111 高普考高考三級 消防技術 火災學 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對室內火災發展過程中，兩大極端火災行為——**閃燃（Flashover）與爆燃／回燃（Backdraft）**之發生機理、通風條件及「可燃界限（燃燒界限，Flammability Limits）」動態變化的掌握程度。

涉及之核心學理與定義包含：

1. 可燃界限（燃燒界限）： 可燃性氣體或蒸氣與空氣均勻混合後，能被點燃並維持火焰傳播的濃度範圍。

• 燃燒下限（Lower Flammable Limit, $\text{LFL}$）：混合氣中可燃性氣體的最低體積百分比；低於此界限稱為「過稀（Too lean）」，無法燃燒。
• 燃燒上限（Upper Flammable Limit, $\text{UFL}$）：混合氣中可燃性氣體的最高體積百分比；高於此界限稱為「過濃（Too rich）」，因氧氣不足無法燃燒。

2. 溫度對燃燒界限之影響（Burgess-Wheeler 法則）： 隨環境溫度 $T$（單位：$^\circ\text{C}$）上升，分子活化能降低，燃燒界限向兩側擴展（$\text{LFL}$ 下降、$\text{UFL}$ 上升）： $\text{LFL}_T = \text{LFL}_{25} \times \left[ 1 - 0.000721 (T - 25) \right]$ $\text{UFL}_T = \text{UFL}_{25} \times \left[ 1 + 0.000721 (T - 25) \right]$
3. 閃燃之機制：火災成長期進入最盛期之過渡現象，為熱輻射回饋驅動（Thermal-driven），通常發生於通風良好或通風充分之「燃料支配火災（Fuel-controlled fire）」。
4. 爆燃／回燃之機制：火災因通風不足進入悶燒衰退階段，為突發進氣驅動（Oxygen/Ventilation-driven），屬於典型「換氣支配火災（Ventilation-controlled fire）」。

解題方法

本題為申論題，切入點必須扣緊題目核心——「可燃界限之差異」，切忌只泛泛描繪火災外觀現象，而忽略氣體濃度與燃燒界限的動態關係。

作答策略應採取三步驟對比法：

1. 界定火災燃燒環境：先分析兩者在火災發展階段、換氣狀態（燃料支配 vs. 換氣支配）及氧氣濃度上的前提差異。
2. 剖析氣體濃度的動態路徑：詳述混合氣濃度如何穿過「可燃界限」：

• 閃燃：氣體濃度是由下往上達到 $\text{LFL}$。
• 爆燃：氣體濃度原本處於高於 $\text{UFL}$ 的過濃狀態，引進空氣後由上往下降入 $\text{LFL} \sim \text{UFL}$ 範圍內。

3. 彙整比較表：利用結構化表格呈現關鍵參數（引燃條件、起始濃度、跨越邊界、氧氣條件），使閱卷委員一目了然。

選項分析（兩者機制細部比對）

本題為非選擇題型，針對兩者在可燃界限與發生機制上的要素逐項剖析如下：

1. 閃燃（Flashover）之可燃界限機制

• 氣體濃度起始狀態： 在火災初期至成長期，天花板下方蓄積熱煙層。煙層中裂解出的可燃性氣體（如 $\text{CO}$、未燃碳氫化合物）濃度最初極低，處於「低於燃燒下限（$< \text{LFL}$）」之過稀狀態。
• 跨越界限過程： 局部火源持續燃燒，天花板熱氣體層溫度達到約 $500 \sim 600\ ^\circ\text{C}$，向下產生高熱輻射通量（地板受熱輻射約達 $20\text{ kW/m}^2$）。此強烈熱回饋促使室內所有未燃物迅速熱裂解，釋出巨量可燃性氣體，使氣相可燃物濃度快速攀升，達到或超過燃燒下限（$\ge \text{LFL}$）。
• 溫度對界限之加乘： 高溫熱煙層環境使可燃氣體之 $\text{LFL}$ 明顯降低，使得較低的可燃物濃度即足以達成起火條件。
• 氧氣與誘發要素： 室內通常換氣充分，氧氣濃度多維持在可支持燃燒之範圍（常大於 $15\%$），一旦達到 $\text{LFL}$，在明火或自燃溫度誘發下，瞬間發生全室起火。

2. 爆燃／回燃（Backdraft）之可燃界限機制

• 氣體濃度起始狀態： 在封閉或通風不良之空間內，火災消耗大量氧氣，室內氧氣濃度降至臨界值以下（通常低於 $10\sim 15\%$，甚至低於 $8\%$），明火熄滅轉為不完全燃燒之悶燒狀態。此時室內累積大量一氧化碳（$\text{CO}$）與高溫裂解氣體，因嚴重缺氧，氣體濃度處於「高於燃燒上限（$> \text{UFL}$）」之過濃狀態，無法維持燃燒。
• 跨越界限過程： 當開口部突然形成（如消防人員破門、破窗或玻璃受熱破裂），新鮮空氣（氧氣）大量湧入。湧入的新鮮空氣稀釋了過濃的可燃氣體層，使可燃物濃度由高於燃燒上限之上方，向下回落並降入可燃界限內（$\text{LFL} \le \text{濃度} \le \text{UFL}$）。
• 誘發要素與反應表現：

