綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究

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(1)綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

(2) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 研究主持人：陳瑞鈴協同主持人：賴啟銘研究人員：蘇鴻奇、黃建榮、林建昌研究助理：趙隆瑞、林京蔚. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

(3) 目次. 目. 次. 目次 .................................................................................................................I 表次 ............................................................................................................. III 圖次 ............................................................................................................... V 摘要 ..............................................................................................................IX. 第一章緒論第一節研究緣起與背景.......................................................................... 1 第二節研究步驟流程 ............................................................................ 3. 第二章文獻回顧第一節自然通風設計.............................................................................. 5 第二節進行自然通風設計時可同步考量防火安全........................... 11. 第三章研究方法第一節研究空間之發展與設計............................................................ 29 第二節 FDS 火災模擬方法 ................................................................... 35 第三節 CFD 流場模擬方法 ................................................................. 45 第四節實驗方法.................................................................................... 48. 第四章 FDS 火災模擬結果與討論第一節 FDS 數值模擬參數設定 ........................................................... 51 第二節模擬情境之設定........................................................................ 56 I.

(4) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 第三節情境 1 之模擬結果.................................................................... 59 第四節情境 2 之模擬結果.................................................................... 74 第五節情境 3 之模擬結果.................................................................... 87 第六節情境 4 之模擬結果.................................................................... 94. 第五章全尺寸煙流實驗觀測................................................................... 101 第一節實驗規劃.................................................................................. 101 第二節實驗步驟.................................................................................. 103 第三節實驗結果.................................................................................. 104 第四節實驗分析.................................................................................. 126 第五節實驗結果與 FDS 模擬結果之比較........................................ 131. 第六章結論與建議................................................................................... 143 第一節結論.......................................................................................... 143 第二節建議.......................................................................................... 146. 附錄本計畫歷次重要會議記錄及回應情形............................................. 153. 參考書目 ..................................................................................................... 165. II.

(5) 表次. 表次. 表 3-1 CFD 數值解析之基本假設 .............................................................. 46 表 4-1 FDS 模擬空間格點配置................................................................... 54 表 4-2 FDS 材料選擇 ................................................................................... 55 表 4-3 數值模擬時所設定之設計情境 ...................................................... 58 表 4-4 情境 1 之不同場景條件設定 .......................................................... 59 表 4-5 情境 2 之不同場景條件設定 .......................................................... 74 表 4-6 情境 3 之不同場景條件設定 .......................................................... 87 表 4-7 情境 4 之不同場景條件設定 .......................................................... 94 表 5-1 全尺度煙流實驗時所設定之設計情境 ........................................ 103 表 5-2 煙層下降至 1.5m 之時間(依情境排列) ....................................... 128 表 5-3 煙層下降至 1.5m 之時間(依火源位置排列) ............................... 128. III.

(6) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. IV.

(7) 圖次. 圖次. 圖 1-1 研究流程............................................................................................. 3 圖 2-1 左：英國 BLUEWATER SHOPPING CENTER，右：在阿拉伯大公國杜拜有許多建築物設計出 BADGIR 造型，以作為風力引入7 圖 2-2 Wind Tower 與 Solar Chimney 的結合............................................ 7 圖 2-3 納風用的 wind scoop 與送風用 wind tower 的合併使用將使得整體自然通風效果更佳............................................................................. 8 圖 2-4 綠建築自然通風性能式設計與驗證工作 ...................................... 10 圖 2-5 自然通風設計案例 .......................................................................... 12 圖 2-6 房間火災煙流示意 .......................................................................... 12 圖 2-7 自然通風與防火安全併同設計之實證案例 .................................. 14 圖 2-8 1MW 熱釋率垂直面的穩態煙流場................................................. 17 圖 2-9 1MW 熱釋率火災層的穩態溫度場................................................. 17 圖 2-10 垂直面的溫度場 ............................................................................ 19 圖 2-11 垂直面的煙流場............................................................................. 19 圖 2-12 5MW 熱釋率下垂直面的煙流場................................................... 19 圖 2-13 5MW 熱釋率下火災層的溫度場................................................... 19 圖 2-14 避難逃生時間 t eg 與 t 80 之關係 ....................................................... 21 圖 2-15 τ4 與 N ach 的關係............................................................................ 23 圖 2-16 實驗空間（Merci and Vandevelde, 2007） ................................ 23 圖 3-1 利用合理的物理條件分析，由實際設計案例來獲得本研究所欲觀測之空間........................................................................................... 30 圖 3-2 本研究之觀測空間 .......................................................................... 31. V.

(8) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 圖 3-3 火場不同設定情境時的施行部位示意 .......................................... 32 圖 3-4 高氣窗位置之流場結構 .................................................................. 45 圖 3-5 雙層屋頂單元溫度細部 .................................................................. 45 圖 3-6 室外實驗屋....................................................................................... 48 圖 3-7 實驗場圖示....................................................................................... 49 圖 4-1 模擬空間與數值計算場域 .............................................................. 51 圖 4-2 模擬空間之內部配置 ...................................................................... 52 圖 4-3 模擬空間網格之分割方式 .............................................................. 53 圖 4-4 南側進風，外風速 5 m/s（情境 1）建築物外部流場結構 ......... 61 圖 4-5 場景 1-1 之 door1、door3、shaft 速度向量圖 ............................ 62 圖 4-6 情境 1 自然通風路徑示意圖 .......................................................... 62 圖 4-7 情境 1 各場景之體積流率 .............................................................. 65 圖 4-8 場景 1-2，一號門之截面溫度圖(t=500)........................................ 66 圖 4-9 場景 1-4，一號門之截面溫度圖(t=500)........................................ 66 圖 4-10 場景 1-2 不同時間之煙流圖 ......................................................... 70 圖 4-11 場景 1-3 不同時間的煙流圖 ......................................................... 71 圖 4-12 場景 1-4 不同時間的煙流圖 ......................................................... 72 圖 4-13 場景 1-5 不同時間的煙流圖 ......................................................... 73 圖 4-14 北側進風，外風速 5 m/s（情境 2）建築物外部流場結構 ....... 76 圖 4-15 場景 2-1 之 door1、door3、shaft 速度向量圖 .......................... 76 圖 4-16 情境 2 之自然通風路徑 ................................................................ 77 圖 4-17 情境 2 各場景之體積流率 ............................................................ 80 圖 4-18 場景 2-4，一號門之截面溫度圖(t=500)...................................... 81 圖 4-19 場景 2-2 不同時間的煙流圖 ......................................................... 83 圖 4-20 場景 2-3 不同時間的煙流圖 ......................................................... 84 VI.

(9) 圖次. 圖 4-21 場景 2-4 不同時間的煙流圖 ......................................................... 85 圖 4-22 場景 2-5 不同時間的煙流圖 ......................................................... 86 圖 4-23 南側進風,外風速 5 m/s,關門（情境 3）建築物外部流場結構 88 圖 4-24 場景 3-1 之 door1、door3、shaft 速度向量圖 .......................... 89 圖 4-25 情境 3 各場景體積流率隨時間變化圖 ....................................... 90 圖 4-26 場景 3-2 不同時間的煙流圖(風由南側吹來；關門) .................. 92 圖 4-27 場景 3-3 不同時間的煙流圖(風由南側吹來；關門) .................. 93 圖 4-28 北側進風,外風速 5 m/s,關門（情境 4）建築物外部流場結構 95 圖 4-29 場景 4-1 之 door1、door3、shaft 速度向量圖 .......................... 96 圖 4-30 情境 4 各場景體積流率隨時間變化圖 ....................................... 97 圖 4-31 場景 4-2 不同時間的煙流圖(風由北側吹來；關門) .................. 98 圖 4-32 場景 4-3 不同時間的煙流圖(風由北側吹來；關門) .................. 99 圖 5-1 全尺度室內煙流實驗屋 ................................................................ 101 圖 5-2 煙流實驗場內實驗儀器佈設圖示 ................................................ 102 圖 5-3 EXP 0-0a 之拍攝影片截圖 ............................................................ 105 圖 5-4 EXP 0-0a 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 106 圖 5-5 EXP 0-0b 之拍攝影片截圖 ............................................................ 108 圖 5-6 EXP 0-0b 利用溫度所計算出來的煙層高度................................ 109 圖 5-7 EXP 0-1 之拍攝影片截圖 .............................................................. 110 圖 5-8 EXP 0-1 利用溫度所計算出來的煙層高度 .................................. 111 圖 5-9 EXP 0-2 之拍攝影片截圖 .............................................................. 112 圖 5-10 EXP 0-2 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 113 圖 5-11 EXP 0-3 之拍攝影片截圖 ............................................................ 114 圖 5-12 EXP 0-3 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 115 圖 5-13 EXP 0-4 之拍攝影片截圖 ............................................................ 116 VII.

