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中 華 大 學

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中 華 大 學

碩 士 論 文

大型挑空中庭建築物避難模擬評估之研究

A Study of Large Atrium Buildings on Evacuation Simulation

系 所 別:建築與都市計畫學系 學號姓名:M09805003 簡志良

指導教授:江 崇 誠 副教授

中華民國 102 年 9 月

(2)

i

摘要

近年來,隨著特殊及複合式建築物的興起,大型挑空空間無論是旅館、百貨 商場抑或辦公大樓的設計上常被採用;當然,尤其挑空中庭建築物因為空間型態 特殊,其建築物之走廊(避難安全區劃空間)採用環繞挑空中庭的配置最為常見,

因此,在法規上必須依挑空樓地板面積與挑空樓層數部分要求獨立區劃,故於區 劃上一般以防火鐵捲門(與煙偵測連動)之設置為手段,防止火災延燒,更能有 效阻擋煙流擴散。

國內對大型挑空中庭建築物以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算評 估中,因中庭挑空緣故無法以一般居室計算條件進行煙層下降時間計算,因此必 須仰賴火災煙控模擬軟體或避難軟體作為輔助評估,而 2010 年 5 月 NIST 發表 FDS 附屬避難軟體 Fire Dynamics Simulator+Evacuation (FDS+Evac),目前國內對 於該避難軟體研究不多,其指令操作與限制僅能參考 FDS+Evac 操作手冊,但其 有關避難影響指令因子有其必要逐一探討,並探討有無其他限制。

本研究首先以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中「避難行動之假設條 件」為情境模擬基礎,探討 FDS+Evac 影響避難之指令細項中所有避難影響因子,

並提出指令操作與限制條件,其中避難網格與避難出口寬度關係以及增設障礙物 傢俱對避難上有一定影響。最後將指令限制條件運用在實際大型挑空中庭建築物 平面上進行 FDS+Evac 模擬操作,並與國內評估上常見之建築物防火避難安全性 能驗證技術手冊進行比較分析其差異係數,其中與技術手冊相同參數條件增設避 難障礙物情境之差異係數較為接近技術手冊計算值,希望本研究所探討指令操作 限制與差異係數,能作為往後該避難軟體運用實際建築物避難評估上之參考依據。

關鍵字:大空間煙控、FDS+Evac、防火避難、挑空中庭建築物

(3)

ii

Abstract

With exceptional and composite buildings rise in recent years. Hotels and department stores or commercial buildings are often used in large atrium building design. Because atrium building a special type of space. Using surround the most common configuration of the atrium space in the corridor (evacuation safety zoning space). So atrium building must be in accordance pick an empty floors area and number of floors for independent zoning regulations. Commonly used fireproof rolling door (with smoke detection linked) in divisions designed to prevent the spread of fire, effectively blocking plume dispersion.

Large atrium building using evacuation verification calculation in Taiwan. Because it does not use common evacuation verification calculation for smoke layer fall time, so it must rely on the Computer evacuation simulation smoke control or Computer evacuation simulation as a secondary assessment. Since May 2010 NIST published FDS subsidiary of Computer evacuation simulation, Fire Dynamics Simulator + Evacuation (FDS+Evac).

Computer evacuation simulation of paper in Taiwan now rarely. Instruction and restrictions only refer to the operation manual of FDS+Evac, so it is must investigate effects on asylum directives factor.

The research firstly the use of fire evacuation verification calculation of "evacuation of assumptions" as the basis of simulated conditions. Institute of influential factors itemized evacuation instructions in FDS+Evac, proposed operation and limitations. Of which evacuation grid meshs and evacuation exit door width of the relationship between, and increasing obstacles have a certain influence on the evacuation. Finally the use of actual large atrium building on the FDS+Evac, and evacuation verification calculation for comparative analysis and coefficient of variation. Among evacuation verification calculation set to the same conditions and increasing obstructions simulated difference coefficient values close to evacuation verification calculation. Hope that results of this

(4)

iii

study can be used as future use in Computer evacuation simulation evaluation on the actual building of reference.

Keywords:large space smoke control, FDS+Evac, fire prevention and evacuation, atrium

building

(5)

iv

謝 誌

伴隨著師長與親友的期許,本論文順利通過碩士論文口試並付梓,願將這份 喜悅呈獻恩師江教副授崇誠,並致上最高的謝意。承蒙 恩師一貫治學嚴謹、悉 心指導之下,在漫漫研究路程上一路探索未敢稍加懈怠。恩師的諄諄教誨與鉅細 靡遺的帶領之下,開啟了浩瀚學海的大門,強調學理與實務並重之觀點,遂有此 論文研究主題之產生。碩士學位僅為階段性之歷程,未來仍將秉持嚴謹態度,在 學術、專業與社會服務上持續努力。

感謝 碩士論文之完成,承蒙紀教授人豪、林教授文欽及恩師共同組成的論文口 試試委員會,使本研究學理與實務更臻堅實與完備。

感謝 系上系主任閻教授克勤、陳教授榮村、陳教授天佑、解教授鴻年、胡教授 太山、謝教授偉勳、王老師維民、蔡老師宜穎、陳老師琪美等諸位先生的 悉心傳授與學理養成。

感謝 AUDPPL研究室學長曾聖、欣弘、際翔、宥銓、思漢、智凱、學姊雅棻等 在專業及技術上的支援,同窗戰友治學、學弟豈民等在庶務上及精神上的 支援,一併致謝。

感謝 博士班清雄老師、徐大哥偉陵的鼓勵,同窗紹宇、凱婷、佩蓉、姵妏、仁 宏、燿光、鑫培、楚翹、琳秋、于震、佳蓓、聖辰等同學,與學弟妹智凱、

旻湄、采玲等在求學中的相互激勵。

感謝 爺爺、奶奶、爸、媽、妹妹等至親,在過程中的照顧與支持。

謹以碩士論文獻給含辛茹苦的父母雙親,感謝家人全力的關懷與支持,激勵 與安慰。最後,再次銘謝於修業其間所有曾惠賜協助的師長、前輩、至親及益友,

願與各位共享榮譽與喜悅。

志良

謹誌於 新竹、香山、中華大學建築及都市計畫研究所

2013.09

(6)

v

目錄

摘要

………...v

Abstract

………...vi

謝誌

………... vv

目錄

………... v

表目錄

………...vx

圖目錄

………...xv

第一章 緒論

1-1 研究動機背景………...1

1-2 研究目的………...2

1-3 研究範圍與對象………...2

1-4 研究方法………...3

1-5 研究流程………...4

第二章 挑空中庭建築特性與煙控設計之探討

2-1 挑空中庭特性探討………...5

2-1-1 挑空中庭建築物定義………...5

2-1-2 挑空中庭建築防災特性………...6

2-1-3 建築物火災類型與成長過程………...8

2-1-4 挑空中庭煙控設計基準……….12

2-2 FDS 火災模擬軟體分析與相關研究之探討……….22

2-2-1 FDS 火災模組介紹……….22

2-2-2 FDS 基礎理論公式……….22

2-2-3 格點參數設定……….26

(7)

