115 消防設備人員高等考試 消防設備師 水系統消防安全設備 考古題詳解

核心觀念

本題測驗「水系統消防安全設備」管路水力學與水錘防護設備之核心機轉與實務應用，法規與理論依據以命題當年（民國 115 年）之標準為準：

1. 水錘現象（Water Hammer）與流體力學公式：封閉管路中因流速驟變引起動量急遽轉化為壓力能的物理現象。核心依據為茹可夫斯基方程式（Joukowsky Equation）： $\Delta P = \rho \cdot a \cdot \Delta v$ （其中 $\Delta P$ 為水錘升壓值，$\rho$ 為流體密度，$a$ 為壓力波在管中之傳播速度，$\Delta v$ 為流速變化量）。

核心觀念

本題為「水系統消防安全設備」典型且高度整合的工程計算題，以「第一種室內消防栓」變更為「第二種室內消防栓」為情境，核心考核四大水力學與水系統工程觀念（以命題當年民國 115 年法規與消防工程學理為準）：

1. 瞄子放水量計算公式： 依消防工程標準口徑放水公式，瞄子放水量 $Q$ 與噴嘴口徑直徑 $d$ 平方成正比、與放水壓力 $P$ 之平方根成正比： $Q = 0.653 \cdot c \cdot d^2 \sqrt{P}$ （式中流速係數 $c$ 一般平滑噴嘴取 $0.99 \approx 1.0$，$d$ 單位為 $\mathrm{mm}$，$P$ 單位為 $\mathrm{kgf/cm^2}$，$Q$ 單位為 $\mathrm{L/min}$）。

2. 哈森－威廉公式（Hazen-Williams Equation）水頭損失比例關係： 水頭損失 $h_f$ 滿足： $h_f \propto L \cdot \frac{Q^{1.85}}{D^{4.87}}$ 當配管系統之管長 $L$、管徑 $D$ 與粗糙係數 $C$ 不變時，水頭損失僅與流量的 $1.85$ 次方成正比： $\frac{h_{f2}}{h_{f1}} = \left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)^{1.85}$

3. 水帶（皮管）之單位長度摩擦損失變化： 當管材長度基準固定（如每 $100\ \mathrm{m}$ 或每 $1\ \mathrm{m}$），流量由 $Q_1 \to Q_2$、管徑由 $D_1 \to D_2$ 時，單位長度水頭損失之變化為： $\frac{h_{\text{unit}, 2}}{h_{\text{unit}, 1}} = \left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)^{1.85} \cdot \left(\frac{D_1}{D_2}\right)^{4.87}$

4. 瞄子放水反作用力（後座力）： 根據動量守恆定律（流體動量方程式），流體自瞄子射出所產生的反作用力 $R$ 為： $R = \dot{m} v = \rho Q v = 2 A P$ 在工程實用單位制下（$P$ 為 $\mathrm{kgf/cm^2}$，$d$ 為噴嘴直徑 $\mathrm{cm}$，$R$ 為 $\mathrm{kgf}$）： $R = 2 \cdot \left(\frac{\pi}{4} d^2\right) \cdot P = \frac{\pi}{2} d^2 P \approx 1.57 \cdot d^2 \cdot P$ 若 $d$ 以 $\mathrm{mm}$ 代入，則為 $R = 0.0157 \cdot d^2 \cdot P\ (\mathrm{kgf})$。

解題方法

(1) 原設計與變更設計後之瞄子放射水量（$\mathrm{L/min}$）

採用標準瞄子放射公式 $Q = 0.653 \cdot d^2 \sqrt{P}$： 已知放水壓力 $P = 4.0\ \mathrm{kgf/cm^2}$，$\sqrt{P} = \sqrt{4.0} = 2.0$。

• 原設計（第一種室內消防栓）： 瞄子出口直徑 $d_1 = 13\ \mathrm{mm}$ $Q_1 = 0.653 \times 13^2 \times \sqrt{4.0} = 0.653 \times 169 \times 2 = 220.714 \approx 220.71\ \mathrm{L/min}$

• 變更設計後（第二種室內消防栓）： 瞄子出口直徑 $d_2 = 8\ \mathrm{mm}$ $Q_2 = 0.653 \times 8^2 \times \sqrt{4.0} = 0.653 \times 64 \times 2 = 83.584 \approx 83.58\ \mathrm{L/min}$

