高層建築火災之壓力煙控系統分析

Transcription

1 第一章緒論 1.1 緣起與目的 1993 年 2 月 26 日美國紐約之地標 世界貿易中心 (World Trade Center), 因恐怖份子之襲擊, 於 B 2 層地下停車場發生爆炸並引起大火, 造成千餘人死傷, 其火災示意圖如圖 1-1 所示 爆炸後, 除造成爆炸點附近六人直接死亡外, 並引起 25 至 30 部車輛燃燒產生巨量的濃煙, 藉由樓梯間的煙囪效應, 竄進 22 層的飯店與 110 層的雙塔主要建築, 而此 煙害 前後共造成千餘人受傷 當時的外氣溫度只有 2 o C(36 o F), 外界風速為 16 km/h(10 mph), 且再加上其高達 110 層的高度, 故其樓梯間的煙囪效應相當巨大 再加上當火災警報發佈時, 於地下層有許多人搶著避難逃生, 是故 B 2 層及 B 1 層樓梯間的門一直被欲往樓梯間人群堵住而開著 於是濃煙便順著樓梯間的門進入樓梯間內 加上其樓梯間並無加壓煙控系統, 所以人們大量的自高層之樓梯間向下逃生時, 巨大的煙囪效應造成濃煙大量竄升, 致許多人於利用樓梯間逃生過程中受到嗆傷 本棟百餘層超高層建築, 自外部灌救或以雲梯救人之效果, 可想見的只屬於 杯水車薪, 產生不了作用 根據紐約市消防局事後之調查結果顯示, 如圖 1-2, 此大樓並無設計樓梯間加壓系統, 是為最大的敗筆 而且紐約市消防局長 Mr. Brezenoff 表示原設計以撒水系統取代煙控系統, 此實為不正確的想法, 兩者應為互補關係 同時, 其煙控系統設計顯然沿用傳統之排煙概念, 無法有效進行煙控 故類似像紐約世界貿易大樓的高層建築, 有必要在其內設置壓力 1

2 煙控系統 例如樓梯間加壓煙控系統, 不僅可以提供安全的垂直逃生線路, 更可大幅縮短逃生路徑, 此項對於高層建築的避難行為特別重要 因為傳統的高層建築內的樓梯間沒有加壓的話, 則其避難路徑將是從居室到樓梯間再到地面, 而從樓梯間到地面的距離可能為數十層! 但若設置樓梯間加壓煙控系統, 則其避難路徑僅從居室至樓梯間而已, 大幅縮短逃生避難路徑 類似像紐約世貿大樓的重大火災事例在全世界引起極大的迴響與省思, 並觸發國際間大量進行對樓梯間加壓設計的系統化研究, 及促成 NFPA 92A 對此壓力煙控系統設計規範之制定 目前, 歐美等先進國家及澳洲 紐西蘭, 甚至亞洲之星加坡與中國大陸, 皆已將樓梯間加壓系統明訂於國家消防法規中並予以規範 我國台灣地區之消防法規與系統設計長期沿襲日本系統, 以 排煙 為設計之主軸, 並無融入加壓煙控之觀念 另一方面, 由於工商之快捷成長, 大都會區高層建築林立, 經由壓力煙控, 以提供一條無煙的避難路徑 (to provide a smoke-free escape route) 為最佳的系統設計選擇, 其相關規範與設計技術亟須儘速建立, 此即為本研究之主要目標所在 2

3 圖 1-1 美國紐約 世界貿易中心 火災示意圖 3

4 圖 1-2 紐約世貿大樓火災事後調查結果剪報 4

5 1.2 研究方法與步驟本計劃主要工作內容, 首先蒐集國外先進國家之壓力煙控系統設計資料, 以分析及吸收其設計手法 同時, 建立此系統設計之主要數值模式, 包含煙囪效應之計算等, 以進行電腦模擬, 並進行一設計實例分析 並進行國內典型建築之樓梯間加壓系統案例調查及分析 其次, 參酌 NFPA 92A 之相關設計規範, 及先進國家之消防法規相關規定, 作一系統化比較分析 最重要的是, 嘗試建立一套適合台灣地區使用之高層建築壓力煙控系統設計規範, 以為未來實際實施之重要參考與依據 計劃之最後階段, 將提出結論與建議, 使研究成果能落實為實際之工程應用技術, 及作為新定相關法規, 或設計規範之重要參考依據, 而完成整個研究計劃之工作內容 承上所述, 本計劃主要工作內容及其詳細進行步驟, 可示如下圖 1-3 之工作流程圖 : 5

6 計劃開始 先進系統設計手法分析與資料蒐集 台灣地區典型 數值模式建立 NFPA 92A 建築之樓梯間 規範之分析 加壓系統案例 電腦模擬 分析 適合台灣採用 設計實例分析 之設計及計算 模式與規範建立 結論與建議 計劃完成 圖 1-3 研究計畫工作流程圖 6

7 1.3 預期成果經由本研究計畫之執行, 預期將可完成如下之具體成果 : 1. 建立高層建築壓力煙控系統之先進設計數值計算模式, 配合台灣地區之氣象條件與高層建築特色, 完成典型系統設計手法分析 2. 進行我國典型高層建築樓梯間壓力煙控之設計實例分析與案例調查, 以作為實際工程應用之參考 3. 分析 NFPA 92A 及其他先進國家消防法規與設計規範對於高層建築壓力煙控系統之相關規定, 融合其精神, 建立我國台灣地區試用之藍本, 以為未來實際建立此規範條文之重要參考依據 7

8 第二章美國消防法規 NFPA 92A 簡介 2.1 基本概念與定義於建築物設計煙控系統時除了依循前面所述各種設計原理外, 最重要的是要合乎各種法令的規定 美國國家防火協會 (National Fire Protection Association) 制定了將近二百多種適用於各種建築物採用的法規, 其中 NFPA 92A Recommended Practice for Smoke Control Systems 1993 Edition 為一般典型建築物所適用, 為國際間知名之煙控系統法規 故以下各節將介紹 NFPA 92A 之內容 在 NFPA 92A 開宗明義就提到所有的火災會產生煙, 假如沒有將煙控制的話, 將會擴散到整個建築物危及到生命財產的安全 故應設計煙控系統用來抑制煙流進主要之逃生出路 出口通道或其他建築物相似作用的區域 當設計煙控系統時, 若加上自動撒水系統或其他類似設備時, 則對煙控效果將有莫大的幫助 其次,NFPA 92A 所包含的範圍有煙控系統之設計 裝置 測試 操作及維修, 另外還包含空調系統改成煙控系統之設計等 其制定的主要目的係提供指導, 以達成以下一項或多項目標 : a. 在避難逃生期間, 能提供一安全逃生通道 b. 控制和減少火災區煙的擴散 c. 控制並保持未著火地區之環境, 以利搜救滅火工作之進行 d. 保護人員生命安全和減少財物損失 以下則列出一些煙控系統名詞之定義 Fire Fighters Smoke-Control Station(FSCS) 防災中心 : 防災中心應包括具監控和凌駕煙控系統能力及具指出建築物內 8

9 部火災位置之設備以供消防隊使用 Pressurized Stairtowers 樓梯間加壓 : 利用機械方式對樓梯間加壓, 以避免火災發生時樓梯間遭到煙的汙染 Smoke 煙 : 煙乃是由物質燃燒後形成的固體懸浮物 液體粒子及氣體粒子, 再加上引進的空氣混合而成 Smoke Barrier 煙隔板 : 垂直或水平的隔板, 例如牆 樓板或天花板的組合, 它是設計及建造來防止煙的流動 防煙隔板有兩種, 一種可以防火, 另一種不能防火 煙隔板也可能有開口而此開口係靠能關閉的設備或足夠的氣流來保護 Smoke-Control Mode 煙控模式 : 為達煙控目的之煙控系統或裝置所預先定義之操作形式 Smoke-Control System 煙控系統 : 利用機械式風扇產生氣流及擋板兩側之壓力差來限制或導引煙的流動之工程系統 Smoke-Control Zone 煙控區劃 : 於建築物內利用煙擋板所封閉形成之空間, 包括頂部及底部, 為區域煙控系統之一部份 Smoke Damper 防煙閘門 : 須符合 UL555S 要求之裝置, 設計用來防止煙或空氣通過 Smoke Exhaust System 排煙系統 : 9

10 利用機械或重力方式將煙區的煙排除至建築物外部之系統包, 括煙的移除, 清淨及通風系統 Smoke Zone 煙區 ( 火災區 ): 發生火災的位置所處之煙控區劃 Stack Effect 煙囪效應 : 由於建築物內 外之溫度差所造成的建築物內之垂直氣流 Tenable Environment 可維持環境 : 區域煙控是提供一個無煙區域讓逃生人員有足夠時間疏散 Zoned Smoke Control 區域煙控 : 包括對火災區進行排煙及對所有鄰近之煙控區劃進行加壓之煙控系統 10

11 2.2 煙控之原理及設計參數關於煙控之基本原理, 在 NFPA 92A 指出, 煙經常隨著建築內之空氣流動, 雖然火可阻隔在防火區劃內, 但煙卻很快擴散至鄰近之區域 煙擴散之路徑有結構之縫隙 管路滲透 風管 打開之門 而導致煙擴散至防火區劃外之主因 : (a) 煙囪效應 (b) 火災溫度效應 (c) 天氣條件, 特別是風及氣溫 (d) 空調系統以上因素會造成區劃隔板 牆 樓板之壓力差而導致煙的擴散, 所以改變壓力差可以控制煙的流動 建築物構造及設備, 例如牆 樓板 門 風門及配合 HVAC 系統可以協助控制煙的流動 實際上整棟建築物的設計和結構氣密性對於煙控具有實質意義 稀釋煙的濃度並非完成煙控的方法, 煙控並非簡單的供氣和排氣而已 煙控可用以下兩基本原理來說明 : (a) 足夠大小的空氣壓力差作用在區劃隔間, 將可控制煙的流動 (b) 足夠大小的平均空氣速度, 將可抵擋煙的流動 上述第一種控制煙流動的方法是在區劃樓板和建築物的其他部份產生壓力差, 建築物加壓的基本觀念是建立一個較火災區高壓的空間, 這種方法可以使空氣流入火災區且防止煙漫延整個建築物 上述第二種控制煙流動的方法氣流可用來防止煙流經過一個空間, 這個原理一般常用於門打開時控制煙的流過 氣流通過打開的部份進入火場必須有足夠的速度才能防止煙的離開, 因此需要大量空氣所以控制煙流動 利用氣流並不是最好的方法 11

12 至於有關煙控系統設計參數方面共有六種, 包括 : (1) 一般設計準則以政府法令或標準為主 (2) 洩漏面積參數煙控系統的設計標準及認可測試將基於以下的參數及參考火場和鄰近區域之情況 : a. 煙擋板上之小開口, 例如結構接合處 裂縫 門之間隙等, 應能於兩側維持足夠之壓力差 b. 煙擋板上之大開口, 例如門被打開和其他較大開口, 應能於打開時維持足夠之流 (3) 天氣資料建築物室內 外溫度差將導致煙囪效應和決定它的方向及大小 溫度效應和風速將隨著建築物高度 外型 洩漏和在牆及樓地板之開口率改變而變化 (4) 壓力差壓力差大小必須考慮, 太大則門打不開, 應符合 NFPA 101 Life Safety code 之標準 ; 太小則失去意義, 最小應不能讓煙洩漏進來 (5) 氣流氣流能夠用來限制當門被打開時煙的移動, 設計的速度在打開逃生門時必須能夠避免煙的回流 (6) 門打開之數量考慮同時打開 於一些系統, 逃生時門打開時間短, 煙洩漏量可以忽略 12

13 2.3 煙控系統設計與應用 基本設計此處將討論各種一般常採用的煙控系統和分析其優缺點 通常煙控系統可分為專用及非專用系統兩種 所謂的專用系統是指僅做煙控用與建築物內其他 HVAC 系統分開, 其優點有三 : 1. 系統維修時不必常修正 2. 操作和控制簡單 3. 不受建築物其他系統變更之影響而其缺點則為 : 1. 價格昂貴 2. 由於其元件損壞並不會影響建築物正常運作, 所以故障時可能會被忽略調整 3. 較佔空間在非專用的煙控系統方面可與建築物內的 HVAC 系統並用 優點為 : 1. 由於設備元件損壞會影響正常建築物操作, 故障時便能獲得調整 2. 價格便宜 3. 不須佔額外空間缺點則有三 : 1. 系統控制可能變複雜 2. 其他控制變更會影響煙控之功能 3. 其他控制變更亦可能干擾煙控系統的操作建築物煙控基本系統形式可分成豎井防護 (Shaft Protection) 及 13

14 樓層防護 (Floor Protection) 兩部份 ; 而豎井防護又可分成樓梯間加壓系統及電梯間加壓系統, 樓層防護則強調不同樓層區域之煙控, 另外也可能將兩種防護形式結合 區域煙控系統是用來提供一個無煙可維持環境, 讓逃生人員有足夠時間疏散 為保持煙控系統完整性, 其將被設計 安裝和維持在保護區域內逃生期間仍然有效, 另外亦令其長期間運轉仍然有效率 考慮的項目包括 : a. 電源的可靠性 b. 電源分配的排列 c. 控制的保護及方法和系統的監控 d. 設備的材質和構造 e. 建築物內的人員在煙控系統性能方面, 主要是壓力差的呈現 NFPA 92A 建議在防煙阻體兩側之最小壓力差, 如表 2-1 所示 而在門兩側之最大壓力差, 則如表 2-2 所示 表 2-1 防煙阻體兩側之建議最小壓力差 建築型式 天花板高度 (ft) 設計壓力差 (in. w.g.) 具撒水裝置 任意 0.05 不具撒水裝置 不具撒水裝置 不具撒水裝置

