生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立---總計畫暨子計畫一：生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究(I)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立--總計畫暨子計畫:生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究(I)

研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 95-2625-Z-011-003-

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人：林顯群

計畫參與人員：博士班研究生-兼任助理：蔡明倫

碩士班研究生-兼任助理：謝旻翰、葉俊儀

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 10 月 30 日

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％行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成果報告

□期中進度報告

生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立－總計畫暨子計畫：

生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究(I)

計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫計畫編號：NSC 95－2625－Z－011－003

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：林顯群共同主持人：

計畫參與人員：蔡明倫、謝旻翰、葉俊儀

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)： □精簡報告

■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公

開查詢

執行單位：台灣科技大學機械工程系

中華民國 96 年 10 月 31 日

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摘要

本計畫乃以生技製藥廠房為研究對象，分別針對全場模式模擬與煙控分析，實體廠房之全尺度實驗與數值模擬驗證，以及最佳化安全設計與模擬評估為主要課題進行研究。計畫以三年為實施期限，在計畫執行的第一年期，將利用泛用型計算流體力學軟體進行研究分析，首先依照虛擬之生技製藥廠房建構數值模型，其次按照實際的環境條件設定模型的邊界條件，經由求解運算與迭代收斂，最後由後處理程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而由後處理程序所得到的各種重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。

第一年計畫預期完成之工作項目及成果計有：火災全場模式之數值模擬、穩態與暫態之流場、溫度場與煙流分析、火場最佳排煙模式之建立，進行火場最佳排煙模式之建立是較困難的，但目前已完成第一年所預期之工作，還些許超前到第二年之進度。另外可由研究結果知道煙控系統能夠有效地將煙層集中，但排煙口面積跟排煙速率還需再做最佳化，讓煙層的沉降速率減慢，並加大排煙的量，以延長科技廠房中工作之人員逃生的時間，並減低成本的損失。將來還需更進一步作大空間廠房的模擬，研究當某一空間發生火災時對其他空間產生的影響。對於生技製藥產業界而言，在有限的資源下將更有效提高火災之預防，並對廠內員工提供最佳的生命保障。

關鍵字：生技製藥廠房，煙控分析，消防安全，最佳化設計

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ABSTRACT

This 3-year research project focuses on the smoke-control system, automatic sprinkler system, and fire-safety analysis for a biotech plant. An integrated numerical and experimental effort will be enforced to investigate the airflow patterns, smoke, and thermal distributions inside the factory for generating an optimized smoke-control system, sprinkler system, and a better fire-safety design. In the first year, a virtual pharmaceutical factory model, with the proper boundary conditions incorporating with the actual environmental conditions, is constructed to execute a series of computational simulation using CFD software. The calculated flow field, smoke path, and temperature distribution are utilized to identify the airflow, smoke flow paths and hotspots inside this building. Knowing this smoke flow paths and hotspots enables us to build a better design for fire prevention, smoke control system, and automatic sprinkler system. Thereafter, with all the technologies and capabilities established in the first year, it is realized that a joint research work with a local GMP biotech company will be essential for the optimized design and the fire-risk assessment and prevention on the actual factory. In conclusion, this first-year research has successfully accomplished the proposed goal. All scheduled work in this year has been achieved. It is realized how to set up the outlines for the improving plan in reducing the risk in a biomechanical factory.

Also, some of the next-year targets are undergoing at this stage.

Key words: Biotech Plant, Numerical Flow Simulation, Smoke Control System, Automatic Sprinkler System, Fire-Safety Assessment

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目錄

摘要...I ABSTRACT ... II 目錄...III 圖目錄... V 表目錄... VII

第一章序論 ...1

1.1 計畫背景及目的 ... 1

1.2 研究方法及進行步驟 ... 5

1.3 預期完成之工作項目及成果... 21

1.4 計畫成果自評 ... 25

第二章火災概論 ...28

2.1 閃燃 ... 31

2.2 火災設計之安全與評估 ... 36

2.3 生物科技廠房火災危害處理措施... 39

2.4 煙控系統 ... 43

第三章理論與數值方法 ...46

3.1 場模式理論 ... 47

(6)

3.2 統御方程式 ... 49

3.3 紊流模式 ... 51

3.4 燃燒模型與熱邊界條件 ... 52

3.5 數值方法 ... 53

第四章生物科技廠房火災之模擬 ...55

4.1 生物廠房火災之模擬 ... 60

4.2 生物廠房火災排煙之模擬 ... 63

第五章結論 ...70

第六章可供推廣之研發成果資料表 ...71

參考文獻 ...72

附錄實驗設備 ...73

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圖目錄

圖 1-1 行政院資料顯示生物技術涵蓋之範圍………..………2

圖 1-2 生物製劑模擬廠房之空間分類圖………...………7

圖 1-3 不同物質之熱釋放率……….………10

圖 1-4 火源溫度隨時間變化圖……….10

圖 1-5 研究方法流程圖……….…12

圖 1-6 各子計畫間橫向連繫之分工與整合圖……….18

圖 1-7 本計畫縱向研究延續之進度流程圖……….20

圖 1-8 計畫成果自評………26

圖 4-1 無菌充填室側視圖………..………...53

圖 4-2 無菌充填室側視圖……….………53

圖 4-3 無菌充填室正視透視圖……….54

圖 4-4 無菌充填室側視透視圖……….54

圖 4-5 無菌充填室正視流場圖……….55

圖 4-6 無菌充填室側視流場圖……….56

圖 4-7 當 T=0 秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物尚未起火………57

圖 4-8 當 T=5 秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物已起火………58

圖 4-9 當 T=100 秒，無菌充填室隨燃燒時間越久，煙霧瀰漫之情形……..58

圖 4-10 當 T=300 秒，無菌充填室火災之情形………59

圖 4-11 設置排煙口無菌充填室正視圖………...61

圖 4-12 設置排煙口無菌充填室側視圖………....61

圖 4-13 設置排煙口無菌充填室煙場正視圖………....62

圖 4-14 設置排煙口無菌充填室煙場側視圖………63

圖 4-15 當 T=0 秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物尚未起火………64

圖 4-16 當 T=5 秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物已起火………..64

(8)

圖 4-17 當 T=100 秒，無菌充填室隨燃燒時間越久，煙霧瀰漫之情形…..65

圖 4-18 無菌充填室溫度達到 70 度時，排煙系統開始啟動(T=140 秒)…65

圖 4-19 當 T=200 秒，無菌充填室排煙系統啟動仍有煙霧……….66

圖 4-20 當 T=300 秒，無菌充填室排煙系統排煙不及，煙霧向下沉……66

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表目錄

表 1-1 我國生技產業發展現況（2004 年）………..3

表 1-2 電子廠與藥廠之差異……….3

表 2-1 有機高分子材料燃燒產生之毒性氣體……….30

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第一章序論

1.1 計畫背景及目的

生物技術產業被譽為廿一世紀的明星產業，我國政府近年也將生技產業列為國家重點發展目標之一；同時，在行政院民國九十一年五月所頒定之「挑戰 2008：國家發展重點計畫」的推動下，更輔以多項配套措施，可望加速生技產業的快速升級。近年來國內生技製藥公司也陸續設立，與國際公司合作及技術移轉的個案亦快速增加，生物技術及製藥產業的投資已蔚為風潮[1]；目前執行中之國家型科技計畫中，與生物技術有關的計畫為農業生物技術國家型科技計畫及生技製藥國家型科技計畫等，可見生技製藥已納入國家計畫其重要性不言可喻。就生技製藥產業而言，其涵蓋的技術領域及產品範圍極廣(如圖 1-1 所示)，在技術領域方面，生物技術可應用到遺傳工程、細胞融合、細胞培養、組織培養、胚胎及細胞核移植等技術；在產品方面，目前主要應用以藥品、醫療保健、農業、食品、環境、能源等工業經濟領域。