(10) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 圖 5-14 EXP 0-4 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 117 圖 5-15 EXP 2-1 之拍攝影片截圖 ............................................................ 118 圖 5-16 EXP 2-1 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 119 圖 5-17 EXP 2-2 之拍攝影片截圖 ............................................................ 120 圖 5-18 EXP 2-2 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 121 圖 5-19 EXP 2-3 之拍攝影片截圖 ............................................................ 122 圖 5-20 EXP 2-3 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 123 圖 5-21 EXP 2-4 之拍攝影片截圖 ............................................................ 124 圖 5-22 EXP 2-4 利用溫度所計算出來的煙層高度 ................................ 125 圖 5-23 火源在 Room 1，比較自然通風流道對煙層下降曲線之影響 129 圖 5-24 火源在 Room 2，比較自然通風流道對煙層下降曲線之影響 129 圖 5-25 火源在 Room 1，比較門口入風對煙層下降曲線之影響........ 130 圖 5-26 火源在 Room 2，比較門口入風對煙層下降曲線之影響........ 130 圖 5-27 情境 EXP 0-0a 之實驗與 FDS 結果比較................................... 134 圖 5-28 情境 EXP 0-0b 之實驗與 FDS 結果比較 .................................. 135 圖 5-29 情境 EXP 0-1 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 136 圖 5-30 情境 EXP 0-2 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 137 圖 5-31 情境 EXP 0-3 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 138 圖 5-32 情境 EXP 0-4 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 139 圖 5-33 情境 EXP 2-1 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 140 圖 5-34 情境 EXP 2-2 之實驗與 FDS 結果比較..................................... 141 圖 5-35 利用火場溫度分佈與目視法判斷煙層高度 .............................. 142. VIII.

(11) 摘要. 摘要關鍵詞: 火災、自然排煙、自然通風、FDS. 一、研究緣起自然通風策略對於降低建築耗能及維繫良好室內空氣品質（Indoor Air Quality, IAQ）裨益良多，因此，成為永續建築設計技術中重要之一環。然而，自然通風設計雖然可以巧妙地創造室內氣流的流動途徑，但相對地，在室內不幸發生火災時，對於室內火場延燒以及高溫氣體與火災煙氣的流動等，也產生重大的影響。因此，自然通風設計與防火安全議題兩者之間的互動與影響關係是值得吾人加以探索的。. 二、研究方法及過程. 本年度將延續所建立之全尺度火場實驗以及數值模擬的經驗與成果，以關鍵性案例為對象空間進行實驗與數值模擬。利用美國 NIST 機構所發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator) 模擬軟體來進行火災模擬，並配合本所多年來累積的實尺寸居室火災實驗結果來作為參數上的設定。以模擬與實驗結果探討當火災發生時火場之煙流及煙層高度變化，了解火場中各區域溫度分布、煙氣擴散等情形，探討相關自然通風參數對火災的影響。. IX.

(12) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 三、重要發現. 就本研究所探討的空間型態而言，當火災室不存在自然通風流道時，火災室的煙層下降情勢跟鄰室（非火災室）自然通風流道的設置較無關連。而設置有自然通風流道的非火災鄰室的上層煙氣溫度不高，熱浮力效應不明顯，煙氣累積在垂直通風道內，而僅靠外風的牽引力量排出；設置自然通風流道可以有效的將非火災鄰室煙氣的下降時間往後延遲，但在此場景中外風的牽引作用並不大。. 就本研究所探討的空間型態而言，火災室設有自然通風流道時，由於火災室的煙氣溫度較高，流道內的熱浮力效應較明顯，自然通風流道有效的排煙延緩了煙層下降的速度，而外風在自然通風流道末端會造成牽引作用，使得火災室的中性面位置提高。. 經由實驗與數值模擬結果驗證，就本研究所探討的空間型態而言，相較於無自然通風設計者，在妥適的通風路徑安排下，具備自然通風流道的居室（本研究空間）可以擁有較佳的煙層下降控制效果。. 四、主要建議事項. 根據研究發現，本研究針對自然通風設計對防火安全設計之影響短中長期研究規劃，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。. X.

(13) 摘要. 立即可行之建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：財團法人成大研究發展基金會. 本研究案模擬的情況主要討論範圍為一般居室的情況，可以與國外文獻與國內檢證法相互佐證參考。為了保障生命安全，建議後續實驗應採取更嚴苛之實驗驗證，將實驗熱釋放率提高至 3~5MW，並增加發煙量。可嘗試修改煙流實驗場之開窗模式、自然通風管道設計方式與戶外風速、風向變化，擴大應用面。於自然通風狀態時，FDS 對於居室火場煙流模擬有其限制，建議可利用其他 CFD 軟體予以輔助觀測細部熱流狀況，以利現象解釋與發展推估。長期性建議—自然通風設計對防火安全設計之影響中長期研究規劃主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：相關研究機構本研究課題整合了防災組（火災延燒、煙控與避難逃生）與環控組（自然通風設計）之相關研究內涵，屬於跨領域研究且存在相當的難度。在研究歷程中發現，未來，在廣度與深度的層面皆有許多尚待研究之處，亟需接續予以完成，俾使防火安全研究更能根基於節能、減廢、健康又安全之永續生活環境。未來可能研究方向如下，詳細說明於第六章第二節：. 1. 自然通風狀態對於火源之影響 2. 研究空間與自然通風設計模式之擇定 XI.

(14) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 3. 自然通風設計對於火場煙流途徑與延燒之影響 4. 建立可增益排煙效果之自然通風設計技術 5. 研擬「排煙增益式自然通風設計準則」 6. 增修訂「建築技術規則建築設計施工編第一百零一條」之內容 7. 火場煙流影響住宅逃生途徑之主控參數 8. 探討 FDS 之模擬限制以及與其他 CFD 模擬軟體之協同作業 9. 建立高溫熱環境之居室煙層高度之判斷準則. XII.

(15) 摘要. ABSTRACT Natural ventilation has become one of the important methods among the sustainable building design technologies due to its benefits in reducing building energy consumption and maintaining adequate indoor air quality (IAQ).. However, although natural ventilation can expertly create the indoor. air flow, in the unfortunate event of an room fire, it will also have a significant impact on the room fire spread, high-temperature gases and the smoke movement.. Therefore, the interaction and impact relationship. between natural ventilation design and fire safety is worthy of exploration. This year, the study will continue the experience and result of the established full-scale fire experiments and numerical simulations, and use a significant case as the subject for experimentation and numerical simulation.. The FDS. (Fire Dynamics Simulator) version 5, developed by the NIST, will be used to process the fire simulation. Full-scale fire experiment result accumulated by the Institute over the years will be used for the parameter settings.. The FDS. simulation and experiment result are used to explore the smoke flow and smoke layer height changes, understand various areas’ temperature distribution, and smoke dispersion in the fire scene, and explore the impact of natural ventilation design parameters on the fire.. Keywords: Room fire, smoke exhaust, natural ventilation, FDS. XIII.

(16) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. XIV.

(17) 第一章緒論. 第一章緒論. 第一節研究緣起與背景近年來，國內民生需求和人民生活水準不斷提昇，都會區的擴展與住宅區的形成非常快速，對於嚴重影響社區公共安全和個人身家財產的建築防火議題顯得日愈重要，也受到政府與民間的高度重視。因此，本所多年來一直著力於推動建築防火研究，期盼建築防火研究成果能落實於火災預防與提昇滅火效能，進而促進台灣社會安全。. 為了融入性能設計國際潮流，本所於 91 年完成「建築防火有關性能設計法建議草案與案例解說」研究，其內容包含四大項：(1)建築物火災成長延燒防止技術之性能設計法（草案）、(2)建築物結構耐火性能檢證法（草案）、(3)建築物火災避難安全性能檢證法（草案）、(4)建築物火災煙控性能式設計法（草案）。其中建築物火災避難安全性能檢證法已於 93 年完成及出版「建築物防火避難安全性能驗證技術」，建築物結構耐火性能檢證法則於 94 年完成及出版「建築物構造防火性能驗證技術手冊」。. 除此之外，針對建築物火災的防火性能，本所持續進行一系列的研究探討，主題可歸類為開放空間燃燒熱釋放率分析、區劃空間火災與滅火實驗分析、消防撒水設備測試、以及 FDS 數值模擬分析等四大方向（內政部建築研究所，2007），研究成果豐碩。去年執行「建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析」研究案，除了歸納整理過去本所關於建築物火災的研究成果外，並彙整閃燃時間、火焰高度、自由空間火羽 1.