vi

2-2-4 FDS 架構與特性……….26

2-2-5 FDS 操作流程……….27

2-2-6 FDS 相關研究整理……….28

2-3 FDS+Evac 避難模擬軟體分析與相關研究之探討………...32

2-3-1 FDS+Evac 避難模組介紹………...32

2-3-2 人員移動模型理論公式……….32

2-3-3 身體特徵模型……….37

2-3-4 煙氣毒害判斷死亡……….39

2-3-5 緊急出口選擇……….40

2-3-6 群組……….41

2-3-7 FDS+Evac 相關研究整理………...42

2-4 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之探討……….44

2-4-1 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊介紹………...44

2-4-2 避難安全性能定義……….44

2-4-3 避難安全性能驗證技術手冊相關規定………...45

第三章 FDS+Evac 軟體操作與限制之探討

3-1 FDS+Evac 操作畫面步驟之設定………...53

3-2 FDS+Evac 避難影響因子之探討………...55

3-3 PERS 人員設定………...57

3-3-1 避難開始時間之影響……….57

3-3-2 步行時間之影響……….62

3-4 EVAC 疏散網格配置與設定………..71

3-4-1 避難出口位置對人員避難選擇上之影響……….71

3-4-2 人員初始分布位置之影響……….73

3-5 MESH 避難網格……….76

(8)

vii

3-5-1 火災網格與避難網格之影響……….76

3-5-2 避難網格與人員避難移動關係之探討……….78

3-5-3 避難網格大小與避難出口寬度之影響……….79

3-6 避難行動假設條件與模擬結果之探討……….92

第四章 避難模擬結果與計算結果之比較分析

4-1 基地空間介紹……….94

4-2 FDS+Evac 模擬結果之比較………...95

4-2-1 FDS+Evac 指令操作與限制運用實際建築平面之假設條件設定…...95

4-2-2 FDS+Evac 與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊相同影響因子之探 討………97

4-2-3 大型挑空中庭建築物模擬情境設定……….98

4-2-4 大型挑空中庭建築物模擬結果………...101

4-3 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算結果之分析………...113

4-3-1 居室避難完成時間之計算結果………...113

4-3-2 樓層避難完成時間之計算結果………...113

4-4 FDS+Evac 避難模擬結果與避難完成時間之計算結果比較分析……….114

4-4-1 居室避難完成時間之比較………...114

4-4-2 樓層避難完成時間之比較………...115

第五章 結論與建議

5-1 結論………...119

5-2 建議………...120

參考文獻………121

附件一 FDS+Evac 內設值指令撰寫………126

附件二 A 居室居室計算………...131

附件三 A 居室樓層計算………...133

(9)

viii

附件四 I 居室樓層計算………134

(10)

ix

表目錄

表 2-1 火災類型分類表………..8

表 2-2 中庭穩態火源判斷火源設計方法………10

表 2-3 煙層介面指標表………16

表 2-4 大型空間或挑空中庭建築物相關研究整理………19

表 2-5 層化現象相關研究整理表………20

表 2-6 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS 相關研究整理表………28

表 2-7 FDS+Evac 內設身體類型尺寸與其移動速度表………39

表 2-8 FDS+Evac 內出口選擇的優先順序表………41

表 2-9 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS+Evac 相關研究整理表………..42

表 2-10 避難安全性能驗證技術手冊之建築物適用範圍表………..45

表 2-11 居室避難安全驗證法-居室避難性能驗證公式表………..47

表 2-12 居室避難安全驗證法-樓層避難性能驗證公式表………..50

表 3-1 避難行動假設條件分析表………55

表 3-2 FDS+Evac 避難影響因子分析表………56

表 3-3 避難開始時間模擬情境設定表………57

表 3-4 步行時間模擬情境設定表………63

表 3-5 避難出口模擬情境設定表………71

表 3-6 人員初始分布位置模擬情境設定表………73

表 3-7 火災網格與避難網格操作比較表(單避難平面)……….76

表 3-8 火災網格與避難網格操作比較表(設置 FED)……….77

表 3-9 火災網格與避難網格不同公倍數網格模擬結果表………78

表 3-10 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表(避難出口寬 度 0.9m) ………..86 表 3-11 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表(避難出口寬

(11)

x

度 1.2m) ………...88

表 3-12 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表(避難出口寬 度 1.5m) ………...89

表 3-13 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表(避難出口寬 度 1.8m) ………...90

表 3-14 FDS+Evac 指令操作與限制結果表………..92

表 4-1 大型挑空中庭建築物資料表………94

表 4-2 各居室淨面積與最長步行距離數據表………96

表 4-3 避難相關參數表………97

表 4-4 大型挑空中庭建築物居室模擬情境設定表………98

表 4-5 大型挑空中庭建築物樓層模擬情境設定表………99

表 4-6 居室避難安全性能驗證之計算結果表………..113

表 4-7 樓層避難安全性能驗證之計算結果表………..113

表 4-8 居室避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表………..114

表 4-9 樓層避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表(A 居室)………115

表 4-10 樓層避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表(I 居室)………116

(12)

xi

圖目錄

圖 1-1 研究流程圖………..4

圖 2-1 燃料支配型火災示意圖………..9

圖 2-2 換氣支配型火災示意圖………..9

圖 2-3 火災成長歷程示意圖………..9

圖 2-4 穩態火源示意圖………10

圖 2-5 非穩態火源示意圖………11

圖 2-6 火災成長模式圖………11

圖 2-7 挑空中庭及大空間蓄煙設計理念………13

圖 2-8 挑高中庭及大空間自然排煙設計示意圖………14

圖 2-9 挑高中庭及大空間機械排煙設計示意圖………14

圖 2-10 避難與危險波及時間關係示意圖………..18

圖 2-11 氣體混和分率圖………..24

圖 2-12 工作架構圖………..27

圖 2-13 社會力(social force)概念圖……….33

圖 2-14 居室出口所形成的人流流量圖………..33

圖 2-15

R

ic

R

isoc半徑向量的定義示意圖………...36

圖 2-16 三個圓錐體所組成的智能體身體模型圖………..38

圖 2-17 Smokeview 呈現的智能體身體模型圖……….38

圖 2-18 樓層避難安全驗證法-居室避難安全驗證程序圖………47

圖 2-19 樓層避難安全驗證法-樓層避難安全驗證程序圖………50

圖 3-1 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟一………53

圖 3-2 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟二………54

圖 3-3 FDS+Evac 之 FED 煙霧毒性指數圖………...54

圖 3-4 情境一避難開始時間模擬過程圖………58

(13)

xii

圖 3-5 情境二避難開始時間模擬過程圖………59

圖 3-6 情境三避難開始時間模擬過程圖………60

圖 3-7 情境四避難開始時間模擬過程圖………61

圖 3-8 人員密度情境一步行時間模擬過程圖………63

圖 3-9 人員密度情境二步行時間模擬過程圖………64

圖 3-10 人員密度情境三步行時間模擬過程圖………..65

圖 3-11 障礙物情境一步行時間模擬過程圖………..66

圖 3-12 障礙物情境二步行時間模擬過程圖………..66

圖 3-13 障礙物情境三步行時間模擬過程圖………..67

圖 3-14 障礙物情境四步行時間模擬過程圖………..68

圖 3-15 避難出口位置對人員避難選擇模擬過程圖………..72

圖 3-16 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口時間圖(單人) ……….74

圖 3-17 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口時間圖(多人) ……….75

圖 3-18 人員移動於網格點線示意圖………..78

圖 3-19 人員避難移動與網格關係模擬過程圖………..79

圖 3-20 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 0.5m………80

圖 3-21 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 0.9m………81

圖 3-22 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 1m………...82

圖 3-23 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 1.2m………83

圖 3-24 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 1.5m………84

圖 3-25 避難出口寬度與避難網格比較圖:避難出口寬度 1.8m………85

圖 4-1 情境一 FDS+Evac 內設條件居室模擬過程圖………102

圖 4-2 情境二 FDS+Evac 內設條件加入影響避難路徑障礙物居室模擬過程圖……103

圖 4-3 情境三技術手冊相同避難因子參數條件模擬過程圖………..105 圖 4-4 情境四技術手冊相同避難因子參數條件加入影響避難路徑障礙物模擬過程

(14)

xiii

圖………..106 圖 4-5 情境一 FDS+Evac 內設條件樓層模擬過程圖………108 圖 4-6 情境二 FDS+Evac 內設條件加入影響避難路徑障礙物樓層模擬過程圖……109 圖 4-7 情境三技術手冊相同避難因子參數條件樓層模擬過程圖………..110 圖 4-8 情境四技術手冊相同避難因子參數條件加入影響避難路徑障礙物樓層模擬過