據 Bio Century 及 Med Ad News 資料顯示[1]，2002 年前半年全球生物科技投資金額為 81 億美元，較 2001 年增加 8%；未來 10 年生技投資金額將為目前的 3 倍，達 620 億美元。我國生物技術產業包括新興生技工業、製藥工業及醫療器材工業等，2004 年總營業額約新台幣 1,449 億元；其中新興生技工業涵蓋基因、生技醫藥品、檢驗試劑、農業生技、

環保生技、蛋白質藥物、生技研發服務、生物晶片及生物資訊等，營業

額約新台幣 343 億元，約占全球生物技術產業業營業額的 1.03%，廠商

約 240 家，平均每家營業額約新台幣 1.43 億元。製藥工業營業額約新

台幣 602 億元，約占全球製藥產業營業額的 0.33%，廠商約 414 家，平

均每家營業額約新台幣 1.69 億元。另外醫療器材工業營業額約新台幣

504 億元，廠商約 480 家，平均每家營業額約新台幣 1.05 億元。整個生

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物技術產業從業人員約為 35,476 人，其中生物技術工業 7,650 人，製藥工業 12,931 人，醫療器材工業 14,895 人[1]。下表為我國生技產業發展現況（2004 年）。

由於生技製藥利用活性生物體或以生物程序取出體內細胞、活性物質或代謝物質，其特殊醫學用品在製造過程中，不能受細菌侵入，因此必須在潔淨室中製造，且在製造、加工、測試過程中均需使用危險性化學品。在製程中提供環境控制的目的要求分兩階段，第一階段為發酵期、培養繁殖，要求條件為保護操作人員及製造環境外洩污染；第二階段為純化期，要求條件為保護產品品質，不被污染。因此每一階段製程皆注意污染及被污染的問題，每一階段操作方式全部不同，所以每一階段皆需有單獨空間執行保障環境的控制，製程愈繁瑣、製程空間就愈多，所以此類生劑製藥廠房的建築是屬分段式生產、多房間組合、保護條件不同、空調壓差不同之規劃設計[2]。此外在生物製劑藥廠(實驗室) 污染防治設計時，需考量在製造過程，為確保產品的一致性、穩定性，

如何有效的進行污染源控制確有其必要性。

圖 1-1 行政院資料顯示生物技術涵蓋之範圍[1]

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金額單位：新台幣億元

產業別生物技術工業製藥工業醫療器材工業合計

營業額 343 602 504 1,449

廠商家數（家） 240 414 480 1,134

從業人員（人） 7,650 12,931 14,895 35,476

出口值 137 46 276 459

進口值 150 435 370 955

內銷：外銷 60:40 92:08 45:55 68:32

國內市場需求 356 991 598 1,945

表 1-1 我國生技產業發展現況（2004 年）

生物科技廠屬於高科技廠房，最大的特點就是其高精密性，並以無塵潔淨的空間作為主要製程之環境條件，而迥異於一般傳統產業。維持一無塵潔淨空間需控制穩定之乾濕度、溫度，並藉由壓力差的控制達成潔淨區域的劃分；全年不停運轉下，可以想見一個正常營運的潔淨室需耗費相當人力及費用的。由 ULSI 廠務設施資料[2]顯示，潔淨室系統包含(1)製造棟（生產線、管理部、總務），(2)能源棟（冷源、熱源製造），

(3) Utility 棟（純水、GAS、電力），一般至少分製造棟與 Utility 棟；

超潔淨室電子半導體廠與生物製劑廠建築之不同，如下表所示

表 1-2 電子廠與藥廠之差異[2]

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生物科技廠由於生產技術的複雜特性，常包含許多危害物質的使用和具危險性設備之應用，故具有高潛在風險；尤其製程單元所常使用的化學品，雖然儲存量與使用量皆遠小於石化工業所處理與使用量，但是由於具有著火性、可燃性、毒性、腐蝕性等本質危害特性，故其廠房中充滿了火災、爆炸、中毒等潛在危害；製程單元一旦發生洩漏或操作異常，由於廠房中潔淨室的密閉效果，除了導致重大財產損失外，甚至可能造成人員傷亡。

在生物科技廠房中發生的火災，比起一般地上火災更加危險，因此在火災發生初期如何有效偵測並降低火場溫度及排煙，將影響人員於火場中的逃生時間；於火災初期降低火場溫度的方法就是使用自動撒水設備，該設備中的撒水頭有一溫度或煙濃度感應裝置，當房間溫度或煙濃度超過其作動溫度或濃度時撒水頭即可作動，如此利用撒水設備以降低火場溫度，並增加人員逃生時間。排煙是煙控系統中最重要的一環，即排出建築物內的熱空氣、煙、及其它燃燒氣體，以期增加能見度；減少塑膠製品等在高溫所形成毒性氣體的危險性，並降低爆燃之機會；現在一切生活所需已離不開電器與塑膠製品，一旦發生火災，為維護生命、

減少危害，加速滅火及迅速排煙尤為重要。

生物科技為我國未來的明星產業，因此廠房安全設計與管理的完善，不僅可保障勞工的安全和就業、減少業者損失，更可提昇企業效能，

達成產業永續發展，進而維護社會安定及人力資源，促進我國經濟持續發展及國際競爭力，因此生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立實有其必要性。主要的關鍵技術有以下五項：

(1) 災害危害辨識與風險分析技術 (2) 火災煙流分析及安全設計 (3) 毒氣外洩災害後果分析 (4) 安全防護系統(供水/排煙...)

(5) 災害事件情境分析及緊急應變計畫規劃

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本計畫「生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究」為總計畫

「生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立」(計畫主持人：林顯群教授)之子計畫一，該總計畫整合另外四個子計畫，分別為子計畫二「生物科技廠房毒氣外洩之流場模擬與排放控制」、子計畫三「生物科技廠房消防排煙與供水之管路系統最佳化設計」、子計畫四「生物科技廠房災害事件情境分析及緊急應變計畫規劃」及子計畫五「生物科技廠房災害危害辨識與風險分析技術」之進行，以達成建立生物科技廠房災害風險評估的五項關鍵技術之研究。於總計畫整合下，除了理論與實務研究相輔相成外，同時計劃將與國內生醫科技產業界進行緊密配合，藉此計畫之進行建立生物科技產業之廠房設計與安全防災之準則。

1.2 研究方法及進行步驟

本計畫乃以生技製藥廠房為研究對象，分別針對全場模式模擬與煙控分析，實體廠房之全尺度實驗與數值模擬驗證，以及最佳化安全設計與模擬評估為主要課題進行研究，計畫以三年為實施期限。在計畫執行的第一年期，將利用泛用型計算流體力學軟體進行研究分析，首先依照生技製藥廠房特性來建構數值模型，其次按照實際的環境條件設定模型的邊界條件，經由求解運算與迭代收斂，最後由後處理程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而由所得到的各種重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。

第二年計畫將洽商國內 GMP 製藥廠商進行廠房防火性能評估與實驗合作，根據實體廠房實際尺寸作為數值模擬邊界設定，分析設計缺失，再配合其它相關煙控改善之數值模擬結果。然後將部分重點區域進行量測，包括非穩態熱場之溫度，火場二氧化碳濃度與殘氧量等數據，

並應用泛用型計算流體力學軟體進行實體廠房之全場模擬分析，進一步

進行實驗與數值模擬之驗證，相關數據可作為防火安全設計程序的參

考。第三年計畫則進行廠房消防安全最佳化設計與模擬評估，以第二年

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計畫的成果為依據，進行包括灑水器與偵煙器之設置，排煙系統裝設與性能評估，以及具有消防安全系統實體廠房的模擬分析與最佳設計等研究，對於生技製藥產業界而言，在有限的資源下將更有效提高火災之預防與安全，並且對廠內員工提供更好之生命保障。