15 表 2-2 兩側之最大壓力差 門閂之力 門之寬度 (in) (lbf) 備註 :(1) 門全被開啟的力量為 30 lbf (2) 門之高度為 7 ft (3) 門把到門邊的距離為 30 in 煙控系統產生壓力差之原因係風的變動 風車 開門 關門及其他等等 與最小設計壓力差有些微誤差應不致有嚴重影響, 不過也沒有明顯的容許誤差值 它與門 窗戶結構的氣密性 煙的毒性 空氣流率和空間的體積有關, 在許多案例中, 斷續性誤差在 50 %以內應還可容許 樓梯間加壓煙控系統設計接著 NFPA 92A 則提到樓梯間加壓煙控系統的設計 此系統的目的在於火災發生時提供一逃生環境, 並提供消防隊滅火救災用, 且在火災樓層之樓梯間內維持正壓避免煙的滲入 在系統控制方面可分非自動補償與自動補償兩種 在非自動補償方面由單一風速風扇於所有門關閉情況下提供一個壓力差, 而有門打開的情況下提供另一壓力差 打開不同數量的門各有不同壓力差 而自動補償方面能隨不同的開門 關門組合而自動調 15

16 整, 使其在開門時維持正壓 可自動調整供氣氣流或過量壓力釋放 有關過量壓力釋放方面, 樓梯間正壓化煙控系統使煙不易流入樓梯間內, 壓差大則不易開啟門, 故需有些措施洩掉梯間內壓力常見方法有四種 : 一為壓力風門 (Barometric Dampers), 此為利用梯間之過大風壓, 自然開啟風門而洩壓 二為電動風門方式 (Motor-operated Dampers), 此為利用電動或氣動操作 本法較壓力風門有較大的控制壓力, 及需較多之控制, 因此系統較複雜且貴 三為樓梯間地面層的門打開, 正常情況下門是關閉的, 此門應可自動操作 缺點為易受風的影響 四為排氣風扇, 利用它來防止當所有門均關閉時造成過量之壓力 缺點為風機易受風的影響, 建議加擋風板 另外有關供氣來源位置方面, 進排氣口應遠離且避免短路, 且當有煙由加壓風機之進氣口時, 應考慮風機自動關閉能力 其供氣系統則包括 : (a) 單一送風口系統其優點為 : 1. 變流量其壓力穩定門開關時較不會有壓力變動 2. 設備及安裝便宜其缺點為 : 1. 進風口需加擋板 2. 易受建築物風壓影響故單一送風口可能會失敗當靠近送風口的門被打開一些時, 將不可能維持正壓 且於地面層的門習慣經常開著, 底部單一送風口系統容易失敗 (b) 多個送風口系統可改善單一送風口之缺點, 風機可置於地面頂樓或任意樓層 有些建築法規要求在進入樓梯間之前設置玄關 (Lobby), 玄關 16

17 內可加壓或不加壓 具玄關之樓梯間建築, 在玄關的門及樓梯間的門都被打開之情況下, 兩個門形成串聯, 其形成之流動阻力要比單一個門來的大, 如此樓梯間加壓系統流出樓梯間的氣流量便可減少, 樓梯間較易維持正壓 另外, 對火災樓層進行排煙, 能增進樓梯間加壓煙控系統之性能 進行火災樓層排煙之優點在於能夠減少火災樓層之壓力, 相對增加樓梯間門兩側之壓力差 電梯煙控系統與正負壓煙控系統設計在電梯煙控系統設計方面, 從火災案例中得知, 電梯門氣密性不良且通道頂部有開口, 故煙在其中流通原動力, 為煙囪效應 解決方式為 : (a) 火災樓層排氣 (b) 電梯間前室加壓 (c) 電梯間前室建築結構氣密 (d) 電梯間通道加壓 (e) 火警警報後電梯間門自動關閉, 等五種方式 上述五種亦可單獨或組合採用 在有關煙控區劃設計方面, 重點係限制煙在建築物內之移動, 另外限制火場大小 ( 質量燃燒率 ) 可以增加煙控系統的可靠 可用性 限制火場大小之方法有 : 燃料控制 防煙區劃 自動灑水等方式 建築物可分成數個防煙區劃, 每一個區劃內, 利用可限制煙流動之隔間牆 樓板 門等加以分隔 一個防煙區劃可能包含一個或多個樓層, 或者一個樓層包含一個以上之防煙區劃 火災發生時, 機械風機所形成之壓力差及氣流可用來限制煙之擴散 因此, 防煙區劃在可行之情況下應盡量縮小 火災發生時, 非火災區應進行加壓, 而需大量外氣 寒冷氣候引進大量外氣可能造成建築系統嚴重之損壞因此考慮提供緊急預熱系統 17

18 提高空氣溫度避免或限制損壞發生 另外若只對緊鄰火場之區劃進行加壓, 能限制外氣之需求量 然而此方法之缺點, 則可能讓煙經由豎井而從加壓區流到非加壓區 警報系統之火災訊號可用於啟動正負壓區劃煙控系統, 警報系統之警報區域應與防煙區劃符合, 避免啟動錯誤區域之正負壓區劃煙控系統 歸納以上數種煙控系統設計, 在許多場合的建築物, 組合之煙控系統將同時運作, 例如正負壓區劃煙控系統及樓梯間加壓系統 當採用此組合煙控系統時, 要注意系統元件間之相互關係, 其個別系統可能無法獨立運作, 必須結合它們才可成為一可運作之組合系統 例如, 火場排煙系統結合樓梯間加壓系統時可增進樓梯間加壓之性能, 同時可能增加樓梯間門兩側之壓力差, 而造成樓梯間的門難以打開之情形 18

19 2.4 建築物 HVAC 設備與煙控系統 NFPA 92A 亦建議, 可修改現存的建築設備, 即可成為煙控系統 此處將討論不同的建築物設備, 並提供設備及控制之一般資訊作為指導規範, 以用來調整為性能完備的煙控系統 一般 HVAC 設備提供建築物某空間之送 回風排氣, 其設備可位於此空間內 鄰近或甚至遠處的機房 而大部分的 HVAC 設備可在作一些調整後, 成為所服務區域內兼用之煙控系統 若要成為兼用之煙控系統,HVAC 設備必須具有供應外氣的能力, 以提供非火場區域建立足夠壓力差之所需, 防止煙氣進入 另外亦須具有機械排氣, 可將火場的煙排至室外 一般而言,HVAC 系統已具有這些功能而不須作大幅修改, 不過當 HVAC 系統兼用煙控系統運轉時, 必須利用防煙閘門 (Smoke Damper) 確實分離外氣供應及火場排煙 由於不同之建築物類型有不同型式之空調系統, 其兼用煙控系統時亦有不同考量, 討論如下 : (1) 個別樓層單元其設計方式是以一個別之空調單元用來供應單一樓層或其樓層之部份 這些 HVAC 設備單元可能有或沒有分離之回風 / 排氣風機 將可藉由以下方式將室外空氣供應至空調設備單元 : 1. 外部過濾器及閘門 2. 一般具有可變風速供氣風機之風管系統 3. 個別之變風速供氣風機若照上述方法使具足夠供氣及排氣能力, 則個別樓層單元的 HVAC 設備便可兼用於煙控系統 19

20 (2) 中央系統另有建築物使用位於機房之中央系統式 HVAC 設備, 以供應建築物內的多個樓層 此種 HVAC 系統於兼用煙控系統時, 需具有閘門之防火防煙豎井, 提供火災樓層之排煙及鄰近樓層之外氣加壓 因此中央系統之風機可能具較大之能力, 設計時必須避免過大壓力所造成風管系統的破裂倒塌或其他之損壞 (3) 風機盤管單元及水源熱泵單元此種空氣處理單元之型式位於建物樓地板之四周, 用來提供建築物外周區之空調 由於風機盤管單元及水源熱泵單元其外氣處理量相對而言較少, 故很難重新改裝兼用作煙控系統 當風機盤管單元及水源熱泵單元如果具有外氣引入口, 則位於火場內之單元應關閉, 以利火場區域之排煙 (4) 誘導式單元誘導式空氣處理單元位於建築物之周圍, 主要用來提供舊式多層結構建築之外周區之空調 大型中央 HVAC 系統供應之高壓冷或熱空氣, 到達每一誘導式單元, 室內之空氣便被誘導進入此單元, 然後跟來自中央 HVAC 系統所供應之空氣混合, 再排到室內達到空調之目的 位於火場內之誘導式單元應關閉或停止供應主空氣 (5) 雙風管系統及多分區系統雙風管系統在平台與混合箱之間具有分開之冷熱風管, 作為將混合後空氣供應至空間中之用途 對於高壓系統, 混合箱也會減少系統壓力 多分區系統於單元內將冷熱空氣混合後在將混合後空氣經由低壓風管送至每一空間 煙控時應達到將最大量空氣送至火場鄰近區域之目的, 亦即進行加壓 此法應由利用冷空氣平台來完成因為其經常設計用來處理 20

21 大量空氣 對於火場部份供氣風機應關閉 (6) 變風量系統典型變風量系統只用來供應中央冷空氣 個別區域經常具有再加熱之終端單元或其他熱源 變風量系統會依照空間之實際需求而供應不同之冷空氣量 有些變風量系統採取的方法是將供氣旁通至回風之進口, 以減少供應之流量及壓力, 避免損壞風機或風管 此種系統在兼用煙控系統時, 旁通就必須關閉 為了煙控變風量系統之風機及終端單元控制在外氣足夠下應處於供應最大流量之情況, 以使空間正壓化之目的, 但必須確定是否建立足夠之壓力 (7) 具風機之終端單元一些變風量系統將不同之冷空氣量供應至具風機之定風量終端單元, 這些定風量終端單元由作為使用空間內空氣循環用之定流量風機, 及維持預期溫度用之加熱盤管所組成 兼用煙控系統時, 於火場內之終端單元風機應關閉, 於火場之鄰近煙控區域內之終端單元風機可繼續正常運轉 某些情況下, 一些特別的系統其所供應之冷熱空氣並沒有與外氣混合, 這些系統如整體型空調機組 輻射板系統, 及電腦房單元等 但因建築法規規定使用空間需進行通風, 因此一分離系統用來提供外氣是須要的, 此系統也許可用於煙控, 雖然所提供之風量並不足以進行全面正壓化 而在有關特殊用途的 HVAC 系統方面, 實驗室 動物房舍 醫院設施及其他不常使用空間, 則使用外氣單程通過系統以避免汙染, 而且須過濾及加壓 這些特殊用途系統可能適合用來兼用作為煙控系統, 但必須注意避免汙染其他區域 21

22 22

23 2.5 煙控系統控制與啟動煙控系統應完全結合火災警報系統灑水系統消防隊煙控系統其他 HVAC 相關系統及建築物之其他煙控設備等系統之煙控系統功能 HVAC 系統操作控制應設計或修正具有煙控模式, 且須位於各控制模式之最優先地位 不同 HVAC 系統有不同之控制系統, 這些控制系統利用氣動電動電子式及可邏輯程式控制單元進行控制, 所有控制系統能夠調整用來提供 HVAC 系統用於煙控時必須邏輯及順序控制 可程式電子式 ( 微處理器 ) 之控制單元, 能夠控制及監視 HVAC 系統, 並作為其他之建築物控制及監視功能之可讀功能 在有關煙控系統之啟動 (Activation) 及停止 (Deactivation) 方面啟動為煙控系統之操作模式的開始, 停止是煙控系統之操作模式的停止 煙控系統正常應自動啟動, 然而, 某些情況下手動啟動可能較適當 無論是自動或手動啟動, 煙控系統應具有人工凌駕啟動能力 煙控系統之自動啟動 ( 或停止 ) 之方法包括用火災偵測裝置或合併裝置一個或多個煙控系統沒有手動介入 為達到自動起動之目的, 火災偵測裝置 包含之自動裝置如煙偵測器 水流開關 熱偵測器 手動啟動方法是藉由專業人員來操作一個或多個煙控系統以達到煙控之目的 為完成手動啟動目的, 控制的位置可能是一個控制裝置 控制盤 建築物之中央控制中心 或是防災中心, 其特定位置應視專家評斷需要而定 手動火災警報之 pull stations 通常不應用來使煙控系統啟動, 除了是樓梯間加壓系統, 因為發出警報人員所在位置有不在火源之火場內的可能性 煙控系統之啟動應在接受來自自動或手動啟動命令後立即啟動 23

24 煙控系統個別元件應順序啟動, 以避免造成風機 閘門 風管或其他設備之損壞 個別元件達到合適的狀態或操作模式所需之全部反應時間不應超過以下時間 : (1) 風機於正常狀態下操作 60 秒 (2) 閘門完成移動 75 秒消防隊煙控 ( 防災 ) 中心應具備對整個煙控系統及設備來監控及手動控制之能力 消防隊煙控 ( 防災 ) 中心應具整個煙控系統及設備之最高優先控制權 於建築物之其他位置, 手動控制亦被提供用來控制煙控系統, 但由消防隊煙控 ( 防災 ) 中心所選擇之控制模式應勝過局部之手動控制 防災中心之控制權應能凌駕或略過其他之建築物控制如風機馬達控制器之手動 - 關閉 - 自動 (Hand-Off-Auto) 及開 / 關 (Start/Stop) 開關 凍結偵測裝置 風管煙偵測器等 但防災中心不應凌駕或略過預定用來防止電力過載 人員安全 防止主要系統損壞之裝置或控制, 包含電流過載保護 電力跳脫開關 高壓開關 防煙防火閘門 防災中心應具備建築物之藍圖並清楚顯示煙控設備的型式及位置 ( 風機 閘門 ), 會受到設備影響之建築物內區域也應清楚標示 系統或設備之實際狀態, 煙控系統是否啟動或有能力啟動應清楚顯示於防災中心 有關樓梯間加壓煙控系統之控制, 其啟動之規範如下 : (a) 自動啟動建築物內任何區域之警報系統發生作用時, 則所有樓梯間加壓煙控系統之風機啟動 因建築物特別之結構及情況下, 希望僅對部分樓梯間加壓, 樓梯間內之供氣部份, 即準備送入樓梯間的送風管道, 應設置偵煙器, 一旦偵測到煙風機應停止運轉 24

