109 消防設備人員高等考試 消防設備師 火災學 考古題詳解

109 年・消防設備人員・高等考試・消防設備師
試題代碼 火災學

第 一 題25 分

請說明粉塵爆炸的原理以及通常會發生二次爆炸的原因。

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核心觀念

本題考查粉塵爆炸的形成條件，以及初次爆炸如何引發二次爆炸。粉塵爆炸是可燃性固體微粒分散在空氣中，達到一定濃度並遇到足夠能量的點火源後，因劇烈燃燒而造成壓力急遽上升的現象。常見可燃粉塵包括煤粉、麵粉、木粉、金屬粉末及塑膠粉末。

粉塵爆炸通常須具備可燃粉塵、氧化劑、點火源、粉塵懸浮分散，以及粉塵濃度落在可爆範圍等條件。若爆炸發生在設備或建築物等受限空間，燃燒產生的熱與氣體不易散逸，壓力便會快速升高，形成爆炸效應。

解題方法

作答時依序說明「粉塵如何形成可燃性混合物」及「初次爆炸如何促成二次爆炸」。

  1. **粉塵分散並與空氣混合：**可燃固體被研磨、輸送、噴散，或由沉積狀態揚起，形成大量懸浮微粒。粉塵粒徑小、總表面積大，與氧氣接觸充分，燃燒速度較快。
  2. **遇點火源後快速燃燒：**粉塵濃度達可爆範圍時，火焰可在粉塵雲中迅速傳播，放出大量熱並生成高溫燃燒氣體。
  3. **受限空間內壓力上升：**若燃燒發生在筒槽、管道、廠房等空間，熱與燃燒氣體不能立即逸散，壓力迅速上升，造成爆炸破壞。
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第 二 題25 分

在建築物火災中造成人命傷亡的原因，最主要是煙等有毒氣體。為防止人命傷亡，必須採取因應的防煙對策，其中一種對策為阻止煙的流動，請說明如何在建築物中建立此對策。

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核心觀念

本題考查建築物防煙對策中的「阻止煙流動」。火災產生的煙與高溫氣體會沿走廊、門窗及樓梯間等路徑擴散，也可能經管道間、電梯井等垂直開口向其他樓層蔓延。防煙的作法，是在煙可能流動的路徑上設置阻隔，並控制開口，使煙侷限於起火區域或特定區劃內，爭取人員避難與消防救災時間。

本題沒有指定法條或設備規格，重點在說明防煙原理與建築物中的設置方式；以下以命題當年（民國 109 年）的防煙觀念作答。

解題方法

依「分區阻隔、開口管制、縫隙封堵、垂直通道防護」說明。作答時要指出阻止煙流動不是只靠一道門，而是要連同區劃、開口與貫穿部位一併處理。

一、劃分防煙區劃

利用具一定阻煙能力的牆壁、樓板或防煙垂壁，將建築物分成若干防煙區劃。發生火災時，煙先被限制在起火區劃，降低其流入走廊、其他房間及避難動線的機會。

防煙區劃的界面須連續，並妥善處理與天花板、樓板及相鄰牆面的交接處；若區劃中留有未受控制的大開口，煙仍會穿越區劃，阻煙效果便會降低。

二、控制區劃上的開口

門、窗及其他開口是煙外流的重要路徑。防煙區劃上的開口應設置能關閉的門或其他阻煙設施，並保持正常使用與維護狀態。火災時，關閉開口可減少煙由起火區流向走廊、樓梯間或相鄰區劃。

防火門的耐火性能固然重要，但防煙還須注意門扇與門框的密合、關閉功能，以及門保持開啟時能否自動關閉；僅有門而未能有效關閉，仍難以阻止煙流動。

三、封堵管線及構造縫隙

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第 三 題25 分

一幢耐火建築物在低樓層發生火災時，一旦居室火勢猛烈，由窗口或開口部噴出火焰，往往會燒破上層窗戶的玻璃而擴大延燒。請說明防止下層窗戶之火焰向上層延燒的對策。

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核心觀念

本題考查建築物外牆開口的垂直延燒。下層居室燃燒猛烈時，火焰與高溫煙氣會由窗戶向外噴出，沿外牆上升；上層窗戶受到火焰直接加熱及熱輻射後，玻璃可能破裂，使火勢進入上層。

