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研究生:林明勳
研究生(外文):Ming-Shiun Lin
論文名稱:長公路隧道縱式通風排煙系統之性能化分析
論文名稱(外文):The Performance Analysis of Longitudinal Ventilation Systems in Long Road Tunnels
指導教授:何三平何三平引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:長榮大學
系所名稱:職業安全與衛生研究所
學門:醫藥衛生學門
學類:公共衛生學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:長公路隧道通風排煙系統噴流式風機功能
外文關鍵詞:FDStunnellongitudinal ventilation systemjet fan
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本研究使用Fire Dynamics Simulator(FDS)火場模擬軟體,著重觀察長公路隧道發生火災時,目前國內所設計之縱式通風排煙系統是否有足夠能力,將火災燃燒產生之濃煙順利往發生火災之下風處(依循車行方向)排除,以確保用路人可以不受濃煙影響下順利逃生。
研究結果發現,當隧道所設計主要通風排煙系統(豎井抽風口)之抽風量為443 CMS,而火源-豎井抽風口間距在350m之內,且無論是否設置噴流式風機之情況下,對於火源熱釋放率5MW、15MW以及20MW之火災大小而言,隧道內的通風排煙系統皆可將火災燃燒產生之大部分煙層順利往火災下風處排除,但於火災上風處會有煙層產生逆流現象,而該逆流煙層可被控制於某區間內,不致持續往隧道入口擴散,換言之倘若用路人可以順利逃離至逆流煙層範圍外之區域,將較不易受到濃煙之毒害;除此之外,從逆流煙層之擴散距離隨著火源熱釋放率增加而變遠之關係,本研究發展出一套得以預測不同火源熱釋放率範圍下,逆流煙層隨之變化的預測模式,且經由電腦模擬結果與理論預測公式相互驗證後得知,此模式應是能夠參考之預測模式。
另外,經由探討分析噴流式風機功能之模擬結果顯示,無論噴流風機係於火源上風處設置一組(兩具)或於火源下風處設置兩組(四具),純粹就縮短逆流煙層擴散距離之角度而言,皆有正面之助益
最後,根據溫度、輻射熱以及一氧化碳濃度之等高線圖分析可知,對於溫度與一氧化碳濃度而言,無論隧道內發生火源熱釋放率為5MW、15MW或20MW的火警事故,倘若位於起火源上風處2m以外且高度不超過3m的區域範圍內,大致屬於安全區域,同時代表受到高溫與一氧化碳傷害或毒害的風險皆相對地較低;而對於輻射熱強度而言,倘若隧道內發生火源熱釋放率小於20MW的火警事故,建議人員應處於起火源上風處15m以外且高度低於2m之區域,避免或降低受到輻射熱傷害之風險。
This study aims to find out the ability of domestic longitudinal ventilation system. The longitudinal ventilation system is designed to exhaust smoke produced by tunnel fire to leeward(along the car track),insuring that road users can be evacuated free from smoke .This study uses Fire Dynamics Simulator(FDS) to analyze the performance of longitudinal ventilation system in long road tunnels.
When the capacity of the major ventilation in a tunnel is 443 CMS, and the distance between fire source and ventilation system is within 350m, whether jet fans are installed or not, smoke caused by fire with heat release rate of 5MW, 15MW, or 20MW can be exhausted to leeward.However, there will be smoke backflow at windward of fire source.The smoke backflow can be retained in a certain area, instead of continuing to diffuse to the entry of the tunnel.In short, if road users can successfully escape to area free from smoke backflow, they can not be harmed by the toxin of smoke. In accordance with the relationship between the heat release rate and the distance of smoke diffusion, we develop a formula to predict the distance of smoke diffusion in different heat release rates. Besides, we discover that whether we set up a jet fan at leeward or windwaed, it can effectively cut down the distance of smoke diffusion.
