112 高普考高考三級 職業安全衛生 職業衛生危害控制 考古題詳解

核心觀念

本題評量工業噪音控制領域中「室內吸音處理（Sound Absorption）」的基礎理論與工程計算，核心重點如下：

1. 吸音係數（Sound Absorption Coefficient, $\alpha$）：表徵材料表面吸收聲能能力的無因次比值，定義為被材料吸收（及穿透）之聲能與投射至材料表面之總入射聲能之比： $\alpha = \frac{E_a}{E_i} = \frac{I_a}{I_i} = 1 - \frac{I_r}{I_i}$ 其中 $E_i$（或 $I_i$）為入射聲能（或強度），$E_a$（或 $I_a$）為被吸收之聲能，$E_r$（或 $I_r$）為反射之聲能；數值介於 $0 \le \alpha \le 1$。
2. 總聲音吸收（Total Sound Absorption, $A$）：室內各邊界表面積與其對應吸音係數之乘積總和，單位為公制沙賓（$\text{m}^2$ 或 metric Sabin）： $A = \sum_{i=1}^{n} S_i \alpha_i$
3. 室內混響音場降噪量（Noise Reduction, $\Delta L$）：在擴散音場（Diffuse field）且遠離音源之混響場（Reverberant field）中，音壓級 $L_p$ 與總吸音量 $A$（或房間常數 $R$）成對數反比。當音源發聲功率維持不變時，增設吸音材料前後之音壓級衰減差值為： $\Delta L = L_{p1} - L_{p2} = 10 \log_{10}\left(\frac{A_2}{A_1}\right) \quad (\text{dB})$

解題方法

(一) 吸音係數 $\alpha$ 之定義與影響因子

1. 吸音係數之定義 當聲波入射於材料表面時，部分聲能被反射，其餘聲能則進入材料內部因黏滯摩擦轉化為熱能，或穿透材料至背面。吸音係數 $\alpha$ 定義為「被吸收及穿透材料的聲能 $E_a$」與「投射至材料表面的總入射聲能 $E_i$」之比值： $\alpha = \frac{E_a}{E_i} = 1 - r$ 式中 $r = \frac{E_r}{E_i}$ 為聲能反射率。$\alpha$ 為介於 $0$ 到 $1$ 的無因次數值；$\alpha = 0$ 表示完全反射（全反射面），$\alpha = 1$ 表示完全吸收（相當於完全開口）。

2. 影響吸音材料吸音係數之關鍵因子

• 聲音頻率（Frequency）：多孔性材料（如玻璃棉、岩棉）對中高頻聲波的吸音效果顯著，低頻吸音能力較差；共振型吸音構造（如穿孔板、微穿孔薄板）則僅在特定的共振頻率附近具備高峰吸音係數。
• 材料厚度（Thickness）：對於多孔性材料，當厚度增加時，其低頻與中頻之吸音係數會大幅提升；當材料厚度達到或大於聲波波長的四分之一（$\ge \lambda/4$）時，可發揮最佳吸音效果。
• 背後空氣層深度（Air Cavity Depth）：若多孔吸音材料與剛性壁面之間預留空氣層，其吸音頻率特性會向低頻移動，效果等同於增加材料實體厚度。
• 材料孔隙率與通氣阻抗（Porosity and Flow Resistivity）：多孔材料必須具備連續且互通的開孔構造（Open-cell pore）。若通氣阻抗過低，空氣流動阻力不足以將聲能摩擦耗損；通氣阻抗過高，聲波不易進入材料內部而產生表面反射。適當的流阻與高孔隙率方能獲得最高吸音係數。
• 入射角（Angle of Incidence）：聲波以垂直入射（Normal incidence）或隨機擴散入射（Random/Diffuse incidence）照射材料時，測得之吸音係數不同。一般於混響室測得之隨機入射吸音係數普遍高於管中測得之垂直入射吸音係數。
• 表面覆蓋與塗裝（Surface Coating/Covering）：表面若被油漆、厚重防塵膜或防水層密封封閉孔隙，會嚴重削弱中高頻吸音性能；若採穿孔率達 $20\%$ 以上的護面板保護，則對吸音性能影響極小。

