 ... 70 圖 4.38 108s 與 117s 之情境五-速度場 ... 71 圖 4.39 50s、108s 與 117s 之情境五-可視度 ... 72 圖 4.40 撒水迅速降低火載量 ... 73 圖 4.41 火盆燃料比例試驗現場實照 ... 75 圖 4.42 實驗量測現場照片 ... 76 圖 4.43 情境一 燃燒剛開始與逐漸熄滅 ... 77 圖 4.44 情境一 T2 之溫度分布 ... 78 圖 4.45 情境一 照度分布 ... 78 圖 4.46 情境二 燃燒剛開始與逐漸熄滅 ... 79 圖 4.47 情境二 T2 之溫度分布 ... 80 圖 4.48 情境二 照度分布 ... 80 圖 4.49 情境三 燃燒剛開始與撒水後熄滅圖 ... 81 圖 4.50 情境三 T2 溫度分布 ... 82
V 圖 4.51 情境三 照度分布 ... 82 圖 4.52 情境四 燃燒剛開始與熄滅 ... 83 圖 4.53 情境四 T2 溫度分布 ... 84 圖 4.54 情境四 照度分布 ... 84 圖 4.55 情景五 燃燒剛開始與撒水剛啟動 ... 85 圖 4.56 情景五 火焰熄滅後煙層掉落 ... 86 圖 4.57 情景五 T2 溫度分布 ... 86 圖 4.58 情景五 照度分布 ... 87 圖 5.1 案例一放水型撒水防護區域圖 ... 89 圖 5.2 天花板式放水型撒水頭放水性能曲線 ... 90 圖 5.3 放水型撒水頭與探測器 1 ... 92 圖 5.4 放水型撒水頭與探測器 2 ... 92 圖 5.5 放水型撒水頭與探測器 3 ... 92 圖 5.6 放水型撒水頭與探測器 4 ... 93 圖 5.7 一齊開放閥組 ... 93 圖 5.8 遠隔啟動閥 ... 93 圖 5.9 遠隔啟動閥近照 ... 94 圖 5.10 自動排水閥 ... 94 圖 5.11 系統流量測試裝置 ... 94 圖 5.12 管路閥件 ... 95 圖 5.14 案例二放水型撒水防護區域圖 ... 97 圖 5.15 側牆式放水型撒水頭放水性能曲線 1 ... 98 圖 5.16 側牆式放水型撒水頭放水性能曲線 2 ... 99 圖 5.17 可動式放水型撒水頭(放水槍) ... 100 圖 5.18 固定式放水型撒水頭(側牆式)1 ... 101 圖 5.21 案例三放水型撒水防護區域圖 ... 104 圖 5.22 側牆式放水型撒水頭放水性能曲線 ... 105 圖 5.23 放水型撒水頭(側牆式) ... 106 圖 5.25 放水型撒水頭與火焰探測器 2 ... 107 圖 5.26 放水型設備手動操作盤 ... 107 圖 5.27 地板排水口 ... 108 圖 6.1 案例一放水型撒水防護區域圖 ... 111 圖 6.2 案例二放水型撒水防護區域圖 ... 112 圖 6.3 案例三放水型撒水防護區域圖 ... 112 圖 6.4 案例一-70s 與 130s 之煙層下降 ... 115 圖 6.5 130 秒之案例一撒水狀況 ... 115 圖 6.6 130s 之案例一-溫度分布 ... 116 圖 6.7 70s 與 130s 之案例一-可視度 ... 117
VI 圖 6.8 情境二-70s 與 130s 之撒水狀況 ... 118 圖 6.9 130s 之案例二-撒水狀況 ... 119 圖 6.10 130s 之案例二-溫度分布 ... 119 圖 6.11 70s 與 130s 之案例二-可視度 ... 120 圖 6.12 70s 與 130s 之案例三-煙層下降 ... 122 圖 6.13 70s 與 130s 之案例三-溫度分布 ... 123 圖 6.14 70s 與 130s 之案例三-撒水狀況 ... 124 圖 6.15 70s 與 130s 之案例三-可視度 ... 125 圖 6.16 70s 與 10s 之提前撒水-煙層下降 ... 126 圖 6.17 70s 與 100s 之提前撒水-溫度分布 ... 127 圖 6.18 70s 與 100s 之提前撒水-撒水狀況 ... 128 圖 6.20 70s 與 280s 之延後撒水-煙層下降 ... 130 圖 6.21 70s 與 280s 之延後撒水-溫度分布 ... 131 圖 6.22 70s 與 280s 之延後撒水-撒水狀況 ... 132 圖 6.23 70s 與 280s 之延後撒水-可視度 ... 133 圖 6.24 70s 與 100s 之機械排煙-煙層下降 ... 135 圖 6.25 70s 與 100s 之機械排煙-溫度分布 ... 136 圖 6.26 70s 與 100s 之機械排煙-撒水狀況 ... 137 圖 6.27 70s 與 100s 之機械排煙-可視度 ... 138 圖 6.28 70s 與 280s 之機械排煙-煙層下降 ... 139 圖 6.29 70s 與 280s 之機械排煙-溫度分布 ... 140 圖 6.30 70s 與 280s 之機械排煙-撒水狀況 ... 141 圖 6.31 70s 與 280s 之機械排煙-可視度 ... 142 圖 6.32 70s 與 130s 之側牆型撒水頭-煙層下降 ... 143 圖 6.33 70s 與 130s 之側牆型撒水頭-溫度分布 ... 144 圖 6.34 70s 與 130s 之側牆型撒水頭-撒水狀況 ... 145 圖 6.35 70s 與 130s 之側牆型撒水頭-可視度 ... 146 圖 6.36 70s 與 130s 之天花板型撒水頭-煙層下降 ... 147 圖 6.37 70s 與 130s 之天花板型撒水頭-溫度分布 ... 148 圖 6.38 70s 與 130s 之天花板型撒水頭-撒水狀況 ... 149 圖 6.39 70s 與 130s 之機械排煙-可視度 ... 150
VII
表目錄
表 2.1 摘錄自自動噴水滅火系統設計規範之表 5.0.2 民用建築和廠房 高大空間場所採用濕式系統的設計基本參數 ... 15 表 2.2 各國放水型撒水設備比較表 ... 17 表 3.1 橫管之管徑與流量 (最大容許流量： L/min) ... 28 表 3.2 立管之管徑與流量 ... 28 表 4.1 實驗器材表 ... 29 表 4.2 熱電偶樹編號表 ... 37 表 4.3 火源成長模式的係數(NFPA 92) ... 48 表 4.4 火災模擬劇本 ... 49 表 4.5 模擬情境之各項參數 ... 49 表 4.6 模擬情境之格點配置 ... 49 表 4.7 情境一至五，煙層下降至 1.8m 高時之數據比較表 ... 73 表 5.1 設備設置與法規及設計規範檢討表 ... 91 表 5.2 設備設置與法規及設計規範檢討表 ... 100 表 5.3 設備設置與法規及設計規範檢討表 ... 106 表 5.4 訪視案例放水型撒水設計比較表 ... 109 表 6.1 火災模擬劇本 ... 113 表 6.2 模擬情境之各項參數 ... 113 表 6.4 案例一模擬情境之格點配置 ... 113 表 6.5 案例二模擬情境之格點配置 ... 114 表 6.6 案例三模擬情境之格點配置 ... 114 表 6.7 案例三之模擬比較差異性 ... 151IX 摘要 關鍵詞：挑空空間、自動撒水、煙層擾動、數值模擬、熱煙實驗 一、研究緣起 我國「各類場所消防安全設備設置標準」對於大規模挑空高達十公尺以上空 間之滅火設備規定應設置放水型撒水設備，此類空間亦依規定設置排煙設備，對 各項設備設置有個別規定。然而，對於撒水與排煙的交互作用對煙層的擾動，尤 其是對於挑空空間，撒水所牽引的氣流干擾煙層流動，煙霧是否會因此被牽引誘 導而擴散導致對人員避難安全問題，並無相關的設計規範。 撒水主要功能乃為火災初期滅火，排煙系統主要為火災初期維持火場人員安全逃 生避難之用。綜觀國內外法規，大規模挑空空間多利用性能式火災安全設計來評 估建築物之消防設備及安全避難，但並未考量當撒水設備動作時與排煙的交互作 用及對煙層的干擾。已有不少研究文獻指出撒水與排煙會有氣流交互作用，因而 本計畫擬針對撒水設備的作動對煙氣干擾進行實驗及數值模擬比較，以研究成果 就提升人員避難逃生效能觀點，提出具體的方案。 二、研究方法 本計畫採用的研究方法，乃以得到具體可行的成果作為工作項目之規劃，主 要為： 1. 蒐集分析及綜合歐美、日本、中國等就自動撒水及排煙設備設置之相關 規範，了解國外對於挑空空間撒水設備設置之規範及新工法。 2. 建立實驗模型空間進行自動撒水對煙層擾動的物理實驗，採用美國政府 NIST 發展的 FDS 以 3D 電腦模型驗證。 3. 選擇三個有挑空空間的建築實例進行訪視，了解工程安裝與國際相關標 準與規範，以建築案例為範例，分析融入國外相關設計規範的可行性， 提供規劃設計之參考規範。 4. 並對三個建築實例挑空空間以 FDS 進行火災煙氣 3D 電腦模擬，針對自動 撒水作動對煙層擾動模擬結果，提出性能式火災安全設計的改善建議。 5. 將所獲成果研析之後，研提「各類場所消防安全設備設置標準」有關撒
X 水設備及排煙設備設置之修改條文建議。 三、研究發現及成果 研究發現及成果說明如下： 1. 本研究建立一個放水型撒水的實驗系統，由實測結果發現，放水型 撒水頭不管是安裝於天花板或側牆面，於啟動放水時，撒水之水滴 流動會攪動煙層產生氣流造成煙層提早沉降，不利人員避難安全。 2. FDS 模擬的結果與實測都得到相同之物理現象，當撒水系統啟動時， 煙層快速下降，本研究也以 FDS 模擬三個參訪案場，亦得出相同結 果。 3. 從三個案例的電腦模擬中比較發現，在小型挑空空間，撒水會造成 較嚴重的煙氣干擾，且無論是機械排煙或是自然排煙，對於減緩煙 層下降之效益，皆無明顯差異。 4. 從模擬案例中發現，在小型挑空空間，天花板型撒水頭因撒水的水 滴流向下會更迅速將煙氣向下方帶動，比側牆型撒水造成更嚴重的 煙氣干擾。 5. 從模擬案例中發現，及早撒水對於人員避難安全是有效的，主要原 因為撒水降低火載抑制煙霧生成，受撒水擾動程度較小，有助於提 升人員避難安全。 6. 從參訪案例中發現，放水型撒水系統之撒水量均相當大，當放水型 撒水系統以額定放水量放水二十分鐘，若是沒有設置適當之排水措 施，將造成嚴重積水，影響人員避難安全。 四、建議事項 本研究以相關研究結果提供主要建議事項如下： 建議一 立即可行建議：設置放水型撒水設備之挑空空間與相鄰非挑空空間，應 設置不同排煙區劃。