Finally, we analyze contour diagram of temperature, radiation intensity and carbon monoxide.In the aspect of temperature and carbon monoxide, when the heat release rate of fire source is 5MW, 15MW or 20MW, areas 2m away from the windward of fire source and less than 3m in heights are generally safe.In the aspect of radiation intensity, when the the heat release rate of fire source is less than 20MW,it is suggested that firefighters should stay in areas 15m away from the windward and less than 2m in heights, in order to minimize the risk of being harmed by radiation.
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
誌 謝 IV
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 2
1.4 研究流程 3
第二章 文獻探討與回顧 4
2.1 世界各國重要隧道之火災情境 4
2.2 隧道內火災特性分析 7
2.3 隧道通風排煙系統能否有效控制煙層之影響要素 13
2.4 公路隧道消防安全設施之探討 14
2.4.1室內消防栓箱 14
2.4.2排煙設備 16
2.4.3廣播系統 16
第三章 研究設計 17
3.1 模擬軟體之介紹與格點配置說明 17
3.2 隧道設計架構與各項模擬參數之說明 19
3.3 隧道內各種不同火災情境之模擬條件 22
3.4 隧道內溫度、輻射熱以及一氧化碳量濃度測量點之配置說明 28
第四章 結果與討論 29
4.1 通風排煙系統之排煙能力探討與分析 29
4.2 火源熱釋放率與逆流煙層擴散距離關係之探討分析 40
4.3 隧道內溫度分布情形之探討 50
4.4 隧道內輻射熱分布情形之探討 53
4.5 隧道內一氧化碳濃度分布情形之探討 62
4.6 隧道內溫度、輻射熱以及一氧化碳濃度之等高線圖分析 66
4.7 隧道火災個人風險之分析 75
第五章 結論與建議 78
參考文獻 81
附錄A 82
附錄B 85
附錄C 88

表目錄
表2-1 國內、外公路隧道發生火災事故之真實情境統計 4
表2-2 國外各型車種之HRR 設計值 9
表2-3 載重貨物拖車全尺寸火災試驗之情形 10
表2-4 Runehamar 隧道載重貨物拖車全尺寸火災試驗之情形 11
表4-1 情境1 之模擬結果 29
表4-2 情境2 之模擬結果 31
表4-3 情境3 之模擬結果 33
表4-4 情境1∼情境6 模擬結果總表 34
表4-5 情境7∼情境9 模擬結果總表 36
表4-6 情境10 之模擬結果 38
表4-7 當噴流式風機設計方式不同時,排煙效果之差異情形 39
表4-8 當噴流式風機設計方式不同時,逆流煙層擴散距離之差異 39
表4-9 情境1 與情境4 逆流煙層擴散距離之總表 41
表4-10 情境2 與情境5 逆流煙層擴散距離之總表 43
表4-11 情境3 與情境6 逆流煙層擴散距離之總表 45
表4-12 HRR 為5MW 時之輻射熱強度 56
表4-13 HRR 為15MW 時之輻射熱強度 58
表4-14 HRR 為20MW 時之輻射熱強度 60
表4-15 一氧化碳之容許暴露濃度恕限值 63
表4-17 HRR 為5MW、15MW 以及20MW 之火災發生次數與頻率 77

圖目錄
圖2-1 各種小型轎車之HRR 與時間的關係圖 8
圖2-2 公共巴士之HRR 與時間的關係圖 8
圖2-3 EUREKA 499 與Mont Blanc 隧道載重貨物拖車全尺寸火災測試
之HRR 曲線
10
圖2-4 Runehamar 隧道載重貨物拖車全尺寸火災試驗貨物示意圖 12
圖2-5 Runehamar 隧道載重貨物拖車全尺寸火災測試之HRR 曲線 12
圖2-6 無設置通風排煙系統時,煙層擴散之情形 13
圖2-7 產生煙層逆流之現象 13
圖2-8 將煙層依循順向排除,而不會產生煙層逆流之情形 13
圖2-9 高閃火點油類點燃後之燃燒情形 15
圖2-10 油類被點燃後再將水柱噴灑於熱油表面,發生突沸之現象 15
圖3-1 隧道入口處之外觀 19
圖3-2 隧道內部噴流式風機之設置情形 20
圖3-3 火源設置情形 20
圖3-4 豎井抽風口之設置情形 21
圖3-5 由隧道入口往內部觀看隧道內部結構之示意圖 23
圖3-6 由隧道側面觀看隧道內部結構之示意圖 23
圖3-7 由隧道入口往內部觀看隧道內部結構之示意圖 24
圖3-8 由隧道側面觀看隧道內部結構之示意圖 24
圖3-9 由隧道入口往內部觀看隧道內部結構之示意圖 25
圖3-10 由隧道側面觀看隧道內部結構之示意圖 26
圖3-11 由隧道入口往內部觀看隧道內部結構之示意圖 27
圖3-12 由隧道側面觀看隧道內部結構之示意圖 27
圖3-13 溫度、輻射熱、一氧化碳以及二氧化碳量測點之配置情形 28
圖4-1 HRR 為5MW 且火源-豎井抽風口間距50m 之排煙情形 30
圖4-2 HRR 為5MW 且火源-豎井抽風口間距350m 之排煙情形 30
圖4-3 HRR 為15MW 且火源-豎井抽風口間距50m 之排煙情形 31
圖4-4 HRR 為15MW 且火源-豎井抽風口間距350m 之排煙情形 32
圖4-5 HRR 為20MW 且火源-豎井抽風口間距50m 之排煙情形 33
圖4-6 HRR 為20MW 且火源-豎井抽風口間距350m 之排煙情形 33
圖4-7 HRR 為5MW、15MW 及20MW 之臨界抽風效率示意圖 37