第一年計畫實施之研究方法及進行步驟

本計畫第一年期主要進行「生技製藥廠房之火災之煙控分析與最佳排煙模式」，將利用計算流體力學軟體進行研究分析，首先依照虛擬之生技製藥廠房建構數值模型，其次按照實際的環境條件設定模型的邊界條件，經由求解運算與迭代收斂，最後由後處理程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而由後處理程序所得到的各種重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。

第一部分建構虛擬生技製藥廠房之物理模型

生物製劑製程繁瑣，屬分段式製程生產，與一般工廠流線式生產不同，設計上須採多空間設計，多空間之組合設計是重要課題。生物製劑屬藥理活性的物質，有污染之虞，與一般製造工廠不同，必須在潔淨室操作生產，潔淨室設計是生劑廠重要一環。生物製劑廠中有一般量產工廠，另有研發實驗室、品管實驗室及動物房，各製程空間使用目標雖有不同，但操作環境皆為生物製劑潔淨空間設計，規劃設計者仍須依生物製劑廠之規定設計。

本計畫將依據文獻[3]提供之規劃生物製劑廠房為模擬依據，如圖

1-2 所示

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圖1-2 生物製劑模擬廠房之空間分類圖

該廠房考量走道及氣閘之共用，動線上滅菌設備之共用等經濟設計。廠房空間分為細菌培養室(圖示標號 A01)，細胞病毒培養室(圖示標號 B01)，充填精製室(圖示標號 C01)與生化分析室(圖示標號 D01)等四大製程區，其他空間為附屬空間。另外 P05 為共用乾淨走道，串聯 C01、

A01、B01 之製程空間，人、物進入之管制區之除塵及滅菌設備一套，

經濟設計。AB01 共用骯髒走道，串聯 A01、B01、D01 之製程空間，

廢棄物滅菌共同一套之經濟設計。

第二部分理論與數值方法

以各種火災危險度評估(Fire Risk Assessment)技術或方法，大致上可分「靜態評估」及「動態評估法」兩類：

(1)靜態評估法：透過建築物各種危險因素之相關資料，與實際調查分析的結果，求出各因素相關的權重值與得分，以便進行評估的方法。

(2)動態評估法：以具體的方法探討建築物起火後之動態歷時發展情況，其參數包含時間、火災現象及人員行動等情況等，進行其時間推演之預測，並同時配合考量火災現象與人員行動等因素進行評估。

由於生技製藥廠房起火後的動態模式相當複雜，在進行廠房火災動

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態評估時，過去通常只能採用經驗公式與案例比對的方法，隨著電腦科技的發達，近年來大都採用電腦模擬法來模擬其動態評估。電腦模擬一般可區分為區域模式(Zone Model)與場模式(Field Model)兩種，所謂區域模式是將建築物空間劃分若干個區域，每個區域內再劃分成物理、化學性質均勻的高溫煙層與低溫空氣層。並利用能量、動量、質量及組成成份守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每個區域內的溫度、濃度分佈情形。區域模式之求解方式為隱性(Implicit)型式，係利用高溫煙層與低溫空氣層之總守恆方程式與數值方法，代入輸入條件，迭代求出高溫煙層與低溫空氣層之物理特性。區域模式在計算上較場模式簡單、

省時，但區域模式只能預測平均的煙流動情形，無法預測實際火災發生時建築物內詳細之流場與溫度場分佈。

而場模式亦即 CFD 模式，是將建築物空間劃分成若干個細小格點，且利用數值方法將描述火災現象的動量、質量及組成成份，紊流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件，重複迭代計算模擬空間中細小格點之物理特性，可預測火災發生過程中，每個格點的速度、壓力、溫度、濃度值。場模式亦為隱性型式，但由於需要的假設較少，因此對火災現象可做較仔細、正確的描述，而且能預測複雜形狀建築物內煙的流動；但場模式的計算時間長，且需要高階的工作站或電腦方能執行。

第三部份火源設計

選擇火災模式進行火場預測分析或是消防工程設計時，適當火源的選用是相當重要的，就如同進行結構分析時必須採用適當的負荷一樣，

攸關整個模式分析是否趨近實際情況。火源之設計需考慮隨時間變化的

熱輸出值，在火災之初期階段，火源可充分地使氣流流動，此時其熱釋

放率由燃燒體之型式數量及外型輪廓來決定，由國外文獻所收集可得不

同物質其個自之熱釋放率如圖 1-3 所示。一般火源溫度隨時間變化可分

(18)

成三個時期：成長期、穩態燃燒期及衰減期，如圖 1-4 所示。由於火源

的漫延非常快，稍一不甚，當火源達至屋頂時，閃火即會發生，此時整

個區域的火勢即發展完成，當閃火（Flash Over）發生後，煙會大量產

生此刻的煙控系統已無效了。但是如果火源發生在大空間鄰接的小區域

內，適當的煙控系統設計，仍可將閃火後經由窗或門進入大空間的煙流

控制下來，以避免煙流無限制地擴大。因此火源開始燃燒到閃火發生

前，這段成長期可說是消防工程設計的關鍵時期，此時的偵煙器、撒水

頭及其他煙控系統必須能適時作動，人員的逃生避難也必須在此期間完

成。

(19)

圖 1-3 不同物質之熱釋放率

圖 1-4 火源溫度隨時間變化圖

(20)

第二年計畫實施之研究方法及進行步驟

第二年計畫重點為「實體廠房之實驗與數值模擬驗證」，將洽商國內 GMP 製藥廠商進行廠房火災防災性能分析合作，主要目的是以實際廠房之全場真實尺寸、進行其相關實體邊界、流場量測資料作為數值分析以及邊界條件設立的依據，以數值模擬方式分析其廠內之相關煙流場、判斷火害較嚴重之區域，擬定改善方案，以不同之排煙模式探討其對防火性能之影響；再進一步考慮生物廠房內易發生火害之單一區劃或重點區域，製作模型進行火災實驗，實驗的量測包括非穩態熱場之溫度，火場二氧化碳濃度與殘氧量等數據，並與應用泛用型計算流體力學軟體進行實體廠房之全場模擬分析做比較，進一步進行實驗與數值模擬之驗證，相關數據可作為防火安全設計程序的參考。整個計畫的研究方法流程圖如圖 1-5 所示。

為了驗證模擬廠房相關參數設計對火害之影響，相關實驗與量測方法詳述如下：

( Ⅰ 實驗方法 )

除了以相關之實驗設備(詳見附錄)進行火害參數之量測外(如熱釋放率、氣體溫度、煙層高度、偵煙器與撒水頭、排煙設施之作動時間等)，

並且亦將針對不同之防煙區劃設計、偵煙器、撒水頭、排煙設施之擺設

位置、排煙設施之性能設計，以定性及定量的方式瞭解其火災行為、最

後探討及分析其對防火性能之影響。

(21)

圖 1-5 研究方法流程圖

(22)

本計劃實驗之進行步驟，如下所列：

1. 將設計之火源(如燃燒器、油盤)放置在預定位置上。

2. 放置滅火設備。

3. 確認排煙風機狀況。

4. 注入燃料。

5. 開始記錄並計時。

6. 點火，煙層上升，觀察煙流動特性與煙沈積現象。

7. 觀察煙層下降至特定高度時，相關主動式消防設備(偵煙器與撒水頭) 作動情況。

8. 繼續觀察火勢是否擴大，煙層是否有持續下降之趨勢，閃燃是否發生。

9. 觀察煙層是否達到穩定高度之後，進行滅火，停止記錄。

10. 待火場區域之溫度下降至室溫，工作人員進行火場勘驗，收集並整理實驗數據。

11. 小組討論。

(II)量測方法

有關於全尺度區劃空間的量測方式部份以國際標準所定測試方法

ISO 9705[8]為參考，架設此全尺度科技廠房房間試驗所需之試驗設備

(見附錄)。在試驗房間內由一引燃源引燃後，廠房內量測溫度的熱電偶

樹和量測熱通量的熱通量計在各個測試點量測，量測時產生微電壓訊

號，經由資料擷取系統配合電腦即時處理軟體 LabVIEW 進行監控迅速

將資料收集儲存並即時運算，計算出一氧化碳和二氧化碳的產生率，以

及氧氣的消耗率，以此氧消耗率計算出熱釋放率，將所有結果都能馬上

顯現在電腦上。並紀錄相關的消防偵煙排氣設備之作動時間；燃燒的氣

體產物則是經由集煙罩和排氣管收集，在經過一段距離，使氣體速度

場、濃度分佈更趨均勻後，方由取樣管將氣體抽至 CO/CO

₂

分析儀以

(23)