(18) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 流與區劃空間火羽流等基本經驗計算公式；同時探討固定式可燃物與移動式可燃物於火場中的相互作用關係，分析通風效應、火載量大小、引火源位置的影響，進而建立多種全尺寸火場資料庫。. 自然通風策略對於降低建築耗能及維繫居室良好室內空氣品質（Indoor Air Quality, IAQ）裨益良多，因此，成為永續建築設計技術中重要之一環。然而，自然通風設計雖然可以巧妙地創造室內氣流的流動途徑，但相對地，在室內不幸發生火災時，對於室內火場延燒以及高溫氣體與火災煙氣的流動等，也產生重大的影響。因此，自然通風設計與防火安全議題兩者之間的互動與影響關係是值得吾人加以探索的。. 本年度將延續所建立之全尺度火場實驗以及數值模擬的經驗與成果，以關鍵性案例為對象空間進行實驗與數值模擬。將利用美國 NIST 機構所發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator) 模擬軟體來進行火災模擬，並配合本所多年來累積的實尺寸居室火災實驗結果來作為參數上的設定。以模擬與實驗結果探討當火災發生時火場之煙流及煙層高度變化，瞭解火場中各區域溫度分佈、煙氣擴散等情況，探討相關自然通風設計參數對火災的影響。. 2.

(19) 第一章緒論. 第二節研究步驟流程. 綠建築自然通風設計技術分析. 火場延燒與煙流文獻分析. 分析實驗與數值模擬所需之關鍵案例. 火災場景與物理模型確立. 專家諮詢會議. 以關鍵性案例為目標，進行 FDS 模擬. 以合宜的案例為對象，進行足尺火場煙流實驗. 釐清自然通風路徑、火場煙流路徑、逃生路徑三者之可能關連探討自然通風設計時，併行性能式防火安全設計之可行性. 研提未來研究建議圖 1-4 研究流程. 圖 1-1 研究流程. 3.

(20) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 4.

(21) 第二章文獻回顧. 第二章. 文獻回顧. 第一節自然通風設計室內空氣與室外空氣經由開口部所形成的流動，其機制包含了自由對流（free convection）與強制對流（forced convection）。自由對流的驅動力來自於重力（gravitational force），亦即室內外空氣之溫度差（熱浮力效應 Stack effect or buoyancy effect）；而強制對流的驅動力則來自於空氣壓力與剪應力，亦即外部風壓或風機的吹拂。而自然通風（natural ventilation）一般泛指自然力所造成的換氣行為，因此包含了上述的重力（熱浮力效應）與外部風壓（風力）等驅動源，而這兩則驅動源（室內的熱源與戶外的風）也成為自然通風設計時的掌握要素。. 許多建築物理學的教科書都會提到動物巢穴「自然通風設計智慧」：氣流若能在低處被「納入」，流經安排過的室內流道，最後在高處併同戶外氣流被「抽出」，這樣，就形成一則有效的自然通風路徑。依據此邏輯，建築自然通風設計也可在「仿生學」的基礎上，學習動物構建巢穴時的智慧。在建築設計階段，設計者可配合基地的自然風力資源，進行建築群落或建築體的配置，並利用通風引入口（wind scoop）的裝置或設計（如此隱喻著通風引入口可以是種裝置（設備），也可以是種設計（開口部等））以及流動空間（或管道）的設計，將自然風導入並貫穿室內，並於通風塔（wind tower）的裝置或設計處，將室內空氣順利排出，如此，室內空氣的循環將具有良好的效果。然而，除了風力的考量外，熱浮力的應用與順應也是自然通風設計的另一則關鍵。（Mistriotis et al., 1997）指出： 5.

(22) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 當外部風速 VE > 2 m/s，風力對於自然通風的影響遠大於熱浮力，可忽略熱浮力之影響；當 2 m/s > VE > 0.5 m/s，風力之影響仍較熱浮力為大，但不可忽略熱浮力之影響；當 VE < 0.5 m/s，熱浮力之影響就相當顯著，以台灣各地平均風速 1.2～6.0 m/s 而言，應綜合考量風力與熱浮力對自然通風效果之影響。再者，室內的直接熱源或是建築外殼受日照後形成的熱源都將使周遭的空氣加熱，加熱後的空氣將會以熱浮力效應上升至建築物高處，此時，高處若有開口部，則此熱氣將可順勢離開建築體，形成一則有效的自然通風路徑。而這兩股自然通風氣流必須能相輔相成而不拮抗消減，以增加整體的自然通風效益。. （1）通風引入口（wind scoop）通風引入口（wind scoop）可利用機械製造方式裝置於適當位置，並配合建築機能與外型，創造出不同的建築風格，如圖1左所示；亦可如同生態建築的理念一般，將此通風設計融入建築設計中，利用建築外型自然塑造出風力通風引入口，豐富建築物的機能性，如圖2-1右所示。除了上述兩則機械構造與建築造型所創造出風力通風引入口設計之外，開口部（門、窗等）的設置方位與形式也將影響到熱浮力或效能。配合熱浮力通風時垂直上升氣流之特性，以及風力通風時基地風向、風力的考量等，利用開口部創造室內最佳的通風路徑。. 6.

(23) 第二章文獻回顧. 圖 2-1 左：英國 BLUEWATER SHOPPING CENTER，右：在阿拉伯大公國杜拜有許多建築物設計出 BADGIR 造型，以作為風力引入（BATTLE, 1999）. （2）自然通風的出口：通風塔（wind tower）. 利用風力吹過通風塔出風口時造成的局部負壓，或是帶動葉片式通風球（ turbine ventilator）旋轉形成抽氣負壓，並配合流動空間（管道）的設計，將室內空氣抽離，對於室內空氣的循環有良好的效果。通風塔之裝置可利用機械製造方式裝置於適當位置，並配合建築機能與外型，創造出不同的建築風格；亦可如同生態建築的理念一般，將此通風設計融入建築設計中，利用建築外型自然塑造出風力通風出口，豐富建築物的機能性。. 圖 2-2 Wind Tower 與 Solar Chimney 的結合 7.

(24) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 設置重點有：（1）通風塔裝置儘可能高於屋頂面以增加抽氣效率（2）可利用具有自動專向的通風塔裝置或風車式通風塔，將開口依當時風向調整至適當位置，以順利引導氣流之抽離（3）配合引入口之設計，將風力順利引入與排出室外，達到最有效的通風設計（4）配合太陽輻射煙囪（wall-roof solar chimney）效應等通風路徑設計，將室內氣體排出戶外，達到室內通風換氣與避免高溫蓄熱現象的產生，如圖 2-2 所示。設置時須注意到：（1）通風出口需具備防止雨水滲入之設施、（2）若採用通風塔裝置，則其與屋頂版接合處需進行防水處理、（3）選擇方便維修之設計方式、部品與材料。. 重要的是：納風用的 wind scoop 與送風用 wind tower 當然不會是兩個獨立的設計概念，必須將其合併使用，配合太陽輻射煙囪的熱對流機制，使得整體室內自然通風效果更佳。如圖 2-3 所示。. 圖 2-3 納風用的 wind scoop 與送風用 wind tower 的合併使用將使得整體自然通風效果更佳（BATTLE, 1999）. 8.

(25) 第二章文獻回顧. 研究團隊曾進行綠建築自然通風性能式設計與驗證工作。該案以目前建築通風方面常用的自然通風器（turbine ventilator）作為下游端通風動力源，配合上游端（熱源處）的熱浮力、層間熱對流以及通風管建立起浴廁之自然通風機制。該宿舍為套房式空間，開窗朝向南北方，浴廁鄰近中央走廊，位於屋頂層的自然通風器因建築物層間熱對流與外氣風力而產生轉動，引致出口端負壓抽氣效果，使得浴廁排風沿著通風管道間（兩套浴廁共用一則管道間）而排出戶外，同時配合浴廁天花抽風設備的運轉增加換氣的作用，如圖 2-4 所示。. 吾人經由自然通風器之風洞試驗以及浴廁現場熱流實測，來瞭解這種通風模式的效率，結果證實自然通風器與通風管道的結合模式，對於浴廁之自然通風有著正面效果。浴廁內的空氣被天花板空間的抽風設備” 推入”通風管道內，再經由管道末端的自然通風器”抽至”戶外。利用潔淨自然力（風力）驅動自然通風器，可節省機械排風機耗電，達到節約能源的目的；而自然通風器的引致通風量數據以及設置範例，可以提供綠建築設計過程，對於建築通風設計之參考。（Lai, 2003）. 風力引致通風氣流戶外氣流. 自然通風器臥室窗戶臥室. 連接隔壁浴廁. 浴廁. 通風管道（水管垂直管道間）. 通風管. 浴廁風扇. (a) 綠建築自然通風性能式設計 9.

(26) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. (b) 驗證結果. 圖 2-4 綠建築自然通風性能式設計與驗證工作. 10.