XI 主辦機關：內政部消防署 協辦機關：內政部建築研究所 放水型撒水頭於啟動放水時，撒水水滴流動會攪動煙層並產生氣流 造成煙氣煙層提早沉降，為避免煙氣流竄至相鄰非挑空空間，影響人員 避難安全，建議研提「各類場所消防安全設備設置標準」，增列於設置 放水型撒水設備空間與相鄰之非挑空空間，應設置不同排煙區劃。 建議二 立即可行建議：設置放水型撒水設備之挑空空間，檢討設置排水設備。 主辦機關：內政部消防署 協辦機關：內政部營建署 挑空空間設置放水型撒水設備時，於系統啟動放水時之放水量甚大， 為避免因系統啟動放水造成挑空空間積水影響人員避難安全，建議參照 「日本消防法施行規則」，於設置放水型撒水設備之空間，設置在加壓 送水裝置最大出水量下，能有效排水之地板坡度或排水設備。建議研提 「各類場所消防安全設備設置標準」，增列於設置放水型撒水設備之空 間，檢討排水設備設置相關規定。 建議三 中長期建議：防火避難性能驗證應加入撒水設備啟動後之情境，並採取 確保人員安全避難之有效措施。 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部消防署 自動撒水設備啟動放水時，因撒水引起的氣流會攪動煙層並流造成 煙氣流竄，於防火避難性能驗證時，除考量排煙設備啟動以維持煙層一
XII 定高度外，挑空空間亦有蓄煙功能，但仍應考量撒水設備啟動後攪動煙 層、造成煙層提早沉降之情境，並採取確保人員安全避難之有效措施。 建議研提「防火避難性能驗證」相關規範，增列於設置放水型撒水設備 之挑空空間，應增加撒水設備啟動造成煙層提早沉降之檢討。 五、後續研究建議 1. 工廠因生產製程關係，儲存物品種類複雜、火載量大且釋熱率高，於火 災發生時常造成重大災情，建議研究工廠設置自動撒水系統的可行性 及設置規範，建議納入優先研究。 2. 大空間當採用自然排煙時，外部風場對有效排煙會有所影響，更會加劇 自動撒水對煙氣流的擾動，建議後續研究外部風場影響空間排煙及煙 流向避難路徑影響逃生的問題。
XIII
Abstract
Keywords ： High ceiling space, automatic sprinkler, smoke layer interaction, numerical simulation, hot smoke experiment
1. Background
In Taiwan the fire safety regulations require 10 m above high ceiling space to install sprinklers, and also smoke exhaust individually. However the interaction of smoke flow and droplets from sprinklers can be significant. Specifically smoke layer may be induced by the water droplet flow and being draged down. However there is no technical guidance to intimidate this adverse effects to safe egress from fire. Sprinklers are basically used to extinguish fire at fire growth stage. Smoke exhaust is to maintain tenable conditions to allow safe passage of personnel in a building. It is common that performance design is applied to large space fire safety evaluation. However the interaction of smoke flow and sprinkler droplets has not been considered despite it has caught attention in many research articles. Therefore this project undertakes research tasks to investigate the problems, and the research results would provide a reference to fire safety design.
2. Research methods
The research methods focus on:
1. Literature and regulation survey covers those from Europe, United States, Japan and China, specifically on sprinklers installation and smoke exhaust in high ceiling spaces.
2. Build an experimental model and carry experiments to understand the physical phenomenon of the interaction of smoke and sprinkler effects. A 3D computer model has been used to verified the experimental results.
XIV
3. Three building cases with high ceiling spaces are chosen for field study, so to understand the standards and guidelines that were based on for these cases.
4. FDS computer models were built for these three cases, to study the interaction of smoke and sprinkler droplets.
5. Changes in the fire safety regulations areproposed based on the research results.
3. Research results
The research results are described as follows:
1. A discharge sprinkler experiment has been setup. The test results show that either the sprinkler is of ceiling or wall types, the sprinkler action would induce the downward flow of smoke and affect the safe egress from fire.
2. The physical phenomena in the experimental results agree with FDS simulation results. It is further verified in the FDS simulation for the three field study cases.
3. The computer simulation results for the three field study cases show that smaller high ceiling spaces would have greater interaction of smoke and sprinkler action, either for natural or forced smoke exhaust.
4. The computer simulation shows that for smaller high ceiling spaces, ceiling type sprinklers action would cause faster downward induced smoke flow.
5. It has been found that early sprinkler action has advantages of suppress fire size and lower smoke generation rate, and would elevate safe egress.
6. It has been found in the field study cases that sprinkler water discharge in the 20 minutes durations may accumulate
XV
thick water layer and impede safe egress. It is important to have appropriate water drainage.