及 O

2

分析儀進行氣體分析。在排氣管中同時裝設有雙向皮托管以及熱電偶用以計算管中流速，同時亦透過白光系統進行流動式煙濃度的量測。

第三年計畫實施之研究方法及進行步驟

第三年計畫重點為「生技製藥廠房的最佳化安全設計與模擬評估」。依照第二年計畫的成果進行包括灑水器與偵煙器之設置，排煙設備之評估、裝設與其性能評估，以及具有消防安全裝置之實體廠房的模擬分析與最佳設計，對於生技製藥產業界而言，在有限的資源下將更有效提高火災之預防，並且對廠內員工提供更好之生命安全保障。整個計畫的研究方法與進行步驟如下：

( Ⅰ 雙流體模型理論系統模擬 )

本計畫擬使用雙流體模型模擬火場中撒水頭作動時，噴出水霧與火源交互作用之流場、溫度場及煙的濃度分佈，在雙流體模型中使用 Eulerian - Eulerian 法則，假設兩種流體在模擬空間中流動，首先假設連續(Continuous)流體為空氣，而撒水頭所噴出的水滴(Droplets)隨著空氣而散佈(Dispersed)，如果水滴的尺寸夠小，則水滴可被高速的空氣流所驅動。火源的邊界條件仍繼續使用均質模型所推導出的火源處邊界條件，且初始時由於撒水器尚未作動因此模擬空間內只有空氣存在。

為研究撒水液滴大大小對火災溫度及煙流場的影響，在此假設撒水

平均液滴直徑分別為 300μm、600 μ

m、900

μ

m

及1200 μ

m，並比較此四

組不同液滴粒徑對火災流場的影響，同時將所得之結果配合相關文獻資

料，相互比較並調整後以了解此假設的合宜性。此外由於撒水粒徑尺寸

夠小，所以在此忽略液滴破碎及液滴粒子間的交互作用，即不考慮水滴

的結合。在雙流體模型中，液滴與周圍空氣之交互作用主要為熱傳與質

傳;當液體蒸發為氣體時，此氣體即空氣而成為空氣混合氣的一部份，

(24)

此外上水滴的速度與混合氣體速度相比較小。

由於撒水裝置利用液滴蒸發作用所造成的潛能吸熱效應，達到降溫及控制火場溫度的目的，因此在流體界面(Interface)的假設上，本研究將考量液滴與熱氣體界面因液滴的蒸散作用所造成的質傳及熱傳現象。假設撒水頭出口處水溫固定在 20

^oC，即其與所模擬空間之初始溫

度值相同；值得一提的是本研究不考慮外界氣候變化對水溫之影響，亦不考慮水在輸送管內的摩擦壓損。此外本文假設撒水頭出口水中空氣之體積分率為零;雖然空氣可有部分溶於水中，但其含量甚低，為簡化問題可以忽略不計。根據各類消防安全設備設置標準第 50 條得知，撒水頭先端應具有放水壓力 1 kgf/cm

2

，且放水量為 80 l/min 以上之性能，因此在此設撒水頭噴灑時之體積流率為 90 l/min，經換算得撒水頭水之出口速度為 3.75m/s。

在雙流體之模擬則採用另一套的計算法則，即相界面滑動運算法則 (Interphase Slip Algorithm, IPSA) ，此計算模式的發展是為了補足 SIMPLER 法則只能使用於單相流的限制，其求解步驟條列如下：

1. 使用猜測的速度場，解體積分率方程式。

2. 解所有的純量變數，例如 H， κ ，ε。

3. 使用猜測的壓力場代入動量守恆方程式，解出速度。

4. 加入體積分率方程式以形成共同的連續方程式(Joint Continuity Equation)，並代入所求得的速度場及體積分率計算其守恆誤差。

5. 將共同連續方程式轉換為壓力修正方程式，求出對應的壓力場，並修正原先的壓力場及速度場。

6. 直到滿足收斂及限制條件則停止計算。否則回到步驟一繼續進行迭代。

(Ⅱ) 撒水系統之設計

撒水系統之模擬大致可分為下列各重點工作：

(25)

(A) 模型建立：

在進行數值工作前，必須先建立模擬空間之幾何圖形，本研究將以實際廠房空間尺寸作為本研究的模擬空間，並使用泛用型計算流體力學軟體模擬此生技製藥廠房空間發生火災時，在撒水頭做動情形下探取不同的粒徑的液滴對火場空間的影響，及液滴在火場空間中的行為。並使用共軛熱傳（Conjugate Heat-Transfer）方法直接於能量方程式中解溫度之變數，得到溫度之分佈與擴散。

(B) 網格設定：

在進行數值計算前，必須先建立網格點。安排格點的方法有兩種，

一是均勻分佈網格系統（Uniformly Distributed Grid System），一是非均勻分佈網格系統（Non-Uniformly Distributed Grid System）。一般而言，為減少記憶體容量及減少計算時間，大部份格點的安排都配合流場趨勢，採用非均勻分佈網格系統。所謂配合流場趨勢，即在流場變化劇烈的位置處，多置網格；譬如在入口處、熱源附近等區域。

(Ⅲ) 邊界與初始條件

包括物件之邊界種類與數值條件。現就火源處、通風口、撒水口及迴水板等四處所之邊界條件。在模擬空間的初始狀態，係假設初始時模擬空間呈靜止狀態，並無速度及能量源，室內空間壓力為 1 大氣壓，

溫度為 298 K，亦無熱氣體及撒水液滴存在。

(Ⅳ) 排煙系統之性能估算

對一排煙系統之性能估算上，其送風機性能設計往往有著很重要影

響。送風機是屬於流體機械的一種，就送風機而言，依氣流進入及吹出

的方向大致可分為離心式 (Centrifugal)、軸流式(Axial-flow)、斜流式

(Mix-flow)以及橫流式(Transverse)等四種。其中因離心式葉輪所產生之

壓力較大，可克服排煙系統中之高阻抗，故對於需要高壓的管路系統

中，大多採用傳統之離心式葉輪。而離心式葉輪依其形狀又可分為前傾

(26)

式(Forward-Curved)、徑向式(Radial)及後傾式(Backward-Inclined)等三種類別；其中前傾式在相同需求風量下，它所佔體積在三者中為最小，對業者而言可節省製造成本，對消費者而言可節省使用空間與購置費用，

所以基於以上之考量，前傾式離心風機在空調設備中應用甚廣，可作為排煙設備風機選用之參考。同時在風量要求上，必須考量抽風效果能夠排去足量因火災所產生之熱煙，以使廠房人員有足夠之逃生避難時間，

而甚至再進一步減少火害擴散所造成之損失。本計劃擬設計、模擬一高性能之離心扇，以供此排煙系統使用，藉由設計與數值工具之結合，經由多次之反覆驗證已設計出一符合需求之排煙風扇。至於測試所使用之平台，則參考美國空氣移控協會(AMCA[18])所制訂的規範來做參考，

俾使性能較優之風機能對排煙效果有所提升。

子計畫間相關性

整個計畫在橫向連繫上，本計畫「生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究」為總計畫「生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立」