圖4-8 HRR 為5MW,有-無設置噴流風機對逆流煙層擴散距離影響比較 41
圖4-9 HRR 為15MW,有-無設置噴流風機對於逆流煙層擴散距離影響
比較
43
圖4-10 HRR 為20MW,有-無設置噴流風機對於逆流煙層擴散距離影響
比較
46
圖4-11 HRR 為5、15 及20MW,有-無設置噴流風機對逆流煙層擴散距
離之比較
47
圖4-12 逆流煙層擴散距離與火源-豎井抽風口間距之關係圖 49
圖4-13 預測HRR 為10 MW 之逆流煙層擴散距離示意圖 49
圖4-14 HRR 為5MW,而火源-豎井抽風口間距為50m 之溫度分佈情形 50
圖4-15 HRR 為15MW,而火源-豎井抽風口間距為50m 之溫度分佈情形 51
圖4-16 HRR 為20MW,火焰高度到達隧道頂端之情形 52
圖4-17 HRR 為20MW,而火源-豎井抽風口間距為50m 之溫度分佈情形 53
圖4-18 HRR 為5MW,而火源-豎井抽風口間距為50m 之輻射熱分佈情形 54
圖4-19 SFPE Handbook 輻射熱-暴露時間曲線之作圖 55
圖4-20 HRR 為5MW,而火源-豎井抽風口間距350m 之安全距離 56
圖4-21 HRR 為15MW 時,火焰高度之分布情形 57
圖4-22 HRR 為15MW,而火源-豎井抽風口間距50m 之輻射熱分佈情形 57
圖4-23 HRR 為15MW,而火源-豎井抽風口間距350m 之安全距離 58
圖4-24 HRR 為20MW,而火源-豎井抽風口間距50m 之輻射熱分佈情形 59
圖4-25 HRR 為20MW,而火源-豎井抽風口間距350m 之安全距離 61
圖4-26 不同HRR,而火源-豎井抽風口間距350m 之安全距離 61
圖4-27 HRR 為5MW ,而火源-豎井抽風口間距50m 之一氧化碳濃度分
佈情形
63
圖4-28 HRR 為15MW,而火源-豎井抽風口間距50m 之一氧化碳濃度分
佈情形
64
圖4-29 HRR 為20MW,而火源-豎井抽風口間距50m 之一氧化碳濃度分
佈情形
65
圖4-30 HRR 為5MW ,火源-豎井抽風口間距350m 之溫度等高線圖 66
圖4-31 HRR 為15MW,火源-豎井抽風口間距350m 之溫度等高線圖 67
圖4-32 HRR 為20MW,火源-豎井抽風口間距350m 之溫度等高線圖 67
圖4-33 HRR 為5MW ,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度等高線

68
圖4-34 HRR 為15MW,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度等高線

69
圖4-35 HRR 為20MW,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度等高線圖 69
圖4-36 HRR 為5MW ,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度細部分
析等高線圖
70
圖4-37 HRR 為15MW,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度細部分
析等高線圖
71
圖4-38 HRR 為20MW,火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱強度細部分
析等高線圖
71
圖4-39 HRR 為5MW,火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳濃度等高
線圖
72
圖4-40 HRR 為15MW,火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳濃度等高
線圖
73
圖4-41 HRR 為20MW,火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳濃度等高
線圖
73
圖4-42 HRR 為5MW、15MW 以及20MW 之個人風險 77
圖A-1 火源-豎井抽風口間距為100m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-2 火源-豎井抽風口間距為150m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-3 火源-豎井抽風口間距為200m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-4 火源-豎井抽風口間距為250m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-5 火源-豎井抽風口間距為300m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-6 火源-豎井抽風口間距為350m 之溫度分佈(5MW) 82
圖A-7 火源-豎井抽風口間距為100m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-8 火源-豎井抽風口間距為150m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-9 火源-豎井抽風口間距為200m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-10 火源-豎井抽風口間距為250m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-11 火源-豎井抽風口間距為300m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-12 火源-豎井抽風口間距為350m 之溫度分佈(15MW) 83
圖A-13 火源-豎井抽風口間距為100m 之溫度分佈(20MW) 84
圖A-14 火源-豎井抽風口間距為150m 之溫度分佈(20MW) 84
圖A-15 火源-豎井抽風口間距為200m 之溫度分佈(20MW) 84