4. Proposals
1. It is proposed to setup a separate smoke zone for spaces connected to high ceiling space so to avoid the downward induced smoke flow from the high ceiling. It is proposed as a requirement in the fire safety regulation and as a near term item.
2. Proper drainage is proposed for high ceiling space with discharge sprinkler system, so to avoid floor water accumulation that may impede safe egress. It is proposed as a requirement in the fire safety regulation and as a near term item.
3. It is proposed scenarios that include sprinkler action be included in the verification of performance design. It has been found that sprinkler droplets would cause downward induced smoke flow which may have adverse effects to safe egress. It is proposed as a middle term item.
5. Further research items proposed
1. Due to large volume of combustibles factory fires often have high heat release causing serious damage and casualty; it is proposed that research be carried out to study a technical guideline for sprinkler system applied to factory and manufacturing spaces. 2. External wind field may have great effects to natural smoke
exhaust of large spaces, It is proposed that wind effects be included in the verification of performance design for large spaces.
1
第一章 緒論
1.1 研究動機與背景
目前我國「各類場所消防安全設備設置標準」[1]對於大規模挑空高達十公 尺以上空間之滅火設備規定應設置放水型撒水設備，此類空間亦依規定設置排煙 設備。然而設置標準雖對各項設備設置有個別規定，但卻未對撒水設備動作時與 排煙系統交互作用對煙層干擾之情形討論，尤其是煙霧是否會因此被撒水引起的 氣流誘導而擴散，對人員避難時間造成影響。 撒水主要功能乃為火災初期滅火，排煙系統主要為火災初期維持火場人員安 全逃生避難之用。撒水系統是控制火勢和滅火的設備，然而觀察國內外法規，大 規模挑空空間多利用性能式安全設計來評估建築物之消防設備及安全避難，希望 於火災發生時能有效的保護人員的安全，但並未考量當撒水設備動作時與排煙系 統交互作用對煙層干擾之因素，本計畫擬針對撒水設備不同作動時間之煙氣干擾 進行實驗及數值模擬比較，就提升人員避難逃生效能觀點，提供改善煙層擾動之 具體可行方案。 目前我國「各類場所消防安全設備設置標準」對於一般場所應設置自動撒水 及排煙設備之規格及性能已有規範，對於設置於挑空達十公尺以上空間之自動撒 水設備也另規範應採用放水型，但對於排煙設備設置於挑空空間並無相關規範， 亦未有減低此類空間自動撒水作動對煙層擾動之相關設計規範，例如： 1.撒水頭之安裝高度及安裝型式，於撒水頭動作時對起火室煙層擾動之抑制 對策。 2.撒水頭撒水粒徑之大小，對滅火效能與煙層擾動之關聯程度。 3.自動撒水與排煙設備作動時機之競合，於不同空間高度條件下，對人員避 難安全之影響程度。2 因此，針對挑空空間自動撒水及排煙設備之設置規劃，本計畫將分析比較我 國與國際上之最新標準及設計規範，並以三個建築案例，提供規劃設計之參考規 範，再以實驗與電腦模擬相互驗證，並研提「各類場所消防安全設備設置標準」 就自動撒水及排煙設備設置之細部建議條文明確規範遵循，以確保火災發生時人 員之避難安全。 我國建築及消防法規[1,2]，主要以「各類場所消防安全設備設置標準」為 設計依據，「建築技術規則」為補充，對於自動撒水及排煙設備之相關規定，規 範儲存大量可燃物之場所天花板高度超過六公尺，或其他場所天花板高度超過十 公尺者，應採用放水型撒水頭。
1.2 研究計畫目標
本計畫的主要目標如下: 1.參考歐美、日本、中國等自動撒水設備及排煙設備設置之相關規範及文 獻資料，了解國外對於挑空空間撒水設備設置之設計及規範。 2.以挑空空間撒水設備與排煙整體系統作為考量，提供自動撒水設備克服 煙層擾動的解決方案，可供性能設計及審查之參考。 3.研提有關自動撒水設備及排煙設備規劃設計之要領，提供實務範例資料 供規劃設計之參考。 4.從提升人員避難逃生效能觀點，提供改善煙層擾動之具體可行方案如設 備設計參數。 5. 將研究成果研析之後，研提「各類場所消防安全設備設置標準」有關自 動撒水設備及排煙設備設置修改條文建議。3
1.3 方法及進度說明
本計畫採用的研究方法，乃以得到具體可行的成果作為工作項目之規劃，主 要為： 1.蒐集分析及綜合歐美、日本、中國等就自動撒水及排煙設備設置之相關 規範： (1)了解自動撒水及排煙設備設置的新技術及新工法的最新發展趨勢及 對人員避難安全的重要性。 (2)了解國際規範對於挑空空間自動撒水及排煙設備設置之可行方案。 (3)分析兼顧消防安全及實務上建築空間應用問題的可行方法。 (4)了解有關自動撒水及排煙設備的相關作動性能規範，減緩自動撒水作 動時造成煙層擾動之影響，提昇火災時人員避難安全。 2. 選擇我國三個建築實例進行訪視，探討我國對於大規模挑空空間之撒水 設備及排煙設備設置規格和工程安裝與國際相關標準與規範的差異，分 析融入國外相關設計規範的可行性，以建築案例建立自動撒水設備與排 煙設備規劃之範例，提供規劃設計之參考規範。 3. 建立模型空間，針對自動撒水設備作動時的煙層擾動進行物理實驗，並 利用性能式火災安全設計方法之結果比較分析。4. 建立 3D 電腦模型，擬採用美國政府 NIST 發展的 FDS(fire dynamic simulation)程式，進行火災煙氣數值模擬，針對自動撒水作動對煙層 擾動模擬結果與模型空間煙層擾動實驗進行比對，並利用性能式安全設 計方法之結果比較分析，找出減緩干擾煙層的重要因子，提出提升性能 式火災安全設計的改善建議。 5. 針對本計畫的研究成果，尤其是對國外相關規範或標準融入對消防法令 規範或是在性能式規範方面，提出具體建議及對各類場所消防安全設備