25 (b) 手動啟動防災中心應有超越自動啟動模式之手動開關, 以重新啟動被偵器所停止之風機 而有關正負壓區劃煙控系統之控制, 其啟動之規範如下 : (a) 自動啟動偵煙系統應自動啟動正負壓區劃煙控系統, 偵煙系統每一偵測器範圍應限制在 900 平方英呎內, 使偵煙器能夠在煙離開火場前便能偵測到 偵煙器及區域偵測器 ( 顯示火災位置 ) 之位置應詳加劃分, 以達到煙控系統能夠可靠準確的顯示火場之正確位置 火場中之熱偵測器或撒水頭開關也許可用於啟動正負壓區劃煙控系統, 但其配管配線要與煙控區劃範圍一致 (b) 手動啟動防災中心與建築物控制一樣應具有樓梯間加壓系統之手動啟動及人工控制能力, 另外防災中心應有凌駕煙偵測器自動關閉樓梯間加壓風機之能力, 依照評判做最好之動作 正負壓區劃煙控系統不應由建築物警報系統之手動位置而啟動, 因為無法保證手動啟動之位置是否位於火場 應先讓火場的門關閉以完成阻隔要比啟動系統更重要 位於火場之按鍵式手動開關應清楚標示並確認其功能可經由手動而啟動正負壓區劃煙控系統 同樣於防災中心內, 正負壓區劃煙控系統之開關應清楚標示且能由手動操作而啟動, 並確認其區域及功能 另外, 建築物內之主要控制中心, 同樣要有可啟動正負壓區劃煙控系統之手動開關 25

26 2.6 煙控系統測試 NFPA 92A 於此處提供煙控系統測試之方式, 每一煙控系統應照其特定設計目的進行 其測試程序可分成以下三項 : 一 元件系統操作測試二 驗收測試三 週期性測試及保養維修 元件系統操作測試第一項的操作測試內容是為證實最後裝置是否遵守其特定設計, 是否功能正常並且準備好可以進行驗收測試 測試之前, 應先確認建築物結構之完整, 包含以下建築特徵 : a. 豎井之完整 (Shaft integrity) b. Fire stopping c. Doors/closers d. Glazing e. Partitions and ceilings 因煙控系統經常只是整體建築物內所有運轉系統的一部份, 測試範圍也應包括所有會影響煙控系統操作之其他系統如 : a. 火災保護警報系統 b. 能源管理系統 c. 建築物管理系統 d. HVAC 設備 e. 電力設備 f. 溫度控制系統 g. 電力源 h. 備用電力 26

27 i. 自動抑制滅火系統 j. 自動操作之門及圍牆 (closures) k. 煙控專用系統 l. 非煙控專用系統 m. 電梯之緊急操作 驗收測試第二項驗收測試的目的在於驗證整體煙控系統設備是否符合設計, 且運轉功能正常 驗收時應有的人員有審核之專家 業主與設計者等三方 驗收測試的設備包括 : a. 壓力量測儀器 b. 拉力計 c. 風速計 d. 流量量測罩 e. 門楔 f. 捲筒衛生紙 ( 用來顯示器流方向 ) g. 筆計板及記錄紙 h. 用來顯示之標誌 i. 無線話機驗收測試時應以下述程序進行 : (1) 驗收測試前所有建築物設備應處於正常操作模式包括不適用於煙控之設備如廁所排氣 電梯井通風 電梯機械室通風及其他相似系統 (2) 測試當天之風速風向外氣溫度應記錄 (3) 假如煙控系統之備用電力以提供完成驗收測試應同時於正常及備用 27

28 電力下測試 將正常建築物電力分離切斷以備用電力模式模擬此模式下真實操作情況 (4) 驗收測試也應包含每一特定控制順序之輸入是否得到正確之輸出 應考慮以下控制順序並將所有之控制順序加以展示 a. 正常模式 b. 第一次警報後之自動煙控模式 c. 手動駕御一般及自動煙控模式 d. 回復至正常另外 NFPA 92A 亦對建築物內常見的兩種煙控系統 : 樓梯間加壓系統與正負壓區劃煙控系統, 規定其驗收測試程序 樓梯間加壓煙控系統之驗收測試程序如下 : (1) 當所有建築物內之 HVAC 系統於正常操作模式下, 量測並記錄樓梯間門關閉時門兩側之壓力差, 記錄壓力差後量測開門所需之力量, 使用彈簧拉力計量測 對於整個測試建立一致之測試程序以記錄資料, 如將樓梯間側當作參考點, 樓層側其值即是壓力差之值, 如高於樓梯間為正, 低於樓梯間為負 既然樓梯間加壓系統是為了使樓梯間內產生正壓, 當樓層側所有記錄之負值則顯示有股氣流往樓層流 (2) 確認樓梯間加壓系統接收手動及自動啟動訊號後所作之回應是否正常 樓梯間加壓系統接收來自建築物警報系統所發出之訊號後, 應能有所回應而自動啟動, 對於分離之警報應一一確認是否動作無誤 (3) 樓梯間加壓系統啟動後, 量測並記錄樓梯間門全部關閉時所有樓梯間門兩側之壓力差 28

29 (4) 樓梯間加壓系統啟動後, 選定某一個門利用彈簧拉力計量測並記錄打開門所需之力量 首先在樓梯間門被打開之狀態下, 量測並記錄剩餘關閉之樓梯間門兩側之壓力差 再記錄關閉之樓梯間門兩側之壓力差後, 並利用彈簧拉力計量測開門所需之力量 (5) 樓梯間加壓系統啟動後, 依次打開一額外需要之門量測並記錄剩餘關閉之樓梯間門兩側之壓力差, 再記錄每一個關閉之樓梯間門兩側之壓力差後, 並利用彈簧拉力計量測每一個門開門所需之力量 (6) 樓梯間加壓系統啟動後, 所有需要打開之門打開後記錄所有通過打開的門之氣流方向 可利用少量的煙置於門道上或臨時利用衛生紙撕成條狀貼於門框上以決定氣流方向, 並可視需要利用風速計量測流速 至於區域煙控系統之驗收測試程序如下 : (1) 確認每一煙控區劃之確切位置及每一區劃內之開門參數 (2) 量測並記錄的所有煙控區劃內兩側之壓力差 量測時 HVAC 系統應處於正常運轉模式 ( 非煙控模式 ), 作為防煙隔離用之門應關閉 量測時應於門兩側清楚標示何者為高壓側及低壓側 (3) 確認正負壓區劃煙控系統接收手動及自動啟動訊號後所作之回應是否正常 區域煙控系統接收來自建築物保護訊號系統所發出之警報後也應能有所回應而自動啟動, 對於分離之警報應一一確認是否動作無誤 (4) 啟動每一分隔之煙控區劃內的區域煙控系統, 量測並記錄用來分隔火場與鄰近區域的門兩側之壓力差 量測應於火場與其他區域相連之門全部關閉下進行 29

30 2.6.3 週期性測試於建築使用年限內, 煙控系統應定期保養以確保於火災發生時能發揮其功能 保養之規定可於 NFPA 90A, Standard for the Installation of Air Conditioning and Ventilation Systems 系統測試應符合以下程序並對由系統之操作 測試 保養知識十分了解之人員進行, 測試結果填寫於操作保養記錄上以備檢閱 對專用的煙控系統而言, 須每隔半年作一次週期性測試 測試的內容包含, 設計規範內之每一控制順序下煙控系統運轉情形, 並且觀測運轉時對每一輸入是否得到正確之輸出 可能的話, 備用的緊急電力也應測試 而對其他設備兼用的非專用煙控系統, 也應每年作一次週期性測試 測試的內容包含, 設計規範內之每一控制順序下煙控系統運轉情形, 並且觀測運轉時對每一輸入是否得到正確之輸出 可能的話, 備用的緊急電力也應測試 30

31 第三章高層建築壓力煙控系統實例分析 為研究目前現存於國內外之高層建築煙控系統設計, 將進行典型高層建築實例分析與案例調查, 作為實際工程應用之參考 並分析其依循之消防法規與設計規範, 深入了解高層建築壓力煙控系統之相關規定, 以為日後我國台灣地區來實際建立規範條文之重要參考依據 3.1 建築物簡介 建築基本資料此實例分析之高層建築為位於日本東京都文京區內的 Century Tower 於平成六年(1994) 日本 空氣調和 衛生工學 學會第 32 回學會賞技術賞中, 獲頒 建築設備部門 獎 Century Tower 為地上 21 層 地下 3 層, 高 m 之鋼骨結構建築, 主要用途為辦公室 美術館及住宅 其平面及立面圖如圖 3-1 所示, 而主要建築特徵如下 : (1) 採雙棟高層建築並列配置方式, 兩棟間設置 72 m 高之中庭, 於中庭一半高度 11 層的位置, 在兩陽台間裝設隔板, 將貫穿整棟建築之中庭分為上下兩區 (2) 中庭與兩側房間不設分隔, 採完全開放式構造, 意圖使人感覺空間變寬 偶數樓層後退構造, 使得從前單調重複的內部空間不再出現, 營造峽谷 斷崖 迴廊 橋等視覺景觀 中庭內部空間內之玻璃帷幕電梯豎井設計, 使得電梯移動時, 製造建築躍動的感覺 (3) 採耐震設計, 內部為鋼樑支撐骨架之無柱空間 30

32 (4) 辦公室區為每兩層為一單位之設計, 偶數樓層樓地板後縮構造, 使成樓中樓之開放空間 (5) 西側為一般乘用之電梯, 東側為緊急逃生梯, 非一般用電梯 廁所 機械室集於中心, 採用雙棟核心設計 另外, 一般乘用之電梯及緊急逃生梯之外牆材料為玻璃帷幕 31

33 圖 3-1 Century Tower 平面及立面圖 32

34 3.1.2 防災計畫根據上述的建築物特徵, 考量發生火災時建築物之安全設計, Century Tower 設計當初便有完善的防災計畫 特徵如下 : (1) 約每 1000 m 2 樓地板面積設置四個特別避難梯 (2) 明確的避難動線, 步行時間 30 秒內, 可到達樓梯間前排煙室 (Smoke Lobby) (3) 高級智慧型大樓取向, 在可容納大量活動者的條件下, 仍採人口密度小的設計 (4) 視野良好的中庭構型, 使得火災蔓延狀況一目了然 (5) 每兩層為一單位, 其中偶數樓層較奇數樓層後退約 2.7 m, 可防止火焰往上層延燒 (6) 第一層大廳設有防災中心, 統一監控建築物內防災設施 (7) 中庭底部第一層大廳為使用不可燃材料, 可防止中庭底部失火 (8) 地基的三個方向為道路, 另一方向為開放空間, 向周圍建築物延燒可能性減小 (9) 全棟建築設置自動撒水系統 (Sprinkler System) 因 Century Tower 建築物本身為實現新的動態設計, 其許多防災計畫基本概念部份與當時日本消防法規牴觸 因此勢必找出因應解決之道, 並提出防災性能確認的方式 表 3-1 為主要牴觸項目 因應對策與性能確認方法之整理 33

35 表 3-1 Century Tower 防災計畫基本概念 主要牴觸項目因應對策性能確認方法 中庭與居室間無法做明顯之防火防煙區劃 居室之樓中樓間無明顯之垂直防火區劃 緊急逃生梯排煙室本身無設置排煙系統 玻璃構造之逃生樓梯間外壁怕影響到鄰棟玻璃之火災生成或破裂 電梯間與居室間無防煙區劃 1. 中庭之加壓防煙及排煙 2. 中庭與居室間之水幕系統, 以水幕代替防煙垂壁 3. 兩層一單位之樓中樓, 其一樓層並後退 2.7m 1. 撒水裝置水頭增強 2. 居室機械排煙緊急逃生梯排煙室加壓煙控系統逃生樓梯間面向鄰棟之外壁設置 9m 之混凝土牆電梯豎井加壓煙控系統 1. 煙流動之縮小模型試驗 2. 全尺度實驗 3. 上層延燒之模擬縮小模型實驗整體建築物之壓力分佈模擬鄰地上之車輛火災之影響模擬整體建築物之壓力分佈模擬 其防災計畫 (Disaster Prevention Planning) 設計之重點包含 : (1) 避難時間規劃為火災發生到達全盛期之兩分鐘以內, 故必須防止煙 在此時擴散, 故採用全館加壓 34

36 (2) 為防止火與煙往上層或對面層的蔓延, 設計偶數層樓地板向後退縮及樓層面向中庭側加裝水幕撒水系統 (3) 撒水系統設有安全裝置, 其方法為於樓頂加放重力水槽, 以便應付在水泵不動作之情況下, 亦能藉由重力達到撒水目的 (4) 防災系統由多重設施構成, 故 Fail Safe 程度提高 (5) 建築物上下分割成兩部份, 各區之防煙防火設備完全分離 35