之子計畫一，該總計畫整合另外四個子計畫，分別為子計畫二「生物科技廠房毒氣外洩之流場模擬與排放控制」、子計畫三「生物科技廠房消防排煙與供水之管路系統最佳化設計」、子計畫四「生物科技廠房災害事件情境分析及緊急應變計畫規劃」及子計畫五「生物科技廠房災害危害辨識與風險分析技術」之進行，以達成包括災害危害辨識與風險分析技術、火災煙流分析及安全設計、火災/爆炸/毒氣外洩災害後果分析、

安全防護系統(供水/排煙...)、災害事件情境分析及緊急應變計畫規劃等

五項關鍵技術之研究。於總計畫整合下，除了理論與實務研究相輔相成

外，同時與國內生醫科技產業界進行緊密合作，藉此計畫之進行建立生

物科技產業之廠房設計與安全防災之準則，各子計畫分工與整合如圖

1-6 所示。

(27)

(總計劃)

生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立

總計劃主持人：林顯群教授

(子計畫一)

生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究

計劃主持人：林顯群教授

(子計畫三)

生物科技廠房消防排煙與供水之管路系統最佳化設計計劃主持人：陳文亮助理教授

(子計畫二)

生物科技廠房毒氣外洩之流場模擬與排放控制

計劃主持人：沈銘秋副教授 (子計畫五)

生物科技廠房災害危害辨識與風險分析技術

計劃主持人：羅玉山助理教授 (子計畫四)

生物科技廠房災害事件情境分析及緊急應變計畫規劃構想書計劃主持人：周永泰助理教授

資料彙整與分析

圖 1-6 各子計畫間橫向連繫之分工與整合圖

(28)

本在縱向延續研究上，本計畫乃以生技製藥廠房為研究對象，分別針對全場模式模擬與煙控分析，實體廠房之全尺度實驗與數值模擬驗證，以及最佳化安全設計與模擬評估為主要課題進行研究，計畫以三年為實施期限。在計畫執行的第一年期，將利用泛用型計算流體力學軟體進行研究分析，首先依照虛擬之生技製藥廠房建構數值模型，其次按照實際的環境條件設定模型的邊界條件，經由求解運算與迭代收斂，最後由後處理程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而由後處理程序所得到的各種重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。

第二年計畫將洽商國內 GMP 製藥廠商進行廠房火災防災性能分析合作，主要目的是以實際廠房之全場真實尺寸、進行其相關實體邊界、

流場量測資料作為數值分析以及邊界條件設立的依據，以數值模擬方式分析其廠內之相關煙流場、判斷火害較嚴重之區域，擬定改善方案，以不同之排煙模式探討其對防火性能之影響。再進一步考慮生物廠房內易發生火害之單一區劃或重點區域，製作模型進行火災實驗，實驗的量測包括非穩態熱場之溫度，火場二氧化碳濃度與殘氧量等數據，並與應用泛用型計算流體力學軟體進行實體廠房之全場模擬分析做比較，進一步進行實驗與數值模擬之驗證，相關數據可作為防火安全設計程序的參考。

第三年計畫則進行廠房消防安全最佳化設計與模擬評估，以第二年

計畫的成果為依據，進行包括火場灑水系統與排煙系統之數值模擬與分

析，偵煙系統之設置與評估，以及具有消防安全系統實體廠房的最佳化

設計等研究，對於生技製藥產業界而言，在有限的資源下將更有效提高

火災之預防與安全，並且對廠內員工提供更好之生命保障。整個研究計

畫流程圖如圖 1-7 所示。

(29)

計畫執行開始

建構虛擬生技製藥廠房之物理模型

廠房之火災全場模式數值模擬

流場 ,溫度場與煙流分析

建立廠房火災煙控與最佳排煙模式

洽詢生技製藥廠進行火災實驗合作

實體廠房之火災數值模擬實體廠房之火災全尺度實驗

實驗與數值驗證

Y es N o

火場灑水系統之數值模擬與性能分析

火場排煙系統之數值模擬與性能分析

具消防安全系統廠房之最佳化設計

計畫完成第

一年計畫重點 :

第二年計畫重點 :

第三年計畫重點 :

全場模式模擬與煙控分析

實體廠房之實驗與數值模擬驗證

最佳化安全設計與模擬評估

煙霧偵檢系統之評估與分析

圖 1-7 本計畫縱向研究延續之進度流程圖

(30)

1.3 預期完成之工作項目及成果

本計畫乃以生技製藥廠房為研究對象，計畫以三年為實施期限。在計畫執行的第一年期關注於「全場模式模擬與煙控分析」，將利用泛用型計算流體力學軟體進行研究分析，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。第二年計畫焦點在「實體廠房之實際量測與數值模擬驗證」，將洽商國內 GMP 製藥廠商進行廠房防火安全評估與實驗合作，進一步與數值模擬之驗證，相關數據可作為防火安全設計程序的參考。第三年計畫則「消防安全最佳化安全設計與模擬評估」，規劃生技製藥廠的消防安全系統作最佳化設計，對於生技製藥產業界而言，在有限的資源下將更有效提高火災之預防。整個計畫預期完成之工作項目及成果如下詳述

第一年計畫預期完成之工作項目及成果

1. 虛擬生技製藥廠房之建構

生物製劑製程繁瑣，與一般工廠流線式生產不同，且採多空間設計為主，因此多空間之組合設計是重要課題。另外生物製劑屬藥理活性的物質，有污染之虞，此與一般製造工廠亦有所不同，必須在潔淨室操作生產，潔淨室設計是生劑廠重要一環，而此潔淨室的規格要求又與半導體廠房有所差別。根據以上物理模型之評估後，本計畫將應用電腦輔助設計軟體依照文獻提供之原廠尺寸作比例縮圖，並依文獻資料佈局製成機台與相關設備，除繪出該模型之三維視圖外，將可作為數值模擬軟體之系統模擬原圖。

2. 火災全場模式之數值模擬

本計畫將應用模擬軟體進行全場模擬，首先蒐集完資料之後需要將

收集到的資料建立出一個資料檔。在資料檔中包含計算範圍、建築物的

(31)

尺寸、內部空間之規劃、裝潢材料和火源的位置及熱物理性質、火災情境、牆壁開口、計算格點數、灑水頭或偵煙器的各個參數與其他邊界條件等，以建構火場的幾何邊界條件，並模擬火場中可燃物進行燃燒反應與火場中熱流與煙流的動態變化，其結果可以利用軟體，以 3D 的方式直接顯示火場中煙、熱及其他氣體隨時間的變化情形，並且可同時模擬撒水頭動作後火場溫度、煙氣等隨時間的變化情形。本計畫的生技製藥廠房火災模擬評估，藉由數值模擬結果如火場溫度、氧、一氧化碳、二氧化碳、煙氣之歷程表，基於目前對有害人體氣體、溫度的了解，將可定訂其人命危害界線。

3. 穩態與暫態之流場、溫度場與煙流分析

本計畫根據廠房之全場模式數值模擬後，將進行穩態與暫態分析，

其中穩態分析主要探討流場趨勢、溫度場，及二氧化碳濃度分佈，而又分為整體分析及安全度分析兩部分。整體分析主要探討整體流場、溫度場，及二氧化碳濃度分佈，針對其整體現象及趨勢做分析。安全度分析主要是探討流場、溫度場，及二氧化碳濃度分佈，針對其危險溫度及作業環境最大允許之二氧化碳質量分率做一危險度分析。暫態模擬主要是分析溫度、二氧化碳濃度，及流場隨時間變化的情形。預計對於廠房火災現場的物理現象，可建立清晰完整的脈絡的分析資料。