程圖………..112

(15)

1

第一章 緒論

1-1 研究背景與動機

因整體社會環境的變遷,都市不斷的擴張,在有限的土地資源下,為能收容更多 人口,建築物逐漸朝向大規模化、高層化【1】及用途複雜化的趨勢,其中以「大型空 間」或「挑空中庭建築」的空間設計較為特殊,因為其廣闊的活動範圍與視覺感受,

以及橫跨樓層間的視覺美感,主要應用於飯店旅館、百貨商場或辦公大樓。

該類型建築物發生火災時,濃煙容易從挑空區域蔓延至高樓層導致避難上較低樓 層的危險,內部收容人員利用該設施,而不受到煙害並能夠避難安全與否,與建築物 內部各空間要素的配置、動線的安排、此用型態及內部收容人員特性與避難逃生的困 難度具有密切的關係【2】,因此煙與避難上影響極為重要。

目前國內在防火避難審查機制規範上,分為規格式以及性能式兩種方法。規格式 指法條上的規範,依條列式法條規定進行逐一檢討,;性能式:指突破法條上限制,

滿足法規上無法解決的規範,目前國內在性能評估手段,常用以內政部建築研究所出 版之「建築物防火避難安全性能驗證技術手冊」為大宗,而在火災煙控軟體評估常以 火災煙控模擬軟體FDS,避難軟體則以Building EXODUS及SIMULEX,作為防火避難 評估主流。

而2010年5月NIST發表FDS附屬避難軟體FDS+Evac,目前國內對於該避難軟體研 究不多,因此本研究以FDS+Evac進行避難模擬探討,並逐一探討相關避難影響因子 之指令操作與限制,作為日後FDS+Evac進行避難模擬時之參考依據。

(16)

2

1-2 研究目的

故本研究目的如下:

1. 透過國內外相關參考文獻,包含挑空中庭建築物相關文獻,FDS火災煙控模擬軟 體運用在挑空中庭建築物案例,以及FDS+Evac新避難軟體相關文獻等探討,作為 本研究大型挑空中庭建築物模擬設定上之參考。

2. 以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中「避難行動之假設條件」為基礎,利 用虛擬小空間進行模擬分析各指令細項中相關避難影響因子,探討其FDS+Evac 避難行動模式與相關研究限制,以作為後續進行實際案例操作之參考依據。

3. 依據前述FDS+Evac避難影響因子之操作與限制條件,本研究實際運用在大型挑空 中庭建築物平面上,並與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊設定相同參數與 設置避難障礙物模式下,比較其居室與樓層避難完成時間並進行分析,探討其時 間差異,以期提出FDS+Evac運用實際建築物避難評估上之參考依據。

1-3 研究範圍與對象

由於挑空中庭建築物服務核配置常見為分散在建築物四處,人員避難時必須環繞 挑空中庭走廊進行避難,此類型建築物與一般建築物在配置服務核明顯不同。因此,

本研究嘗試利用這樣的配置關係,探討模擬與技術手冊結果是否有較凸顯之差異性,

故本研究選定某複合式商業大樓作為研究對象。

(17)

3

1-4 研究方法

本研究方法以文獻回顧、數值計算法及電腦數值模擬等方法,茲分述如下:

一、文獻回顧法

藉由國內外大空間及挑空中庭煙控設計與避難模擬相關研究資料之蒐集,以了解 挑空中庭之空間特性,煙控設計與避難特性,作為本研究後續參考依據。

二、數值計算法

本研究以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算其結果,再與 FDS+Evac 避 難模擬軟體進行比較分析。

三、電腦數值模擬

本研究以FDS+Evac避難模擬軟體為主,先嘗試探討此軟體操作上限制,再與建 築物防火避難安全性能驗證技術手冊相同參數設定值,並在相同參數下進行模擬分 析,所得其結果與手冊計算結果進行差異性比較分析。

(18)

4

1-5 研究流程

圖 1-1 研究流程圖

大型挑空中庭建築物避難模擬評估之研究

研究方法設定

相關文獻蒐集與探討

挑空中庭建築物特性

FDS 火災煙控模擬

FDS+Evac 避難模擬

FDS+Evac 軟體操作與限制之探討

避難開 始時間

步行 速度

模擬結果與建築物防火避難安全性能驗 證技術手冊計算結果之比較分析

結論與建議 人員

密度

研究動機與目的

FDS+Evac 與性能驗證相同參數設定

建築物防火避難安全性 能驗證手冊之計算結果 分析

建築物防火避難安全性 能驗證手冊

避難障 礙物

1.反應、察覺時間 2.煙密度

3.人員屬性 4.人員密度

5.火源位置、熱輻射危 害與障礙物

6.FED 煙霧毒性指數

7.避難出口位置

8.人員初始分布位置

9.火災網格與避難網格

10.人員避難移動

11.避難出口寬度

(19)

5

第二章 挑空中庭建築特性分析與煙控設計

2-1 挑空中庭建築特性分析

「挑空中庭建築物」,是指建築物內部具有大規模的挑空空間型態之建築物而 言,為近年來常出現之建築空間型。目前我國建築相關法規中,並無對此類建築物作 出明確的定義,因此為釐清並確立本研究的主題,以下就挑空中庭建築物列出其定義 及特性【3】

2-1-1挑空中庭建築物定義

【4】【5】

吳啟哲(1992)提出在歐美法規規範之一NFPA生命保障法規(Lift safety code)中明 定挑空中庭條件為,水平距離大於20英呎(約6M),且面積在1000平方英呎(約93㎡)以 上者;而在東京消防廳對於中庭相關消防對策研究報告中,對中庭定義為,乃挑空達 兩層樓以上,周圍多配置居室、走廊等生活空間,藉充分的高度及面積,而具有鄰接 外部空間之環境者,稱為「挑空中庭建築物」。

林慶元、林裕昌(1995)彙整出美國與日本對於「挑空中庭建築物」定義中,提出

「挑空中庭建築物」定義為,建築物內部,存有跨越兩個樓層以上之挑空空間,此挑 空空間四周,除了面對居室、走廊、樓梯等與人們關係的生活環境以外,具有相當的 高度與面積,並且與戶外空間有相近的環境性質。因此,本研究所稱之「挑空中庭建 築物」,是指被包含於建築物內的封閉空間。具有的面積與高度,且在火災發生時,

中庭具有相當的蓄煙空間。

經由上述分析界定,故在本研究所指的「挑空中庭建築物」定義如下:

針對具有頂蓋之挑空中庭建築物,其建築物內封閉空間外,中庭空間具有相當面 積與高度,且在火災發生時,中庭具有相當的蓄煙空間。

(20)