37 3.2 壓力煙控系統分析在 Century Tower 高層建築內的壓力煙控系統包括 : 1. 中庭及居室之排煙系統 : 於火災區進行機械排煙, 若煙流入中庭時, 中庭亦有排煙系統 並進一步將中庭作垂直區劃, 防止煙往上流竄 2. 緊急逃生梯前排煙室之加壓煙控系統 : 於緊急逃生梯前設置正壓化之排煙室 (Smoke Lobby), 以確保有一無煙的逃生梯 3. 電梯豎井加壓煙控系統 : 於電梯豎井加壓能防止因煙囪效應而帶動煙的流動 4. 水幕撒水系統 (Drencher System): 共有兩套系統, 一套為分隔辦公室及中庭區劃用之垂直水幕撒水系統, 另一套為將中庭作垂直區劃之水平水幕撒水系統 其設置目的為增強煙控效果, 為煙控系統之輔助設施 以下便分項分析 Century Tower 內各煙控系統之運轉情形 中庭及居室之排煙系統在日本一般中庭之設計時, 須考慮豎井區劃, 即逃生梯 2 層以上須對防火區劃進行通風 與面積區劃, 即樓地板面積在 1500 m 2 以內者應設自動撒水設備, 樓地板面積 3000 m 2 以內者應設置甲種防火門 有垂直與平面兩者的限制 但由於 Century Tower 空間配置之特殊考量, 其中庭與全棟整體之煙控系統無法完全依循以上規範設計 故設計一套使用中庭與居室之加壓防排煙與水幕系統設備組合之整體煙控系統, 其系統示意圖如 36

38 圖 3-2 所示 其原理為於火災區進行機械排煙, 非火災樓層之空調風機則取外氣對緊急逃生梯前之排煙室與中庭加壓 將空氣送入中庭進行加壓, 可將火場的煙限制於火災區中, 而不致流入中庭 每一層樓地板面向中庭之處, 皆有高 1.1 m 的玻璃製手把矮牆 而在天花板處則有可捲動的垂壁, 可下垂至天花板下 1.5 m 處 如此使往中庭方向之開口面積大幅減少, 使通過開口時之斷面風速變大 由於 Century Tower 的加壓風量等於排煙風量, 為每分鐘 2100 m 3 此風量配合居室往中庭方向之開口面積大幅減少, 故能確保斷面風速為每秒 0.5 m 以上 這種程度的風速, 在火災初期及中期階段, 能完全將煙限制於火災室中 萬一煙由火災區流入中庭時, 中庭之排煙設備, 可將煙排至室外 另外, 因有由加壓排煙室往中庭流入之加壓氣流, 可將煙推入中庭加速排出 緊急逃生梯前排煙室之加壓煙控系統於發生火災時, 位於每一層樓之空調機利用閘門的切換, 做為對緊急逃生梯前排煙室煙控系統加壓之用 換言之, 每層樓的空調機擔負該層 4 間緊急逃生梯前排煙室的加壓給氣, 每一排煙室之加壓風量為每秒 1.125m 3 對加壓煙控系統壓力差之控制, 為於排煙室 居室及樓梯間的牆壁設置釋壓閘門, 而排煙室之加壓控制為利用風機之變轉速 (VSD) 來達成 譬如排煙室與緊急逃生梯間的門被打開的情況下, 造成壓力差急遽下降 可將風機轉速變快, 短時間內將壓力差回升 於 Century Tower 內之排煙室與居室間之設定壓力差為 50 Pa, 排煙室與樓梯間之壓力差為 20 Pa 37

39 電梯豎井加壓煙控系統於 Century Tower 內採用對電梯豎井之加壓煙控系統, 於火災發生時, 對 13 座電梯豎井進行加壓 以替代對電梯間安裝瞬間關閉器及防火門, 防止煙藉由電梯豎井流竄至建築物內部 因日本東京於冬季恐會下雪, 其室外與建築物內之溫差相當大 故加壓煙控系統之風量於計算時, 特別對冬天之煙囪效應須詳加考量 水幕撒水系統由於 Century Tower 之中庭設計採開放形式, 為防止火與煙向上蔓延, 因而設計 2 套之水幕撒水系統 (Drencher System) 一套位於中庭之邊緣, 每兩層設有一撒水之垂直水幕撒水系統, 另一套則位於第 11 層分隔中庭之玻璃隔板的水平水幕撒水系統 各水幕撒水系統分析如下 : (1) 垂直水幕撒水系統此垂直水幕設置目的為形成辦公室及中庭之間之防火區劃, 預防沒有被居室機械排煙排出的煙流入中庭 設置方法為 : a. 水幕撒水系統之撒水頭 : 每間隔 2.25 m 設撒水頭, 使其在事務室及中庭之間以細小之水滴所形成之水膜造成區劃 撒水頭合適之放水壓力為 343~588 KPa(3.5~6 kg/m 2 ) b. 水幕撒水系統之水泵 : 設置於地下三層之機械室 為求確保在火災區及其上方之區劃同時供水無虞狀況下, 供水量為 1020 L/min c. 放水量 : 一個水幕撒水系統之撒水頭放水量為 40 L/min 以上 38

40 d. 撒水單位 : 每兩層為一撒水單位, 水泵之容量必須考慮具有同時可供應兩單位之能力 e. 滅火用水 : 位於地下三層之混凝土水槽, 具有供應兩單位同時放水 30 分鐘 30 m 3 之能力 f. 可靠性之提高 : 於各區放水用之控制閥, 平時即進行控制閥之通水試驗 另外, 測試完之控制閥, 為了防止忘記關閉, 閥在開啟狀態下, 防災中心之遠端監控便會發出警告 g. 水幕撒水系統啟動方法 : 水幕撒水系統啟動方法可在現場以自動或手動方式啟動, 或在防災中心以遠端手動方式啟動 (2) 水平水幕撒水系統此水平水幕撒水系統設置目的, 用來防止低層發生火災時之熱能上升, 保護將中庭分隔成上下區劃之玻璃隔板 設置方法如下 : a. 噴嘴 : 隔板下方每隔 1500 mm 全面設置特殊之噴嘴 水量大約 9 L/ 平方公尺 b. 水泵 : 於地下三層處之水泵室裝設專用之滅火水泵 容量為 1500 L/min c. 滅火用水 : 位於地下三層之可容納放水 30 分鐘所需水量之專用混凝土水槽 d. 啟動方法 : 於防災中心以遠端操作方式啟動 39

41 電梯豎井加壓 將中庭作垂直區劃之玻璃隔板 中庭排煙口 起火居室 居室機械排煙 中庭垂直區劃 緊急逃生梯前排煙室加壓圖 3-2 Century Tower 整體煙控系統示意圖 40

42 3.3 煙控系統之性能確認由於 Century Tower 內有許多新的建築形態設計, 故其防災計畫亦隨之有異於以往的設計, 基本概念部份與當時日本消防法規牴觸 因此勢必找出因應解決之道, 提出防災性能確認的方式 性能確認時程包含建築完工前與建築完工後, 而其方式有縮小尺度模型實驗 全尺度實驗 現場實測及電腦模擬分析等 完工前 : 模型實驗 1. 中庭及居室之排煙系統之模型實驗本模型實驗主要為觀察在給定之火載量下, 檢視火災區與中庭間之斷面風速情形 並藉此斷面風速的大小, 得知某火場規模大小下之煙的濃度, 是否在危險濃度以下 模型為 Century Tower 之三層居室與其中庭部份, 其縮小比例為 1/10, 實驗時之相似性以阿基米得 (Ar) 係數相同為基準 模型實驗的火載量, 以燃燒可容納三人之沙發椅為準, 換算其最大發熱量為 3MW 在模型中, 以燃燒皿燃燒甲基之來重現火場發熱量 實驗時與排煙風量有關的斷面風速, 會隨火災發生情況而進行變化 而其煙擴散情形則以二氧化碳濃度計來判定, 因二氧化碳濃度與煙濃度之間有密切關連 中庭之加壓排煙模型實驗結果顯示, 當位於二層居室之下層發生火災時, 流過垂壁下方之斷面風速為每秒 0.5 公尺 只有少量煙流到中庭內, 其濃度在 1/60~1/230 之間 而在非火災區居室之濃度, 則遠低於安全濃度容許值上限 1/250 之下, 在進行避難行為時人身安全不致遭受威脅 41

43 2. 中庭水幕撒水系統全尺度實驗為了防止火與煙從開放式中庭往上蔓延, 設置樓地板面向中庭側之垂直水幕撒水系統 為確認水幕撒水系統之性能效果, 遂進行全尺度實驗 圖 3-3 為居室之全尺度模型, 寬為 5 m 深為 4.15 m 及高為 3 m, 以實際安裝於建物之撒水頭進行試驗, 其水量為 20 L/min 並在模型內燃燒 2 m 2 面積大之燃燒皿, 以模擬二層一單位居室之上層發生火災時之狀況 實驗結果顯示, 在有水幕撒水狀況下, 其從火災區噴出之氣流溫度與輻射熱量為沒有水幕撒水狀況下的一半 故在水幕撒水狀況下, 火與煙往上蔓延之可能性明顯減少 圖 3-3 中庭水幕撒水系統全尺度實驗 3. 全棟建築之壓力分佈電腦模擬火災發生時, 於火災區進行機械排煙, 而對緊急逃生梯前排煙室與電梯豎井進行加壓煙控 用氣流網路法 (Air Network) 進行電腦模擬, 預測全棟建築物壓力分佈情形 計算之手法為先假定一壓 42

44 力, 進行疊代直到其收歛為止 在利用電腦模擬全棟建築之壓力分佈時, 可改變煙控系統風量, 得出改變後之壓力差情形, 以分析煙逆流 (Backflow) 至避難路徑之可能性 4. 逃生梯玻璃外牆與室外火災之影響此處將模擬距逃生梯玻璃外牆 17.3 m 處之停車場發生火災之情況下, 對樓梯外牆之影響 在室外停車場與樓梯外壁間設計有一高 9 m 之遮斷牆, 期望能阻擋大部分輻射熱能 模擬之火載量為兩輛汽車, 假定火場面積為 5 5 m 2, 並有風速為 12 m/s 之氣流由火場往逃生梯玻璃外牆方向吹 模擬結果顯示, 玻璃表面溫度 熱應力皆在安全容許值範圍內 完工後 : 實地試驗 1. 中庭加壓排煙煙控系統實驗以中庭之下半部區域為對象, 假設北塔第五層之居室為起火點, 令其中庭加壓排煙煙控系統運轉, 火災產生之二氧化碳往上層擴散情形, 以二氧化碳濃度計測定, 進行煙控性能之評定 由於煙濃度與二氧化碳濃度關係密切, 而且是實驗時燃燒之產物, 與煙之變化趨勢相同, 故以量測二氧化碳濃度來代替煙之濃度 同時, 火災室放置發煙筒, 製造煙霧, 並以目視進行確認煙控之性能 實驗結果顯示, 中庭上層之非火災層以及中庭之二氧化碳濃度並沒有增加, 一般而言完全合乎 火災室濃度低於 1/250 以下 之條件 二氧化碳濃度會隨時間變化之稍微增減, 乃是加壓外氣本身 43

45 亦含有二氧化碳之結果 44

46 2. 釋壓閘門開閉與排煙室之壓力控制緊急逃生梯前之排煙室, 在門被關閉時會造成壓力之急遽上升, 會對避難造成障礙應極力避免 Century Tower 便利用於排煙室與居室 排煙室與樓梯間之牆壁加裝直徑為 30 cm 之圓形釋壓閘門 (Relieve Damper) 其壓力控制特性如下之三個條件進行實驗: (1) 居室側之門開 閉情況 (2) 樓梯間門之開 閉情況 (3) 居室側之門及樓梯間門之開閉情況例如, 排煙室之門由開啟狀態至急速關閉而造成附室內之壓力過大 釋壓閘門為短時間內壓力下降之有效解決方式 45

47 3.4 小結本章主要詳細介紹日本某得獎之高層建築壓力煙控系統, 其中包括 (1) 中庭及居室之排煙系統 (2) 緊急逃生梯前排煙室之加壓煙控系統與 (3) 電梯豎井加壓煙控系統 另外, 本建築亦全棟裝置自動撒水系統 (Sprinkler System) 與水幕撒水系統 (Drencher System), 以降低火場溫度, 配合上述壓力煙控系統增強煙控效果 其次除設置壓力煙控系統外, 其建築物之結構形狀亦相對配合, 以讓煙控系統完全發揮應有之效果 故建築樓層規劃採每兩層為一單位, 偶數層較奇數層後退約 2.7 m, 除可防止火焰往上延燒, 更可將煙侷限在火場附近 而其中庭構型擁有良好視野, 當火災發生時, 可讓避難者判斷火場的所在位置, 火災蔓延狀況一目了然 壓力煙控系統除有建築結構配合外, 避難動線的擬定亦是重點, 以追求保障人身安全 (Life Safety) 之最高目標 在避難時間規劃方面, 火災發生到達全盛期僅僅兩分鐘內, 故必須防止煙在此時擴散, 故採用全館加壓 配合在 Century Tower 中, 約每 1000 m 2 樓地板面積設置四個特別避難梯, 且在建築物的任何地點步行避難時間約 30 秒內, 可到達相對安全地帶, 亦即避難梯間前之加壓煙控排煙室 此結果為壓力煙控系統, 配合適當之避難動線規劃, 使避難者在火場全盛期到來之前, 能安全逃離火場 另外, 其防災避難系統由多重設施構成, 故有 Fail Safe 之作用, 增加避難成功機會 而在 Century Tower 整個壓力煙控系統設計中, 最值得注意的是煙控系統之性能確認 因其許多防災計畫基本概念部份與當時日本消防法規牴觸, 因此勢必找出因應解決之道, 並提出防災性能確認的方式 其性能確認時程包含建築完工前與建築完工後, 確認方式有縮小尺度模型實驗 全尺度實驗 現場實測及電腦模擬分析等四種 46

48 此種採用性能式 (Performance-Based) 之煙控系統設計, 最能保障火災發生時之人身安全, 尤其是對高層建築 公共建築或大型建築而言, 特別顯得重要 目前正成為世界各國煙控系統設計之潮流, 於日本業已通過立法實施 對於我國目前公共安全 工廠安全如此薄弱之際, 更加有其推動之急迫 47