核心觀念

本題測驗《火災學》中燃燒中斷理論與滅火藥劑機制之核心考點，涵蓋：

1. 水之熱物理性質與滅火原理：水具備高比熱（約 $4.184 \text{ kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K})$）與極大之汽化潛熱（約 $2257 \text{ kJ}/\text{kg}$），於常壓汽化為水蒸氣時體積膨脹約 1700 倍。藉由破壞燃燒四面體（可燃物、助燃物、熱能、連鎖反應）之要素，產生冷卻、窒息、稀釋、乳化及輻射熱阻隔等滅火效應。
2. 細水霧（Water Mist）之物理特性：依據國際標準（如 NFPA 750），細水霧指在最粗噴霧分佈平面上，$99\%$ 水量之液滴直徑（$D_{v0.99}$）小於 $1000\ \mu\text{m}$（$1 \text{ mm}$）之水霧。相較於一般撒水系統之粗水滴，細水霧因比表面積大幅增加，其熱傳導與蒸發速率呈倍數級提升。

解題方法

本題屬申論題，採「機理推導 $\to$ 特性對比」之論述架構：

1. 第一部分（水滅火機制）：依主次效應分類，從最具決定性的「冷卻」與「窒息」著手，進一步補齊「隔絕／阻斷熱輻射」、「乳化」與「稀釋」等特殊物理化學作用，層次分明。
2. 第二部分（細水霧優缺點比較）：從細水霧液滴之微觀物理特性（比表面積 $A/V = 3/r$、動量 $p = mv$、微粒分佈）出發，推導出巨觀上與一般水滅火系統（如撒水、水霧）相比在滅火效率、水損、導電性（優點），以及穿透力、受風干擾、設備成本（缺點）之具體差異。

選項分析

本題為高考三級申論題，無選擇題選項。試卷作答架構與配分佈局建議如下：

• 子題一：水滅火之機制（配分約 12 分）： 須條列出五大機制，並精確帶出比熱、汽化熱與體積膨脹倍率等關鍵物理常數，不可僅籠統寫出「能滅火」。
• 子題二：細水霧與一般水相比之優缺點（配分約 13 分）： 建議先以一句話定義細水霧（直徑規範），再以「優點」對照「缺點」分項陳述。優點著重於「吸熱速率高、低水損、電絕緣」；缺點著重於「火羽流吹散（穿透力差）、防風差、噴頭易堵塞」。

解題技巧

1. 關鍵數字記憶法：

• 汽化熱：$2257 \text{ kJ}/\text{kg}$（或 $539 \text{ cal}/\text{g}$）。
• 蒸氣膨脹倍率：$100^\circ\text{C}$ 時約 1700 倍。
• 細水霧粒徑界限：$D_{v0.99} < 1000\ \mu\text{m}$。

2. 答題禁忌：

• 忌將「乳化」與「稀釋」混為一談；乳化係針對非水溶性高黏度重油，稀釋係針對水溶性可燃液體（如乙醇、丙酮）。
• 評估細水霧缺點時，切勿僅答「造價昂貴」，必須點出「液滴動量小難敵強大火羽流（Fire Plume）浮力」之火災動力學成因，此為評閱高分關鍵。

【答案】

一、水滅火之機制

水為最廣泛使用之天然滅火劑，其滅火主要透過以下物理及化學機制相互作用達成：

1. 冷卻作用（主機制）： 水的比熱容約為 $4.184 \text{ kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K})$，汽化潛熱更高達約 $2257 \text{ kJ}/\text{kg}$。當水施放於燃燒物表面時，藉由吸收燃燒區之顯熱及相轉移吸收大量潛熱，迅速降低燃燒物體表面溫度至燃點或引火點以下，阻斷燃燒熱反饋。

核心觀念

本題屬於《火災學》四大經典範疇（火災煙氣動力學、燃燒與爆炸、建築防火、電氣火災）之綜合名詞解釋題，考查考生對基礎物理／化學機制、公式原理及相關法規之理解與跨章節統合能力：

1. 煙囪效應：建築內部煙氣流動之浮力驅動原理、中性面（Neutral Pressure Plane, NPP）之形成與靜水壓差公式。
2. BLEVE：加壓液化氣體容器受熱引發之相變化、物理爆炸與可燃蒸氣火球（Fireball）之複合爆炸機理。
3. 防火區劃：被動防火（Passive Fire Protection）理論、區劃類型與防火設備耐火時效；以命題當年（民國 111 年）《建築技術規則建築設計施工編》第 79 條至第 87 條規定為準。
4. 短路：電路故障機制、焦耳定律（$Q = I^2 R t$）、電弧高溫引燃機制及火災調查之一、二次短路熔痕鑑識。