6

2-1-2 挑空中庭建築防災特性

【6】

挑空中庭建築物其挑空空間貫穿每層樓的水平區劃,發生火災時,因特殊空間緣 故,無法控制火與煙氣的流動方向,導致火與煙氣容易延燒或擴散到其他樓層或整個 樓層,造成此類型建築物危害程度比一般建築物來的高,因此在煙控設計及防火區劃 方面必須比其他建築物還要嚴謹。

以下就挑空中庭建築物的防災特性,作詳細說明:

一、挑高中庭建築物火災危險特徵 1. 煙急速擴散的危險

當建築物室內空氣溫度高於室外時,由於室內外空氣密度的不同而產生浮力。建 築物內上部的壓力大於室外壓力,下部的壓力小於室外壓力。當外牆上有開口時,通 過建築物上部的開口,室內空氣沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井流動而流向室外;

通過下部的開口,室外空氣進入豎井流動而流向室內,形成所謂的煙囪效應。而煙囪 效應分為正煙囪效應與逆煙囪效應兩種現象,正煙囪效應,指由高層建築物內外空氣 的密度差造成的,高層建築物的外部溫度低於內部溫度而形成的壓力差將空氣從低氣 壓入,穿過建築物向上流動,然後從高處流出建築物;反之,逆煙囪效應,指若建築 物外部溫度高於內部溫度時,所形成的壓力差將空氣從高處壓入,則建築物豎井空間 則有向下的氣流產生。火災時,由於燃燒放出大量熱量,室內溫度快速升高,建築物 的煙囪效應更加明顯,使火災的蔓延更加迅速。一般火災煙氣在垂直方向方向的擴散 流動速度較大,通常為 1~5 m/s。在樓梯間或管道井中,由於煙囪效應產生的拉力,

煙氣流動可達 6~8 m/s。

2. 避難安全之危險

挑空中庭發生火災時,因為火與煙氣會迅速蔓延於整棟建築物中,使得整棟建築 物的人們,會在同一時間內採取避難措施,而因避難人數眾多的緣故,會產生推擠現 象,使避難之速度緩慢造成危險。

(21)

7

3. 火災燃燒型態改變之危險

由於挑空中庭空間規模具有相當面積,火災發生時,因空氣量充足緣故,其燃燒 型態會由「燃料支配型」燃燒轉變為「換氣支配型」燃燒,導致火災燃燒區域急速擴 大,容易造成火煙急速蔓延到整棟建築物。

4. 火災早期感知與滅火困難

由於挑空中庭具有相當高的高度,若在天花板裝設感知器或自動灑水設備,可能 因高度過高以致偵測煙霧速度過慢,導致滅火效果大減。

二、避難與消防特徵

1. 在數個樓層中有同時採取消防活動

由於挑空中庭之特殊空間型態,當火災發生時,火與煙氣可能急速蔓延擴大於整 棟建築物中。因此在滅火行動、人員救助行動、避難誘導方面,也必須在數個樓層內 同時進行。在這樣的情況下消防隊員所需範圍將變很廣,更需要更多人力。

2. 避難者之避難路徑與消防人員之路徑重疊

由於挑空中庭建築之火災特性緣故,所產生濃煙會急速蔓延至整棟建築物,同時 避難人員採取避難動行動至安全梯與通道上向外逃生,而與消防人員向內進行救助行 動形成困難。

三、挑空中庭建築在火災發生時較一般建築有利之因素

1. 因挑空中庭建築內部的緣故,使在整棟建築物內之避難人員可藉由挑空中庭之空 間,清楚了解本身在建築物內部位置。

2. 火災發生時,可清楚了解火災發生點位置與濃煙擴散之範圍,進而選擇較安全的 避難路線。

(22)

8

2-1-3 建築物火災類型與成長過程

一、建築物火災類型與型態【7】【8】

建築物火在的預測需要藉由火災類型的不同進行火源的設定。當火災發生於區劃 空間時,會受到可燃物配置以及開口供氣等因素的影響,使得火災危害的程度與方式 皆有所不同,根據文獻針對空間特性與可燃物數量的多寡,將火災的類型予以分類,

如表 2-1-1 所示。

表 2-1 火災類型分類表

特性 可燃物 燃燒型態 代表性場所

全面火災

時間長而 發熱速度 慢

區劃內可燃物 分佈均勻。

供氣支配型 火災

賣場專櫃、展示 品集中的店舖空 間

局部火災

時間短而 發熱速度 快

可燃物稀少,

空間大且分佈 獨立。

燃料支配型 火災

捷運車站、體育 館、大型挑高空 間等

當一個區劃空間大而可燃物配置分散且稀少時,在發生火災時由於供氣充足的關 係,可燃物火勢會在某的區域突然增大,但是也因為可燃物配置較為分散的關係,所 以不易造成引燃及延燒,只會在區劃內的局部產生火災,而區劃內的溫度也因此不一 致;或是可燃物的體積與空間體積相對較小者,就算區劃內發生火災,也僅於局部發 生,如圖 2-1 所示,此類火災稱之為局部火災。

相反的,當可燃物的分佈密集且數量多時,各個可燃物間引燃較為容易,火災是 會造成全面性的燃燒於整個區劃空間。由於可燃物的體積相對於空間體積較大,造成 火災發生時,建築物的構造限制了釋熱的火焰,使區劃空間內溫度較為一致,此時的 火災受到開口部供氣量的影響,這類型的火災火場內的溫度差異不大,如圖 2-2 所示,

稱之為全面火災。

(23)

9

圖 2-1 燃料支配型火災示意圖 圖 2-2 換氣支配型火災示意圖 二、火災成長階段【9】【10】

圖 2-3 火災成長歷程示意圖【9】

火災就整個發展過程分別為起火期、成長期、全盛期和衰退期然後到最終熄滅,

等四個時期,如圖 2-3 所示。由於因為燃料特性的關係,所以每個起火期的時間各有 不同,如液體和氣體火災甚至沒有起火期;在火災的成長期,會隨著持續燃燒時間的 延長,如無外界條件干涉,則會有越來越多的可燃物參與燃燒,火災的溫度、熱釋放 率也相應不斷增大,當火災發展到一定程度,因為可燃物數量以及種類的不同,還可 能出現閃燃現象,火災開始進入全盛期,隨後一段時間內的火災熱釋放率則保持穩

全面性燃燒

(閃燃)

成長期

起火期 全盛期 衰退期

局部燃燒

燃燒面積擴大

嚴重燃燒

(24)

10

定,其最大熱釋放率主要取決於燃料的數量與性質、著火空間的通風條件等,火災經 過一段時間的持續發展後,隨著燃料數量的減少,火災最終進入衰退期,當燃料全部 耗盡後火災隨之熄滅。

火源的設計對於評估建築物火災有極大影響,熱釋放率影響著火源的大小,而熱 釋放率亦會影響火源的成長速率,而火源設計之基礎分別以穩態火源(Steady fire)與非 穩態火源(Unsteady fire)兩種火源條件,以下就兩種不同火源條件作基本之說明。本研 究為了嚴謹起見以穩態火源作為模擬火源設定條件。

1. 穩態火源

在自然狀態下火源為非穩態火源,但如果將其理想化成穩態的火源比較容易描述 與研究,對於評估模擬結果也較為嚴謹,如圖 2-4 所示。一個穩態的火源在熱釋放率 的定義上是為一定值,在應用上,通常採用穩態火源作為明確且保守的設計。此外,