圖A-16 火源-豎井抽風口間距為250m 之溫度分佈(20MW) 84
圖A-17 火源-豎井抽風口間距為300m 之溫度分佈(20MW) 84
圖A-18 火源-豎井抽風口間距為350m 之溫度分佈(20MW) 84
圖B-1 火源-豎井抽風口間距100m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-2 火源-豎井抽風口間距150m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-3 火源-豎井抽風口間距200m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-4 火源-豎井抽風口間距250m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-5 火源-豎井抽風口間距300m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-6 火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱分佈(5MW) 85
圖B-7 火源-豎井抽風口間距100m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-8 火源-豎井抽風口間距150m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-9 火源-豎井抽風口間距200m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-10 火源-豎井抽風口間距250m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-11 火源-豎井抽風口間距300m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-12 火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱分佈(15MW) 86
圖B-13 火源-豎井抽風口間距100m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖B-14 火源-豎井抽風口間距150m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖B-15 火源-豎井抽風口間距200m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖B-16 火源-豎井抽風口間距250m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖B-17 火源-豎井抽風口間距300m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖B-18 火源-豎井抽風口間距350m 之輻射熱分佈(20MW) 87
圖C-1 火源-豎井抽風口間距100m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-2 火源-豎井抽風口間距150m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-3 火源-豎井抽風口間距200m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-4 火源-豎井抽風口間距250m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-5 火源-豎井抽風口間距300m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-6 火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳分佈(5MW) 88
圖C-7 火源-豎井抽風口間距100m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-8 火源-豎井抽風口間距150m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-9 火源-豎井抽風口間距200m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-10 火源-豎井抽風口間距250m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-11 火源-豎井抽風口間距300m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-12 火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳分佈(15MW) 89
圖C-13 火源-豎井抽風口間距100m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
圖C-14 火源-豎井抽風口間距150m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
圖C-15 火源-豎井抽風口間距200m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
圖C-16 火源-豎井抽風口間距250m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
圖C-17 火源-豎井抽風口間距300m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
圖C-18 火源-豎井抽風口間距350m 之一氧化碳分佈(20MW) 90
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