49 第四章高層建築壓力煙控設計 4.1 壓力煙控設計理念壓力煙控系統設計之理念在於以強制通風方式, 以建立自火災現場與逃生避難之間有利之壓力梯度, 使濃煙無法進入逃生空間 即使進入, 亦限定於一個可控制之範圍 為達此目的, 有三種方法, 一為增壓化 二為減壓化 三為造成有利之氣流組織 本研究報告的第三章中, 詳細介紹了日本得獎高層建築的壓力煙控系統, 其中包括中庭及居室之排煙系統, 即減壓化之應用 緊急逃生梯前排煙室之加壓煙控系統與電梯豎井加壓煙控系統, 即增壓化之應用 而水幕及撒水系統則是降低火場溫度, 間接抑制煙的流動, 減低壓力煙控系統的負擔 在建築物內的壓力煙控系統, 應用這些方法的主要目的不外乎建立壓力差, 以便克服煙流動的驅動力 自然型 (Nature) 驅動力中, 浮力與熱膨脹為煙的高溫度所引起 煙囪效應及自然風則受當時氣象條件中的外氣溫度與風的大小 方向影響 而強制型 (Active) 驅使力中的空調系統和電梯活塞效應, 則為建築物內的設施所致 而在實際高層建築壓力煙控系統設計過程中, 則主要考慮的因素有三個 : (1) 最小設計壓力差 (Minimum Design Pressure Differences) 此項為指法規所規定在防煙阻體 (Smoke Barrier) 兩側, 所應維持的的最小壓力差 如之前討論的 NFPA 92A 即建議在有設置撒水系統的情形下, 壓力煙控系統最小設計之壓力差須在 12.5 Pa 以上 而未設置撒水系統的情形下, 則須在 25 Pa 以上 其他情形, 可參考本報告之前表 2-1 與表 2-2 所列 45

50 本項所指最小設計壓力差, 即克服煙之自然式驅動力中, 因火場高溫所引起的熱浮力與熱膨脹 (2) 煙囪效應 (Stack Action) 當建築物外部的氣溫比內部氣體溫度低時, 則在建築物內部空間, 如樓梯間 電梯豎井及管路間等, 有向上的氣流產生 會形成此種現象, 乃是建築物室內空氣溫度較高, 導致其密度較外氣為低 故形成向建築物內部的壓力差, 氣流就沿著建築物豎井部份向上竄升 稱這種現象叫正煙囪效應, 反之就稱為逆煙囪效應 對高層建築而言, 煙囪效應的對於壓力煙控系統設計之影響應是非常地大 通常於設計時, 會參考建築物當地有關夏季與冬季的設計溫度, 尤其是冬季時 但在台灣地區此種現象較為不嚴重, 乃因冬 夏季的溫差不很劇烈 上述情形可由圖 4-1 清楚看出 圖中,X 軸為建築物距離壓力中性面 (Neutral Pressure Level) 之高度,Y 軸則是煙囪效應之值, 斜線則是室內外溫差, 而室內氣溫為 21 o C 在台灣計算煙囪效應之壓力差, 可能會用到室內外溫差為 10 o C 的斜線 但在日本 北美及歐洲就有可能用到室內外溫差為 20 o C 30 o C, 甚至 40 o C 的斜線 (3) 自然風效應 (Wind Action) 對一棟氣密性較好的建築物而言, 風的影響或許不顯著 但是不能忽略了火場常發生的現象, 即窗戶玻璃受到火災現場的高溫而膨脹破裂, 建築物的氣密性則遭破壞 此時, 外界的風即可輕易影響建築物內部煙的流動, 而造成壓力煙控的失效 46

51 又因自然風的風速是隨著海平面的增加而增加, 故高層建築先天上就較有機會產生較大的自然風效應 因此為克服以上三項的考慮因素, 於設計壓力煙控系統時, 須整體考量 除了須合乎法規所規定的最小壓力差值外, 考量煙囪效應與自然風效應時則應以最差狀況 (Worst Case) 來設計 譬如, 可參考高層建築當地之氣象資料, 依最嚴厲之氣象條件來設計壓力煙控系統 47

52 圖 4-1 煙囪效應壓力值關係圖 48

53 4.2 高層建築區劃原理壓力煙控系統主要為壓力差的建立, 首先應作好建築內防煙區劃, 在高層建築的防煙區劃方法可分為水平與垂直區劃 水平防煙區劃的主要目的為防止煙的水平擴散 例如, 當某層樓的居室發生火災時, 當居室面對戶外的窗戶玻璃破裂時, 若有良好的水平防煙區劃, 則可擋住因自然風吹入的煙 若能配合居室內的機械排煙系統或是樓梯間前排煙室的設置, 更可克服因火場高溫所引起的熱浮力與熱膨脹效應, 其水平煙控效果更加完備 垂直防煙區劃的功能主要為防止煙滲入類似樓梯間或電梯間的豎井內, 而將煙帶到非火災樓層, 造成重大傷亡 如之前所舉的紐約世貿大樓爆炸, 即是無垂直防煙區劃的最好案例 通常垂直的防煙區劃須有封閉的構型, 如樓梯間內不得有其他像管道間或通往居室的開口, 以免居室或管道間發生火災時, 會影響到樓梯間內避難行為的安全 故建議於樓梯間內設置加壓煙控系統, 避免因煙囪效應與樓梯間門被打開時, 造成煙的流動 另外, 以往於火災時常常建議不要搭乘電梯逃生, 但目前已有改變 可於電梯間之豎井加壓, 既不會使豎井成為煙的流通管道, 可提供一般人或老殘者避難使用 此舉不但未違反一般人逃生避難的自然反應 ( 往電梯或樓梯奔跑 ), 亦是一良好的垂直防煙區劃 在我國 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物中, 沒有明顯指出防煙區劃的規定, 但有防火區劃之設置 其中, 第三節防火避難設施第 241 條規定, 高層建築物連接特別安全梯間之走廊通道應為獨立之防火區劃 ( 屬水平區劃 ) 第 242 條另有規定, 其升降機道及梯廳應自成一獨立防火區劃 ( 屬垂直區劃 ) 而第 243 條再規 49

54 定, 高層建築物設有燃氣設備時, 應將燃氣設備集中設置, 並設置瓦斯漏氣自動警報設備, 且與其他部份應以 1 小時以上防火時效之防火牆 防火樓板及甲種防火門予以區劃分隔 此種屬於將容易發生危險之區域特別與其他區域區劃隔開 除了在建築結構上的水平與垂直區劃及危險程度高的區劃外, 建築物內之空調系統 (HVAC) 亦須詳加區劃, 以免火災時的煙順著空調系統的風管蔓延到整動建築物內, 或是火沿著風管燃燒 故空調系統必須有區劃的設計, 例如在風管貫穿建築結構防火牆處須設置防火擋板 風管之管道間需用具有防火時效的結構等等 於 NFPA 90A, Standard for the Installation of Air Conditioning and Ventilation Systems 中, 有詳細之規定, 圖 4-2 為其典型區劃設計 50

55 圖 4-2 典型 HVAC 系統區劃圖 51

56 4.3 排煙室之設計樓梯間不僅為避難行為中重要的路徑之一, 亦可作為避難區, 讓老弱婦孺在內等待救援 故為保持樓梯間內為無煙狀態, 設置排煙室為最常見的防煙設計 在進入排煙室之前, 其與外界及樓梯間連通之門須有防火功能 於我國 建築技術規則 建築設計施工篇第四章防火避難設施及消防設備第一節出入口 走廊 樓梯中, 第 97 條 安全梯之構造 規定 : 自恃內通陽台或進入排煙室之出入口 應裝設甲種防火門 自陽台或排煙室進入樓梯間之出入口應裝設甲種或乙種防火門 關於排煙室的設計, 於 各類場所消防安全設備設置標準 第三編第四章消防搶救上之必要設備第三節排煙設備中, 第 190 條特別安全梯或緊急昇降機間之排煙設備, 應依下列規定選擇設置 : 一 設置直接開向戶外之窗戶時, 應符合下列規定 : ( 一 ) 在排煙時窗戶與煙接觸部分應使用不燃材料 ( 二 ) 窗戶有效開口面積應位於天花板高度 1/2 以上之範圍內 ( 三 ) 窗戶之有效開口面積不得小於 2m 2 但特別安全梯排煙室與緊急昇降機間兼用時 ( 以下簡稱兼用 ), 不得小於 3m 2 ( 四 ) 前目平時關閉之窗戶應設手動開關裝置, 其操作部分應設於距離樓地板面 80cm 以上 150cm 以下之牆面, 並標示簡易之操作方式 二 設置排煙 進風管道時, 應符合下列規定 : ( 一 ) 排煙設備之排煙口 排煙管道 進風口 進風管道及其他與煙接觸之部分均應以不燃材料建造 ( 二 ) 排煙口應設於天花板高度 1/2 以上之範圍內, 開口面積不得小於 4m 2 ( 兼用時, 應為 6m 2 ), 並直接連通排煙管道 ( 三 ) 排煙管道內部斷面積不得小於 6m 2 ( 兼用時, 應為 9m 2 ), 且其 52

57 頂部應直接通向戶外 ( 四 ) 設有排煙量在每秒 4m 3 ( 兼用時, 每秒 6m 3 ) 以上, 且可隨排煙口開啟而自動啟動之排煙機者, 得不受本款第二目及第三目之限制 ( 五 ) 進風口應設於天花板高度 1/2 以下之範圍內, 開口面積不得小於 1m 2 ( 兼用時, 應為 1.5m 2 ), 並直接連通進風管道, 管道斷面積不得小於 2m 2 ( 兼用時, 應為 3m 2 ), 且直接連通戶外 ( 六 ) 進風口 排煙口應依前款第四目設置手動開關裝置或偵煙式探測器連動開關裝置, 且平時保持關閉狀態, 開口葉片之構造應不受開啟時所生氣流之影響而關閉故由上面我國法規有關排煙室的設計可知, 設置直接開向戶外窗戶之自然式排煙為優先之要求 ( 第一款 ) 排煙室的自然排煙方式, 為在排煙室內設置排煙口或窗戶 若設置排煙口, 則須直通排煙管道 假使設置窗戶, 一來採光良好, 二來兼做排煙, 如圖 4-3 所示 假使無法達到, 退而要求設置排煙管道 ( 第二款 ), 要求機械式排煙加上自然式進氣系統 設計者可視建築物本身的條件選擇最適的設計方式 在美國 NFPA Life Safety Code 1994 年版則規定, 自然排煙需要的開口其大小為 16 ft 2 (1.5 m 2 ) 以上, 且在外牆上面臨至少寬 20 ft (6.1m) 以上的外界 其排煙室行進方向的長度則須大於 72 in(183 cm) 以上 排煙室機械排煙方式的設計, 在我國為進 排氣 4 m 3 /sec 以上, 而在 NFPA Life Safety Code 1994 年版則規定, 進入排煙室的門須有 1.5 小時的防火時效, 而從排煙室到樓梯間內則只須 20 分鐘防火時效的設計 排煙室的寬度最小須大於 44 in(112 cm) 以上, 其行進方向的長 53

58 度則須大於 72 in(183 cm) 以上 排煙室的進氣量不得小於每分鐘一個換氣量 (Air Change per min.), 排氣量則須為進氣量的 1.5 倍 其進氣口最低部分離地不能超過 6 in(15.2 cm), 排氣口最高部分離天花板不能超過 6 in(15.2 cm), 如圖 4-4 所示 由於 NFPA Life Safe Code 規定, 排煙室的排氣量為進氣量的 1.5 倍, 故進氣量小於排氣量, 依此設計的排煙室必形成負壓 若配合樓梯間加壓, 將很容易在樓梯間與排煙室之間形成壓差 事實上,NFPA Life Safe Code 在有關機械式排煙室設計的最後條文提到, 緊接在排煙室後面的樓梯間, 必須有頂部釋壓閘門以及至少提供 2500 ft 3 /min(70.8 m 3 /min) 風量的風機, 構成與排煙室最小壓差 25 Pa 的樓梯間加壓煙控系統 而我國建築技術規則規定進 排氣的風量為 4 m 3 /sec 以上 因此若進 排氣的風量相同的話, 則排煙室既不為正壓亦不為負壓 但若進氣量大於排氣量或只進氣而不排氣, 則排煙室形成正壓 此可主動把煙氣擋在排煙室 ( 或者樓梯間 ) 外, 配合樓梯間加壓將可形成一道煙氣難以侵入的 正壓牆 比較建築技術規則與 NFPA Life Safe Code 在排煙室設計上策略應用的差異, 可知建築物煙控系統的完備需要整體策略的配合 故本報告將於第五章詳細介紹幾種國際間常用的整體煙控策略, 以期對實際設計煙控系統時有所助益 54

59 圖 4-3 自然排煙方式之排煙室 圖 4-4 機械式排煙室各種尺寸 55

60 4.4 開口洩漏量理論分析建築物火災時所產生的煙, 其成份為固體微粒及氣體微粒居多, 故易受空氣擾動而流動 發生火災時, 雖然火本身可被局限於採用耐火建材的居室內, 但煙卻會穿過很小的開口, 流到建築物各處, 例如結構物裂縫 貫穿管路的間隙 空調風管 窗戶縫及門縫等, 而擴散到鄰接的居室 雖然利用防火區劃來防止火災擴散, 但它們並非氣密, 如區劃之牆 樓板 天花板包含許多洩漏開口, 門 窗 水管 風管之縫隙 煙經由這些洩漏開口從火場流到建築物之其他區劃, 包含豎井 ( 樓梯間電梯間不同的維修管道 ) 煙也會經由大的開口而移動, 如打開之門窗及沒有閘門之 HVAC 系統的入出口 根據研究, 流動現象可用以下近似關係 : E = f( Re ) 其中 : E: 尤拉數 (Euler s Number); Re: 雷諾數 (Reynolds Number) 對於小範圍之壓力差 P 及氣流流速 V 下 : ρ ρ = µ P: 隔板兩側之壓力差 ρ : 氣體之密度 V: 氣流流速 k: 常數 ( 無因次 ) D: 特徵因次 56