Heating (1999)依據 NFPA 92B 提出中庭穩態火源以可燃物載量判斷火源設計的方 法,如表 2-2 所示。

圖 2-4 穩態火源示意圖【11】

表 2-2 中庭穩態火源判斷火源設計方法【12】

可燃物載量 火源設計(MW)

低((燃料限制中庭的最低標準的火源) 2 典型(中庭可燃物的最低標準的火源) 5

高(大規模火災) 25

(25)

11

2. 非穩態火源

火源之設計需考慮隨時間變化的熱釋放率,在火災初期階段,火源可以充分使氣 體流動,此時其熱釋放率由燃燒體之型式數量及外型輪廓來決定,通常火源成長初期 燃燒的熱釋放率並不高,但隨著時間的增加,熱釋放率值不斷增大,熱釋放率隨著曲 線而上升,此階段稱為火災成長期,如圖 2-5 所示。

一般來說,物質的火災成長過程,其熱釋放率會與時間的平方成正比,可將此狀 況表示成為理想化拋物線方程式 T-squared fire,而依據不同使用分區而訂定不同的成 長係數,其燃燒曲線又分為 Ultra Fast、Fast、Medium、Slow,如圖 2-6 所示。

圖 2-5 非穩態火源示意圖【11】

圖 2-6 火源成長模式圖【13】

(26)

12

2-1-4 挑空中庭煙控設計基準

近年來,建築科技及建築材料的進步,同時建築物的種類日新月異,漸漸地發現 此類新式建築如採條列式法規的設計常會面臨到設計者因侷限於法規規範而無法發 揮此類型建築空間優勢等問題,因而強迫建築物修改其原有設計,而喪失原有建築物 所能提供的功能,目前國外先進國家(美、日、英、澳、紐)皆針對大空間煙控系統設 計研究,而美國的 NFPA 92B 及英國的 BRE 之研究為最為完整。

一、煙控技術規範重點【14】

挑空中庭及大空間建築物煙控設計,主要分為兩個目的,第一部分解決挑空中庭 部分及大空間建築物內部空間之濃煙;第二部份防止濃煙蔓延至其他連接空間,故挑 空中庭及大空間建築物煙控設計其主要目的為:

1.保持煙層底部於預先決定之高度。

2.提供充分之時間,讓避難人員在無煙的空間及避難通道進行避難動作,到達出口或 避難區域。

3.限制火場的煙無法進入避難通道、避難區或與挑空中庭等大空間連接空間等。

4.提供合適之能見度,使消防人員可接近火場、到達火場、進而滅火。

5.能夠排除蓄積於其內的濃煙。

6.限制煙層溫度。

二、煙控設計分析【14】【15】【16】【17】

挑空中庭及大空間建築物內部煙控設計,可分為自然式煙控及強制性煙控兩種,

自然式煙控主要針對蓄煙及自然排煙為設計目的,而強制性煙控則針對機械排煙為設 計目地,以下就蓄煙、自然排煙及機械排煙三種常見於挑空中庭及大空間建築物的煙 控設計加以分析。

(27)

13

1. 蓄煙煙控設計

當挑空中庭及大空間建築物發生火災時,煙柱向上流動至建築物之頂部,煙開始 於中庭及大空間內部填充並慢慢沈積形成煙層(Smoke Layer),此建築型態頂部空間若 設置蓄煙空間,能使建築內部提供一條無煙之逃生避難路徑,如圖 2-7 所示。

圖 2-7 挑空中庭及大空間蓄煙設計理念【17】

常見之蓄煙空間設計設置在頂部空間外,可配合中庭及大空間周圍區域設置防火 /防煙區劃設計,一方面防止煙流蔓延至其他樓層造成避難障礙;一方面可限制煙層 區域。

蓄煙煙控設計,其作用除能減緩煙層下降速度外,更能提供自然排煙口有利煙控 性能,但啟動自然排煙口至全面開放,皆需一段時間,若有蓄煙區設計,可作為緩衝 排煙口完全開啟之時段,因此在火災發生時,能夠最先發揮作用之煙控策略,提供人 員早期避難之需。

2. 自然排煙煙控設計

典型挑空中庭及大空間建築物之自然排煙煙控設計,於建築物之頂部設計凸出的 屋頂「頸部」,形成蓄煙空間設計,再利用位於頂部或側邊之自然排煙口將煙排出,

進一步獲得最佳之煙控性能,如圖 2-8 所示。

(28)

14

圖 2-8 挑高中庭及大空間自然排煙設計示意圖【17】

自然排煙口之位置,最理想為位於挑空中庭頂部,或者蓄煙空間之高點,而自然 排煙口的排煙量與排煙口大小、煙層深度及煙的溫度有關,可藉由電腦模擬或全尺度 實驗,印證其煙控性能。

3. 機械排煙煙控設計

挑空中庭及大空間建築物之機械排煙煙控設計,主要目的為控制煙層至建築物內 之安全高度,以減緩煙層下降速度,以提供一條無煙之逃生避難路徑,保障挑空中庭 與其周圍區域之人身安全。另除上述頂部蓄煙空間配合自然排煙之設計外,也亦可於 蓄煙空間之頂部或側面,裝置機械排煙煙控系統,如圖 2-9 所示。

圖 2-9 挑高中庭及大空間機械排煙設計示意圖【17】

頂部機械排煙之設計理念中,良好的應用蓄煙空間之設計與機械排煙風管系統之

(29)

15

設計同等重要。良好之蓄煙設計,更可預防拉穿現象(Plug-holing)產生。

三、煙流特性與危害【17】【18】

由火災發生時「煙之危害」可知煙流具

毒性

高熱

遮蔽性

,若 要使人員在避難時避免受到煙毒而無法避難,因此需要更明確定義煙層介面,在「大 空間建築火災性能式煙控系統設計與應用手冊」中,五項危險指標有「溫度」、「可 見度」、「一氧化碳濃度」、「二氧化碳濃度」與「煙層高度」,這五項危險指標在 離地 1.8M 的高度介面中,只要其中一項指標最快到達危險值,就以最快到達的危險 時間做為煙層下降時間。

根據美國國家防火協會(NFPA)對煙的定義,煙乃是由物質燃燒後形成的固體懸浮 物、液態粒子與氣態粒子,再加上引進的空氣混合而成。燃燒的產物通常包括固體微 粒、燃燒不完全的燃料、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳以及其他有毒與腐蝕性氣體等

【19】,以下就煙之特性加以說明【20】。 1.煙之高溫

火焰上方之煙霧即使上升至天花板,其溫度火場中,煙霧因密度低空氣而往上浮 升,起火初期在天花板下方留有相當高度之冷空氣空間,加上煙霧在蔓延之過程中不 斷受到冷卻,令火場避難者仍有安全逃生之機會。

2.煙之毒性

在建築物發生火災時,由於火場中燃燒物的不同與現在環境條件的不同,所產生 的濃煙在性質上與內容上都有很大不同,煙中之氣體,未必全是具有毒性,但大部分 都包含有毒的氣體。

3.煙之遮蔽性

當火災發生時,濃煙所造成之遮蔽性乃由煙之散射、吸收係數、阻擋性、室內亮 度、光線之波長及辦認識物體為發光或是反光等因素影響,光線穿越煙層中,致使光 之強度漸弱,於火場造成能見度之降低,不利於火災搶救與火場逃生。

(30)