(27) 第二章文獻回顧. 第二節進行自然通風設計時可同步考量防火安全自然通風策略對於降低建築耗能及維繫居室良好室內空氣品質（Indoor Air Quality, IAQ）裨益良多，因此，成為永續建築設計技術中重要之一環。在空間型態上，一棟擁有良好自然通風效能的建築意味著在該建物中具有相當的垂直空氣流道（vertical puncture）及水平向相互連接的虛空間。圖 2-5 代表某則自然通風設計案例，然而，防火安全是藉由：被動式建築構造體防火防護、主動式消防安全系統及防火安全管理等途徑來共同達成的。如此，自然通風設計手法常與防火安全設計準則（特別是被動式建築構造體防火防護）或法規產生衝突，畢竟，在建築防火安全層面上講求的是利用垂直與水平防火區劃來防止火勢之延燒擴大。. 圖 2-6 (a)~(c)所示分別為未實施區劃之中庭建築、完全區劃建築以及具備機械排煙之建築其個別的房間火災煙流示意。（Chow and Chow, 2005）指出，在香港，某些綠建築設計結果並無法滿足防火安全（法令）的需求，例如（Chow and Chow, 2003）：室內複雜的虛空間、雙層化建築外殼、過多的自然通風（途徑與量值）、挑高中庭的防火安全等。對於這些衝突點（綠建築設計 vs. 防火安全），作者建議可以利用防火工程法則（Fire engineering approach）（類似防火安全性能設計）的方法來加以取得兩者的兼顧（Chow, 2003）。. 11.

(28) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 圖 2-5 自然通風設計案例 (Short et al, 2006). (a)未實施區劃之中庭建築. (b)完全區劃之建築. (c)具備機械排煙之建築. 圖 2-6 房間火災煙流示意. （Short et al, 2006）的經驗顯示，在實施自然通風策略的建物內，欲滿足防火安全法規要求的區劃勢必要以增加成本的方式增設防火擋門及閘門，如此，增加的設施會反向影響到日常的自然通風性能，而利用機械通風設施來併行排煙的功能時，除會增加成本外，在價值工程（VE, Value Engineering）的理念上，會使得採用自然通風設計的機會大為降低。在進行建築計畫時，由於防火法令與經費的考量，自然通風設計往 12.

(29) 第二章文獻回顧. 往被風險管理與價值工程等論點所否決，也因此，自然通風的理論與實務發展更應具備高可靠度，俾使成為設計者所能掌握的設計手法。當排煙口處於戶外氣流正壓區中，室內火場煙流有可能被壓抑或是逆流回室內中；而排煙口處於戶外氣流負壓區時，則可增益火場所產生的熱浮力，使排煙更為順遂。因此，重要的是：自然通風必須要有能力抵抗或是順應戶外風勢，使向外排煙性能維持在一定的水準，俾使全體居室人員完成避難逃生。. （Short et al, 2006）提供一則自然通風與防火安全併同設計的發展過程，內容相當值得參考，茲簡述如下：. 此案例為英國 Coventry 大學之 Lanchester 圖書館暨學習資源中心，其為 4 層樓、總樓地面積 10,000m2 之建築物，除了法規規定電腦室（260 m2）必須進行機械通風外，所有的空間均採用自然通風及被動式冷卻技術。自然通風策略所使用的空間設計與設施設計手法有：地板通風系統（圖 2-7(a)所示之2號設施）、採光井3、挑高中庭4、外週區垂直通風管 5、頂層排氣管6等。其利用地板通風系統將外氣引入，藉由採光井將氣流引導至各樓層，並利用中庭及外週區垂直通風管將室內空氣排出；而在頂層空間，則多加了 4 支排氣管協助空氣的排出。整棟建物室容積為 40000m3，且為單一區劃空間，此值遠大於該國法規（Approved Document Part B ‘Fire Safety’, UK Building Regulations）所規定，然而，作者認為經由煙流與熱流控制的正確設計，要符合上述法規是有可能的。. 13.

(30) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. (a)自然通風設計. (b)第 2 階段設計結果. (c) 第 3 階段設計結果. 圖 2-7 自然通風與防火安全併同設計之實證案例. （1）第一階段：符合當時（1997 年）規範式法規之設計該國法規規定，本建物屬於學校類型，其法定最大區劃面積為 800m2。. 途徑 A： ◎區劃用牆體需具有 1 小時防火時效 ◎採光井及中庭構造所用玻璃需具有 1 小時防火時效. 途徑 B： ◎自動撒水系統及機械排煙系統 ◎以工業標準計算法進行排煙系統有效性之驗證工作. 14.

(31) 第二章文獻回顧. 如此的區劃與設計方式將嚴重降低自然通風效能，同時，亦將增加機械設施成本。. （2）第二階段：依循 BS 5588 Part 7（與中庭建築有關的部分）所進行的替代方案. 在 BS （British Standard）5588 Part 7 中，與中庭火災有關的條文內容係將中庭定義為貫穿兩樓層之空間，而此空間恰違背了防火區劃本意（如圖 2-6(a)(b)），圖 2-7(b)所示為本階段之設計結果。其將採光井視為中庭空間並要求具備遮煙性能，但法規中並無指明需具備某種防火時效，在消防隊到達前，採光井空間必須要是完整的（如圖 2-7(b)所示之1 號設施）。在裝設機械式排煙系統時，採光井的遮煙擋板必須在火災發生時是為關閉的（fail shut）；在自然排煙設計下，火災發生樓層的採光井遮煙擋板必須是開啟的，而其他樓層者必須是關閉的（如圖 2-7(b)所示之5 號設施）。. 相關要求有：. ◎裝置 BS 5839 Part 1 所要求的 L2 自動撒水偵測。 ◎中庭排煙性能必須達到：有效地將煙層高度維持在任何開口部上方 2.5m 處以上。 ◎各樓層裝置自動撒水系統。. 當設計自然排煙系統時，要確認煙層溫升必須產生足夠的熱浮力， 15.

(32) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 在裝置自動撒水系統時，要瞭解在火災撒水過程中產生的冷卻效果是否會降低煙層溫升，使得煙流熱浮力不足以自行排出。（Lai et al, 2008）觀察發現：自動撒水頭的作動常僅於控制火勢，而非完全撲滅；可使消除火場發生閃燃的機會，但也會導致 CO 濃度的增加。. （3）第三階段：與有關當局協商防火措施. 設計團隊調整原設計並利用 BS 5588 Part 7 及其提供之評估標準驗證設計結果。設計內容包含：. ◎中庭空間應可部分開啟，不實施防火時效，但要求遮煙性。 ◎L2 等級的火及煙偵測。 ◎中庭的最高樓層處作為蓄煙之用，僅此樓層實施遮煙構造。 ◎利用日常自然通風途徑作為中庭排煙機制。. 在火災樓層採光井上的遮煙擋板及外週區通風管為開啟的，其他者則為關閉。而地板通風系統在火災時期持續向火災樓層供給空氣。如圖 2-7(c)所示。. 但是 Coventry 官方消防及建管單位並不認可手冊計算驗證（BRE, 1982）及經驗式計算所推算的用以維持適當煙層高度所需的空氣流率（CIBSE, 1995）。因此，設計單位改以計算流體力學（CFD, Computational Fluid Dynamics）模擬軟體 SABRE 來進行設計驗證工作。. 16.

(33) 第二章文獻回顧. （4）第四階段：CFD 火場模擬. 在如此的空間特性下，最糟的火場情況將是：低樓層火災產生的煙流在冷卻之後會成層化（thermal stratification）存在於空間中，無法有效地到達頂層排煙口。如此的煙氣（甚至於是冷煙流）都具有相當的毒性，也有可能遮蔽逃生者的視線及使之窒息。. 所設定的火源位於地面層開放空間，係由香菸、電力線走火或是意外產生的點熱源所引起，進而延燒書架等可燃物。火災時間為 15 分鐘，在 0~10 分鐘時，熱釋率呈現線性成長，並在 10 分鐘時到達 1.8 MW；在 10~15 分鐘時，熱釋率係由中等（medium）t2-fire 來代表。模擬結果顯示，在 15 分鐘時，熱煙氣由中庭及外週區通風管順利排出，煙層高度可容許人員順利逃生。接著進行 1MW 熱釋率下的穩態熱流場分析，結果如圖 2-8, 2-9 所示。熱流場趨勢與前者相似，僅部分煙層高度較為降低些，但並不影響逃生安全性。. 圖 2-8 1MW 熱釋率垂直面的穩態煙流場. 圖 2-9 1MW 熱釋率火災層的穩態溫度場. 17.

(34) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 但建管及消防單位認為，這些 CFD 結果並不能表示設計結果完全符合 Approved Document Part B 的要求。理由為：在採光井旁邊的火源有可能會破壞採光井玻璃及地面端遮煙擋板，而使得煙循此影響到其他樓層。. （5）第五階段：釐清官方質疑所進行的模擬. （5.1）熱釋率分別為 1 MW 及 2 MW. 此兩則模擬情境的火源皆位於採光井旁，因此，假定會造成採光井構造玻璃的破壞且所有樓層的遮煙擋板皆失效（全部開啟）。火源的熱釋率分別為：在 15 分鐘時到達 1 MW 及 17 分鐘時到達 2 MW。結果顯示，熱煙氣流入採光井中，使得火災樓層蓄煙現象不嚴重，採光井內煙流的溫度分別為 40~50℃（火源為 1 MW 時）及 50~60℃（2 MW 時）。在頂層發現少量經由開啟（失效）的擋板流入的煙氣，溫度分別為 30℃（1 MW 時）及 35℃（2 MW 時）。. （5.2）控制系統. 此模擬情境係將受火災影響到的樓層其擋板予以開啟，而其他未受影響處的擋板則為關閉。圖 2-10, 2-11 所示垂直面的溫度場與煙流場，可看出：熱及煙流有效地流入採光井中，使火災樓層的煙層高度維持在安全範圍上。採光井內煙流的溫度介於 60~75℃，較前者（擋板全部開啟者）高出 10℃。由火源流入採光井的煙流溫度約為 160℃，因此，對於下游處玻璃及擋板的熱破壞性並不高。而關閉的擋板可阻隔其他樓層的煙流逸散，降低火災安全的風險。 18.