61 µ : 黏滯係數 m: 指數 ( 無因次 ) = ρ µ 質量流率 ϖ = ρ ϖ : 質量流率 ; A: 流動之截面積 ϖ = ρ µ 令 = + ϖ = ρ µ 又令 = µ ϖ = ρ 又 ϖ = ρ, 則體積流率為 : = ρ 其中指數 n 通常隨壓力差及洩漏開口之種類而變, 一般介於 1 ~ 0.5 之間 上式一般簡化成 : 其中 : C 為流量係數 A 為門縫隙之截面積 = ( ) n 為特定指數,C n 與門縫之幾何尺寸及 Re 數有關 57

62 為了預測建物的滲透風或熱損失, 預測空氣流經門縫的流量是很重要的, 另外, 在煙控系統中需要加壓或排氣之樓梯間 電梯間 玄關或其他之空間的門用來作為煙的屏障物時, 計算濃煙的洩漏量即可知之門的防煙效率 一般常用於煙控設計中之計算對於大縫隙取 n = 0.5, 小縫隙開口取 n = 上述數據之決定, 都是以方形之孔口板為對象, 不過在實際之情況下, 可能因裝設門檻或門軌, 使得縫隙之形狀並非是單純之長直方形縫隙, 會有一 兩個甚至多個 90 度轉角, 再加上其他如門邊緣之填充密封裝置等, 縫隙之形狀變得非常複雜 根據實驗數據發展出可預測空氣流經不同形狀縫隙的流量之方法 其方法是利用因次分析方式, 找出另外一組因次參數, 結果如下 : = = ρυ 其中 : NQ: 無因次流量 NP: 壓力差 Re: 雷諾數 a: 與流動方向垂直之縫隙厚度 x: 流動方向之縫隙厚度 P: 縫隙之壓力差 Dh: 水利直徑 ρ: 縫隙中氣體之密度 ν: 動力黏滯係數 58

63 若為 I-P 單位方程式可改寫成 : = ρυ 其中 x: 流動方向之縫隙厚度 (in) P : 縫隙之壓力差,in H 2 O Dh: 水利直徑,in,D h = 2a ρ: 縫隙中氣體之密度,lb/ft 3 ν: 動力黏滯係數,ft/sec 對於長直縫隙 (straight-through gap) 之壓力差及流量之關係如下 : Region 1( ) = Region 2( < < ) α = 其中 α = ( ) Region 3( ) = 再由 NQ 及雷諾數之關係可得 : 其中 : Q: 體積流率,cfm(m 3 /sec) υ = 59

64 NQ: 無因次流量 x: 流動方向之縫隙厚度,in(m) Dh: 水利直徑,in(m),D h = 2a L: 縫隙之長度 ft(m) ν: 動力黏滯係數,ft/sec(m 2 /sec) Kq: 係數,60(1.00) 由於縫隙之形狀並非是單純之長直方形縫隙, 經常會有一 兩個甚至多個 90 度轉角 對於具有一個 90 度轉角 (single-bend) 或兩個 90 度轉角 (double-bend) 之縫隙流率可將前述之長直縫隙所得之流量分別再乘上流量因子 F 1 F 2 (F 1 為 single-bend F 2 為 double-bend) 即可求得 F 1 F 2 之值如表 4-1 及圖 4-5 與圖 4-6 所示 60

65 圖 4-5 長直方形縫隙流量因子關係圖 圖 度轉角流量因子表關係圖 表 4-1 流量因子對照表 NP F1 F2 小於或等於

66

67 4.5 洩漏流量實地量測 由於樓梯間運轉時, 其壓力差之分布除了與煙囪效應 樓梯間長 度和出風口位置有關外, 另一重要因素為洩漏量 故本研究小組特別 選取目前台灣地區現存運轉中的樓梯間加壓煙控系統, 實地量測其門 縫之洩漏流量 本量測實驗所使用的儀器為熱線式 (Hot-Wire) 風速量測儀, 選 擇此種儀器之原因, 乃是考慮通過門縫的速度有可能極為微小, 故選 精度為 0.0 m/s~20.0m/s 之間的風速量測儀, 並可同時顯示氣溫與記錄 資料, 如照片 4-1 所示 本實測大樓為地上七層 地下二層的某高層公共建築 樓梯間的 門高 2.1 公尺, 門寬 1.2 公尺 而實地量測的樓梯間門縫洩漏現場, 如 照片 4-2 所示 從照片中清楚看出門縫的大小, 或者亦可從門外燈光 反射的倒影看出 量測情形如照片 4-3 與照片 4-4 所示 此建築的樓梯間加壓形式為風機置於頂樓七樓, 送風形式為頂部 單一出風口, 置於 6 至 7 樓之間 本實驗將從上而下逐樓量測門縫之 風速, 量測的位置為每個門量測五點再平均其值 量測的結果如下 : 表 4-1 門縫洩漏量測結果 樓層平均風速 7 F 4.23 m/s 6 F 6.35 m/s 5 F 4.39 m/s 4 F 1.32 m/s 3 F 0.7 m/s 2 F.0 m/s 1 F.0 m/s 63

68 B1 F.0 m/s 64

69 從結果分析可得, 由於出風口位於 6 至 7 層之間, 其樓梯間壓力差分佈於第七 六 五層較為明顯, 於第四層則開始較不顯著, 而於第 與地下層則幾乎沒有壓力差的存在 故在門縫洩漏幾何面積相似的狀況下, 門縫洩漏平均速度大致與壓力差的分佈相同 且在量測而於第 層時, 還偶有門外的空調系統的風灌入樓梯間內, 此顯現本樓梯間加壓煙控系統其壓力差的分佈不是很均勻, 樓梯間外的空調系統還比樓梯間內的壓力大 故於火災發生時, 若空調系統沒有關閉的話, 則在這些樓層空調系統有可能將煙帶入樓梯間內, 而危害到避難人群的人身安全 門縫之洩漏量雖看似微小, 卻有可能危害到樓梯間加壓煙控系統的性能, 故建議可於樓梯間門口處, 加上一平滑軟質的突起 亦不會妨礙避難人群之行進, 又可確實封閉樓梯間門縫, 而不讓加壓空氣洩漏至外部 65

70 照片 4-1 熱線式 (Hot-Wire) 風速量測儀 照片 4-2 樓梯間門門縫洩漏狀況 66

71 照片 4-3 洩漏量實地量測情形 (1) 照片 4-4 洩漏量實地量測情形 (2) 67

72 4.6 樓梯間壓力差分佈模擬分析本章節主要利用煙控模擬程式, 計算一棟高 25 層建築之樓梯間於不同狀況下, 壓力差分佈情形, 狀況包含季節的不同與不同的火災樓層等 而其假設與限制有以下五點 : 一 假設每個空間的溫度與壓力為均一值 二 氣體流動與洩漏路徑發生在每一平面的中間高度 三 假設加壓系統的供氣量, 不隨空間壓力改變而變化 四 室外空氣溫度為定值 五 地面的大氣壓力為 KPa 煙控模擬程式乃是將建築物各空間, 如居室 樓梯間前室等, 視為一個節點 (Node) 假設每一空間或者稱節點, 各有各的溫度與壓力 而節點間若有連通的話, 氣體的流動可看成為一空間或節點的網路 (Network of Spaces or Nodes) 運用建築物煙控模擬程式時, 所需輸入的資料可分為三類 第一類為樓梯間加壓煙控系統特性, 第二類為模擬建築物本身的結構尺寸資料, 第三類為建築物內外氣的狀況 首先為樓梯間加壓煙控系統特性, 某高層建築之特別安全梯加壓煙控系統基本設計為採用風管式送風加壓, 送風口分布於每個樓層, 送風機置於頂部 G+26 層 其次為建築物的結構尺寸, 某高層建築之特別安全梯開始於 G+1 層, 向上至 G+27 層機械房 其中除 G+2 層高度為 5.4m 外, 其餘樓層皆為 4.0m 其樓梯間進出之門為單扇, 尺寸寬為 1.3m 高為 2.1m 此處並假設門縫洩落量寬度為 5mm, 以及門被開啟時其流動面積為幾何面積的一半 68

73 第三類建築物內外氣狀況的資料, 主要為建築物內部的溫度 外氣溫度及室外風的速度 在外氣溫度方面分夏冬兩季, 假設以 30 o C 代表夏季外氣的平均溫度, 而以 15 o C 代表冬季外氣的平均溫度 在室溫方面, 假設某高層建築中的居室有空調系統, 故一年四季皆訂為為 25 o C 而特別安全梯並無空調系統, 其室溫與外氣相當, 即夏天 30 o C, 冬天 15 o C, 進行模擬 本研究報告將對某高層建築特別安全梯加壓煙控系統進行各種狀況的模擬, 主要狀況包括夏 冬兩季以及某層樓發生火災 其中, 第幾層發生火災, 乃是模擬火災發生的樓層本身及上 下樓層的門被打開 所模擬的狀況如下 : 1. 夏季, 樓梯間的門全關 2. 夏季,G+1 層火災,G+1 G+2 G+3 層樓梯間的門被打開 3. 夏季,G+7 層火災,G+6 G+7 G+8 層樓梯間的門被打開 4. 夏季,G+13 層火災,G+12 G+13 G+14 層樓梯間的門被打開 5. 夏季,G+19 層火災,G+18 G+19 G+20 層樓梯間的門被打開 6. 夏季,G+25 層火災,G+23 G+24 G+25 層樓梯間的門被打開 7. 冬季, 樓梯間的門全關 8. 冬季,G+1 層火災,G+1 G+2 G+3 層樓梯間的門被打開 9. 冬季,G+7 層火災,G+6 G+7 G+8 層樓梯間的門被打開 10. 冬季,G+13 層火災,G+12 G+13 G+14 層樓梯間的門被打開 11. 冬季,G+19 層火災,G+18 G+19 G+20 層樓梯間的門被打開 12. 冬季,G+25 層火災,G+23 G+24 G+25 層樓梯間的門被打開其模擬結果列於表 4-1 至表 4-12 從模擬結果可知, 不管任何狀況, 其樓梯間內外的壓力差值皆在 50 Pa 以上, 推知其煙控效果不錯 不過, 因其加壓風機位於頂層, 於 69

74 某些狀況下頂樓層的樓梯間內外壓力差超過 90 Pa 建議可設計如下所述的洩壓裝置, 以免發生壓力差過大, 而影響老弱婦孺的逃生避難 (1) 逃生口洩壓 : 當樓梯間正壓化煙控系統啟動時, 樓梯間位於地面的出口自動打開, 則氣流通往外界, 達到洩壓得目的 但若洩漏面積過大, 容易造成樓梯間內壓力分布不均 (2) 壓力風門洩壓 : 於樓梯間與居室區之間裝設壓力風門 (Barometric Damper), 以維持適當的壓力差 由於洩漏面積小, 樓梯間內壓力分布較均, 且所須選用風機容量比逃生口洩壓方式小 (3) 變風量洩壓 : 為藉由壓力感應器 (Pressure Sensor) 控制風機的送風量, 維持適當的壓力差, 此方法所選用風機容量最小, 樓梯間內壓力分布最均勻 70

75 71

76 72

77 73

78 74

79 75

80 76

81 77

82 78

83 79

84 80

85 81

86 82

87 4.7 小結壓力煙控系統設計之理念在於以強制通風方式, 以建立自火災現場與逃生避難之間有利之壓力梯度, 使濃煙無法進入逃生空間 即使進入, 亦限定於一個可控制之範圍 為達此目的, 有三種方法, 一為增壓化 二為減壓化 三為造成有利之氣流組織 在建築物內的壓力煙控系統, 應用這些方法的主要目的不外乎建立壓力差, 以便克服煙流動的驅動力 自然型 (Nature) 驅動力中, 浮力與熱膨脹為煙的高溫度所引起 煙囪效應及自然風則受當時氣象條件中的外氣溫度與風的大小 方向影響 而強制型 (Active) 驅使力中的空調系統和電梯活塞效應, 則為建築物內的設施所致 而在實際高層建築壓力煙控系統設計過程中, 則主要考慮的因素有三個 :(1) 最小設計壓力差 (2) 煙囪效應 與 (3) 自然風效應 其次, 首先應作好建築內防煙區劃, 在高層建築的防煙區劃方法可分為水平 垂直區劃與空調系統區劃 水平防煙區劃的主要目的為防止煙的水平擴散 例如, 當某層樓的居室發生火災時, 當居室面對戶外的窗戶玻璃破裂時, 若有良好的水平防煙區劃, 則可擋住因自然風吹入的煙 若能配合居室內的機械排煙系統或是樓梯間前排煙室的設置, 更可克服因火場高溫所引起的熱浮力與熱膨脹效應, 其水平煙控效果更加完備 垂直防煙區劃的功能主要為防止煙滲入類似樓梯間或電梯間的豎井內, 而將煙帶到非火災樓層, 造成重大傷亡 如之前所舉的紐約世貿大樓爆炸, 即是無垂直防煙區劃的最好案例 通常垂直的防煙區劃須有封閉的構型, 如樓梯間內不得有其他像管道間或通往居室的開口, 以免居室或管道間發生火災時, 會影響到樓梯間內避難行為的安全 故建議於樓梯間內設 83