16

四、煙層介面之定義【17】

下列五項標準參考「大空間建築火災性能式煙控系統設計與應用手冊」,主要在 規範人體受到危害程度指標值,如表 2-3 所示。為了後續模擬設定需擷取出與本研究 相關之五個評估指標作為判斷煙層下降時間參考依據。

1. 溫度:火災發生時,火源燃燒會釋放熱量,人體能承受極限溫度為不能高於 60℃。

2. 可見度:火災發生時,濃煙會造成視線不良,人體能承受極限可見度為不能低於 10m。

3. 一氧化碳濃度:火災發生時,有毒性氣體會吸入身體,人體能承受極限一氧化碳 濃度需低於 1500ppm。

4. 二氧化碳濃度:火災發生時,有毒性氣體會吸入身體,人體能承受極限二氧化碳 濃度需低於 5%。

5. 煙層高度:離地 1.8M 以上。

表 2-3 煙層介面指標表【17】

危害指標 承受極限

溫度 不能高於 60 ℃

可見度 不能低於 10 m

一氧化碳濃度 需低於 1500 ppm

二氧化碳濃度 需低於 5%

煙層高度 離地 1.8M 以上

煙層判定上雖然有此五種煙層介面指標做為參考,但在評估上只要其中一項判斷 指標最早到達 1.8M 界線高度,就會以最嚴苛之介面指標做為主要判斷依據。

(31)

17

五、避難理論分析 1. 避難安全標準【21】

避難安全亦指當災難來臨時,人員透過一些措施,安全逃離建築物或到達臨時安 全的等待救援空間。換句話說,建築設計中如何控制人員避難時間,要小於危險來臨 的時間,即為安全避難;相反地,則避難失敗。在這個簡單確充滿複雜的問題中,要 如何去達成安全避難,由英國學者Marchant提出避難設施包括出入口、走廊(通道)及 樓梯,設計時基本上須考慮火場燃燒之成長及變化、火場避難者心理生理狀態及行為 之變化、火場避難環境之變化【22】。形成上述三項因素變化之成因,相當多且複雜,

但可以確定此三項因素具隨時間而變化之特性,配合這項概念。

 1

cr m b a

T T T T

(2-1)

其中,

T

a:察覺火災時間

T

b:對火災發生作反應之時間

T

m :抵達安全地點之行動時間

T

cr:避難容許時間 2. 避難各項所需時間【23】

建築物內避難者之安全性受到火災發生各種時間之影響,分別記述如下:

(1) 避難開始時間:從火災發生到人員開始避難之時間稱之。主要受到建築物利用、

管理狀態、火警自動警報設備的設置狀況、通報、傳達系統之信賴度等之左右。

現階段之避難開始評估,以日本為例,其採行對火災警報探測器反應作動時間、

防火管理人火警確認作為、收容人員之反應能力及對避難路徑選擇判斷能力等之 檢測、觀察及實驗分析,評估出該階段所需之時間。

(2) 避難行動所需時間:避難開始到避難結束之時間,即為避難行動所需時間,此受 建築物中避難設施的配置、避難者的行動能力所左右。

(32)

18

(3) 危險狀態發生時間:因煙下降、閃燃現象的產生、煙之擴散等影響至居室、避難 路徑造成危險狀態,此種由火災發生到危險狀態發生之時間稱之。而此時間主要 受到居室大小、內部裝潢、防排煙性能、撒水設備及防火區劃的設置所左右。

(4) 避難安全餘裕時間:透過避難所需時間和安全容許極限時間作比較,以判斷建築 物內避難人員安全與否。

圖 2-10 避難與危險波及時間關係示意圖【24】

(33)

19

六、大空間或挑空中庭相關研究整理

表 2-4 大型空間或挑空中庭建築物相關研究整理

年代 作者 著作名稱 內容摘要

2003 楊智勝 ( 中 山 大 學 機械工程學 系博論)

【27】

大型購物中心大 空間之性能式煙 控與避難系統設 計分析及全尺度 驗證印證

本研究內容分為煙控性能分析與避難性能分析兩 部分,煙控性能分析利用區域模擬CFAST與場模擬 STAR-CD兩種電腦模擬進行濃煙沈積速度測,並評估 蓄煙煙控與機械排煙煙控策略之可行性。而避難性能 分析方面,以SIMULEX避難軟體模擬各區域人員於火 災發生時逃生動態過程,並計算避難動作時間。再以 蒙地卡羅數量化風險評估法計算火災發生時的總避難 時間,最後將煙沈積至設計淨高的時間與總避難時間 相互比較,確認煙控性能之安全性。

2005 楊冠雄等人 ( 內 政 部 建 築研究所委 託 研 究 報 告)

【23】

建築火災煙控性 能提升之研究 ( 室 內 中 庭 及 大 空間煙氣層流作 用對火災探測及 排煙功能效應及 系統連動之驗證 分析)

本研究以全尺度驗證探討室內中庭及大空間層流 作用形成原因與對火災探測器的影響。

研究結果:

1.傳統火焰型與集中型熱煙探測器對小規模火災,因 發煙量與熱輻射量無法達到鳴動範圍,導致無法有效 偵測火警發生;而大規模火災時,探測器能於第一時 間有效偵測火災,但若配置位置離火點有段距離,因 此火災發生時形同失效。

2.光電式分離型煙探測器經由實驗可知為最適合裝置 於大空間建築之探測器之一。其優點為不會因偵測範 圍內有非預期遮蔽物造成火警誤報,在實驗中大空間 探測器鳴動時,煙層仍然停留在6F走道上,因此若能 與機械排煙風機作有效連動,能抑制煙層下降與增加 人員逃生時間。

2007 陳清峰 ( 長 榮 大 學 職業安全與 衛生研究所 碩論)

【28】

挑空空間煙控系 統之分析與探討

本研究以不同中庭結構類型建築物,配合不同之 火源熱釋放率及補氣口大小,探討分析有效煙控條 件;另外,以不同中庭結構類型建築物進行1/2縮小尺 度的電腦模擬,探討1/2縮小尺度模型實驗的可行性。

研究結果:

1.在相同補氣口條件下,無隔層建築物煙層溫度比有 隔層較高,溫度曲線有較為均勻,排煙量也較高;而 在煙層高度方面,無隔層煙層高度比有隔層較低。

2. 在相同熱釋放率條件下,煙層高度會隨著補氣口高 度增大而增加,但若熱釋放率與補氣口高度太大時,

可能會導致煙層高度降低情形發生。

(34)

20

3.進行1/2縮小尺度模型實驗發現,牆壁的熱慣性對煙 層溫度及排煙量影響甚大,若牆壁熱慣性依照尺度法 則規定進行修正,其溫度分布及排煙量結果與全尺度 實驗較為接近。

七、層化現象定義與相關研究之探討 1. 層化現象定義

中庭建築空間在實際燃燒情況下,進行排煙動作時,一般高度可順利進行排煙,

而高度越高之中庭建築空間,因煙粒子受熱浮力影響上升至一定高度,可能因煙粒子 冷卻,反而導致煙層下降時間加快,使人員避難時間縮短造成危險,此現象稱為層化 現象(Smoke Stratification)。

3. 層化現象相關文獻整理

目前國內、外針對層化現象研究極為少數,本研究將其相關研究文獻彙整如表 2-5 所示。

表 2-5 層化現象相關研究整理表

年代 作者 著作名稱 內容摘要

2005 楊冠雄等人 (內政部建築研 究所委託研究 報告)