(35) 第二章文獻回顧. 圖 2-10 垂直面的溫度場. 圖 2-11 垂直面的煙流場. （5.3）閃燃發生的可能及時機. 本則模擬情境為5 MW、所有的擋板均為開啟之激烈火場，如圖2-12, 2-13所示，結果顯示，在火災樓層，靠近中庭的天花板煙層溫度約為220 ℃，中庭內煙流的溫度介於50~100℃，最高溫為120℃，對於玻璃與擋板的熱破壞性不高。熱煙被侷限在火災樓層及中庭中，由圖2-13可看出在火災樓層處，有0.5m2的天花板其煙層溫度超過550℃、1m2者超過500℃，可推論此火場情境將無閃燃現象的發生。. 圖 2-12 5MW 熱釋率下垂直面的煙流場. 圖 2-13 5MW 熱釋率下火災層的溫度場 19.

(36) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 因此，政府當局同意此設計案得以抵免（waive）Approved Document Part B 的要求。. 為了獲得更好的自然通風、取得較多的晝光及較佳的室內溫熱環境，從 1998 年以來，香港在綠建築設計案例中出現了許多的挑高中庭，然而，許多的挑高中庭設計卻無法滿足規範式防火安全法規（Watson, 1998）（Hung and Chow, 2001），例如：位於購物商場內的挑高中庭在防火安全法規的空間分類上隸屬於購物商場，因此，必須在挑高空間的天花板處設置撒水頭，火場災害的情境分析結果（Chow, 1996）卻指出：賣場的火勢不可能由這些撒水頭的作動來取得控制，而且，由頂層空間火場所驅動的撒水動作會將煙層壓制，而使煙流往地面層移動與累積。對於具挑高空間的建築物來說，合宜的避難逃生設計及煙流管理更是重要，一般可利用排煙系統來將煙層控制在一定的高度，以提供足夠的避難逃生安全性與時間。. （1）煙蓄積. 挑高空間火災的煙流狀況通常可以用「雙層（two-layer）」模型來加以描述，亦即，在「上（方）熱下（方）冷」的溫度成層分佈中，距離地面高度 y clear 以上的空間是充積著火場煙流。而避難逃生所需時間必須低於 y clear 下降至樓層的時間。對於大型挑高空間而言，煙氣充滿該空間體積之 80%時所需的時間， t 80 ，是則相當重要的指標。（Chow and Li, 2000）. t 80 ≅ 2.5τ 4 .............................................................................................（2-1）. 20.

(37) 第二章文獻回顧. ⎛ t g2 / 5 ⎞⎛ A ⎞3 / 5 ⎟⎜ 2 / 3 ⎟ ..............................................................................（2-2） τ4 = ⎜⎜ ⎟ ⎝ 0.87 ⎠⎝ H ⎠. 2. ⎛ ⎞ = 1000⎜ t ⎟ ......................................................................................（2-3） Q c ⎜t ⎟ ⎝ g⎠. τ 4 為中庭煙積時間常數；A、H 分別為樓地板面積與中庭高度。. 圖 2-14 所示為在擁擠的挑高中庭賣場中，避難逃生時間 t eg 在不同的火勢下的 t 80 值，該火勢係利用 t2-fires 中的 t g =600, 300, 150, 75 s 分別代表由緩慢至非常強烈之火勢。在 t eg 高於 t 80 的案例中，必須考慮加設額外的安全措施，例如：增加出口處、設置排煙系統等。而 t eg 高於 150 s 的個案亦應予以特別檢討。. 圖 2-14 避難逃生時間 t eg 與 t 80 之關係. 21.

(38) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. （2）排煙系統. 為了將煙層控制在樓層高度的 20%以上，可考慮設置自然或機械排煙裝置。在火源對流熱釋放率為 Q c (kW)及火源尺度為 d s (m)的情況下，火焰長度 z1 (m)為：. z1 =. 2/3 0.035Q c d s + 0.074Qc2 / 5. (. ). 2/3. ...........................................................................（2-4）. (kg/s)為：（NFPA 92B, 在火源上方（距離地板 z(m)處）的煙產生率 M. 2000） 1 / 3 z5 / 3 = 0.071 Q M c. z > z l ....................................................................（2-5）. 假設 t eg = t 80 ，整合上述各式吾人可以得到排煙率 N ach (ACH, Air Changes per Hour). N ach. 2 1/ 3 ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ t 3600 ⎪ ⎪ eg 5 / 3 = ⎨0.071⎢1000⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ y clear ⎬ .................................................（2-6） AHρair ⎪ ⎢ ⎪ ⎝ t g ⎠ ⎥⎦ ⎣ ⎩ ⎭. 其中， yclear = max{0.2H, 3m (or 4m)} ......................................................（2-7）. 圖 2-15 所示為在不同的火勢及 yclear 定義下，τ4（亦即 0.4 t 80 ）與 N ach 的關係。. 22.

(39) 第二章文獻回顧. 圖 2-15 τ4 與 N ach 的關係. （ Merci. and. Vandevelde,. 2007）利用3 x 3.6 x 2.3 m的區劃火災，探討火場所引致之自然通風效應，實驗空間如圖2-16所示意。該空間牆面中央有一則開口部（門），空間的頂板有一水平開口部作為通風出風口。火源為位於室中央之方形己烷燃燒器。所評估的項目有：煙層厚度、煙層內平均溫升、垂直向溫度分佈、煙質量流率等。變因則包含：燃燒器之總熱釋放率（300, 400, 550 kW）、火源面積（0.3 x 0.3 m; 0.6 x 0.6 m）及頂板出風口面積（1.45 x 1 m; 0.75 x 1. 圖 2-16 實驗空間（Merci and Vandevelde, 2007） 23.

(40) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. m; 0.5 x 1 m）。實驗結果顯示：總熱釋放率 Q f (kW)對於煙層內平均溫升. (T. s , av. 0.86 （ T =煙層內平均溫度(K); T =周 − Tamb ) 影響最大， (Ts , av − Tamb ) ~ Q f s , av amb. 遭空氣溫度(K)），而火源面積及頂板出風口面積對於其影響不大；而影響煙層厚度最大的是火源面積，其他兩者變因的影響不高。文中利用實驗數據檢視常用的計算關係式（NBN S21-208-1: 比利時標準設計法; CR 12101-5: 歐盟設計法; (Klote and Milke, 2002)）：. （1）煙質量流率 m s (kg/s). 在實驗部分： m s = ρs C v A v U b .............................................................（2-8）. 其中， 3. ρs ：煙的密度（kg/m ） C v ：頂板水平出風口之釋放係數（discharge coefficient）（無因. 次）（假設其值為 0.6） 2. A v ：頂板水平出風口之面積（m ）（由實驗結果可看出煙流全. 由此通風口流出） U b ：熱浮力速度（m/s）（Etheridge, 2002）. Ub =. gd(Ts , av − Tamb ) .............................................................................（2-9） 0.5(Ts , av + Tamb ). 其中， g：重力加速度（9.8 m2/s） d：煙層厚度（m） 24.

(41) 第二章文獻回顧. 0.06 由實驗結果可看出： U b ~ Q0f.33 、 U b ~ A −roof （本文之 A roof = A v ），表示 U b. 與 Qf 之間具有高度關連性。而 NBN S21-208-1/ CR 12101-5 提供在高度 Y 處的煙質量流率關係式：. s = Ce PY 3 / 2 , Y ≤ 10A1/2 m f ...............................................................（2-10）. 其中， Ce ：0.188（in NBN S21-208-1）或 0.19（in CR 12101-5）. P：火源週長（m） Y：高度（非煙層區域）（m）. 而(Klote and Milke, 2002）亦提供了高度 Z 處的煙質量流率關係式：. (. ). (. 1 / 3 (Z − Z )5 / 3 + 0.00192 0.7Q ⎧m s = 0.071 0.7Q f 0 f ⎪ ⎨ Z s = 0.0059 0.7Q Z < Lfl f ⎪m Lfl ⎩. (. (. L fl = 0.235 0.7Q f. ). ). ). 2/5. Z > L fl. ........................ （2-11）. − 1.02D .................................................................（2-12）. 2 / 5 − 1.02D .........................................................................（2-13） Z0 = 0.083Q f. 其中， L fl ：火焰高度（開放流場中）（m）. 25.