88 置加壓煙控系統, 避免因煙囪效應與樓梯間門被打開時, 造成煙的流 動 84

89 另外, 建築物內之空調系統 (HVAC) 亦須詳加區劃, 以免火災時的煙順著空調系統的風管蔓延到整動建築物內, 或是火沿著風管燃燒 故空調系統必須有區劃的設計, 於 NFPA 90A, Standard for the Installation of Air Conditioning and Ventilation Systems 中, 有詳細之規定 而在排煙室的設計方面,NFPA 建議採行的換氣量設計與我國採行的固定進 排風量方式有所差異 不過換氣量設計較可依不同排煙室大小有所選擇, 但固定風量方式則較無彈性, 且效果不一 建議不管是排煙室設計 洩漏量之決定或樓梯間壓力差分佈, 可透過基本計算 電腦模擬與實地量測, 確定其煙控性能, 以便擬定高層建築整體煙控策略, 才能真正於火災發生時發揮作用 85

90 第五章高層建築整體煙控系統設計 5.1 煙控單元設計理念目前有許多建築物, 於設計階段時並沒有考慮煙控系統的設置 而是在建築物其他項目設計完畢時, 或甚至於建築物完工後, 才將煙控系統納入, 這是一種不正確的觀念 因建築物的煙控系統應是建築物內的重要部份, 其設計應與建築物結構特徵 使用性質有密切關係, 而不是與建築物的設計毫無關係 這點從國內外等法規中亦可充分得知, 通常煙控系統隨著不同建築型態之不同而有不同 會出現煙控系統與建築物設計相背離之現象, 其主要原因為法規中無明確之設計可依循 因此建議法規中可設計出幾種煙控系統單元 (Smoke Control Unit), 例如多種排煙室設計 樓梯間構型設計等等, 於設計建築物整體煙控系統時則只需將各種煙控系統單元組合即可構成各種煙控策略 舉個例子而言, 建築物於設計之初可先將要設置樓梯間豎井 ( 含樓梯間 排煙室 ) 的位置先預留出來 然後於煙控系統單元內, 選擇適合建築物使用的構型, 比如若建築物樓梯間豎井預留位置與外界連通, 則排煙室可選擇自然排煙方式 若樓梯間豎井預留位置不能與外界連通, 則排煙室可選擇風管式的機械進 排氣方式 同樣地, 排煙室之後的樓梯間加壓煙控系統, 亦可有多種設計選擇方式, 如頂部送風 底部送風 風管式送風等等 故每個設計案例可依照自己的狀況, 搭配前述排煙室與樓梯間壓力煙控系統之選取, 則可有多種不同組合 透過這種選取過程, 不僅選擇了適合建築物之壓力煙控系統型 81

91 式, 同時亦一併選取了加壓風管之管道間位置與避難路徑配置, 包含 : 從排煙室至樓梯間行進方向 防火門之尺寸等 且這些列於法規上的煙控系統單元, 不僅合乎法規, 更應讓其合乎性能要求 以促使於建築物設計階段時, 就把煙控系統列入設計考量之原意 就以上所舉例子而言, 對建築配置非常複雜的高層建築而言, 其煙控系統之設計將變得非常容易 用圖形式的單元設計取代目前的文字條例式規定, 將使設計者清楚法規所述之內容, 亦更容易遵循法規之規定 此種設計方式可做為從條例式法規演變至性能式法規之過渡方式, 或者與性能式法規平行之設計法規 82

92 5.2 煙控系統運轉策略分析建築物煙控系統的完備需要各個方法與整體運轉策略的配合, 才能達到效果 常用於一般建築物的煙控系統方法, 不外乎機械排煙 樓梯間加壓 排煙室 ( 或稱樓梯間前室 ) 煙控及正負壓區劃煙控等 以下就介紹結合各種煙控方法, 為國際間常用的五種建築物煙控運轉策略 (1) 居室及走道排煙 + 排煙室進排氣此種煙控策略常見於我國及日本的建築物內, 如圖 5-2 所示 若居室發生火災時, 觸發居室內的偵煙器後, 連動排煙閘門, 使居室排煙系統開始作用 萬一在居室中無法完全將排煙排除而讓煙流至走道時, 則走道上的排煙系統會因偵煙器觸發而啟動 以將煙排出, 以免煙進入樓梯間內危害避難人員的安全 在進入樓梯間之前則設置排煙室, 並於排煙室內部設計進 排氣系統, 以期維持樓梯間的淨空 本煙控策略的特色在於藉著建築物各部分的排煙系統, 徹底將 漏網之煙 排出 整個系統策略的應用, 即是機械排煙形成負壓 缺點則是由於沒有正壓煙控系統的設計, 比較容易造成煙氣的擴散, 如走廊等避難路徑可能遭煙侵入 如何克服此缺點呢? 本報告認為可將排煙室的進 排氣量修正為進氣大於排氣 如此不僅兼顧法令的規定, 且不用大幅更改設備的設計, 節省大筆經費 最重要的是讓排煙室形成正壓, 就好比在樓梯間前有一牆壁較有效地擋住煙氣往樓梯間內侵入 是整建 (Retrofit) 台灣目前既有建築物煙控系統, 最有效的方法之一 83

93 (2) 居室及走道排煙 + 排煙室及樓梯間加壓此種系統常見於目前中國大陸上的建築物內, 如圖 5-3 所示 基本上在居室排煙和走道排煙與策略一相同, 不同的是樓梯間前的排煙室進氣形成正壓與樓梯間加壓 排煙室進氣 ( 或樓梯間前室加壓 ) 的目的為用正壓將煙擋在樓梯間前, 再配合樓梯間加壓 此種 正壓牆 設計觀念消除了策略一的缺點, 確實保證樓梯間為安全的逃生路徑 (3) 居室排煙 + 走道 排煙室及樓梯間皆加壓此所規劃的煙控策略, 為於火災發生的居室實施排煙形成負壓, 而非火災區域則進行送風形成正壓, 亦所謂的正負壓區劃煙控 除了在居室部分有正負壓區劃外, 在排煙室或樓梯間前室及樓梯間部分亦有加壓系統, 如圖 5-4 所示 此策略就是於避難路徑上, 逐一建立愈來愈大的壓力差, 一路護送避難者到達安全地帶 譬如, 居室為負壓, 走廊為 正壓, 樓梯間前是為 正壓, 最後樓梯間為 正壓, 整個避難路徑的壓力梯度建立完成, 確實保障避難路徑為無煙狀態 (4) 整體建築物正負壓區劃煙控此策略跟上一種非常類似, 但比第三種策略所實施的範圍更大 整體建築物正負壓區劃簡單來說就是火災區排煙形成的負壓區, 被非火災區送風形成的正壓區所包圍 如此煙就被圍堵在火災區之內, 而其他非火災區則保持無煙狀態, 如圖 5-5 所示 既然為整體區劃, 則其建築物每個樓層的煙控系統都在運轉, 而不似以上其他三個煙控策略只在火災樓層運轉, 其煙控效果當然 84

94 為四種策略中最好的一種 但其所花的運轉經費, 比以上其他三個煙控策略要多出很多 (5) 空調系統兼用之正負壓區劃煙控上述之四種策略不管是居室或走道上的機械排煙系統, 皆是煙控系統專用 建築物內由於管道空間愈來愈顯狹小, 故並未設計專用的煙控系統, 而是由每棟建築物內皆有的空調系統兼用 此舉不僅可以大量節省經費與空間, 其煙控效果亦可達到 如 NFPA 101 Life Safety Code 內即規定, 若建築物內採行空調系統兼用之煙控系統, 則於發生火災時可採最少 6 次換氣率 (Air Change rate per Hour, ACH) 進行排煙 另外, 亦可更進一步利用防煙防火擋板 (Smoke & Fire Damper) 之切換, 進行火災煙控 即火災層的空調系統送風 (SA) 停止 回風 (RA) 持續開啟, 而形成負壓 其他非火災層則回風 (RA) 停止 送風 (SA) 持續開啟, 而形成正壓 造成所謂的空調系統兼用之正負壓區劃煙控策略, 如圖 5-6 所示 總而言之, 以上所提之各種高層建築煙控策略還須各種不同消防設施配合才能完成, 如探測器 (Detector) 撒水系統(Sprinkler) 擋板和風機之控制連動等 以及避難設施的配合, 如警報廣播系統 避難安全梯等 最後再加上建築物內防災中心之整合, 才能確實於發生火災時保障高層建築內之人身安全 85

95 86

96 87

97 88

98 89

99 90

100 5.3 高層建築煙控與避難系統整合萬一於高層建築發生火災時其避難逃生之困難度原本就比其他類型之建築還困難 原因乃在其樓層數多, 在發生火災時, 不僅有許多人透過安全梯進行垂直避難, 更有許多水平避難於各樓層同時進行 是故如何使建築物內之煙控系統發揮功用, 且結合避難系統之功能, 進一步評估煙控與避難整合之安全性, 為高層建築防災避難中不可輕忽的 民國 83 年 10 月 28 日內政部營建署公佈增列 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物, 此章為特別制定以規範有關高層建築之一般設計通則 建築構造 防火避難設施與建築設備等四項 之前曾提過各種高層建築所可能採行之煙控策略, 但若要其發揮作用, 還須各種不同消防設施, 以及避難設施的配合, 最後再加上建築物內防災中心之整合, 才能確實於發生火災時保障高層建築內之人身安全 故 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物第 259 條規定 : 高層建築物應依下列規定設置防災中心, 並以具二小時以上防火時效之防火牆 防火樓板及甲級防火門予以區劃分隔 : 另外, 同一條又規定 : 高層建築物下列各項防災設備, 其顯示裝置及控制應設於防災中心 :(1) 電氣 電力設備 (2) 消防安全設備 (3) 排煙設備與通風設備 (4) 昇降及緊急昇降 (5) 連絡通信及廣播設備 (6) 燃氣設備 (7) 其他之必要設備 以上為硬體方面設置的標準, 至於無形軟體方面的評估, 主要是各種時間的評估 通常可將從火災發生到獲得安全這期間, 分成 (1) 火場發展 (2) 偵知與通報 (3) 知覺與確認 及 (4) 避難等四部份來評估 以下分別就各項時間之內容分析如下, 並配合圖 5-7 說明 91

101 (1) 火場發展火場從著火後, 火勢即不斷成長, 濃煙亦不斷產生, 此時可分為兩種狀況討論 一為火場居室充滿濃煙後, 因無煙控系統作用而蔓延到其他非火場居室或樓層 此種情形將延長火災危害時間, 對短促之避難時間有莫大威脅 第二種情形為火場內的煙被煙控系統所控制, 並沒有流竄到其他地方, 故火災危害時間相對於第一種情形為較短, 安全避難之機率增大 從以上二種狀況討論, 可知煙控系統之重要性 (2) 偵知與通報此段時間為屬於建築物管理者部份, 主要為從各式探測器偵知火災之發生開始 此時間與著火時間有段差距, 通常為火勢初期擴大之際 從探測器偵知後緊接著火災層警報鳴動後, 防災中心派人確認火災發生, 然後對非火災樓層進行緊急通報, 告知火災發生, 開始避難 高層建築避難行為的特徵為垂直避難路線選擇性較少, 亦即只能靠安全梯往下避難 為避免避難時於樓梯間產生擁擠現象, 於 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物第 258 條規定 : 高層建築物火警警鈴之設置, 其鳴動應依下列規定 : 一 起火層為地上二層以上時, 現該樓層與其上兩層及其下一層鳴動 二 起火層為地面層時, 限該樓層與其上一層及地下層各層鳴動 三 起火層為地下層時, 限地面層及地下層各層鳴動 (3) 知覺與確認本項時間與下一項避難時間為屬於避難者本身之因素, 可分為火場區與非火場區避難者來討論 對在火場區的避難者而言, 除非 92

102 直接看到火源, 否則通常聽到火警警報時都會先感覺異常 遲疑而後反應開始避難 對非火場區的避難者而言, 其反應開始避難之時間又比火場區的避難者延後許多 因為此時若無煙控系統作用, 或許火災濃煙早已蔓延至非火場區, 此時才開始避難已來不及了! 故延後避難的結果, 可能是傷亡的主要原因 再次證明煙控系統與避難之相輔相成 (4) 避難為整個過程中最重要的部份, 亦可分為火場區與非火場區避難者來討論, 而兩者皆要歷經水平避難路徑與垂直避難路徑 於水平避難路徑而言, 不管是火場區或非火場區大致相同 但對垂直避難路線而言, 就可能相異 比如, 在火場上方樓層的避難者, 其往下逃生時必須通過火場, 若煙控系統並非完備的話, 可能面臨濃煙侵擾, 而拉長避難時間, 甚至威脅性命 但在火場區或火場區下方的避難者, 便無此考量 是故再度證明壓力煙控系統對高層建築之必須性 尤其是樓梯間加壓煙控系統, 除可保持樓梯間為無煙之避難路徑外, 更可縮短避難路徑長度, 即避難路徑只剩水平避難而已加壓樓梯間內之垂直避難, 可視為在相對安全區域內活動 對於確保高層建築火災時之人身安全, 有重大之貢獻 93