4 設置標準有關自動撒水及排煙設備設置條文之修改建議。 本研究擬採用方法之原因，說明如下： 1. 歐美日等在挑空空間的撒水設備技術已發展多年，已有設備技術及工程 安裝規範，了解自動撒水及排煙設備設置的新技術及新工法的最新發展 趨勢，有助於探討融入於我國的設計及相關法規修訂之參考，中國近年 就自動撒水及排煙設備設置之相關規範，亦須給予探討有助了解新工法 的發展。 2. 我國已有不少大規模挑空空間之撒水設備，選擇我國三個建築實例進行 訪視，有助於了解我國產業慣用的設備設置規格和工程安裝，或已有實 例參考國外的規範，探討與國際相關標準與規範的差異，提出可行的範 例供規劃設計之參考。 3. 已有許多文獻指出，挑空空間撒水系統對煙層有擾動的影響，至今尚未 有足夠的實驗數據供參考找出因應之道，固本研究擬於內政部建築研究 所在台南的實驗中心，建立具代表性模型空間，針對自動撒水設備作動 時之煙氣干擾進行物理實驗，了解撒水對煙層擾動影響的物理特性。 4. 建立 3D 電腦模型，擬採用美國政府 NIST 發展的 FDS(fire dynamic
simulation)程式，其內置撒水系統模型，用於與模型空間煙層擾動實 驗進行比對，並進行參數分析，利於充分了解干擾煙層的重要因子，找 出因應設計方案。 5. 國際標準與我國消防法令規範或是在性能式規範方面之融合，有助於新 工法和新設備技術的發展，也有助於對「各類場所消防安全設備設置標 準」有關自動撒水及排煙設備設置條文修改之參考。 對於尋找三個建築實際案例，業主或許會對本計畫擬進行的訪視其挑空空間 自動撒水及排煙設備等規格所疑慮。本計畫將透過研究團隊曾參與建置已竣工之
5 的案例，或在公務單位尋求合作對象。本研究的實驗需要較大的空間，固建議將 實驗建立於建築研究所的台南實驗中心。 本計畫的研究流程如圖 1.1。 圖 1.1 研究流程表 本計畫自本年 2 月 26 日起，實驗與分析至今皆已圓滿結束，符合預期進度。 蒐集分析國際對挑高空間自動 撒水及排煙設備相關設置規範 參考國際規範及文獻研究自動 撒水及排煙設備之規格與規範 建築案例訪視與了 解挑高空間自動撒 水及排煙設置問題 建築案例 3D 電腦模型建立 第一次座談會和期中報告 煙層擾動 物理試驗模型 空間建立 挑高空間自動撒 水及排煙設備設 計規範研究 挑高空間煙層 擾動解決方案 研究 煙層擾動 3D 電腦數 值模擬驗證 模型空間 煙層擾動 物理試驗 第二次專家學者座談會 研提現有標準或規範修改建議 撰寫期末報告
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第二章 文獻資料回顧
2.1 研究文獻回顧
何三平[3]在其研究中發現，撒水對煙層之下降及分佈造成影響，撒水後之 煙層無法保持完整，空間呈現亂流趨勢現象，原性能煙控公式僅適用於撒水時其 亂流影響較小之情況下，較大水量之情況下應謹慎考慮亂流所造成之影響。鍾基 強[4]研究中發現，當撒水頭作動後，煙霧會大量產生，以致煙層迅速下降，這 主要是由於水碰觸到高溫的火源，以致引發大量的蒸發所致。蔡尤溪[5,6]利用 FDS 與 FLUENT 進行大空間煙流的模擬，由格點分析的結果，FDS 對於遠離火場 溫度的預測值，有相當高的精確度。對於本案擬進行之研究，即使具有權威之文 獻也著墨不多。性能式防火設計基準，林大惠[7]對於全尺寸驗證也曾進行研究， 於本案亦有參考性。 參考鄰近國家建築防火設計規範，對自動撒水設備亦有相關規定，說明如 下： 中國大陸對自動撒水系統形式之選用[8]，主要依據自動噴水滅火系統設 計規範第 6.1.1 條規定；「民用建築採用密閉式撒水設備時，其設置撒水頭場 所之最大淨空高度不得大於 18M」，另外，依設計規範第 4.2.6.2 條規定：「室 內淨空高度超過本規範 6.1.1 條的規定，且必須迅速撲救初期火災之場所，應 設置開放式自動撒水系統」，設計規範第 5.0.2 條也針對民用建築高大淨空場 所設置自動噴水滅火系統時，採用濕式系統時的設計基本参數訂定規範。 日本對自動撒水系統之設置規定[9]，依消防法施行令第 12 條第 2 項第 2 款第 2 目規定：「前項第 2 款、第 3 款及第 6 款至第 9 款等應設自動撒水設備 之場所(演藝場集集會堂等舞台除外)，總務省認定儲存大量可燃物且滅火困 難之場所天花板高度超過六公尺，或其他場所天花板高度超過十公尺者，應採 用總務省規定之放水噴頭，並依總務省之規定設置」。消防法施行規則第 13 條8 -4 第 3 項第 2 款規定：「放水噴頭之放水量，應達防護區域每平方公尺每分鐘 五公升以上 (儲存或處裡指定可燃物之場所應為十公升以上)」。 美國對自動撒水系統之設置規定為 NFPA l3[10]，目前 NFPA l3 僅就快速 反應型撒水頭裝置高度限定不得大於 6.1m，並未對其他型式撒水頭裝置高度 做規範，也沒有放水型撒水頭之相關規定；而 FM Global 規定裝置高度達 10.5m 以上時，撒水頭之 K 值須達 11.2 以上。NFPA[11,12]其他標準對撒水系 統，亦有相關規定。 煙是因物質燃燒或熱解生成懸浮在空氣中的固態或液態粒子，包括因氣 流誘導卷入或混入之空氣，因此煙流上時升煙量增加，溫度會下降。Klote 和 Milke[13]說明當煙層的溫度降低或會產生層化效應，導致水平擴散不利於排 煙，本研究團隊也在一個國外某捷運站防排煙的電腦模擬中，發現當煙的溫度 下降會導致煙層往下降。 在相關研究方面，Alpert[14]針對自動撒水與熱羽流(fire plumes)的交互 影響進行物理研究，發現水滴在空氣中的運動軌跡會受到熱空氣上升所影響，撒 水誘導氣流往下和熱煙流往上浮力的交互作用。Wang 等[15]研究在隧道中利用 水霧簾阻止煙擴散，發現須要考量水霧與熱氣流的交互影響，誘導氣流會造成煙 的逆向擴散(back-layer)。劉博文[16]碩士論文以一個國外捷運站的案例，研究 發現撒水會誘導煙流往下，撒水滅火效果好，同時發現減少排煙量至 50%對煙層 下降影響不大。 美國保險集團 AIG[17]在一份報告中說明自動撒水受熱氣啟動，及早排煙或 會使撒水作動延後不利早期滅火。這份報告說明了產業界對於排煙和撒水的交互 作用有所關心。 Zhang 和 Chow[18]利用電腦模擬撒水對煙層氣流的影響，發現撒水會冷卻煙 層溫度加上牽引力，會使煙層層流化(stratification)及下降如圖 2.1 所示。
9 圖 2.1 撒水造成煙層下降[18] Zhang 等[19]進行一項實驗研究，如圖 2.2 煙蔓延到挑空空間，撒水作動後 之擾流造成煙層下降，驗證了過去的理論研究成果。Cooper[20]以居室二層火場 和單一撒水進行電腦模擬，研究熱煙受浮力上升和撒水牽引氣流往下的交互作用， 發現撒水只要在煙層之上，其交互作用不可忽視。 圖 2.2 撒水作動後挑空空間之擾流造成煙層下降 Grattan[21]在一項美國政府的研究報告中，說明撒水、煙層、排煙及防煙 垂壁之交互作用的重要性，撒水影響排煙氣流，當火場在防排煙之正下方，撒水 與排煙動作時間相近，且撒水對近天花板煙層有冷卻效應。Li 等[22]研究發現 當撒水近於水平排煙口，撒水的冷卻效應及氣流牽引會減少煙的上升量及排煙量。 其餘的相關研究見於文獻[23-28]。
2.2 國內外相關文獻法規回顧
目前國內外有關自動撒水系統設計法規依據及準則，在我國是依「各類場所 消防安全設備設置標準」及相關消防安全法令執法疑義解釋令，日本依「消防法 施行令」、「消防法施行規則」、相關設置及維持等技術基準與通知，美國依「NFPA 13」及 FM Global 之「Property Loss Prevention Data Sheets 2-0」，中國大 陸依「自動噴水滅火系統設計規範」，其適用之相關法令條文及準則，綜整如後：
2.2.1 台灣：