(42) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. Z0 ：虛點熱源（virtual origin）之位置（m）. （2）煙層平均溫升 (Ts ,av − Tamb ). NBN S21-208-1 及 CR 12101-5 所提供之關係式：. Ts , av − Tamb =. 0.8Q f ..............................................................................（2-14） s Cp m. 由上式（2-14）中可看出：總熱釋放率的 80%會被蓄積在熱煙層中。. （3）煙層厚度 d（m）. 吾人得利用式（2-15）及實驗數據計算出 d 值. ∫ d=. H. 0. (T − T0 )dh. Ts , av − T0. .................................................................................（2-15）. 其中， H：區劃空間之高度（m） T0 ：參考溫度（K）（於此，以高度 1 m 處的平均溫度作為 T0 ）. CR 12101-5 所提供之關係式：. A vCv =. 26. [2ρ. s Ts , av m 2 amb. s2Ts , av Tamb /(A i Ci ) 2 ) gd (Ts , av − Tamb )Tamb − (m. ]. 1/ 2. .......................（2-16）.

(43) 第二章文獻回顧. 其中， 3. ρamb ：周邊空氣之密度（kg/m ） 2. A i ：通風入口處之面積（m ） Ci ：通風入口處之釋放係數（無因次）. NBN S21-208-1 所提供之關係式：. ⎡ T 2 + (A v C v / A i Ci ) 2 TambTs , av ⎤ m A v C v = s ⎢ s , av ⎥ 2gd (Ts , av − Tamb )Tamb ρamb ⎣ ⎦. 1/ 2. .........................................（2-17）. （Merci and Vandevelde, 2007）總結其實驗數據與上述經驗式的比較，發現這些經驗式的計算結果會低估煙層厚度及煙質量流率，但是，卻會高估煙層平均溫升。. 27.

(44) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 28.

(45) 第三章研究方法. 第三章研究方法本年度將延續所建立之火場實驗以及數值模擬的經驗與成果，以關鍵性案例為對象空間進行實驗與數值模擬。將利用美國 NIST 機構所發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator) 模擬軟體來進行火災模擬，並配合本所多年來累積的實尺寸居室火災實驗結果來作為參數上的設定。以模擬與實驗結果探討當火災發生時火場之煙流及煙層高度變化，瞭解火場中各區域溫度分佈、煙氣擴散等情況，探討相關自然通風設計參數對火災的影響。. 第一節研究空間之發展與設計本研究遭遇到的關鍵處相當多，首要即是研究空間之定奪。值得參酌的綠建築自然通風設計案例相當多樣，可列入型態目標也是很多：有水平與垂直的空氣流動方式、有整體或單體空間的通風設計、有獨棟透天/公寓大廈/電梯大樓等房產型態等，均值得列入研析，然而，囿於研究時程與經費的限制，本研究將著眼於下列前提：具備特定的、設計的水平與垂直通風行為、多空間連通、法令最低通風規範量、簡化空間量體等來決定研究空間。首先，以設計案例分析及專家訪談方式來釐清目前國內可行的自然通風設計技術，並以優良綠建築居室空間為目標，彙整出關鍵性案例，而後，設定以垂直通風通道（或是與建築構造結合且具通風塔機能之垂直向空氣流動空間，例如樓梯）與其連接空間為觀察對象，利用合理的物理條件分析，由實際設計案例來獲得本研究所欲觀測之空間，如圖 3-1 所示。而垂直通風通道之設置依據以及其設計細部係參照建築技術規則建築設計施工編第四十三條（通風）與第四十四條（自 29.

(46) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 然通風設備之構造），詳後述。圖 3-1 所示紅色虛線為本研究觀測的重點，並由此進行合理的空間切割、設計元素萃取與物理條件設定，而研提本研究空間（亦即數值模擬與實驗觀測對象），如圖 3-2 所示。. 案例一（石昭永，2008）. 案例二（新日本建築家協會編，1995） Vo. Vsuc. 由實際綠建築設計案例來獲得本研究欲觀測之空間 Vinf. 案例三（BATTLE, 1999）. 案例四（新日本建築家協會編，1995）. 圖 3-1 利用合理的物理條件分析，由實際綠建築設計案例來獲得本研究欲觀測之空間 30.

(47) 第三章研究方法. n. Vo o n. A. p. q. Vsuc. r. r. s t A. u Vinf. r. A-A 剖立面. 圖 3-2 本研究之觀測空間（not to scale）. 本研究所擬定之觀測空間（亦即數值模擬與實驗觀測對象）如圖 3-2 所示。本空間型態看似 2 層樓，但卻不一定是低樓層，也可代表高樓層的某一個區域。其主要自然通風機制為風力通風併行熱浮力通風。各部位說明如下：. n：通風驅動源（1）：為通風塔（wind tower）與太陽輻射煙囪（solar chimney）（位於p之受熱面位置）之結合構造，可併收風力通風o 與熱浮力通風p的功效，產生管道內引致氣流 Vsuc 。此整合型構造成為位於自然通風流動下游處之拉力式通風驅動源，配合自然通風流動上游端之推力式通風驅動源（通風驅動源（2））即可形成一則高效能的自然通風設計。圖 3-2 所示的通風塔設計方式為國內一則具備示範性質之綠建築設計案例（石昭永，2008），其他設計方式與原理之描述請參見文獻（賴啟銘，2007），在本研究中，吾人將通風塔構造予以合理的簡化，以方便實驗與數值模擬之用。太陽輻射煙囪的一般構造方式係在建築結構外牆或是某一特別設置之通風煙囪之最外端設置可使日射穿透之透光面層（可利用透光玻璃為 31.

(48) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 之），使外牆（或通風煙囪壁）與此新設透光面層之間形成一則空氣流道，太陽光可直接照射在外牆上，使得空氣流道內的空氣因受熱產生熱浮力流動，其他設計方式、細部設計方式與原理之描述請參見文獻（賴啟銘，2007）（Lai, 2003）（Kuo and Lai, 2005）（Lai, 2006）。. o：戶外氣流 Vo 引致出口端負壓抽氣效果，使得室內空氣沿著垂直通風流道而排出戶外。室內空氣在垂直通風流道的引致力量可分為為通風塔口的風力與太陽輻射煙囪的太陽熱能，由於構造n略具等方向性，因此，在戶外氣流引致通風流動此分量上，將可不受戶外氣流方向的影響。. p：太陽輻射煙囪吸收日照熱得，使煙囪壁體附近的管內空氣受熱上升排出戶外，進而引致通風管道內的氣體流動，將室內空氣排出戶外。. q：垂直通風流道：依據「建築技術規則」建築設計施工編第四十三條（通風）規定，居室應設置能與戶外空氣直接流通之窗戶或開口，或有效之自然通風設備或機械通風設備。本研究在情境設定上，研究空間除了設置一般常見窗戶與門之外，更設計一則如圖 3-1 所示之自然通風流道，此流道除了可代表特意設計外，亦可能是與建築構造結合且具通風塔機能之垂直向空氣流動空間，例如樓梯加屋頂樓梯間之組合等，併同其連接空間來作為觀察煙流之對象。而垂直通風流道之尺寸設定乃依照該編第四十四條（自然通風設備之構造）之規定。該條文說明自然通風設備之構造應依左列規定：. 32.

(49) 第三章研究方法. 一、應具有防雨、防蟲作用之進風口，排風口及排風管道。. 二、排風管道應以不燃材料建造，管道應儘可能豎立並直通戶外。除頂部及一個排風口外，不得另設其他開口，一般居室及無窗居室之排風管有效斷面積不得小於左列公式之計算值：. AV =. Af 250 h. 其中，Av：排風管之有效斷面積，單位為平方公尺。 Af：居室之樓地板面積（該居室設有其他有效通風開口時應為該居室樓地板面積減去有效通風面積二十倍後之差），單位為平方公尺。 h：自進風口中心量至排風管頂部出口中心之高度，單位為公尺。. 三、進風口及排風口之有效面積不得小於排風管之有效斷面積。. 四、進風口之位置應設於天花板高度二分之一以下部份，並開向與空氣直流通之空間。. 五、排風口之位置應設於天花板下八十公分範圍內，並經常開放。. r：通風管道入口，可提供日常自然通風與火災時自然排煙之用，本入口設置位置與尺寸之設定乃依「建築技術規則」建築設計施工編第四十四條（自然通風設備之構造）第三至五款之規定，詳如上述。 33.