(二) 室內總聲音吸收 $A$ 及音壓級差 $\Delta L$ 之推導計算

1. 計算室內總聲音吸收 $A$ 依據沙賓總吸音量計算公式，總吸音量為各構造面之表面積與其吸音係數乘積之代數和。 題目給定四面牆面積為 $S_1$、$S_2$、$S_3$ 及 $S_4$，吸音係數皆為 $\alpha_1$；天花板面積為 $S_5$，吸音係數為 $\alpha_2$。 若依題意僅計入此五個受處理表面（未考慮地面或假設地面吸音可忽略）： $A = \alpha_1 S_1 + \alpha_1 S_2 + \alpha_1 S_3 + \alpha_1 S_4 + \alpha_2 S_5$ 合併同類項得： $A = \alpha_1 (S_1 + S_2 + S_3 + S_4) + \alpha_2 S_5$

2. 推導吸音材料設置前後之音壓級差 $\Delta L$ 在室內封閉空間中，距離音源一定距離以外的區域屬於混響音場。在穩態聲場下，混響音場之音壓級 $L_p$ 計算式為：

核心觀念

本題聚焦於工業衛生作業環境中「呼吸防護具（Respiratory Protective Devices, RPD）」之分類體系、國際驗證規格及我國國家標準（CNS）。核心法規與標準（以命題當年民國 112 年為準）包含：

1. 防護具基本分類學理：依供氣動力機制（負壓/非動力式 vs. 動力式）與面體結構（拋棄式 vs. 濾材更換式）劃分。
2. 美國國家安全衛生研究所（NIOSH 42 CFR Part 84）：粒狀物防護濾材針對「油性氣膠抗耐性」之分類定義（N、R、P）。
3. 我國國家標準 CNS 14755 Z2125：《拋棄式防塵口罩》之分級指標、捕集效率與適用危害等級。

解題方法

本題屬標準的三段式申論問答題，各子題之解題切入點如下：

1. 第一問（防護具分類）：從工業衛生標準分類角度切入。最正統的分類軸向為「送氣動力來源」（非動力式 vs. 動力式）；為求周延，輔以「結構型態」（拋棄式 vs. 濾材更換式）進行補充，以完整涵蓋閱卷給分標準。
2. 第二問（NIOSH 濾材代號意義）：明確指明 N、R、P 代表對「油性氣膠（Oil Aerosols）」之抗耐能力，逐一說明其英文全名、耐油特性、使用時效限制及代表性適用環境。
3. 第三問（CNS 14755 等級意義）：精準寫出拋棄式防塵口罩的三個等級（D1、D2、D3），並列出其「最低捕集效率」之定量數值與對應之危害作業等級。

申論題內容解析

一、粒狀有害物之淨氣式呼吸防護具分類

淨氣式呼吸防護具（Air-Purifying Respirator, APR）係利用濾材將環境空氣中之有害粉塵、燻煙、霧滴過濾去除。學理與實務上主要依驅動動力來源分為以下兩種：

1. 非動力淨氣式呼吸防護具（負壓式，Negative-Pressure APR）：

• 原理：無額外動力輔助，完全仰賴佩戴者肺部呼吸時產生的「負壓」，將外界受汙染之空氣抽吸通過濾材過濾後吸入。
• 特性：構造輕便、成本低，但呼吸阻抗較大，密合度若不佳容易造成由面體邊緣洩漏。依外觀可再分為「拋棄式面體（過濾面體口罩）」與「濾材更換式彈性面體」。

2. 動力淨氣式呼吸防護具（PAPR，Powered Air-Purifying Respirator）：

• 原理：配備小型電動鼓風機（馬達風扇），由電池驅動強制抽取外界空氣通過過濾元件，淨化後以正壓送至面體、頭罩或安全帽內供佩戴者呼吸。
• 特性：防護具內部維持正壓狀態，可大幅降低外洩滲入率（指派防護係數 APF 顯著高於負壓式），佩戴舒適且無吸氣阻抗，適合重度體力勞動或高危害性環境。