• 流量比值： $\frac{Q_2}{Q_1} = \frac{8^2}{13^2} = \frac{64}{169} \approx 0.3787$

(2) 變更設計後，最高處消防栓之「配管系統摩擦損失水頭」（$\mathrm{mAq}$）

題目明定「維持既有主幹線與支線管徑不變」，且為相同安裝位置，故配管長度 $L$ 與管徑 $D$ 均保持不變。 依哈森－威廉公式比例關係： $\frac{h_{p2}}{h_{p1}} = \left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)^{1.85}$

已知原配管摩擦損失水頭 $h_{p1} = 15\ \mathrm{mAq}$： $\left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)^{1.85} = \left(\frac{64}{169}\right)^{1.85} \approx (0.3787)^{1.85} \approx 0.1659$

計算變更後之配管水頭損失 $h_{p2}$： $h_{p2} = 15 \times 0.1659 = 2.4885 \approx 2.49\ \mathrm{mAq}$

(3) 變更設計後，皮管之「單位長度摩擦損失水頭」

• 原設計水帶：內徑 $d_{h1} = 38\ \mathrm{mm}$，單位長度損失水頭 $h_{\text{unit}, 1} = 25\ \mathrm{mAq}/100\ \mathrm{m}$。

核心觀念

本題評量考生對《各類場所消防安全設備設置標準》（以命題當年民國 115 年法規為準）中「自動撒水設備」三大核心設計參數之整合計算能力：

1. 水源容量計算（第 43 條）：

• 撒水頭放水量基準：每只放水額定流量為 $80\text{ L/min}$。
• 放水時間：除地下層、無開口樓層或 11 層以上樓層應放水 30 分鐘外，其餘地上層為 20 分鐘。
• 基準撒水頭數（$N$）：
• 舞台部：以最大放水區域之撒水頭數計算。
• 舞台以外部分：依場所用途與樓層查表（百貨商場為 30 個；電影院、餐廳等甲類場所為 20 個；其他場所為 10 個）。若該樓層實際設置數小於表列數，以實際數計。
• 同一樓層若同時具備舞台部與一般觀眾席，應合併檢討該樓層所需之總放水量。
• 快速反應型撒水頭之規範定位：我國現行法規中，快速反應型撒水頭主要規範於設置場所種類與感熱反應特性，法規並未針對快速反應型撒水頭提供水源容量或設計撒水頭數之折減規定。

2. 流水檢知裝置設置數量（第 54 條）：

• 各樓層、放水區域或放水區劃，應至少設置一套。
• 舞台部之一齊開放閥（雨淋閥）屬放水區域之控制裝置，與舞台以外之閉式流水檢知裝置各自獨立。

3. 送水口設置數量（第 57 條）：

• 全棟撒水頭總數在 300 個以內者，至少設 1 個（雙口形）；超過 300 個時，每增加 300 個（含未滿）增設 1 個，最多以 3 個為限。

解題方法

(1) 計算最少水源容量

步驟一：判斷放水時間與單頭放水量 本建築物為地上 10 層，無地下層亦無註明無開口樓層，且未達 11 層以上，故連續放水時間依規定採 $20\text{ min}$。 每只撒水頭標準放水量 $q = 80\text{ L/min}$，單一撒水頭所需蓄水量為： $v = 80\text{ L/min} \times 20\text{ min} = 1,600\text{ L} = 1.6\text{ m}^3$

步驟二：逐層檢討計算撒水頭數（$N$）與各樓層需水量

• 1 樓（百貨商場，設 50 個撒水頭）： 查第 43 條附表，地上層百貨商場之基準撒水頭數為 30 個。 實際設置 50 個 $\ge 30$ 個，故取 $N_1 = 30$。 $V_1 = 30 \times 1.6\text{ m}^3 = 48\text{ m}^3$
• 2 樓（餐廳，設 60 個撒水頭）： 查第 43 條附表，餐廳屬甲類場所，基準撒水頭數為 20 個。 實際設置 60 個 $\ge 20$ 個，故取 $N_2 = 20$。 $V_2 = 20 \times 1.6\text{ m}^3 = 32\text{ m}^3$
• 3 樓（電影院，舞台 20 個、觀眾席 40 個）：
• 舞台部：依第 43 條第一款，以最大放水區域撒水頭數計，即 $N_{\text{舞台}} = 20$ 個。
• 舞台以外部分（電影院觀眾席）：查附表屬甲類場所，基準撒水頭數為 20 個。實際設 40 個 $\ge 20$ 個，故取 $N_{\text{外}} = 20$ 個。
• 同樓層合併檢討：同一樓層火災時，開放式舞台與閉式觀眾席具連動延燒風險，全樓層合計需水量為兩者之和： $N_3 = N_{\text{舞台}} + N_{\text{外}} = 20 + 20 = 40\text{ 個}$ $V_3 = 40 \times 1.6\text{ m}^3 = 64\text{ m}^3$
• 4～10 樓（各層設 45 個撒水頭）： 未載明特殊用途，若屬一般場所（第（三）目）基準為 10 個；縱按甲類場所寬鬆認定亦僅為 20 個。各層需水量至多為： $V_{4\sim 10} = 20 \times 1.6\text{ m}^3 = 32\text{ m}^3 \quad (\text{若屬一般場所則為 } 10 \times 1.6 = 16\text{ m}^3)$