各類場所消防安全設備設置標準 摘錄 第四十六條 撒水頭，依下列規定配置： 五、中央主管機關認定儲存大量可燃物之場所天花板高度超過六公 尺，或其他場所天花板高度超過十公尺者，應採用放水型撒水 頭。 第四十七條 撒水頭之位置，依下列規定裝置： 一、撒水頭軸心與裝置面成垂直裝置。 二、撒水頭迴水板下方四十五公分內及水平方向三十公分內，應保 持淨空間，不得有障礙物。 第五十條 放水型撒水頭之放水量，應達防護區域每平方公尺每分鐘五公升以 上。但儲存可燃物場所，應達每平方公尺每分鐘十公升以上。 第五十二條 開放式自動撒水設備之自動及手動啟動裝置，依下列規定設置。但 受信總機設在平時有人處，且火災時，能立即操作啟動裝置者，得 免設自動啟動裝置： 一、自動啟動裝置，應符合下列規定： (一) 感知撒水頭或探測器動作後，能啟動一齊開放閥及加壓送 水裝置。 (二) 感知撒水頭使用標示溫度在七十九度以下者，且每二十平方公尺設置一個；探測器使用定溫式一種或二種，並依第 一百二十條規定設置，每一放水區域至少一個。 (三) 感知撒水頭設在裝置面距樓地板面高度五公尺以下，且能 有效探測火災處。 二、手動啟動裝置，應符合下列規定： (一) 每一放水區域設置一個手動啟動開關，其高度距樓地板面 在零點八公尺以上一點五公尺以下，並標明手動啟動開關 字樣。 (二) 手動啟動開關動作後，能啟動一齊開放閥及加壓送水裝置。 第五十三條 開放式自動撒水設備之一齊開放閥應依下列規定設置： 一、每一放水區域設置一個。 二、一齊開放閥二次側配管裝設試驗用裝置，在該放水區域不放水 情形下，能測試一齊開放閥之動作。 三、一齊開放閥所承受之壓力，在其最高使用壓力以下。 第五十四條 開放式自動撒水設備之放水區域，依下列規定： 一、每一舞臺之放水區域在四個以下。 二、放水區域在二個以上時，每一放水區域樓地板面積在一百平方 公尺以上，且鄰接之放水區域相互重疊，使有效滅火。 第五十七條 自動撒水設備之水源容量，依下列規定設置： 四、使用放水型撒水頭時，採固定式者應在最大放水區域全部撒水 頭、採可動式者應在最大放水量撒水頭，繼續放射二十分鐘之 水量以上。 內政部 104 年 9 月消防安全法令執法疑義研討會決議事項 摘錄 提案一、各類場所消防安全設備設置標準第 46 條第 1 項第 5 款放水型撒水頭免 設置之場所。 決 議： 一、下列場所因用途、構造特殊，參酌日本東京消防廳「預防事務審查、檢
查基準」第 2 冊、第 4 章、第 2 節、第 3 自動撒水設備之規範，符合消 防法第 6 條第 3 項規定，不適用各類場所消防安全設備設置標準第 46 條第 1 項第 5 款，免設置放水型撒水頭及其他型式之撒水頭： (一)免設放水型撒水頭：挑空空間相鄰部分已設置密閉式撒水頭，在其 有效之範圍內，得免除設置放水型撒水頭。 (二)免設密閉式撒水頭：挑空空間已設置放水型撒水頭，在其有效之範 圍內，挑空空間相鄰以外部分，得免除設置密閉式撒水頭。 (三)各類場所消防安全設備設置標準第 12 條第 2 款第 1 目(車站、飛 機場大廈、候船室)、第 3 目(小學、中學、高中職、技術學院、大 學、專修學校、各種學校等類似場所)、第 4 目(圖書館、博物館、 美術館、陳列館、史蹟資料館、紀念館及其他類似場所)、第 5 目 (寺廟、宗祠、教堂、靈骨塔及其他類似場所)、第 7 目(集合住宅、 寄宿舍)、第 10 目(電影攝影場或電視播送場)、第 11 目(倉庫)、 第 3 款第 2 目(汽車修護廠、飛機修理廠、飛機庫等類似場所)、 第 3 目(室內停車場、建築物依法附設之室內停車空間)、第 4 款 工作場所等建築物在十樓以下各樓層(地下層及無開口樓層除外) 大廳、會議場、通路等類似場所之挑空空間部分。 (四)十樓以下的樓層(地下層及無開口樓層除外)有體育館、屋內射擊場 (限於競技使用之場所)挑空空間部分，以及室外雨遮供通路等類 似場所之挑空空間部分。 (五)樓地板面積未滿 50 平方公尺之挑空空間部分。 二、上開免設放水型撒水頭及其他型式撒水頭之空間，應符合下列規定： (一)建築物內部裝修限制規定。 (二)未使用固定之瓦斯、燃料等用火設備或移動之瓦斯、燃料等用火器 具。 (三)未置放或火災時造成擴大延燒之大量可燃物。
2.2.2 日本：
消防法施行令 摘錄第十二條 撒水設備設置於下列防火對象物或防火對象物之部分： 第二項第二款第二目 前項第三款、第四款、第八款及第十款至第十二款所揭示應設自動撒水 設備之場所(附表第一(二)項的演藝場集集會堂等舞台除外)，總務省認 定儲存大量可燃物且滅火困難之場所天花板高度超過六公尺，或其他場 所天花板高度超過十公尺者，應採用總務省規定之放水噴頭，並依總務 省之規定設置。 消防法施行規則 摘錄 第十三條之四第三項 前項所規定的放水型噴頭需依下列規定設置： 二、放水噴頭之放水量，應達防護區域每平方公尺每分鐘五公升以上(儲存 或處理指定可燃物之場所應為十公升以上)。 第十三條之六第一項 消防法施行令第十二條第二項第四款的水量需依防火對象 物的用途、構造及規模，配合撒水頭的種別依下列規定計算。 五、使用放水型噴頭時，配合該噴頭的性能，依消防廳長官之規定算出可有 效撲滅放水區域火災之水量。 第十四條第二項 關於撒水設備(限使用放水型撒水頭的設備)之設置及維護 的技術基準細目如下： 二、設置放水型撒水設備之場所，應設有能將加壓送水裝置最大出水量有效 排水之排水設備。但在建築構造上，該自動撒水設備及其他消防設備或 特殊消防用設備等無產生障礙之虞，或總務省認定在避難及滅火活動時 不會產生障礙之場所，不在此限。 放水型撒水頭等撒水設備設置及維護相關技術基準之運用(通知) 摘錄 第三條第二項第四款 挑空空間場所中，有下列情形之一時，適用施行令第三十 二條之特例，得免設置放水型撒水頭等撒水設備：
(一)體育館（限主要供競技用途使用）、大廳、會議場所、通路及其他同 類場所，並符合下列各項條件之場所： 1.該場所之牆壁及天花板裝潢均使用不燃材料或準不燃材料。 2.該場所未使用火源。 3.該場所未存放大量可燃物。 (二)除符合(一)之 2.、3.要件外，樓地板面積約未滿五十平方公尺之部 分。 使用放水型噴頭之自動撒水設備設置及維持等相關技術基準細目 摘錄 第四條 放水型噴頭之設置基準 依消防法施行規則第十三條之四第三項第一款的規定，放水型噴頭之 性能應能在挑空空間有效感知發生於地板面的火災且能滅火，需依下 列規定設置： 第一項 固定式撒水頭需依下列規定設置： 二、一個放水區域，其面積應在一百平方公尺以上。但挑空空間之面 積未滿二百平方公尺時，一個放水區域之面積可為一百平方公尺 以下。 三、如有二個放水區域時，為達到有效滅火，應使鄰接之放水區域相 互重疊。 第五條 水源水量的計算方法 第一項 防法施行規則第十三條之六第一項第五款所示能有效撲滅放水區 域火災的水源水量，依下列所述計算： 一、使用固定式放水撒水頭者，於最大放水區域內所有固定式放水撒 水頭同時放水，以合計該放水撒水頭每分鐘放水量，可持續放水 二十分鐘以上之水量。
2.2.3 美國：
美 國 對 自 動 撒 水 系 統 之 設 置 規 範 為 NFPA 13 Standard for theInstallation of Sprinkler Systems，目前最新版本為 2016 年版，NFPA 13 僅於 11.2.3.2.3 節就快速反應型撒水頭(QR)裝置高度限定不得大於 6.1m， 並未對其他型式撒水頭裝置高度做規範，也沒有放水型撒水頭之相關規定。 而美國 FM Global(工廠共同保險公司)之 Property Loss Prevention Data Sheets 2-0(財 損 預 防 數 據 表 2-0) INSTALLATION GUIDELINES FOR AUTOMATIC SPRINKLERS (Rev 2018)於 2.1.3.2 節規範撒水頭之裝置高度不同 時，其撒水頭 K 值及有效防護面積也會不同，裝置高度越高，撒水頭 K 值要越 大，但其有效防護面積越小，原則上撒水頭之裝置高度達 9.0m 以上時，撒水 頭之 K 值須達 115 以上。 2.2.4
中國大陸：