(補充說明：若依結構外型分類，亦常分為「拋棄式防塵口罩（Filtering Facepiece）」與「濾材更換式防塵面體（Elastomeric Respirator）」兩種。)

二、NIOSH 濾材分類（N、P、R）之意義

美國 NIOSH 依據 42 CFR 84 規範，依據濾材對油性微粒（Oil Aerosols）之抗耐能力將粒狀物濾材劃分為 N、R、P 三大系列：

核心觀念

本題屬於工業通風（局部排氣系統）之氣動力學基礎理論，主要評量氣罩入口處的能量守恆定律、壓力轉換機制及氣流流動特性。

1. 能量守恆（伯努利方程式在進氣端的應用）： 空氣自靜止的周界環境（大氣壓力基準下，全壓 $TP_0 = 0$、速度壓 $VP_0 = 0$、靜壓 $SP_0 = 0$）加速進入導管內，總能量產生流動損失（氣罩進入損失 $h_e$）。導管內測得之全壓 $TP_d$ 等於靜壓 $SP_d$ 與速度壓 $VP_d$ 之和。 $TP_0 - TP_d = h_e \implies 0 - (SP_d + VP_d) = h_e \implies -SP_d = VP_d + h_e$ 以氣罩靜壓絕對值（吸入端為負壓）標記為 $|SP_h|$： $|SP_h| = VP_d + h_e$

2. 氣罩進入損失係數（Hood Entry Loss Coefficient, $C_{\mathrm{hood}}$ 或常記為 $K_e$）： 定義為氣罩進入損失水頭（$h_e$）與下游導管內速度壓（$VP_d$）的比值（無因次）： $C_{\mathrm{hood}} = \frac{h_e}{VP_d} \implies h_e = C_{\mathrm{hood}} \cdot VP_d$

3. 氣罩進入係數（Hood Entry Coefficient, $C_e$）： 定義為實際排氣量 $Q$ 與理想無阻力狀況下排氣量 $Q_{\text{ideal}}$ 的比值，亦等於導管速度壓與氣罩靜壓絕對值比值的平方根（無因次）： $C_e = \frac{Q}{Q_{\text{ideal}}} = \sqrt{\frac{VP_d}{|SP_h|}}$

解題方法

第一部分：氣罩進入係數（$C_e$）之意義

1. 物理定義： 氣罩進入係數（$C_e$）為無因次常數，定義為在相同氣罩靜壓下，「實際通過氣罩之風量（$Q$）」與「無摩擦阻力之理想狀態下理論排氣量（$Q_{\text{ideal}}$）」的比值。 因風量 $Q = A \cdot V$，且流速 $V \propto \sqrt{VP}$，在理想無壓降損失下，所有靜壓能量完全轉換為動壓（即 $VP_{\text{ideal}} = |SP_h|$），故： $C_e = \frac{Q}{Q_{\text{ideal}}} = \frac{A \cdot 4.04 \sqrt{VP_d}}{A \cdot 4.04 \sqrt{|SP_h|}} = \sqrt{\frac{VP_d}{|SP_h|}}$

2. 工程與流體力學意義：

• 能量轉換效率之指標：$C_e$ 反映通風系統抽氣時，風機所提供的靜壓轉換為有效導管動壓（流速）的轉換效率。$C_e$ 越接近 $1.0$，代表氣流進入導管時的紊流損失與能量耗損越小。
• 流場縮流效應之表徵：流體在流入開口時會產生縮流現象（Vena Contracta），斷面收縮與急遽擴張會造成能量渦流。氣罩幾何外型越平順（如喇叭型開口，Bellmouth），流動分離越輕微，$C_e$ 越高（約 $0.98$）；外型越尖銳（如導管直切開口，Plain duct end），分離渦流越大，$C_e$ 越低（約 $0.72$）。