(50) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. s：日常通風模態時的室內熱浮力源. t：火災時的自然排煙熱浮力源：依照居室火災常見火勢大小，將實驗及 FDS 數值模擬用火源設定為 50kW、100kW 與 3MW。. u：外氣洩漏（infiltration） Vinf 進入室內，其量值於正壓時段（夏季處於迎風面）以及負壓時段（冬季處於尾流區）是不同的。在夏季，此外氣洩漏進入係為位於自然通風流動上游處之推力式通風驅動源，配合前述自然通風流動下游端之拉力式通風驅動源（通風驅動源（1））即可形成一則高效能的自然通風設計。. 台灣地區每年可利用自然通風的時間約達 200 日，若能妥善利用自然通風，對於建築節能與維持適當的室內空氣品質裨益良多。一般常使用開窗或開門來作為自然通風所需的開口部，在某些特別的空間特性或是戶外環境狀況下才會考慮增設特殊的自然通風管道。本研究為了簡化開口部的變化性，並清楚建立室內單一自然通風途徑，僅利用兩則戶外門（後述的 Door1 與 Door3）作為自然通風所需的開口部，並利用一則自然通風管道來加以引導通風。因此，整體通風機制依序為：上游驅動源（s（發生火災時為t）與u）、通風管道q、下游驅動源（o與p）。於日常使用上，此通風途徑設計為自然通風之用，然而，在不幸發生火災時，此通風途徑對於火災煙流的影響如何？則是本研究欲觀察的重點。. 34.

(51) 第三章研究方法. 第二節 FDS 火災模擬方法針對建築物火災的探討研析，一般研究方法不外乎建立經驗公式、全尺寸火災實驗和數值模擬分析等三大方向，三者各有長短處，但具相輔相成功能。建立經驗公式主要著眼於單一物理特性或簡化火災場景的實驗歸納，為了累積多次實驗結果進行歸納，實驗條件通常被理想化或簡易化；因此，套用經驗公式評估建築物火災特性雖然較為簡易方便，但是誤差大，尤其是呈階段性變化的火災成長與延燒，經驗公式的預測會面臨嚴苛的挑戰。全尺寸火災實驗則是建立所欲分析的全尺寸場景進行實際火場分析，實驗所需人力多、經費高、場地大，研究成果呈現真實現象，但是研究對象受到限制不易延伸應用。值得一提的是全尺寸火災實驗所建立的火場資料庫非常珍貴（花錢、費力、耗時所建立），可以用來與經驗公式、數值模擬分析所得結果相互印證比較。火災的數值模擬分析通常可以用來探討複雜的全尺寸火災，目前模擬軟體的發展相當迅速，但是受到資料庫（材料性質）與電腦計算能力的不足、以及不完整的物理或化學模式等因素的影響，分析成果仍然有相當大的進步空間。基本上，經驗公式的歸納成果有助於數值模擬模式的充實與改善，全尺寸火災實驗則可以用來比對檢視計算結果的正確性，兩者皆可提升數值模擬分析的可用性與準確度。. 過去研究團隊曾蒐集國內外文獻，彙整與建築物火災相關的經驗公式與全尺寸實驗（內政部建築研究所，2007），於此不再累述，而將重點放在數值模擬分析方面，特別是美國 NIST (National Institute of Standards and Technology)新近發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator)數值模擬軟體的分析應用（McGrattan, 2006）。 35.

(52) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 對於單一火焰而言，有相當多學者利用 FDS 進行模擬分析。（Cheung et al, 2008）利用 FDS 模擬 0.3m×0.3m 方形甲烷燃燒器，模擬結果經過 FFT (Fast Fourier Transform)計算後，FDS 模擬隨高度對燃燒器直徑比不同呈現不同的振動頻率，而實際實驗則呈現固定的頻率。研究發現在連續火焰區、間歇火焰區及浮力火羽流區的高度模擬和實驗結果相似，但是火焰中心溫度較實際實驗高出約 200℃，且碳煙濃度較實驗結果低，可能導致熱幅射損失較低，而使火焰區溫度升高。（Wen et al, 2007）利用 FDS 模擬在開放空間中一中尺度 30.5cm 甲醇圓池火焰，熱釋放率約為 24.6kW，模擬範圍包括火焰中心速度及溫度分布、空氣引入量等，模擬結果和前人所做的經驗公式及實際實驗相當吻合。. 房間內部的幾何空間及通風環境會直接影響火災成長的形式與大小，甚至影響到閃燃條件。（Chow and Zou, 2005）利用 FDS 模擬在出入口附近的空氣流率，模擬條件為在兩個相鄰的房間內，一房間側邊具有走道的環境。模擬及實驗結果顯示，實際實驗較 FDS 模擬在門口附近上層溫度低。而流出的空氣量則與通氣因子有關，FDS 結果和經驗公式及實驗結果均相當接近，流出空氣量約為 0.47WH2/3。. （Musser and McGrattan, 2002）利用 FDS 模擬四種房間內煙氣流動情況，分別為強制對流、自然對流、混合對流及置換式通風。此種問題在熱物體表面處的熱傳相當重要，而在熱表面附近的格點應設定為大於熱邊界層厚度。（Lin et al, 2006）利用 FDS 及 CFAST 模擬台灣常見的有騎樓之摩托車店，發現建築物內的熱釋放率受限於通風口大小而無法達到理論最大值，而起火點的改變也會對人員逃生有重大影響，起火點位於地下室較起火點位於騎樓處更不易逃生，可逃生時間約略差距 100 秒。 36.

(53) 第三章研究方法. （Kerber and Milke, 2007）利用 FDS 模擬研究外氣引入對於天井中煙層累積的影響，將開口型態分為對稱式、非對稱式、開口位於各樓層及開口位於角落等四種不同型態討論，風速為 0 到 2m/s，火源利用木框架模擬。模擬結果顯示對稱式有較好的排煙效果，但入口風速若達到 2m/s 以上時，則會對煙氣產生擾動現象；而若將通風口設置位於煙層高度中，則會使煙層快速擴散至較低的樓層位置。（Yi et al, 2005）則利用 FDS 及 CFAST 模擬 22.4m×12m×27m 的天井空間，探討天井空間內的強制抽風對於煙氣層的影響。研究發現使用強制抽風時，其配置必須考量區劃空間內的可燃物總量，否則會導致房間內煙氣層受到外圍空氣進入的影響，使煙氣層下降更為迅速。. 針對區劃空間而言，亦有相當多學者模擬房間火災。（Kim and Ryou, 2003 ）利用 FDS 模擬甲醇及己烷火焰滅火機制，模擬範圍為 4.0m×4.0m×2.3m 的方形房間內，利用水霧滅火。研究發現位於房間內低層的氧氣濃度在撒水後有減少的情況，是因為撒水增強了低層與高層間的混合，而在溫度方面模擬和實驗預測的相當準確，誤差約為 10℃內，但是因為缺乏火焰熄滅的模型，所以在預測火焰熄滅方面較不準確。（Zou, and Chow, 2005）使用 ISO9705 房間進行實驗並採用 FDS 模擬驗證，實驗採用汽油圓池火焰配置出不同的熱釋放率曲線，且改變通風條件來預估閃燃時間。實驗結果顯示 FDS 模擬結果不論在溫度或者熱輻射方面均和實驗結果相符合，在天花板附近的溫度和實驗只有 10%的誤差，對於閃燃時間的判斷具有幫助。. FDS 亦可用來模擬其他類型的火災，諸如倉庫或隧道等。（Hu et al, 2007）的研究使用 FDS 模擬一氧化碳在長型通道下擴散的情況，模擬分 37.

(54) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 為兩種不同熱釋放率的火源。模擬結果顯示一氧化碳濃度隨著垂直高度的增加而線性的增加，而與火源距離增加則呈指數性減少，而兩種模擬均較實驗結果略低，但仍具備相當好的預測性。. （一）FDS 的理論基礎以下將針對 FDS 的理論基礎作簡單的介紹，其中包含熱流模型、燃燒模型以及熱輻射模型等。更詳細的內容可參考 FDS 技術手冊 (McGrattan, 2006)。. (1) 熱流模型. 常見的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)求解紊流的方式有直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation, DNS)、大渦流模擬法 (Large Eddy Simulation, LES)及平均化紊流模式法(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)，而 FDS 所提供的計算方式採用前兩種方法。整體流場模型是由數個基本守恆方程式所架構，包含質量守恆、動量守恆、能量守恆以及狀態方程式。. 質量守恆方程式：. ∂ρ +∇i ρ u = 0 ， ∂t. (3-1). 動量守恆方程式：. ∂ ( ρ u) + ∇i ρ uu + ∇ρ = ρ f + ∇iτ ij ， ∂t. 38. (3-2).