防止延燒的設計重點，是在上下樓層開口之間建立阻隔，並使火焰遠離上層窗戶、降低上層窗戶受熱程度。

解題方法

依火焰向上延燒的路徑，從外牆構造、開口配置及防火設備提出對策：

  1. 設置層間窗間牆：加高樓板交界處的外牆，使上下層窗戶之間保有足夠的非開口牆面；該牆面採耐火構造，可阻擋火焰沿外牆直接竄入上層。
  2. 設置向外突出構造：在樓板、窗戶上方設置陽台、突出樓板、遮陽板或屋簷，使噴出的火焰偏離外牆，減少火焰直接接觸上層窗戶。
  3. 調整窗戶及開口配置：加大上下層開口間的垂直距離，避免開口上下對齊；在相同開口面積下，採較寬而較低的橫向窗型，可降低火焰向上竄升的趨勢。並應控制開口面積，避免過大的開口使大量火焰向外噴出。
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第 四 題25 分

一燃燒爐根據 CNS 11227 進行防火門的防火時效測試。受測試的防火門嵌在燃燒爐的一面牆上，該門構造為兩片厚度各為 1.5 mm1.5\ \mathrm{mm} 的鍍鋅鋼板，中間夾有兩片厚度各為 5 mm5\ \mathrm{mm} 的氧化鎂板，而此兩片氧化鎂板中間再夾有一層厚度為 38 mm38\ \mathrm{mm} 的岩棉層。防火門整體厚度為 51 mm51\ \mathrm{mm}，高度為 1 m1\ \mathrm{m}，寬度為 2 m2\ \mathrm{m}。

燃燒爐內平均溫度為 800 ∘C800\,^\circ\mathrm{C}，周遭大氣溫度維持在 25 ∘C25\,^\circ\mathrm{C}。若燃燒爐內的對流熱傳係數（convection heat transfer coefficient）為 3 W/(m2⋅K)3\ \mathrm{W/(m^2\cdot K)}，而大氣的對流熱傳係數為 6 W/(m2⋅K)6\ \mathrm{W/(m^2\cdot K)}，鍍鋅鋼板、氧化鎂板和岩棉的熱傳導係數（thermal conductivity）分別為 50 W/(m⋅K)50\ \mathrm{W/(m\cdot K)}、0.125 W/(m⋅K)0.125\ \mathrm{W/(m\cdot K)} 和 0.04 W/(m⋅K)0.04\ \mathrm{W/(m\cdot K)}。

在穩態（steady state）狀況下，請計算防火門在曝火面的溫度（TfT_f）和非加熱面的溫度（TaT_a）各為多少？

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核心觀念

本題考查複合平壁在穩態下的一維熱傳，可將爐內對流、門體各層熱傳導及室外對流串聯成熱阻網路。穩態時，各層熱流率相同，總熱流率為

Q˙=T爐−T∞R總\dot Q=\frac{T_{\mathrm{爐}}-T_{\infty}}{R_{\mathrm{總}}}

對流熱阻為 R對流=1/(hA)R_{\mathrm{對流}}=1/(hA)；厚度為 LL、熱傳導係數為 kk 的平板熱阻為 R導熱=L/(kA)R_{\mathrm{導熱}}=L/(kA)。

解題方法

門的受熱面積為

A=1×2=2 m2A=1\times2=2\ \mathrm{m^2}

由爐內至室外，熱阻依序為：爐內對流、鋼板、氧化鎂板、岩棉、氧化鎂板、鋼板、室外對流。兩側對流熱阻為

R爐內=13(2)=0.1667 K/W,R室外=16(2)=0.08333 K/WR_{\mathrm{爐內}}=\frac{1}{3(2)}=0.1667\ \mathrm{K/W},\qquad R_{\mathrm{室外}}=\frac{1}{6(2)}=0.08333\ \mathrm{K/W}

兩片鋼板、兩片氧化鎂板的熱阻分別合併計算：

R鋼=2(0.0015)50(2)=0.000030 K/WR_{\mathrm{鋼}}=\frac{2(0.0015)}{50(2)}=0.000030\ \mathrm{K/W} R氧化鎂=2(0.005)0.125(2)=0.0400 K/WR_{\mathrm{氧化鎂}}=\frac{2(0.005)}{0.125(2)}=0.0400\ \mathrm{K/W}

岩棉層熱阻為

R岩棉=0.0380.04(2)=0.475 K/WR_{\mathrm{岩棉}}=\frac{0.038}{0.04(2)}=0.475\ \mathrm{K/W}
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