【23】

建 築 火 災 煙 控 性 能 提 升 之 研 究

(室內中庭及大 空間煙氣層流 作用對火災探 測及排煙功能 效應及系統連 動之驗證分析)

本研究以全尺度驗證探討室內中庭及大空間 層流作用形成原因與對火災探測器的影響。

研究結果:

1.經由全尺度實驗結果得知,於夏天高溫情形下,

屋頂附近溫度之室溫為 35℃,約比正常室溫 30

℃,高約 5℃,亦即試驗場上方形成較弱之煙氣層 流現象。

2.雖有煙氣流層現象存在,但在實驗結果顯示,煙 流仍可穿過煙氣層流,而正常啟動火災探測器,不 影響火災探測器之功能。

2007 盧建宏(國立交 通大學/機械工 程系碩士論文)

【6】

挑高中庭之性 能式火災

大空間中庭高度 41.5m 的頂部因日光照射或 熱輻射等效應而使該處空氣受熱,使得其密度略低 於周遭環境溫度,則有「層化」(Smoke Stratification) 之現象產生。

本研究考慮因夏天屋頂玻璃受輻射熱傳及內 部空間溫度可達 50℃判定為層化現象產生。

探討層化現象與煙流平均溫度之比較,並討論

(35)

21

此效應是否對煙無法到蓄煙區頂部與是否影響排 煙問題。

2008 John H.

Klote,DSc, PE【25】

State-of-the-Art Atrium Smoke Control

屋頂因太陽輻射影響,60 英呎(18m)高中庭下 的熱空氣層溫度超過 120℉(48℃),當煙流平均溫 度少於熱空氣時,煙將分化熱空氣層。

Kurt

Puchala, P.E.

【26】

Small Atria Smoke Control

三層樓高的學生宿舍,每層約 1,2000 平方英呎 (1,100 ㎡)小中庭建築,本研究進行檢查發現,層 化現象發生時,在火災所釋放的熱能發現;

1. 因空間大煙冷卻關係,導致天花板溫度平衡。

2. 位於熱空氣下方。

3. 高通風率與大量冷空氣混合煙的空間。

本研究以 NFPA 92B 的穩態火源設計,發現地板燃 燒溫度與天花板環境溫度之間溫度差若大於 275℉(135℃)將可能產生層化,若環境溫度設定 70℉(21℃),預計不會有層化產生。

4. 層化現象之分析

由於挑空中庭建築物因挑空中庭關係,中庭空間在實際燃燒情況下,煙粒子受熱 浮力影響上升,煙偵測連動排煙設備,進行排煙動作,一般高度可順利進行排煙,而 高度越高的中庭空間,煙粒子受熱浮力上升至一定高度時,反而因冷卻產生層化現 象,而導致煙層下降越快,導致避難逃生餘裕時間縮短,造成避難安全上之危險性。

(36)

22

2-2 FDS 火災模擬軟體分析與相關研究之探討

2-2-1 FDS 火災模組介紹

FDS(Fire Dynamics Simulator)火災煙控模擬軟體,為美國NIST(National Institute of Standards and Technology)國家標準局與技術協會機構下之BFRL(Building and Fire Research Laboratory)建築物與火災研究實驗室所研發之計算流體力學軟體,主要以大 渦 流 模 擬 法 LES(Large Eddy Simulation) 為 基 礎 , 由 NIST 發 展 計 算 流 體 力 學 CFD(Computational Fluid Dynamics),可用於模擬三維的火災情境,此模組將模擬範 圍切割成若干正立方體之數值網格,所有計算都必須在網格內完成,因此網格越細,

計算上越複雜,相對模擬時間就越長。

FDS能較為準確預估火災發生時火場的壓力、熱釋放率,燃燒所產生危害物質溫 度、CO、CO2,與影響人員避難的能見度、煙層下降時間等火災物理數據,另外除了 數值模擬外,更能夠過後處理程式Smokeview,觀察建築物內煙流動向狀況,目前FDS 台灣運用在火災煙控模擬評估上,為最常用之場模式軟體,故本研究以FDS 5.4.3版本 為研究分析工具。

2-2-2 FDS 基礎理論公式

【8】【10】

整體流場模型是由數個基本守恒方程式所架構,包括質量守恆、動量守恆、能量 守恆以及狀態方程式,適用於低馬赫數的熱驅動流場分析,其理論方程式如下:

1. 基本方程式

 質量守恆方程式 (Conservation of Mass)

m

b

t    u  

   

(2-2)

 動量守恆方程式 (Conservation of Momentum)

  u uu p g f

b ij

t              

(2-3)

(37)

23

 能量守恆方程式 (Conservation of Energy)

                 

q q q

Dt u Dp h

t h

s s

 

b

(2-4)

 狀態守恆方程式 (Conservation of State)

W p RT

(2-5)

其中,

為密度,

u

為速度向量,

m

b



為液體的生成或消耗率,

f

b為重力向外 的各種外力項,

h

s為熱焓值,

ij為壓力張量,

q  

為化學反應中單位體積產生的熱 釋放率,

q

b



為液滴蒸發所消耗的熱釋放率,

  q  

為傳導與輻射熱通量,

為動能 因為黏滯力轉換成熱能的逸散項。

2. 燃燒模型

FDS 提供兩種燃燒模式可選擇使用,依照格點來決定使用模式。在使用 LES 法計 算方面,由於格點尺寸不夠小至足以解析燃料及氧的擴散,於是使用混合分率燃燒模 式(Mixture Fraction),而大部分通用的燃燒反應為:

vMM N

vN vSS vCOCO O

OH vH CO VCO O

vO

CxHyOzNaMb

2 2

2 2

2 2

  

2 2

其中,

N

2為氮氣,

M

為物種平均分子量,FDS 設定在不消耗氧氣的過程中反應的,

而反應是可簡化為以下方程式:

  F v   O v   P

v

p

P

F

 

 

0 (2-6) 其中,

v

為化學當量係數,

O

為氧氣,

F

為燃料,

P

為生成物。再 FDS 裡,煤

煙被設定為碳與氫的混合物,

X

H 為碳與氫的原子數,

v

S為煤煙的化學劑量係數,

y

S

為煙的產量,由以下方程式表示:

S S F

S

y

W

vW

W

S

X

H

W

H

  1  X

H

W

C (2-7)

(38)

24

v

CO為化學劑量係數,

y

CO為二氧化碳量,由以下方程式表示:

CO S F

CO

y

W

vW

(2-8)

上列方程式意指煙與二氧化碳的生成率是在通風良好的情況之下,而混合分率 Z 的定義為方程式表示::

 

 

O I F

O O F

Y SY

Y Y

Z SY

F F

O O

W v

W

Sv

v

F

 1

(2-9)

上列方程式中,

Y

O為環境中氧的質量分率,

Y

FI 為燃料流部分的濃度百分比,

W

F 為燃料的分子量,

W

O為氧的分子量,而混和分率也遵守質量守恆定律:

Z Dt D

DZ     

(2-10)

假設化學反應無限快,則燃料與氧氣無法共存,所以火焰表面為燃料與氧氣同時 消失的地方,其混和分率為:

 

O I F

O f

f

sY Y

Z Y Z t x

Z ( , ) ;

(2-11)

在 FDS 中,所有的氣體都會混合,如圖 2-15 所示,而氧氣與燃料的方程式,假 設在瞬間反應下。

圖 2-11 氣體混和分率圖【29】

(39)