(55) 第三章研究方法. 能量守恆方程式：. ∂ Dp + q′′′ − ∇iq + Φ ， ( ρ h ) + ∇ i ρ hu = ∂t Dt. (3-3). 狀態方程式：. p=. ρ RT M. (3-4). ；. 其中，ρ 為密度，u 為速度向量， f 為包含重力項等力量項，h 為熱焓，τ ij 是壓力張量， q′′′ 是化學反應中單位體積產生的熱釋放率， ∇iq 代表傳導與輻射熱通量， Φ 則為動能因為黏滯力轉換成熱能的逸散項。. (2) 燃燒模型. 在燃燒模型中主要是以無限快化學反應速率以及混合分率為基礎所建立。燃燒反應的一般通式為： vo [ O ] + vF [ F] → ∑ vP [ P ] ， P. (3-5). 其中， v 為化學當量係數，下標 O 代表氧氣，F 代表燃料，P 則代表生成物。而混合分率 Z 的定義為：. Z=. sYF − (YO − YO∞ ) ∞ O. sY + Y I F. ， s=. vO M O ， vF M F. (3-6). 39.

(56) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 其中，Y 為質量分率，M 為分子量；而混合分率也遵守質量守恆定律：. ρ. DZ = ∇i ρ D∇Z 。 Dt. (3-7). 因為假設化學反應為無窮快，所以表示燃料與氧氣在反應時的速率很快，因此燃料與氧氣無法同時存在。火焰面的位置就是發生在燃料與氧氣濃度皆為零的位置，. YO∞ Z f = Zst = ∞ 。 sYF + YO∞. (3-8). 當處理範圍較大的火焰時，這種火焰面的定義可能無法產生正確的火焰高度，和動力行為。因此定義一個有效的火燄位置 Z f,eff 以幫助程式正確地捕捉到火焰的範圍，. Z f,eff ⎛ D* ⎞ = min ⎜ 1, C ， Zf δ x ⎟⎠ ⎝. (3-9). 其中， C 為經驗常數， δ x 為隔點大小， D* 為火焰特徵長度，此處作為參考長度。當計算的解析度越高時， Z f,eff 會越接近理想值 Z f 。使用這種方法的好處是，在格點的解析上不只考慮格點的大小並且將火焰的大小也考慮進去。. 40.

(57) 第三章研究方法. 因為混合分率是無因次參數值，所以無法單獨地用來計算物種的分布，因此還需要氧氣的狀態關係式，理想的氧氣狀態關係式是以燃料與氧氣無法同時存在為基礎建立的，. Z < Z f ， YO ( Z ) = YO∞ (1 − Z / Z eff ) ，. (3-10). Z > Z f ， YO ( Z ) = 0 。. (3-11). 單位體積的熱釋放率是以 (Huggett, 1980)的氧氣消耗法關係式為基礎來建立，. q′′′ = ΔH O mO′′′ ，. (3-12). 其中， ΔH O 為單位質量的氧氣燃燒熱， mO′′′ 為氧氣質量消耗率。 mO′′′ 是以氧氣燃燒率定義，. dY ⎛ ⎞ dY − mO′′′ = ∇ ⋅ ⎜ ρ D O ∇Z ⎟ − O ∇ ⋅ ρ D∇Z dZ ⎝ ⎠ dZ. 。. (3-13). (3) 熱輻射模型. 氣體的輻射傳遞方程式(Radiative Transport Equation)為：. s ⋅ ∇I λ ( x, s ) = κ (x, λ) ⎡⎣ I b ( x ) − I λ ( x, s ) ⎤⎦ ，. (3-14). 41.

(58) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. 其中， s 為單位向量強度， ∇I λ ( x, s ) 是波長等於 λ 時的輻射強度， κ (x, λ) 代表吸收係數， I b ( x ) 則為黑體的輻射強度。而能量方程式中的輻射損失項為：. −∇ ⋅ qr ( x ) = κ (x) ⋅ ⎡⎣U ( x ) − 4π I b ( x ) ⎤⎦ , U ( x ) = ∫ I ( x, s ) d Ω 。 4π. (3-15). 格點所獲得的輻射能量是發射量與吸收量的差值。源項的定義為：. ⎧⎪ κσ T 4 / π ，於火焰面外 κ Ib = ⎨ 4 ⎪⎩ max ( X r q′′′ / 4π , κσ T / π )，於火焰面內. ，. (3-16). 其中， q′′′ 代表單位體積的熱釋放率， X r 代表熱輻射所佔能量的比例。而輻射熱通量 qr 為：. qr (x) = ∫ sI ( x, s ) d Ω 。 4π. (3-17). (4) 熱邊界條件. 固體表面熱損失考慮對流及輻射兩種模式，而計算對流熱傳模式則根據紊流模式不同而有所改變。在 DNS 模擬中，對流熱傳模式是藉由邊界附近的氣體溫度梯度來達成，. qc′′ = − k 42. ∂T ∂n. ，. (3-18).

(59) 第三章研究方法. 其中， qc′′ 為對流的熱傳量， k 為氣體熱傳導係數。在 LES 模擬中，經由對流傳遞至固體表面則同時考慮自然對流及強制對流兩種模式，. ⎡ qc′′ = hΔT ； h = max ⎢C ΔT ⎣. 1 3. 4 1 ⎤ k 3 , 0.037 Re Pr 3 ⎥ ， L ⎦. (3-19). 其中， ΔT 為固體與氣體的溫度差， C 為自然對流係數， L 為固體的特徵長度。. 若固體邊界材料為燃料，FDS 將燃料分為三大類，分別為熱塑性燃料、液體燃料與碳化燃料。本實驗採用木頭作為裝潢材料，故僅考慮碳化燃料部份。(Atreya, 1983)及(Ritchie, 1997)已經將碳化材料的熱傳及熱裂解現象有詳細的研究。FDS 將碳化材料模型分成材料內部熱傳遞、水分蒸發及材料本身氣化為氣體燃料與碳化現象等部份分析，其能量統御方程式可表示為：. ___. ρc. ∂Ts ∂ ∂Ts ∂ρ s ⎡ ΔH pyr − C (T − T0 ) ⎤⎦ = ks + ∂t ∂x ∂t ∂t ⎣. ∂ρ + m ⎡⎣ ΔH ev − D (T − T0 ) ⎤⎦ ∂t. ，(3-20). 其中， ρ s 為平均固體密度， ρ m 為水分密度， ΔH pyr 及 ΔH ev 為材料裂解熱與水的蒸發熱。而其材料熱裂解與反應速率則以 Arrhenius 化學反應做為模型：. 43.

(60) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. m′′ = A ( ρ s 0 − ρchar ) e− EA / RT. ，. (3-21). 其中， ρ s 0 為原材料密度，而 ρ char 則代表碳化物的密度，EA 為活化能。. 44.

(61) 第三章研究方法. 第三節 CFD 流場模擬方法在國科會研究「住宅室內通風效率實測評估法研究」 (NSC. 88-2211-E-006-047)中，研究團隊曾經利用計算流體力學（ CFD, Computational. Fluid Dynamics）之數值模擬，探討不同高氣窗位置，對台灣地區典型廚房空間自然通風之影響。根據所研究之四種高. 0.43. Min: 5.62E-03. Max: 5.75E-01. 圖 3-4 高氣窗位置之流場結構. 氣窗開窗模式，開口的位置越接近濃度高的區域，其效果就越顯著，也就是它可以在單位時間內排除較多量的污染物，來達到通風換氣效果。因此依照其數值結果可歸納出最佳高氣窗設置位置，文中建議未來可應用此種高氣窗模. 圖 3-5 雙層屋頂單元溫度細部. 式，作為成經濟、簡便又有效廚房開口方式，達到良好通風換氣之目的。而在「內含 RBS 之雙層斜屋頂構造熱流模式之解析」(NSC 95-2221-E-426-014) 中，曾經分析雙層斜屋頂構造的校園建築，其雙層構造內的空間流場結構與溫度場分佈，以及設計為雙層斜屋頂構造後對於教室空間之熱環境影響。由於在自然通風狀態時，FDS 對於居室火場煙流模擬有其限制，因此，本研究額外利用其他. CFD 軟體（Phoenics, ）予以輔助觀測細部熱流狀況，以利現象解釋與發展推估。. 45.

(62) 綠建築自然通風設計對火災延燒與排煙之影響性研究. （一）基本假設. 計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）應用於解析建築室內空間流場、溫度場與污染物濃度場時，主要的數值方法即解析. Navior-Stokes 方程組的質量守恆（ mass balance ）、動量守恆（ moment balance）與能量守恆（energy balance）方程式。在此之前，本研究必須進行表 3-1 基本假設，以簡化問題。. 表 3-1 CFD 數值解析之基本假設變數. 基本假設. 1.三維直角座標流場 2.紊流流場（Turbulent flow） 3.流場流體性質（property）除密度外其餘保持不變流場. 4.流體之密度符合布氏（Boussinesq）假設 5.室內外垂直牆壁面假定為絕熱邊界（Adiabatic） 6.靠近牆邊界之流場以「泛用牆函數（generalized wall function）」處理 7.忽略牆表面粗糙度 1.室內外垂直牆壁面假定為絕熱邊界（Adiabatic）. 溫度場. 2.忽略室內物體間熱傳現象 3.機具發熱屬於等熱通量（constant heat flux） 4.熱浮力採用 Boussinesq approximation. 46.