核心觀念

本題評量考生對可燃性高壓氣體場所水系統滅火與冷卻防護設備之法規掌握度，法規依據以命題當年（民國 115 年）之**「各類場所消防安全設備設置標準」第 222 條**為準。

可燃性高壓氣體儲槽或處理設備暴露於火場輻射熱時，槽內液體劇烈沸騰、蒸氣壓急遽攀升，極易引發「沸騰液體膨脹蒸氣爆炸」（BLEVE）及火球（Fireball）。因此，消防工程上常配置兩套互補水系統：

1. 冷卻撒水設備：以固定配管及水霧／撒水頭緊貼槽體表面均勻噴灑，藉由水的高蒸發潛熱迅速帶走外壁熱量，維持金屬降伏強度。
2. 射水設備（射水槍／水砲）：於槽體外圍安全防護距離外架設，提供長射程、高動量之集中水柱，用於強化受火面冷卻、壓制火焰或稀釋可燃氣體。

法規寬減精神：當場所「同時設有冷卻撒水設備與射水設備」時，兩者具備加乘防護效果，故設置標準允許將兩設備之連續放水時間由原本單獨設置時的 30 分鐘放寬縮減為 20 分鐘，以降低整體蓄水池體積與初期建置成本。

解題方法

解題切入點在於精準拆解題幹情境設定的兩個關鍵要件：

• 要件一：「未設有符合規定之隔熱材或防火材料被覆」 $\rightarrow$ 冷卻撒水設備無法享受撒水量減半寬減，必須採用標準撒水密度 $5\text{ L/min}\cdot\text{m}^2$。
• 要件二：「同時設有冷卻撒水設備與射水設備」 $\rightarrow$ 兩設備之水源容量計算時間均由基準之 30 分鐘縮減為 20 分鐘。

依此脈絡，分項推導公式與法條法定基準：

(1) 冷卻撒水設備之設計推導

• 單位撒水量：未經防火隔熱被覆時，外表面積每平方公尺每分鐘撒水量 $q_1 \ge 5\text{ L/min}\cdot\text{m}^2$。
• 水源容量： $V_1 = A \times q_1 \times t_1$ 其中 $A$ 為防護對象之最大外表面積（$\text{m}^2$），連續放射時間 $t_1 = 20\text{ min}$（因同時設有射水設備）。 $V_1 = A \times 5\text{ L/min}\cdot\text{m}^2 \times 20\text{ min} = 100 \times A\text{ (L)} = 0.1A\text{ (m}^3\text{)}$

(2) 射水設備之基本規格與水量推導

• 放水壓力：射水槍噴嘴端放水壓力 $P \ge 0.35\text{ MPa}$（或 $3.5\text{ kgf/cm}^2$）。
• 放水量：單具射水槍放水量 $Q \ge 400\text{ L/min}$。
• 水源容量： $V_2 = N \times Q \times t_2$ 其中連續放射時間 $t_2 = 20\text{ min}$（因同時設有冷卻撒水設備），$N$ 為計算採計之射水槍數量。 $V_2 = N \times 400\text{ L/min} \times 20\text{ min} = 8,000 \times N\text{ (L)} = 8N\text{ (m}^3\text{)}$

(3) 設置位置與同時使用數量採計

• 安全距離：射水槍射程與輻射熱防護要求，距離防護對象水平距離應達 $15\text{ m}$ 以上，但有遮阻壁或防護牆防護者除外；且各部皆在有效射程內。
• 數量採計上限：全部數量計算，但為避免水源規模過度膨脹，法規訂定上限 $N \le 2$。

選項分析（條件比對分析）

本題為申論題，以下針對法條中不同工況條件之適用要件進行對比分析，釐清題目所給條件的判定邊界：