4. 火場最佳排煙模式之建立

本計畫擬利用煙柱捲吸率預測公式及煙柱模式，作為火災設計考量

最為安全，以及補氣口在各種不同的補氣、排煙系統中，評估兩者的差

異性，並對於煙層最後穩定高度的影響狀況作分析。預計可提供本計畫

第三年消防安全設計最佳化之參考依據，進而獲得最佳的煙控系統。

(32)

第二年計畫預期完成之工作項目及成果

1. 實體廠房之防火性能評估

在此將對實體廠房尺寸進行實際量測，作為數值模擬分析之依據，

並且再根據模擬結果歸納其缺失所在，擬定不同之改善方案、以數值方式探究改善方案對煙流場之影響，評估其防火性能。

2. 進行實體廠房之實驗量測

本計畫將對實體廠房進行防火性能評估中火害較嚴重之部分區域進行實際量測並作設計分析，對於火場最重要的煙流分析部分，將進行包括煙捲吸率的量測實驗，主要可分為兩種方法進行：第一種實驗方法為直接量測煙柱的速度、溫度，並藉由時間平均法則積分求得煙捲吸率。第二種實驗方法則是利用集氣罩以及可調節風量之排風機收集火災產生的濃煙於集氣罩內，而當集氣罩內的濃煙高度維持在一穩定的高度，則此時排風機的排氣風量等於煙柱捲吸量，故在此高度下的煙捲吸率將可求得。另外也將直接量測火場溫度、煙濃度、燃燒物質的熱釋放率、二氧化碳與一氧化碳濃度以及殘氧量等，可作為廠房火場模擬的驗證依據。

3. 進行實體廠房之火災數值模擬

本計畫將針對實體廠房以泛用型計算流體力學軟體進行模擬，經過 CFD 的火災模式計算後，將可以得到火場中的溫度、壓力、流速、一氧化碳、二氧化碳與煙粒子等重要參數的分佈狀況，進而運用這些數據來分析討論火場的情況。

4. 實驗數據與模擬結果之驗證分析

模擬的結果與實驗值進行比較包括相對應位置之溫度場、速度、以

及各氣體如氧氣、一氧化碳、二氧化碳濃度之結果驗證比對。

(33)

第三年計畫預期完成之工作項目及成果 1. 灑水系統之模擬分析與性能評估

本計畫將應用泛用型流體力學軟體對生技製藥廠具有灑水系統在發生火災情況下，進行高溫火場於灑水頭作動下的模擬，將可得到不同粒徑的撒水液滴對火災空間的流場速度、溫度及煙層所造成的變化與影響，並藉所得模擬結果，探討不同粒徑液滴在高溫火場中的流動行為，

在不同撒水粒徑的帶動下，燃燒所產生的熱氣層散佈情形，及液滴粒

徑對火災空間內溫度與煙層分佈的影響。並可得到液滴在火柱區的濃度分佈情形，以比較不同粒徑液滴對火源的滲透性。

2. 排煙系統之模擬分析與性能評估

通風設備主要是比較自然通風與機械強制通風對溫度場的影響，透過不同的風機效能設計上的要求，再進一步配合生物廠內適當之擺設位置，評估是否達到防火性能要求，以減少火害所造成的損失。

3. 煙霧偵檢系統之評估與分析

配合模擬煙場之煙流結果、考慮最適當之偵煙器擺設位置、以期能在火勢發展初期，即能順利作動，使撒水頭及排煙設備能及時啟動，抑制火勢、爭取人員避難逃生之時間。

4. 生技製藥廠之消防安全最佳化設計

本計畫根據所進行火災煙流擴散動態分析研究，可針對不同之火災意外狀況與煙量產生恕限設定，利用三維空間電腦軟體進行火災煙流數值模擬分析。此外防排煙系統工程設計，將考量垂直層流對煙流影響、

防煙區劃、排煙量影響等評估進行防排煙系統工程設計，並進行功能性

之評估。本計畫可由火災歷程與偵測器之關聯分析與空調、排氣與排煙

系統相互影響分析，來建立廠房消防安全之最佳化設計。

(34)

1.4 計畫成果自評

本計畫執行成果與計畫預期目標之相符程度達百分之百，且本研究成果亦具有學術價值，未來預計將可發表碩士論文 1 篇、國內外學術研討會論文 2 篇。此外，本研究所模擬之排煙，可提供讓生物科技廠為參考，故亦具有技術轉移或申請專利之價值。

圖 1-8 計畫成果自評

(35)

綜合三個子計畫知道，第一年所規劃之進度皆已完成，部分甚至以超前到第二年的進度。藉由總計劃「生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立」清楚告訴大家台灣要更注重這高產值產業的安全。

可由子計畫『生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究』知道面對目前現有多元化、複雜化、高層化與地下化的建築物或特殊製程，提供適當的消防防護與防火設計是一項非常具有挑戰性的工作。

煙控系統能夠有效地將煙層集中，但排煙口面積跟排煙速率還需再做最佳化，讓煙層的沉降速率減慢，並加大排煙的量，以延長科技廠房中工作之人員逃生的時間，並減低成本的損失。

子計畫『生物科技廠房毒氣外洩之流場模擬與排放控制』知道不同類型之毒氣發生外洩後的擴散與流動狀況，以及危害區域的分佈與大小，大致皆不完全相同，因此其最佳之「進/排氣組合模式」與「逃生口」的裝設位置，也不儘相同；不過唯一相同的是「毒氣感測器」

的裝設位置，無論何種毒氣之洩漏，皆建議安裝在廠房之東北角。

子計畫『生物科技廠房災害危害辨識與風險分析技術』讓大家了解到生物科技廠房如果發生災害對環境對公司本身都會帶來很大的損失。雖然規劃出生物科技廠房之災害辨識，但現行安全管理實施上，由前幾章節明顯發現，現行生物科技廠房安全管理工作，仍有以下問題待克服：

1. 未落實廠內風險管理：一般而言，工廠實施危害鑑別、風險評估和風險控制的程序均有缺失，未能找出並消除廠內危害發生源，以避免事故發生。

2. 法規調整尚不足够：由於主要先進國家之安全法規均朝向性能式的方向設計，以避免因法令規定落後於科技之進步，阻礙安全管理之發展，我國亦有必要調整跟進。

3. 區域安衛互助機能尚不完整：我國近年雖積極推動區域聯防工

作，但以目前的推動情形來看，仍有進一步落實的空間，以提

(36)

昇區域整體安全，強化工廠應變機制，減少個別事故衝擊。

4. 無完整之安全文化：認知的不足，往往是事故發生的主要因素，

故有必要落實雇主對安全之承諾，改變員工工作態度，強化教育訓練，使安全成為員工自發性之本質。

5. 安全檢查機制及效能仍特提昇：為喚醒雇主和勞工重視安全，

有必要改採更有效合理之安檢策略和方法，使重點管理之效能

發揮至極限。

(37)

第二章火災概論

火災可怕的主要乃是火災過程中材料燃燒產生的結果明顯脅到人員性命，無論是對火災燃燒系內及鄰接區域之人員，但其相對嚴重性依每次火災狀況而定。火災對於人命安全之效應概分述如下[5]：

(1) 氧氣耗盡（Oxygen Depletion）

一般人類慣於在大氣之 21%氧氣濃度下自在活動。當氧濃度低至 17%，肌肉功能會減退，此為缺氧症（Anoxia）現象。在 10～ 14%氧氣濃度時，人仍有意識，但顯現錯誤判斷力，且本身不察覺。在 6～

8%氧氣濃度時，呼吸停止，將在 6～8 分鐘內發生窒息（Asphyxiation）

死亡。由火災引致之亢奮及活動量往往增加人體對氧氣之需求，所以實際上在氧氣濃度尚高時，即可能已出現氧氣不足症狀。一般人存活的氧氣濃度低限為 10%，然而能否到達些程度及多快到達，則依每次火災及燃燒系內不同位置而異，因為此濃度受可燃物濃度、燃燒速度、