自動噴水滅火系統設計規範 摘錄 第 4.2.6 條：具有下列條件之一的場所，應採用雨淋系統： 1.火災的水平蔓延速度快、閉式撒水噴頭的開放不能及時使噴水 有效覆蓋著火區域的場所。 2.室內淨空高度超過本規範 6.1.1 條的規定，且必須迅速撲救初 期火災之場所，應設置開放式自動撒水系統。 3.火災危險等級為嚴重危險級Ⅱ級的場所。 第 5.0.2 條：民用建築和廠房高大空間場所採用濕式系统的設計基本參數不 應低於表 5.0.2 的规定。 表 2.1 摘錄自自動噴水滅火系統設計規範之表 5.0.2 民用建築和廠房高大空間 場所採用濕式系統的設計基本參數 適用場所 最大淨空高度 噴水強度 作用面積 噴頭間距 S第 5.0.16 條：除本規範另有規定外，自動噴水滅火系統的持續噴水時間應按 火災延續時間不小於 1h 確定。 第 6.1.1 條：設置閉式系統的場所，撒水噴頭類型和場所的最大淨空高度應符 合表 6.1.1 的規定；僅用於保護室内鋼屋架等建築構件的撒水 噴頭和設置貨架内置撒水噴頭的場所，可不受此表規定的限制。 h(m) L /﹝min.m2 ﹞ (m2 ) (m) 民用建築 中 庭 、 體 育 館、航站樓等 8＜h≦12 12 160 1.8 ≦ S ≦ 3.0 12＜h≦18 15 影劇院、音樂 廳、會展中心 等 8＜h≦12 15 12＜h≦18 20 廠房 製衣製鞋、玩 具、木器、電 子 生 產 車 間 等 8＜h≦12 15 棉 紡 廠 麻 紡 廠 泡 沫 塑 料 生產車間等 20
2.2.5 彙整各國放水型撒水設備之法規及規範比較如下表。 表 2.2 各國放水型撒水設備比較表 台灣 日本 美國 中國大陸 法令依據 各類場所消防 安全設備設置 標準 消防法施行令 消防法施行規 則 相關通知及技 術基準細目 NFPA 13 FM Global 財 損 預 防 數 據 表 2-0 自 動 噴 水 滅 火 系 統 設 計 規範 標 準 型 撒 水 頭 安 裝 高度限制 儲存大量可燃 物之場所：天 花板高度小於 6 公尺。 其他場所：天 花板高度小於 10 公尺。 儲存大量可燃 物之場所：天 花板高度小於 6 公尺。 其他場所：天 花板高度小於 10 公尺。 NFPA 13：快速 反 應 型 撒 水 頭 (QR) 裝 置 高 度 限 定 不 得 大 於 6.1m。 FM Global 財 損 預 防 數 據 表 2-0：撒水頭之 裝 置 高 度 達 9.0m 以上時， 撒水頭之 K 值 須達 115 以上。 撒 水 頭 安 裝 高度在 18m 以 下。 放 水 型 撒 水頭規定 有 有 無 無 放水區域 放水區域在二 個以上時，每 一放水區域樓 地 板 面 積 在 100m2 以上，且 鄰接之放水區 域相互重疊， 使有效滅火。 一 個 放 水 區 域，其面積應 在 100m2 以上。 但挑空空間之 面 積 未 滿 200m2 時，一個 放水區域之面 積 可 為 100m2 以下，且鄰接 之放水區域相 互重疊。 - -
台灣 日本 美國 中國大陸 放水密度 放水型撒水頭 之放水量，應 達防護區域每 平方公尺每分 鐘 5 公升以上。 但儲存可燃物 場所，應達每 平方公尺每分 鐘 10 公 升以 上。 放水型撒水頭 之放水量，應 達防護區域每 平方公尺每分 鐘 5 公升以上。 但儲存可燃物 場所，應達每 平方公尺每分 鐘 10 公 升以 上。 - - 放水量 最大放水區域 全部撒水頭最 大 放 水 量 以 上。 最大放水區域 全部撒水頭最 大 放 水 量 以 上。 - - 水源容量 有效放射二十 分鐘以上。 有效放射二十 分鐘以上。 - - 排水措施 無 (依個案認可) 有效之排水措 施，但在建築 構造上與其他 消防設備或特 殊消防用設備 等無產生障礙 之虞或總務省 認定在避難及 滅火活動時不 會產生障礙之 場所，不在此 限。 - -
第三章 大型挑空空間自動撒水系統設計
3.1 自動撒水系統選用流程
我國針對建築物自動撒水設備之設置規範係依據「各類場所消防安全設備設 置標準」第十七條及第四十三條至第六十條之規定，其中第四十六條第一項第五 款規定：「中央主管機關認定儲存大量可燃物之場所天花板高度超過六公尺，或 其他場所天花板高度超過十公尺者，應採用放水型撒水頭」，是為應設置放水型 撒水頭場所之定義，對於撒水系統之選用彙整如下表。 撒水設備系統選用流程圖 應設撒水設備場所 高架儲存倉庫 儲存大量可燃物 天花板高度 ≧6M 天花板高度 ≧10M 採貨架型 撒水設備 採放水型 撒水設備 採ㄧ般型 撒水設備 否 是 否 是 是 是 否 否 ※倉庫樓層高度超 過 10M 且樓地板 面積大於 700M2 ※符合「設置標準」 第 17 條規定應設 撒水設備之場所應設放水型 撒水設備場所 撒水泵浦 單獨設置 設定放水分區 鄰接一般 撒水區域 是 是 否 否 ※每一分區 100M2 以 上 設定警戒分區 選擇放水頭型式 配置放水頭 配置探測器 選擇控制閥型式 配置控制閥 佈設管路 配置控制盤 佈設管線 依最大放水區需 水量實施水力計 算 合計放水型及一 般撒水需水量實 施水力計算 採放水型及一般 撒水中最大需水 量實施水力計算 ※應涵蓋放水分 區
3.2 放水型撒水系統設計程序
對於挑空空間自動撒水設備之設置，依「各類場所消防安全設備設置標準」 規定於建築物儲存大量可燃物之場所天花板高度超過六公尺，或其他場所天花板 高度超過十公尺者，應採用放水型撒水頭，然而對於放水型撒水頭設計規範僅作 原則性規定，實務上依各廠家取得內政部消防署通案認可之原廠設計手冊為設計 規範，並於個案設計時送內政部消防署個案認可後據以施工安裝；放水型撒水設 備設計流程如下圖。
3.3 放水型撒水系統設計原則
3.3.1 放水區域範圍之設計，應考量並滿足下列各項條件。 (1)基本考量方式 放水型撒水頭放水時，需有效涵蓋挑空天花板防護區域之地板面，且讓 區域火災時可有效滅火。放水時撒水密度在 5L/min．m2 以上，在有效放 水範圍內之放水量在 1.2L/min．m2 以上。 圖 3.3 放水區域示意圖 1 每一放水區域樓地板面積應在 100m2 以上，但防護區域樓地板面積未滿 200 m2 時,則不在此限。 圖 3.4 放水區域示意圖 2 放水區域在二個以上時，為使火災時能有效滅火，相鄰之放水區域應相互 重疊 0.5m 以上。圖 3.5 放水區域重疊示意圖 1 放水區域由一個或數個撒水頭之有效放水範圍涵蓋。 圖 3.6 放水區域重疊示意圖 2 放水區域應包含警戒區域。 圖 3.7 警戒區域示意圖 (2)放水型撒水頭之組合設置 放水型撒水頭依安裝型態分為側壁型及天花板型，考量側壁型撒水頭之 放水曲線，安裝時應與天花板面保有一定的安全距離，以避免造成撒水 障礙，撒水頭之組合設置例如下： (a)區劃空間由安裝於單邊之側壁型噴頭防護
圖 3.8 單邊之側壁噴頭示意圖 (b)區劃空間由安裝於對邊之側壁型噴頭防護 圖 3.9 雙邊之側壁噴頭示意圖 (c)區劃空間由安裝於對邊之側壁型噴頭及天花板之噴頭組合防護 圖 3.10 側壁型與天花板之噴頭組合示意圖 (d)區劃地板面有固定障礙物時，應選擇放水曲線垂直範圍能涵蓋放水 區域之放水噴頭，並將放水噴頭設置於固定障礙物上方，以避免放 水障礙。
圖 3.11 放水曲線涵蓋範圍示意圖 1 (e)區劃地板面側邊設有固定障礙物，採用側壁型放水噴頭無法有效涵 蓋時，應增設天花板型放水噴頭，以避免放水障礙。 圖 3.12 放水曲線涵蓋範圍示意圖 2 (f)區劃地板面有高低差時，採用較高之地板面為放水區域之設計基準。 圖 3.13 有高低差之放水區域示意圖 (g)鄰接密閉型撒水設備之區域，應增設天花板型放水噴頭，使鄰接之 放水區域能重疊放水。
圖 3.14 噴頭安裝位置示意圖 (3)放水區域重疊放水之設置方法 (a)於管路設置逆止閥，使鄰接之放水區域能重疊放水。 圖 3.15 放水區域重疊放水示意圖 1 (b)重疊配置放水噴頭，使鄰接之放水區域能重疊放水。 圖 3.16 放水區域重疊放水示意圖 2 3.3.2 警戒區域之考量方式