25

3. 熱輻射模型

氣體的輻射傳遞方程式(Radiative Transport Equation)為:

      x s k xI x I   x s

I

s  

,  , 

b

,

(2-12) 其中,

s

I

  x , s

的單位向量強度,而

I

  x , s

是波長等於

時的輻射強度,

  x , 

k

代表吸收係數,

I

b

  x

則為 Planck function 給定的源項。

在實用的模擬光譜無法解的相當精準,所以再進入波段較小時的輻射幅度是分散 的,而分離的輻射轉換方程式是由每一個波段裡所衍生出來的,所以方程式轉換為:

  x s k     xI x I   x sn N

I

s  

n

, 

n b,n

n

, ,  1   

(2-13)

其中

I

n為積過波段

n

的強度,

k

n為波段

n

裡的適當平均吸收係數,而

I

b,n

  x

可 以表示成黑體輻射(Blackbody Radiation)百分比:

 

min max 4

,

, T

I

bn

F

n (2-14)

其中

為史蒂芬波茲曼常數,

F

n為計算因子,而當所有波段強度已知,則總強 度全部的總和:

  x s I   x s

I ,

nN1 n

,

(2-15) 而在能量方程式中熱輻射損失項為:

                  

q

r

x x U x 4 I

b

x , U x

4

I x , s d

(2-16)

定義輻射熱通量

q

r為:

  x   sI   x s d

q

r 4

,

(2-17)

(40)

26

2-2-3 格點參數設定探討

【30】

在 FDS 模擬分析中,計算模擬範圍的格點分布,一方面必須考慮有足夠的密度,

以正確合理地描述流場中每一個位置之物理量變化,另一方面又必須兼顧計算資源之 有效運用與計算時間之控制。因此,太密的格點系統將造成格點數目太多,而導致計 算時間太久、計算資源需求過高之問題;相反地,若格點系統分布太過稀疏,將可能 造成無法正確描述流場之問題。此外,根據 FDS 手冊中美國核管理管理委員會研究 文獻【31】提到

D

*

/  x

的網格大小結果比例需在 4 至 16 之間的範圍內,其公式如下 所示:

5 2

*

 

 

 

c T g D Q

p

(2-18)

2-2-4 FDS 架構與特性

本研究選擇以 FDS 火災煙控模擬程式為評估方法,原因為目前國內外 FDS 軟體 在進行建築物火災動態模擬評估上有相當的精準性,尤其 FDS 運算「場模擬」其火 災、煙模擬行為較詳盡。FDS 處理架構與程序分為以下三個部分:

1、前處理:於前處理中,利用純文字格式輸入模擬之模型條件,建立 FDS 的 data 檔,包括:模型尺寸、格點配置、環境溫度、材質特性、實體物與牆面、

邊界條件等,作為模擬計算基礎,並根據 FDS 內建軟體的資料庫中,選擇 所需火源燃燒物的數值及設定模擬燃燒的時間數據。

2、數值解:即是 FDS 的運算核心部分,主要依靠 FDS 運算前處理提供的條件參數,

並以數值方式求解,並將所需計算結果輸出。

3、後處理:FDS 後處理部分與 Open GL 繪製軟體 Smokeview 結合,可將 FDS 所計 算結果,利用 2D 與 3D 動畫方式呈現,可依照研究目的,觀察影響人員 避難的煙流方向、能見度、一氧化碳濃度及煙層下降與時間關係,或灑 水動作、偵測器動作與排煙設施做動等情況。

(41)

27

2-2-5 FDS 操作流程

FDS 的架構與操作過程如圖 2-12 所示,首先必須輸入一個 Input file 的 data 檔,

經由 FDS 運算後結果產生副檔名,包括.smv、.sf、.bf、.out、.csv、*.q、.iso 等檔案,

再利用後處理程式 Smokeview 針對火場內溫度場、速度場、流場、CO 濃度、CO2濃 度及能見度等數值,以 3D 動態方式呈現,達到虛擬實境的效果。執行後同時產生四 個電子試算表檔案,包括:hrr.csv、mass.csv、tc.csv,產生量測數據,並可與 Smokeview 輸出後製作成圖表,方便使用者檢視。

圖 2-12 FDS 與 Smokeview 之組織架構與操作流程圖

Input (data 檔)

輸入

FDS

Boundary (*.bf) 邊界資料

Particle (*.part) 控制粒子 和水滴

Iso-surface (*.iso)

等位面 動畫圖

Plot3D (*.q) 流體區域 靜態圖面 Smokeview

Input (*.smv)

3D 觀察

SlicarVect or slice

(*.sf) 動畫切面

Smokeview

Graphics 圖形 Confing

(*.ini)

處 理

數 值 解

後 處 理

(42)

28

2-2-6 FDS相關研究整理

表 2-6 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS 相關研究整理表

年代 作者 著作名稱 內容摘要

2001 李訓谷 ( 中 山 大 學 機械工程學 系博論)

【32】

大空間中庭建築 性能式煙控系統 設計分析

本研究先經由文獻收集有關火災煙柱與煙層沈積 速率之理論分析,歸納出影響大空間中庭建築煙控系 統設計之重要參數,包括:煙柱傳輸延遲時間、天花 板噴流傳輸延遲時間、煙捲吸率、機械排煙量以及自 然排煙量。以理論公式與場模擬FDS火災模擬結果與 文獻彙整結果進行比較分析,再以大空間全尺度實驗 探討各種煙控策略對煙層沈積速率的影響,並加以印 證理論公式場模擬的適用性,最後建立一套簡單的性 能式煙控系統設計準則。

2003 蔡尤溪等人 ( 建 築 中 心 委託內政部 建築研究所 研究報告)

【33】

建築防煙技術及 實驗研究子計畫 (Ⅱ)

( 大 空間 防煙性 能模擬與現場實 測基準之研究)

本研究以參考國際性NFPA 92B大空間防煙性能 基準為標準,進行理論探討比較國內案例,提出適當 之設計與計算方法,達到安全之煙害管理,並探討以 FDS火災軟體、FLUENT電腦軟體與CFAST區域模擬 實驗值進行軟體比較分析其精準性。

研究結果:

1.以不同格點大小分析結果得知,FDS火源表面測點 誤差較大,在離火源點1m距離最為精準。

2. FLUENT電腦軟體由於使用許多假設火災簡化數 值,在相同格點下時,模擬結果與FDS模擬結果以及 實驗值相差較大,若不進行簡化假設及格點加密或許 可與實驗值相近,但必須評估電腦計算時間。

3. CFAST區域模擬時間比FLUENT電腦軟體時間較為 縮短許多,雖區域模擬操作方法現今仍為研究人員參 考依據,但若模擬煙流狀況及細部數值模擬仍需以 FDS進行模擬取得較為精準數值。

2005 林俊豪 ( 台 北 科 技 大學冷凍空 調工程學系 碩論)

【34】

大空間排煙設置 參數對排煙性能 影響之研究

本研究先將經由 NFPA 92B 與國內相關建築大空 間煙控設計的彙整,進行理論探討,再以 FDS 火災模 擬大空間中庭空間,探討排煙口設置、風速與風量對 大空間排煙的影響。

研究結果:

1.經由相關文獻彙整分析結果得知,良好的大空間中 庭機械排煙煙控設計,需具有 0.8(z/H)的平均高度。

2.模擬設置多點排煙口與單點排煙口結果得知,多點 排煙口比單點排煙口更能將大空間煙流均勻排除,在

參考文獻

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