燃燒系體積及透氣速率所影響。

(2) 火焰（Flame）

燒傷可能因火焰之直接接觸及熱輻射引起。由於火焰鮮少與燃燒物質脫離，所以對鄰接區域內人員常產生直接威脅，這點與燃燒氣體及煙不同。皮膚若維持在溫度 66℃（150℉）以上或受到輻射熱 3W/cm

²

以上，僅須 1 秒即可造成燒傷，故火焰溫度及其輻射熱可能導致立即或事後致命。

(3) 熱（Heat）

熱對於燃燒系內及鄰接區域之人員皆具危險性。姑不論任何氧氣

消耗或毒害性效應，由火焰產生之熱空氣及氣體，亦能引致燒傷、熱

虛脫、脫水及呼吸道閉塞（水腫）。生存極限之呼吸水平溫度（Breathing

Level Temperature）約為 131℃（300℉）；但室內氣溫高達 140℃時仍

(38)

能存活短暫時間。又呼吸水平高度，從地板向上算起一般約為 1.5 公尺

（5 呎）以上之距離，有時居室人員中兒童佔有顯著比例時，安全設計上則採用 1.2 公尺（4 呎）水平高。對於呼吸而言，超過 66℃（150

℉）之溫度便難以忍受，此溫度領域可能會使消防人員救援及室內人員逃生遲緩。

(4) 毒性氣體（Toxic Gases）

一般高分子材料之熱分解及燃燒生成物成分種類繁雜，有時多達百種以上，然而對人體生理有具體毒性效應之氣體生成物僅是其中一部分，如表１所列舉。這些氣體之毒害性成分基本上可分為三類：

１.窒息性或昏迷性成分。

２.對感官或呼吸器官有刺激性之成分。

３.其他異常毒害性成分。

雖從火災死亡統計資料得知，大部分罹難者是因吸入一氧化碳

等有害燃燒氣體致死，但有時不宜過於強調，因為沒有一次火災情況是

相同的。此外一部分火災試驗也顯示有許多情況下任一毒害氣體尚未到

達致死濃度之前，最低存活氧氣濃度或最高呼吸水平溫度即已先行到

達。

(39)

有機高分子材料燃燒產生之毒性氣體成份來源材料 CO , CO2 所有有機高分子材料

HCN, NO, NO2, NH3

羊毛，皮革，聚丙烯睛

﹝PAN﹞，聚尿酯﹝PU﹞，耐龍，

胺基樹脂………等 SO2, H2S,

COS, CS2

硫化橡膠，含硫高分子材料，

羊毛 HCl, HF,

HBr

聚氯乙烯（PVC）、含鹵素防火劑高分子材料，聚四氟乙烯（PTFE）

烷，烯聚烯類及許多其化分子

苯聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚酯等

酚，醛酚醛樹脂

丙烯醛木材，紙

甲醛聚縮醛

甲酸，乙酸纖維素纖維織品

表 2-1 有機高分子材料燃燒產生之毒性氣體 (5) 煙（Smoke）

煙之定義為"材料發生燃燒或熱分解時所釋放出散播於空氣中之

固態，液態微粒及氣體"。煙是火災燃燒過程中一項重要的產物，因為

能見度（Visibility）是避難者能否逃出發生火災之建築物，以及消防

人員能否找出火災、撲滅火災的影響因素。煙會助長驚慌狀況，因為

它有視線遮蔽及刺激效應。在許多情況，逃生途徑上煙往往比溫度更

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早達到令人難以忍受程度。

(6) 結構強度衰減（Structural Strength Reduction）

因熱害（Heat damage）火燒造成建築物之結構組件破壞具有明顯潛在危險性。可能發生清況有脆弱化，地板承受不起人員重量，或牆壁、屋頂崩塌。另外，火災對結構之破壞，有時不易單從外觀察覺，

因此火災後結構強度衰減程度的評估相當重要。建築物因結構受火害而崩塌毀壞的情況不多，但不可輕忽建築物受到第二次外來災害可能發生之危險。

2.1 閃燃

關於閃燃(Flashover)及複燃(Backdraft)一直是消防從業救災人員所懼怕的兩個名詞，因為一但發生時，由於發生的突然又迅速，救災人員若未及時撤離，將導致人員傷亡[6]。

何謂閃燃 Flashover：

「閃燃」是室內火警初期，因溫度逐漸升高而引至的一種現象。為便於說明閃燃現象，茲就建築物火災進展的過程，略述如下，火災初期由起火點附近可燃物的燃燒，而緩緩擴大到燃燒室內裝設物，此時室內上部亦緩緩蓄積可燃性氣體，假設該空間為密閉空間，當室內發生火警，火災到了最盛期時，可燃性氣體達到發火溫度，使火勢急速擴大，

火勢增強時火焰包圍整個室內，如果導致火場內的溫度升至攝氏六百度

或以上時，火場內所有物件都會自動燃燒。而室內的有機物料便會因火

勢而分解出可燃性物質，過程中所產生的熱氣體便會向上升至天花而在

室內迅速擴散。室內頓時變成全面燃燒只剩餘燼。被分解出來的可燃性

物質在得到足夠的熱量時便會燃燒，這種情況稱為「閃燃」，火勢過了

最盛期後，進入衰退期，此時可燃物幾乎燒盡。火災現場的閃燃，所

衍生含高溫及高濃度有毒氣體濃煙，會瀰漫整個建築物，並大且向室外

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「閃燃」是一種非常複雜的現象，閃燃現象發生後，人在室內已無法生存，故所有人員必須在此之前，向室外逃生。因此閃燃點在決定避難容許時間之目標上，具有重大的意義。火災發生後至達到閃燃為止之時間，稱為閃燃時間其發生受到各種因素的影響。

1. 室內可燃物之種類、形狀、數量及分佈狀況( 內部裝璜材料)。

2. 供應室內空氣量大小(即開口部大小與位置)。

3. 火災室內構造材料的抗熱性能。

4. 點燃火源的大小與位置

所以在室內裝璜時，儘可能在天花板面及牆壁上部，使用難燃，厚度大且熱傳導率高之材料;又遇火警時，不要隨意破壞開口，如此則可預防閃燃現象之發生。

預防閃燃方式(Flashover Prevention System)

如能在火勢未發展到閃燃之前，能介入從事滅火是較相對容易且危害將較小，而在閃燃後火勢搶救，則需較大滅火資源與大火伴隨較大危害度；實際上改變消防隊如此快速反應部署到火勢現場，以預防建築物閃燃發生，事實上是不可能的。我們必須另外尋找解決之方法，很明顯地，我們需要一套預防閃燃的方法。

閃燃如何快速地發生，當人們以木造結構建築物房屋或內部配置許多木製、塑膠製品傢俱，一旦起火燃燒，大量高熱源源釋放出，在可燃性物質之間彼此交互作用…＂，防火宣導大眾住宅用品使用阻燃處理與防焰處理製品。住宅撒水設備也是好的答案，假如消防隊人員反應動作迅速，消防車能以最快速到達現場，儘可能縮短時間來對抗火災問題；

那麼今天的火災損失問題就可為大眾所可以接受呢？然而實際調查後發覺，在專職消防隊反應時間是 4.6 分鐘，而非專職消防隊是 6.6 分鐘，以上皆未包括車輛到火場行進途中時間，而一般建築物住宅場所火災，閃燃發生時間僅需 3.3 分鐘即已降臨。

一般人的觀念認為功能基準在於起火房間的閃燃 (Flash-Over)預

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防，火災影響更詳細的說，包括熱(Heat)、熱輻射 (Thermal Radiation) 及煙 (Smoke)。Performance Requirement 則是控制起火房間的火災擴散，如果火勢沒有離開房間，人員也在起火房間外部，如此將不會暴露在輻射熱和高溫中，受煙侵害將會最小。為了符合功能要件，就需要一份預防起火房間發生閃燃的 Performance Criteria ，這裡所依據的是一旦最上層氣體閃燃，火勢將擴散至起火房間之外。為符合上述基準，工程師必須設計成可將頂層最高溫度控制在 500。C 以下，以預防閃燃之發生。