採用雙迴路探測器啟動(Cross Zone)方式，火焰式探測器檢出火災區域， 火警用探測器用以確認火災後啟動系統。 (1)警戒區域由一個或數個探測器警戒 圖 3.17 警戒區域考量示意圖 1 (2)能有效探測出防護區域地板面火災，設置位置不能妨礙探測器之檢出 性能。 圖 3.18 警戒區域考量示意圖 2 (3)相鄰之警戒區域應相互重疊 0.5m 以上。 圖 3.19 警戒區域考量示意圖 3 3.3.3 其他設備設計考量原則
(1)一齊開放閥應依下列原則設置 (a)應為專用。 (b)每一放水區域個別設置。 (c)最大流量應符合放水區域之最大放水量。 (d)加壓啟動型，由控制盤控制遠隔啟動閥自動開啟。 (e)一次側設遮斷閥，二次側設點檢閥。 (f)二次側設置壓力表、壓力開關及流量測試配管。 (2)配管之考量方式 (a)應為專用，不妨礙其性能時得兼用。 (b)應符合 CNS 6445，額定壓力超過 1.0MPa 時，應採用符合 CNS 4626。 (c)配管連接屋頂水箱，一層設置送水口。 (d)管徑依消防幫浦加壓送水裝置等及配管摩擦損失計算基準計算。 (3)放水型幫浦之考量方式 (a)應為專用，不妨礙其性能時得兼用。 (b)出水量應達最大放水區域之最大出水量。 (c)與其他撒水設備兼用時應合計其出水量。 (d)幫浦性能依消防幫浦加壓送水裝置等及配管摩擦損失計算基準核算。 (4)水源之考量方式 (a)容量應達加壓送水裝置最大出水量有效放水 20 分鐘以上。 (b)鄰接其他撒水設備時應合計其水量。 3.3.4 排水措施 (1)基本考慮方式 採取有效之排水措施，以能有效排除加壓送水裝置最大出水量所需之排 水能力為基本考量，放水操作時，放水型撒水系統及其它消防設備是否 造成避難或建築結構上之影響，均是各建築之檢討事項。至於放水區劃
內允許積水高度並無明確規範，依各建築物使用特性個案設計，送經內 政部消防署個案認可。 (2)常見的排水方式如下 (a)依地面洩水坡度之逕流方式。 (b)設置排水導溝。 (c)地面設置地板落水頭及排水管。 (d)設置雙層地板蓄積排水之方式。 (3)排水管之管徑與最大容許流量彙整如下表 表 3.1 橫管之管徑與流量 (最大容許流量：L/min) 配管坡度 管徑(㎜) 1/25 1/50 1/75 1/100 1/125 1/150 1/200 1/300 1/400 65 211.7 150.0 121.7 75 310.0 218.3 178.3 100 666.7 471.7 385.0 333.3 298.3 125 853.3 696.7 603.3 540.0 493.3 150 1388.3 1133.3 981.7 878.3 801.7 695.0 200 2450.0 2116.7 1883.3 1733.3 1495.0 1220.0 250 3833.3 3433.3 3133.3 2716.7 2166.7 1916.7 300 6233.3 5583.3 5083.3 4416.7 3600.0 3116.7 350 8416.7 7683.3 6650.0 5433.3 4700.0 400 1.0967 9500.0 7750.0 6716.7 表 3.2 立管之管徑與流量 管徑(㎜) 最大容許流量(L/min) 50 111.7 65 225.0 75 328.3 100 708.3 125 1283.3 150 2083.3 200 4500.0
第四章 挑空空間自動撒水實驗設置
4.1 實驗器材
實驗使用之器材及量測設備如下表: 表 4.1 實驗器材表 編號 項目/數量 規格 廠牌 1. 放水頭 X2 480lpm/350lpm HOCHIKI 2. 熱電偶樹 X4 K TYPE，精度±1℃ PELICAN 3. 照度計 X3 1~60000，精度±20% 全芯智聯科技 4. 火盆 X2 火盆面積=0.5m2 銳陽雷射科技 5. 燃料 酒精、柴油、機油 6. 數位壓力表 X1 0~50 psi ATLANTIS 7. 超音波流量計 X1 0.1m/sec~20m/sec MICRONICS 8. 消防幫浦 X1 460lpm、64m、10HP 九如牌 9. 數據擷取器 X1 2680A FLUKE 10. 筆記型電腦 X1 L410 LENOVO 11. 投照燈 X1 LED 12. 排煙風機 1 120CMM4.2 實驗模型:
建築模型:為一 8.15 m X 7.2 m X 10 m 之長方體建築模型，三面採用木板，一 面採用水泥製成。圖 4.1 挑空空間實驗場構造示意俯瞰圖 將撒水頭分別置於天花板與 A 面側牆上，如下圖藍點處 圖 4.2 撒水頭位置示意圖 1 W1 W2 W3
32
W1 之撒水頭規格如圖
33
W2.W3 之撒水頭規格如圖
34
35 圖 4.7 挑空空間現場實際安裝圖 2
4.3 實驗配置
燃料盤尺寸為 0.841 m X 0.595 m，面積為 0.5 m2 燃料盤置於模型正中間之位置。 4.3.1 熱電偶配置 布置四條熱電偶樹用以觀察溫度分布，總測量點數共有三十二點，每個測量點間 距 1m 分布位置如圖所示之綠點處:36
圖 4.8 熱電偶樹分布位置俯視圖
37 將熱電偶樹各點編號，整理如下表: 表 4.2 熱電偶樹編號表 熱電偶樹 T1 T2 T3 T4 編號 01~08 09~16 17~24 25~32 4.3.2 照度計配置 照度計將置於圖中 B 面之紅點處，將布置三個點，處於不同高度，其高度分別為離 地 1.8m 高、5m 高、8.2m 高，用於觀測可視度。 圖 4.10 照度計分布位置俯瞰圖
38 圖 4.11 照度計分布位置正視圖
4.4 實驗情境規劃
1. 只燃燒燃料，以觀測其內部煙場溫度與可視度之變化。 2. 燃燒燃料並於 60 秒啟動排煙風機，以觀測其內部煙場溫度與可視度之變化。 3. 燃燒燃料且於 60 秒啟動排煙風機，並於 120 秒啟動天花板撒水頭，以觀測其內部煙 場溫度與可視度之變化。 4. 燃燒燃料且於 60 秒啟動排煙風機，並於 120 秒啟動側牆 A 面之撒水頭，置於高度 3m，以觀測其內部煙場溫度與可視度之變化。 5. 燃燒燃料且於 60 秒啟動排煙風機，並於 120 秒啟動側牆 A 面之撒水頭，置於高度 5m，以觀測其內部煙場溫度與可視度之變化。4.5 撒水頭粒徑大小分析
39 我們採用超高速攝影機拍攝天花板型撒水頭與側牆型撒水頭之粒徑分佈，於畫像中訂定 比例尺，且使用軟體(ImageJ)來進行粒徑大小分析。 ImageJ 是一款採用 JAVA 編寫之開源圖像處理軟體，可運用於多種作業系統作業平台。 其功能可用於顯示、編輯、分析、處理、儲存圖像，可支援多種格式。I 我們使用 ImageJ 來進行圖片區域及像素之統計，以分析出兩種形式之粒徑大小。 圖 4.12 撒水頭之粒徑分析實測圖
40 圖 4.13 天花板型撒水頭撒水近拍圖 圖 4.14 側牆型撒水頭撒水近拍照 根據實際量測天花板型撒水頭之粒徑分析，如下圖4.15所統計，我們認為在眾多粒 徑資料中，因有部分粒滴於實驗場所內之牆面反彈粒滴相互作用下，所以將取實際統計 中粒滴數量最多之大小為我們實驗之分析值，天花板型撒水頭之粒徑大小約為1300μm。
41 圖 4.15 側牆型是粒徑分析圖 根據實際量測側牆型式撒水頭之粒徑分析，如下圖4.16所統計，因仍有粒滴噴射於牆面 上產生反射的問題存在，因此將取實際統計中粒滴數量最多之大小為我們實驗之分析值， 側牆型式撒水頭之粒徑大小約為1050μm。
42 圖 4.16 側牆型是粒徑分析圖 將兩種型式之撒水粒徑引入模型中進行模擬，並觀測其現象。
4.6 案例模型