103 圖 5-7 高層建築煙控與避難整體評估圖 94

104 5.4 小結本章主要為敘述高層建築整體煙控系統設計, 主張應於建築設計之初, 就把煙控系統列入考慮 而非等完工後才將煙控系統納入, 因建築物的煙控系統應是建築物內的重要部份, 其設計應與建築物結構特徵 使用性質有密切關係, 而不是與建築物的設計毫無關係 故本研究計畫建議於法規中可設計出幾種煙控系統單元 (Smoke Control Unit), 例如多種排煙室設計 樓梯間構型設計等等, 於設計建築物整體煙控系統時則只需將各種煙控系統單元組合即可構成各種煙控策略 其次, 高層建築之煙控方式有許多種, 例如有不外乎機械排煙 樓梯間加壓 排煙室煙控及正負壓區劃煙控等, 如何將這些方法加以整合則需要運轉策略之配合 國際間常用的五種建築物煙控運轉策略有 (1) 居室及走道排煙 + 排煙室進排氣 (2) 居室及走道排煙 + 排煙室及樓梯間加壓 (3) 居室排煙 + 走道 排煙室及樓梯間皆加壓 (4) 整體建築物正負壓區劃煙控 與 (5) 空調系統兼用之正負壓區劃煙控 其中又以第五項空調系統兼用之正負壓區劃煙控, 為目前國際間之趨勢 如 NFPA 101 Life Safety Code 內即規定, 若建築物內採行空調系統兼用之煙控系統, 則於發生火災時可採最少 6 次換氣率進行排煙 另外, 亦可更進一步利用防煙防火擋板之切換, 進行火災煙控 即火災層的空調系統送風停止 回風持續開啟, 而形成負壓 其他非火災層則回風停止 送風持續開啟, 而形成正壓 造成所謂的空調系統兼用之正負壓區劃煙控策略 不過之前所提各種高層建築所可能採行的煙控策略, 但若要其發揮作用, 還須各種不同消防設施, 以及避難設施的配合, 最後再加上 95

105 建築物內防災中心之整合, 才能確實於發生火災時保障高層建築內之人身安全 故需要硬體上的設置標準與軟體上的效能評估 在硬體上的設置標準方面, 主要可參考 NFPA 92A 所規定的內容, 或者是我國 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物, 規範有關高層建築之一般設計通則 建築構造 防火避難設施與建築設備等四項 而在軟體上的效能評估方面, 主要是各種時間的評估 通常可將從火災發生到獲得安全這期間, 分成 (1) 火場發展 (2) 偵知與通報 (3) 知覺與確認 及 (4) 避難等四部份來評估 透過硬體上的設備設置與軟體上的避難時間分析二項工作, 即可對高層建築整體煙控系統設計與避難系統之配合, 有一系統化之性能評估, 才能真正對高層建築火災時之人身安全有所保障 96

106 第六章期末結論與建議 根據內政部消防署的統計, 火災死傷人數雖不是逐年增加, 但發 生的次數卻一年比一年多, 如表 6-1 所示 就拿民國 84 年為例, 全台 灣每天平均發生的火災次數達 30 次之多, 這還不包括沒有報案自行滅 火的火災 表 6-1 台灣地區民國 80~84 年火災損失統計表 民國年份 發生次數 死亡人數 受傷人數 財務損失 ( 千元 ) ,002, ,193, ,422, ,486, ,778,098 合計 ,882,704 資料來源 : 內政部消防署 WWW 網頁 在了解火災災害的嚴重性後, 降低火災災害便成為防災安全系統設計的重點 如何降低火災災害呢? 可分為積極地防止火災發生與消極地處理火災災害 在積極方面, 為根本防止火災的發生, 如去除火源 管制危險物物進入建築物內或管制人員進出防止縱火等 如果一定要存放危險物品, 則必須做好完善的儲存措施, 使其遠離火源防止火災發生 而在消極方面, 若不幸真的發生火災, 則重點放在如何處理火災災害, 包括減弱火勢及減少傷亡 如設置消防栓 撒水系統 防火門 防火牆與防火擋板等 而減少傷亡的處理方式, 則建築物內必須有避 97

107 難系統, 以便疏散人員 也必須有煙控系統, 將煙 熱及有毒氣體控 制或排出建築物外, 保持避難路徑的暢通 因此, 綜合以上所述可歸 納如圖 6-1 所示 降低火災災害 防止火災發生 處理火災災害 ( 積極 ) ( 消極 ) 去除火源 燃料遠離火源 減弱火勢 減少傷亡 電氣設備 完善儲存 設置撒水頭 火焰 防火牆 煙控系統 縱火 防火門 發煙物 防火擋板 避難系統 圖 6-1 降低火災災害體系圖從圖 6-1 中可知, 設置煙控及避難系統為整個降低火災災害的最終手段 在所有降低火災災害的方法都失效後, 減少傷亡的責任便落在煙控與避難系統 我國台灣地區之消防法規與系統設計長期沿襲日本系統, 以 排煙 為設計之主軸, 並無融入加壓煙控之觀念 另一方面, 由於工商之快捷成長, 大都會區高層建築林立, 能經由壓力煙控系統之設置, 以提供一條無煙的避難路徑為最佳的系統設計選擇 民國 83 年 10 月 28 日內政部營建署公佈增列 建築技術規則 建 98

108 築設計施工編第十二章高層建築物, 此章為特別制定以規範日益增多的高層建築 其中於第一節第二百二十七條規定 : 本章所稱高層建築物, 係指高度在 50 m 或樓層在 15 層以上之建築物 而第三節防火避難設施與第四節建築設備, 則對各項消防防火安全設施有詳細規定, 包含區劃原則 防火材料 消防設備等等 但有關煙控系統則是付之闕如, 此部份為因循 建築技術規則 之前有關煙控系統規定 本計劃進行至此已完成國內外重要法規的蒐集與分析, 包括美國國家防火協會的 NFPA 92A 我國 建築技術規則 及 各類場所消防安全設備設置標準 等 對於各種煙控系統的設計規範已獲致重要之成果 並在本研究報告中完成位於日本東京都文京區內高層建築 Century Tower 之實例分析 其中包括(1) 中庭及居室之排煙系統 (2) 緊急逃生梯前排煙室之加壓煙控系統與 (3) 電梯豎井加壓煙控系統 另外, 本建築亦全棟裝置自動撒水系統與水幕撒水系統, 以降低火場溫度, 配合上述壓力煙控系統增強煙控效果 而在 Century Tower 整個壓力煙控系統設計中, 最值得注意的是煙控系統之性能確認 因其許多防災計畫基本概念部份與當時日本消防法規牴觸, 因此勢必找出因應解決之道, 並提出防災性能確認的方式 其性能確認時程包含建築完工前與建築完工後, 確認方式有縮小尺度模型實驗 全尺度實驗 現場實測及電腦模擬分析等四種 壓力煙控系統設計之理念在於以強制通風方式, 以建立自火災現場與逃生避難之間有利之壓力梯度, 使濃煙無法進入逃生空間 即使進入, 亦限定於一個可控制之範圍 為達此目的有三種方法, 一為增壓化 二為減壓化與三為造成有利之氣流組織 99

109 在建築物內的壓力煙控系統, 應用這些方法的主要目的不外乎建立壓力差, 以便克服煙流動的驅動力 自然型 (Nature) 驅動力中, 浮力與熱膨脹為煙的高溫度所引起 煙囪效應及自然風則受當時氣象條件中的外氣溫度與風的大小 方向影響 而強制型 (Active) 驅使力中的空調系統和電梯活塞效應, 則為建築物內的設施所致 而在實際高層建築壓力煙控系統設計過程中, 則主要考慮的因素有三個 :(1) 最小設計壓力差 (2) 煙囪效應 與 (3) 自然風效應 故為了克服上述煙之驅使力, 於高層建築內部須設計有 豎井防護 的煙控系統 ( 如樓梯間加壓 ), 及 樓層防護 的煙控系統 ( 如排煙系統與排煙室 ) 除了在建築結構上的水平與垂直區劃及危險程度高的區劃外, 建築物內之空調系統 (HVAC) 亦須詳加區劃, 以免火災時的煙順著空調系統的風管蔓延到整動建築物內, 或火沿著風管燃燒 故空調系統必須有區劃的設計, 例如在風管貫穿建築結構防火牆處須設置防火擋板 風管之管道間需用具有防火時效的結構等等 於 NFPA 90A 中, 有詳細之規定 有關空調系統與煙控系統共用之相關法規基準與檢測方式, 應可作為進一步研究之重要課題 高層建築之煙控方式有許多種, 例如有機械排煙 樓梯間加壓 排煙室煙控及正負壓區劃煙控等, 如何將這些方法加以整合則需要運轉策略之配合 國際間常用的五種建築物煙控運轉策略有 (1) 居室及走道排煙 + 排煙室進排氣 (2) 居室及走道排煙 + 排煙室及樓梯間加壓 (3) 居室排煙 + 走道 排煙室及樓梯間皆加壓 (4) 整體建築物正負壓區劃煙控 與 (5) 空調系統兼用之正負壓區劃煙控 以上所提各種高層建築可能採行的煙控策略, 但若要其發揮作用, 還須各種不同消防設施, 以及避難設施的配合, 最後再加上建築 100

110 物內防災中心之整合, 才能確實於發生火災時保障高層建築內之人身安全 故需要硬體上的設置標準與軟體上的效能評估 在硬體上的設置標準方面, 主要可參考 NFPA 92A 所規定的內容, 或者是我國 建築技術規則 建築設計施工編第十二章高層建築物, 規範有關高層建築之一般設計通則 建築構造 防火避難設施與建築設備等四項 而在軟體上的效能評估方面, 主要是各種時間的評估 通常可將從火災發生到獲得安全這期間, 分成 (1) 火場發展 (2) 偵知與通報 (3) 知覺與確認 及 (4) 避難等四部份來評估 透過硬體上的設備設置與軟體上的避難時間分析二項工作, 即可對高層建築整體煙控系統設計與避難系統之配合, 有一性能評估依據 建議日後可將本研究報告所介紹之煙控運轉策略及煙控系統, 與火警警報系統 撒水系統 空調系統與消防隊搶救程序等, 其相關之測試 驗收 操作等, 作一整體之系統研究, 才能真正對高層建築火災時之人身安全有所保障 由於條例式法規無視各建築物特性的差異, 而作齊頭式的單一規定 所產生的結果為各建築物的消防設備皆合乎法規, 但發生火災時卻好像發生不了作用 這就是條例式法規的缺點, 因而才有性能式火災安全設計的產生, 其設計步驟示意圖, 如圖 6-2 所示 唯有如此才能避免 建築物的煙控系統設備皆合乎法規, 但發生火災時, 卻好像發生不了作用 的條例式法規情形, 在我國一再出現 目的 人身安全 基本機能 逃生路徑之確保 101

111 機能要求煙層下降速度避難時間總和 設計手法蓄煙煙控排煙煙控防火區劃設備設置 驗證方式 全尺度實驗 煙控數值模擬 動態避難模擬 圖 6-2 性能式火災安全設計法故本研究報告進行至此, 已經對高層建築之壓力煙控系統設計, 獲至豐碩的成果 建議此種採用性能式 (Performance-Based) 之煙控系統設計, 最能保障火災發生時之人身安全, 尤其是對高層建築 公共建築或大型建築而言, 特別顯得重要 目前正成為世界各國煙控系統設計之潮流, 於日本業已通過立法實施 對於我國目前公共安全 工廠安全如此薄弱之際, 更加有其推動之急迫 102

112 參考文獻 1. ASHRAE HANDBOOK 1991, "HVAC System & Application" CH ASHRAE HANDBOOK, 1997, "Fundamentals" CH NFPA 101 Life Safety Code. 4. NFPA 92A Recommended Practice for Smoke Control Systems. 5. NFPA 92B Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. 6. NFPA 90A Standard for the Installation of Air Conditioning and Ventilation Systems 7. J.H. Klote & J.A. Milke, 1992, "Design of smoke management systems", ASHRAE Inc., Atlanta. 8. G.T. Tamura, 1994, "Smoke Movement and Control in High-rise Buildings", NFPA. 9. 楊冠雄,1996, 建築物防火之煙控設計分析, 復文書局 10. 楊冠雄,1997, 建築物火災時煙控系統運轉策略分析, 內政部建築研究所專題研究計劃報告 11. 楊冠雄,1996, 建築物自然式煙控制系統之研究, 內政部建築研究所專題研究計劃報告 12. 楊冠雄,1995, 建築物火災時煙流動特性之研究, 內政部建築研究所籌備處專題研究計劃報告 103

113 (1) 火場發展 著火初期擴大火場區內煙擴散火場區內煙層下降非火場區內煙擴散非火場區內煙層下降 (2) 偵知與通報 探測器偵知火警警報鳴動防災中心派人確認緊急廣播 (3) 知覺與確認 火場區非火場區感覺有異察覺火災感覺有異察覺火災 (4) 避難 火場區開始避難避難結束非火場區開始避難避難結束 評估 火場區非火場區 圖

114 參考文獻 1. ASHRAE HANDBOOK 1991, "HVAC System & Application" CH ASHRAE HANDBOOK, 1997, "Fundamentals" CH NFPA 101 Life Safety Code. 4. NFPA 92A Recommended Practice for Smoke Control Systems. 5. NFPA 92B Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. 6. NFPA 90A Standard for the Installation of Air Conditioning and Ventilation Systems 7. J.H. Klote & J.A. Milke, 1992, "Design of smoke management systems", ASHRAE Inc., Atlanta. 8. G.T. Tamura, 1994, "Smoke Movement and Control in High-rise Buildings", NFPA. 9. 楊冠雄,1996, 建築物防火之煙控設計分析, 復文書局 10. 楊冠雄,1997, 建築物火災時煙控系統運轉策略分析, 內政部建築研究所專題研究計劃報告 11. 楊冠雄,1996, 建築物自然式煙控制系統之研究, 內政部建築研究所專題研究計劃報告 12. 楊冠雄,1995, 建築物火災時煙流動特性之研究, 內政部建築研究所籌備處專題研究計劃報告 103

115 (1) 火場發展 著火初期擴大火場區內煙擴散火場區內煙層下降非火場區內煙擴散非火場區內煙層下降 (2) 偵知與通報 探測器偵知火警警報鳴動防災中心派人確認緊急廣播 (3) 知覺與確認 火場區非火場區感覺有異察覺火災感覺有異察覺火災 (4) 避難 火場區開始避難避難結束非火場區開始避難避難結束 評估 火場區非火場區 圖