何謂煙爆 Backdraft 搶火，又稱「回燃」：

多在火警發生的後期產生，在密閉空間內，由於空氣不流通，尤其是當火勢已維持了一段時間，可燃性氣體便會積聚。這些氣體不一定會著火，特別是在氧氣不足的情況下。然而，當有足夠的空氣引入火場內時，如打開(破)門，溫度升高至 400-500℃ 玻璃熔化，空氣進入，便與濃烈的可燃氣體混和，極易引起回燃。當氣體遇上火源( 原來即有高熱 )，燃燒便會猛烈地發生，並引發出一股爆發性的火焰擴散，朝著空氣入口衝出室外，這個現象稱為「回燃」。

在火災現場中，另有一種與閃燃很相似的現象，那就是「煙爆」。

當建築物發生火災，火勢在封閉的空間燃燒時，會很快的消耗空氣中的

氧氣，室內將在消耗了全部的氧氣後，漸漸停止火焰，減緩燃燒，此時

受高熱的燃料仍不停地散發碳及氫分子，使氧化過程減緩，但熱度卻逐

漸升高。由於高熱使燃料繼續氧化分解，產生可燃性氣體，導致火域內

充滿著一氧化碳及其他易燃性氣體更因空間是封閉的，熱氣不易流散而

聚集成漏斗形於天花板上，此時，如有任何新鮮空氣流入空間的低層部

位，將加速再燃燒的程度，並產生含大量火與煙的爆炸，而當消防人員

進入室內時，必然會帶入新鮮空氣〈包括氧氣〉，而導致這些可燃性氣

體(一氧化碳等)，產生快速的燃燒而爆炸，這就是所謂:煙爆 (Smoke

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「煙爆」使室內又重新劇烈地燃燒起來，但是它並不是真正的爆炸，而是在一個濃煙瀰漫的火域空間中，由於新鮮空氣的加入，使可燃性氣體產生快速點燃的現象。

煙爆可能產生兩種結果，其一是由於熱的爆發、排出，而使火熄滅另一種情形是將引起其他地方的燃燒，並使原來的火域又回到劇烈燃燒的狀態。消防人員必須認識煙爆發生的徵候，並能有效的攻擊，防止其發生。煙煤最初及最顯著的徵候便是濃煙的出現。假如煙是黑色或油煙色，呈陣陣沸騰及滾動狀，甚至向地板面進行，則極有可能將發生煙爆，

如果由窗上看到有油污或水污自玻璃面流下，也可說明是另一種徵候，

如果火焰不似平常燃燒時的爆裂狀況呈暗橘色時，煙煤的可能性更高。

當發現門及內牆從上到下，摸上去都有很高的溫度或見有煙從裂縫或小孔中噴出時，這些徵候，特別是同時具有以上所述不同的情形出現時，

消防人員便要特別注意，除非經過適當的通風予以防範，否則回燃狀況對消防人員將會產生重大傷亡。

(Ⅰ) 閃火前的火源

閃火前的火源，如前圖四中的火源成長期。1972 年 Heskestad[16]

提出由實驗值發現火源成長期中，火源隨時間釋放的熱值與時間的冪次方成正比，所假設的火源熱釋放率如下列方程式所示：

由於大多數的燃燒火源（除了可燃液體和其他物質外）其熱釋放率隨時

間變化的關係，可利用理想化的拋物線方程式來表示，也就是將上式中

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的 n 取 2 並且加入不同火源成長時間的觀念成為如下方程式所示

此式被通稱為”T-squared Fires”，被廣泛使用於火源成長模式，同時透過火源成長時間 t

g

的定義：有效燃燒成長至 1055kW（1000 BTU/s）

所需時間，可將 T-squared 的火源區分成 Ultra-Fast、Fast、Medium 及 Slow 四種成長曲線。

(Ⅱ) 閃火後的火源

此種情況的熱釋放率為

上述中的 R 可定義為

上述公式從實際實驗木屋而得，不過該式仍可運用於大部份型態的

火源負載(Fire Load)。通常火源負載一般可換算成等重量之木材，火源

負載可以 MJ 或 MJ/m

²

，也可以 kg 或 kg/m

²

之木材來表示。

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2.2 火災設計之安全與評估

建築物防火安全設計以確保人命安全為首要，在高科技生物廠房設計之防火性能要求上、為進一步確保其相關製造設備財產最小的火害損失，則在避難動線、防火區劃設計、消防設備完善與否，必須有其評估標準。因此、除了在性能法規上之外、同時必須以實驗及數值模擬方式驗證其性能設計的可行性；另外有關程式驗證代替真實火場之模擬，目前模擬程式擬真度相當高，未來在防火設計評估中，主要應會朝向以程式模擬做為工具，以做為評估廠辦建物之火災危害度。

針對實施性能法規時，所需要配套措施性能式防火設計

（Performance-based Design, PBD）之設計程序（Design Procedure）的相關內容進行研究方面[6]。

一、火災預防計劃(Fire Prevention Program)

應建立火災預防計劃，其項目應包含以下事項:

1.告知從業員工及承包商火災安全資訊，至少應包括火災預防程序、火災通報及包含避難的電廠緊急警報。

2.建立電廠視察文件，包含為改善火災危害條件所裝設的改善裝置。

3.內部管理及暫存可燃物的處理程序。

4.可燃性氣體及液體的處理程序需符合 NFPA 相關的程序。

5.抽煙、氣焊、磨及熔切相關施工動作的標準作業程序。

6.火災預防監督計劃。

7.火災通報程序，包括確認及正確處理之規定。

二、火災危害分析(Fire Hazard Analysis)

各場所應建立火災危害分析並應包括下列事項:

1. 建築物構造、陳列及設備，包括防火區劃、區劃邊界的防

火等級。

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2. 各防火子區劃內主要可燃物之儲存量清單。

3. 火災防護裝置的概述，包括警報系統、手動及自動滅火系統。

4. 確保安全停機設備的描述，包括設備間之電纜、導管及此類裝置的位置。

5. 假設手動及自動滅火設備失效的情境下，火災對每間防火區劃安全停機裝置的影響。

6. 假設固定式滅火系統動作情況下，分析火災對生命安全、污染物釋放、設備操作的損害及財產的損失。

7. 分析地震、風暴及洪水對火災防護設備的潛在影響。

8. 失控火災可能造成非安全停機相關設備潛在影響之分析，例如污染物的釋放及運作之影響。

9. 分析火災後復原能力。

10. 核安相關系統及組件因火災防護系統誤動作或破裂所造成影響之分析。

11. 煙控系統及煙對核安與各個防火區劃運作影響之分析。

12. 有效損失控制所需之緊急計劃與協調規定之分析，應包括主動式或被動式火災防護系統失效的補償措施。

三、火災緊急應變計劃(Fire Emergency Plan)

應建立火災緊急應變計劃，至少應包括下列事項:

1. 火災之應變及負責人通報事項。

2. 廠區及轄區消防隊通報。

3. 人員避難。

4. 安全、維護、操作及公關人員之配合事項。

5. 滅火行動。

6. 火災後復原及污染物控制事項。

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8. 失火對策。

9. 緊急應變組、防護、安全及其它與火災防護計劃相關組織之敘述。

四、失火對策(Pre-Fire Plans)

1. 註明核電廠中，因為安全或輻射因素限制人員進入之地區及允許進入這些區域的方式。

2. 包括該區域平面配置、任何與安全停機相關的組件、滅火系統及可能遭受到的火災危害。

3. 應依需要定期更新。

4. 應放置於控制室及核電廠消防隊。

5. 失火對策應載明緊急事故發生時與電廠其他應變組合作事項。