本次模擬分析，乃依實驗實際尺寸建立，如圖 4.17，基本資料如下: 一、台南建築研究所實際建立的實驗模型 (一) 實驗模型規模: 8.15 mX 7.2mX 10m(高) (二) 建材: 木板與鋼架 (三) 總蓄煙容積:81.572 m343 圖 4.17 實驗案場建築平面圖 二、排煙系統概述 (一)本案場採用排煙風扇，機械排煙(2CMS)，自然補氣。 (二)排煙風扇:658 mmX658 mm (三)補氣口(利用門進行補氣): 1300 mmX 2500 mm (四)排煙扇啟動時間:60S 三、撒水啟動時間： 本研究案撒水啟動時間係依據國內各廠牌通過內政部消防署通案認可之啟動時間 為依據，本研究案撒水時間設定為 120 秒。
4.7 FDS 程式說明
4.7.1 FDS 程式簡介本 研 究 採 用 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。該軟體於 2000
44
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 2018 年 1 月發行 6.6.0 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 Smokeview，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 Smokeview 程式進行版本更新，目前最新版本為 2017 年 1 月發行 6.4.4 版。 圖 4.18 為 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖[17]，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 4.18 FDS 模擬程式與 Smokeview 程式架構圖 4.7.2 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
45 場與濃度場，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) 上式中 ：流體密度，(kg/m3 ) t：時間，(s)46 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，(-)4.8 電腦模擬
4.8.1 FDS 模型設計 根據模擬平面圖簡化後如圖 4.17 所示。FDS 建模模型如圖 4.19 所示。47 圖 4.19 FDS 建模模型圖 4.8.2 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。 (一)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。 (二)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，ㄧ般模擬的煙控系統， 火源成長期並非必要之考慮因素，故可以將之簡化成如式(6.5)。 Q 1055 (6.5) 其中 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) 火盆 火盆 排煙 排煙 補氣 補氣
48 to：有效的著火時間，(s) tg：有效的燃燒後時間，(s) 上式即為通稱的"t－squared fires"。NFPA 92 廣泛的使用成長時間的觀念，成長 時間𝑡 定義為有效燃燒之成長至 1,055kW（1,000Btu/s）之時間。 表 4.3 列出一些火源模式𝑡 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。依本案研究目的，為利 於觀察模型內排煙與撒水之煙流行為，規劃採用普通的火災成長曲線模擬火源，其成長 係數 α=0.01172 kW/s 釋熱率為 0.5MW，Soot yield 參數參考自 SFPE Handbook 為 0.118，成長時間𝑡 為 293s，燃料採用 polyurethane 之燃燒反應模式，火源尺寸為 0.841 m X 0.595 m。 表 4.3 火源成長模式的係數(NFPA 92) 項目 成長係數 成長時間 T-Squared Fires
(kW/s2 )
(Btu/s3 ) tg(s) 緩慢(Slow） 0.002931 0.002778 600 普通(Medium） 0.01172 0.01111 300 快速(Fast） 0.04689 0.04444 150 極快速(Ultra Fast） 0.1876 0.1778 7549 4.8.3 火災劇本 初步設計火災模擬劇本及模擬情境之各項參數等計有 5 組，如表 4.4、4.5 所示 表 4.4 火災模擬劇本 火源大小 燃燒速率 排煙風量 補氣面積 撒水頭 安裝位置 撒水頭 安裝高度 情境 1 0.5MW Medium 0 3.25 m2 無 無 情境 2 0.5MW Medium 2CMS 3.25 m2 無 無 情境 3 0.5MW Medium 2CMS 3.25 m2 天花板 10m 情境 4 0.5MW Medium 2CMS 3.25 m2 側牆 3m 情境 5 0.5MW Medium 2CMS 3.25 m2 側牆 5m 表 4.5 模擬情境之各項參數 設定條件 設定值 說明 起始溫度 26℃ 考量大型挑空空間之常態溫度，採用 26℃ 做為火災室初始模擬值。 火載量 0.5 MW 參考自澳洲 AS4391 之試驗參數設定 火源成長模式 Medium 考量大型挑空空間實際火源燃燒情勢 排煙風扇開啟時機 煙層到達天花板探測 器後 15s 內開啟 參考自市面上現有合格探測器之設定 自然補氣口 由案場出入口做為補 氣來源 考慮火災發生時現場實際開口之換氣 條件 燃料 polyurethane 採用發煙量高之燃料，易於觀察煙流 行為。 模擬時間 300s 放水時間 120s 本研究案撒水啟動時間係依據國內各 廠牌通過內政部消防署通案認可之啟 動時間為依據。 4.8.4 格點配置 本案所採用之格點配置，其座標如表 4.6 所示，總格點數計 69,120 點。 表 4.6 模擬情境之格點配置 X 方向 Y 方向 Z 方向 格點大小 格點 -1~9 -1~8 -1~11 0.25X0.25X0.25 (資料來源:本研究整理)
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4.9 模擬結果分析
4.9.1 情境一 (一)模擬結果 煙層下降、速度場、溫度場及能見度情況，如圖 4.20、圖 4.21、圖 4.22 及 圖 4.23 所示。 圖 4.20 情境一-50s 與 130s 之煙層下降51 (資料來源:本研究整理) 圖 4.21 130s 之情境一速度場 (資料來源:本研究整理) 圖 4.22 130s 之情境一-溫度分布 (資料來源:本研究整理)
52 圖 4.23 50s 與 130s 之情境一-可視度 (資料來源:本研究整理) (二)初步分析 情境一為基本案例，用以觀測模型在火災開始後，排煙設備無動作情況下煙 擴散情形。依據火災劇本，情境一為無排煙且自然補氣門為常開。在火源點火後
53 130 秒時，煙層下降至離地 1.8m 高，當煙層下降至此水準時將會影響室內人員 的逃生安全。從圖 4.23 情境一-可視度，可看出煙層下降的狀態。 4.9.2 情境二 (一)模擬結果 煙層下降、速度場、溫度場及能見度情況，如圖 4.24、圖 4.25、圖 4.26 及圖 4.27 所示。 圖 4.24 情境二-50s 與 108s 之煙層下降 (資料來源:本研究整理)
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圖 4.25 108s 之情境二-速度場 (資料來源:本研究整理)
圖 4.26 108s 之情境二-溫度分布 (資料來源:本研究整理)
