無塵室性能式煙控設計

前言

排煙系統設置目的，係為移除燃燒反應過程產生的煙粒子，使人員在逃生過程中得不受煙塵干擾，安全避難。因此為了有效移除煙塵，傳統設計多以防煙壁防堵煙塵擴散範圍，再透過排煙設備將煙塵排出。但受制於製程連續性需求，AMHS軌道密佈，無法採行傳統防煙壁模式設計；再者，無塵室內的下循環氣流，驅動煙塵往下沉降，使防煙壁無法有效蓄集煙氣。因此無塵室內的排煙系統，倘依循國內規章建制時 圖一、圖二，實難發揮效用。

排煙設計的法令限制

依現行消防規章，無塵室作業環境內，每500平方公尺須以高度50公分以上之防煙壁進行區域劃分；為使防煙壁與AMHS軌道路線之影響降低，防煙壁儘可能避開軌道區設置，無法避免時，則須在AMHS軌道貫穿防煙壁之地點裝置自動連鎖關閉之設施，然而這種設計從未被採用，致產生適法性問題。因此，從人員安全面衡量，AMHS設計面思考，法令適法面等三者須同時兼顧下，採用較實務的性能式煙控設計，成為必要。

無塵室性能煙控設計概念

性能煙控設計的概念，係以物質燃燒之煙氣產生速率為基礎，利用環境差壓與空間特性，引導煙流移動方向，進而移除。如：以無塵室製程區域為例，設計時即可考量煙氣熱浮升特性，將區域內天花板挑高區建制為蓄煙井，搭配風機濾氣單元（Fan Filter Unit, FFU）變頻控制系統調節FFU出口風速量，形成壓差環境，抑制煙霧向外傳播，而導引煙氣蓄煙井匯集；另一方面，改變排煙口移至蓄煙井上方，使排煙系統發揮最大效益 圖三、圖四。

火場中除煙塵會致人員安全產生危害外，燃燒產生的危害物一氧化碳、二氧化碳、HCN濃度等與火場溫度均會對人員身心產生危害；因此基於人員安全考量，在性能煙控設計時，這些因素都必須納入檢討。礙於具體火災煙流試驗難以進行，火災發展情境無法具體演練，致性能煙控效能難以檢証。因此設計時，多採FDS軟體進行火災模擬，輔以SIMULEX軟體執行人員避難模擬，在兩軟體交互應用下，以驗證性能煙控的效能。

FDS理論基礎與數值分析方法

FDS火災模擬程式(Fire Dynamics Simulator)係由美國國家標準與科技研究所開發出的火災模擬軟體，軟體內結合質量守恆、物種守恆、動量守恆、發散限制、差分與狀態…等方程式，作為理論基礎，將燃燒反應發展流程透過運算方式，轉換為流場模式呈現。如：火災發展、氣流變化與煙氣流發展能以動畫效果呈現，CO、CO²濃度、氧氣、HCN等濃度變化能以場域模式呈現；最後運算的結果則得作為人員安全避難的評估指標。節錄FDS部分運算方程式如下：

質量守恆方程式

物種守恆方程式

動量守恆方程式

發散限制

狀態方程式

時間離散

對時間項的離散，FDS採用二次方預測修正機制（Second order predictor-corrector scheme）。在每個時間歷程（time-step）開始的時候，均為已知，需特別注意的是，上標^{(n +1)_e}代表的是第^{(n +1)}個時間歷程（time-step）時程式預估出來的值。

• 熱物理性質 ρ 、Y_i 和 p₀ 是利用顯性的尤拉法(explicit Eluer step)得到，例如密度可由下式預估

  

• 解壓力的Poisson方程式則可由

  

  這一項包含了動量方程式裡的對流、發散及外力項。速度則由下個time-step預估

  

  而time-step必須符合

  

• 前述兩者算完之後，熱物理性質 ρ 、Y_i 和 p₀ 將在下一個time-step做校正。例如密度將寫成

  

• 透過之前預估出來的結果來重新計算壓力

  

  更正過的速度如下

  

SIMULEX人員避難模擬軟體介紹

SIMULEX係由英國Fire Safety Group開發出的避難模擬程式，能模擬人群在複雜建築物內的行動。藉由簡潔的操作模式，輸入避難路徑、人群密度、人員屬性、行動力優劣條件後，即能快速驗證成果。考量人群中個別個體行動時產生的相互干擾行為，如：人員移動相互干擾行為、人群匯集致移動速率消減、出口擁擠致人群滯留等因素，都可藉由電腦模擬得到驗證。

軟體運算時將人員之軀幹與臂膀以三個圓形表示人體外型，如 圖五所示。當人員間距大於1.6公尺以上時，人員得保持正常避難的速度移動，但當距離人員間距低於0.3公尺時，人員的移動速度將為零，而形成滯留現象，其影響關係如 圖六說明。另一方面，步行速率較快的人員將會受速率慢人員影響，此時程式會先以 θ₁ 與 θ₂ 判斷新的方向判斷是否產生避難障礙物，若判斷無阻礙，後方人員就會 θ₁ 與 θ₂ 或方向閃避，超越後再轉往出口方向行進，如圖七及 圖八所示。

人命安全之評估指標

物質於燃燒熱解過程中，使氣體密度發生變化，冷空氣由底層流入而產生煙束流 圖九，熱解過程中所產生的化學氣體與固體微粒混合形成煙層；當煙層累積沉降後，直接與間接影響人員行動力。為了進行避難人員安全性的評估，許多影響人員健康危害的關鍵性因子已被量化成為危害指標，如：溫度、能見度、CO²濃度、CO濃度、HCN濃度、輻射熱等。以SFPE防火設計手冊訂出的煙毒危害標準，在人員呼吸系統及視覺感官接觸位置(1.8公尺)處所容許的危害量必須低於恕限值 表一。

火源設計及火災模擬條件

審視半導體製程之原物料於燃燒後，以有機溶劑物質所會產生的煙量為最，其單位熱釋放率約為1400kW/m²；另評估製程設備洩漏率、安全連鎖設計、緊急應變能力、火載量、裝修材料燃燒性等因素後，產生連續性失誤率微乎其微。因此邀集專家學者討論，擇定濕式蝕刻槽（wet bench）為起火源，熱釋放率為5MW，火災成長條件則依循NFPA 92B之T-square，如 圖十成長曲線之最嚴苛火災成長模式(ultra-fast)作為設計條件。

結果

根據模擬結果，火災初期因空間煙控系統尚未啟動，濃煙受無塵室FFU整體下氣流影響，鄰近火源處之能見度受到影響，起火後約140秒，除鄰近火源處之2號出口受輻射熱及煙氣影響，能見度下降至10公尺以下，不利於人員逃生；其餘逃生出口及避難路徑之能見度均維持在安全標準值內 圖十一。起火後約230秒，溫度一度上升至攝氏60度，但在煙控系統完全運作後，煙氣被導往蓄煙區流動，2號出口溫度迅速下降至安全範圍內 圖十二；初期，雖有局部煙塵受FFU沉降氣流擾動，與空氣混合向外擴散；但於起火270秒後，火場熱釋放率轉呈穩態發展，空間氣壓環境建制，煙塵移動範圍漸獲控制，不再往外擴散 圖十三。在人員逃生方面，無塵室內人員自得知火災發生後，大致能於92秒內完全撤離。

綜合火災模擬與人員避難逃生之兩項結果，蓄煙井設計確實發揮出集煙能力，各項危害指標均未超出人員危害恕限值範圍，明確驗證區域內之人員能在安全環境下，成功撤離。