第二部分：公式證明

目標：證明 $C_{\mathrm{hood}} = \dfrac{1 - C_e^2}{C_e^2}$

推導步驟：

1. 建立壓力平衡關係式： 空氣由大氣中被抽吸至導管內部，根據伯努利方程式，大氣全壓等於下游導管全壓加上氣罩進入損失水頭： $TP_0 = TP_d + h_e$ 以大氣壓力為計示基準（$TP_0 = 0$），代入全壓定義 $TP_d = SP_d + VP_d$： $0 = (SP_d + VP_d) + h_e$ 移項得： $-SP_d = VP_d + h_e$ 令吸氣端負壓絕對值 $|SP_h| = -SP_d$，得基本能量守恆式： $|SP_h| = VP_d + h_e$

核心觀念

本題屬於職業衛生工程控制中「整體換氣（稀釋通風）」的**清洗換氣（Purge Ventilation / Wash-out Dilution）**計算，考查重點如下：

1. 質量平衡方程式（Mass Balance Equation）：在局限空間（儲槽）內無持續揮發源（有害物產生率 $G = 0$）、進氣為新鮮空氣（進氣濃度 $C_i = 0$）的情境下，室內濃度隨換氣時間呈指數衰減。
2. 均勻換氣假設：題目載明實施均勻換氣，表示完全混合（Perfect Mixing），混合不完全係數取 $k = 1$。
3. 換氣時間與換氣量之關係：通風量 $Q$ 與所需換氣時間 $t$ 呈反比關係。
4. 容許濃度標準：依命題當年（民國 112 年）之《勞工作業場所容許暴露標準》，甲溶劑之八小時日時量平均容許濃度為 $\mathrm{PEL\text{-}TWA} = 100\ \mathrm{ppm}$。

解題方法

一、推導清洗換氣基本方程式

設儲槽容積為 $V\ (\mathrm{m^3})$，有效通風量為 $Q\ (\mathrm{m^3/min})$，槽內溶劑蒸氣濃度為 $C\ (\mathrm{ppm})$，時間為 $t\ (\mathrm{min})$。

依質量平衡原理： $V \cdot dC = (G - Q \cdot C) \cdot dt$

已知槽內已無殘留溶劑液體及其他揮發物，有害物產生率 $G = 0$，且引入之新鮮空氣濃度為 $0$： $V \cdot dC = - Q \cdot C \cdot dt$

分離變數並積分（由 $t = 0$ 時之初始濃度 $C_0$ 積分至時間 $t$ 之濃度 $C_t$）： $\int_{C_0}^{C_t} \frac{dC}{C} = -\frac{Q}{V} \int_{0}^{t} dt$

$\ln\left(\frac{C_t}{C_0}\right) = -\frac{Q}{V} t \quad \Longrightarrow \quad \ln\left(\frac{C_0}{C_t}\right) = \frac{Q \cdot t}{V}$

整理可得通風量 $Q$ 與通風時間 $t$ 的基本公式： $Q = \frac{V}{t} \ln\left(\frac{C_0}{C_t}\right)$ $t = \frac{V}{Q} \ln\left(\frac{C_0}{C_t}\right)$

二、第一小題：計算通風量 $Q$

已知條件：

• 儲槽容積 $V = 200\ \mathrm{m^3}$
• 初始濃度 $C_0 = 1000\ \mathrm{ppm}$
• 通風時間 $t = 1\ \text{小時} = 60\ \mathrm{min}$
• 換氣後濃度 $C_t = 2.5\ \mathrm{ppm}$

代入通風量公式： $Q = \frac{200\ \mathrm{m^3}}{60\ \mathrm{min}} \times \ln\left(\frac{1000}{2.5}\right) = \frac{10}{3} \times \ln(400)$

計算自然對數值： $\ln(400) \approx 5.9915$

求得 $Q$ 值： $Q = \frac{10}{3} \times 5.9915 \approx 19.97\ \mathrm{m^3/min}$ （若換算為每小時通風量：$Q = 19.9715 \times 60 \approx 1198.29\ \mathrm{m^3/hr}$）