解題方法

本題為標準之申論名詞解釋題（滿分 25 分），切入答題時採取「結構化三段論法」，以確保閱卷給分點完備：

1. 精準定義：明確寫出專有名詞之中、英文全稱與核心本質。
2. 物理／化學機轉與定量推導：

• 煙囪效應寫出壓差公式與中性面特性。
• BLEVE 依序說明「外部受熱 $\to$ 槽壁弱化 $\to$ 壓力驟降 $\to$ 爆發性沸騰氣化 $\to$ 物理爆炸與火球產生」。
• 防火區劃依據法規劃分面積、垂直、用途及貫穿部區劃。
• 短路推導電流暴增、焦耳熱、電弧高溫與熔珠噴濺機制。

3. 火災學危害與防治意涵：補充其在建築防煙、滅火搶救、被動防護或火場鑑定之重要實務意義。

選項分析

本題為高考三級申論題，非選擇題，無選項可供逐一辨析。各小題之審題重點與採分關鍵如下：

• 第（一）小題（7 分）：配分最高，不可僅答「熱空氣上升」，必須寫出「室內外溫差引起的空氣密度差與浮力」、壓差公式、中性面定義，並說明正／反煙囪效應。
• 第（二）小題（6 分）：必須寫出英文全稱（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion），強調其本質為「過熱液體劇烈相變膨脹之物理爆炸」，隨後若遇火源則引發「可燃氣體燃燒火球」，不可與單純之預混氣體化學爆炸混為一談。
• 第（三）小題（6 分）：須結合被動防火理念與法規體系，點出利用防火構造及防火設備局限火煙擴散，並條列「面積區劃」、「垂直區劃」與「用途區劃」。
• 第（四）小題（6 分）：需說明不同電位導體因絕緣破壞等因素直接接觸之異常大電流現象，並從火災學角度補充「電弧引燃」及「火災調查中一次痕與二次痕」的判別依據。

解題技巧

1. 關鍵字踩點給分：國考閱卷採點閱給分制，答案卷須清楚呈現學術核心名詞：

• 煙囪效應：浮力（Buoyancy）、中性面（NPP）、密度差、垂直豎道。
• BLEVE：Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion、過熱液體（Superheated Liquid）、均質成核、物理爆炸、衝擊波、火球（Fireball）。
• 防火區劃：被動防火、防火時效、阻熱性、面積區劃、垂直區劃、用途區劃、貫穿部防火填塞。
• 短路：極低阻抗、異常大電流、電弧（Arcing）、焦耳熱、一次短路痕、二次短路痕。

2. 引入數理關係式建立專業深度：在煙囪效應及短路中，分別寫出靜水壓差公式與焦耳定律，展現工科考生之數理推導素養。

【答案】

（一）煙囪效應（Stack Effect）

1. 定義： 煙囪效應係指建築物內部與外部因空氣溫度差異造成密度不同，在具有垂直貫通之豎道（如樓梯間、昇降機道、管道間、天井等）所產生之空氣或煙氣垂直流動現象。
2. 形成機制與公式： 空氣密度與絕對溫度成反比。若建築物內部溫度高於室外，內部熱空氣密度小於室外冷空氣，浮力驅使氣流在垂直管道中向上流動。其所產生的理論靜水壓差 $\Delta P$ 可表示為： $\Delta P = (\rho_o - \rho_i) g h = P_0 g h \left(\frac{1}{T_o} - \frac{1}{T_i}\right)$ 其中：

• $\Delta P$：室內外壓差（$\text{Pa}$）
• $\rho_o, \rho_i$：分別為室外與室內空氣密度（$\text{kg/m}^3$）
• $T_o, T_i$：分別為室外與室內絕對溫度（$\text{K}$）
• $g$：重力加速度（$\text{m/s}^2$）
• $h$：距中性面之垂直距離（$\text{m}$）

3. 中性面（Neutral Pressure Plane, NPP）與流動方向：

核心觀念

可燃界限圖以燃料、氧氣與氮氣的體積百分比表示混合物組成。圖中的可燃區域，是火焰能傳播的燃料－氧氣－氮氣比例範圍。

「在空氣中的可燃界限」沿著圖上的 **Air Line（空氣線）**讀取；「在氧氣中的可燃界限」則沿燃料－氧氣二元混合物的邊讀取。兩者都是以燃料體積百分比表示。

解題方法

空氣約由 $21\%$ 氧氣與 $79\%$ 氮氣組成，因此空氣線代表氧氣與氮氣維持此比例、再加入燃料的混合路徑。沿此線讀取可燃區域的兩端，可估得：

• **空氣中的可燃界限：**下限約 $5\%$，上限約 $15\%$。
• **氧氣中的可燃界限：**沿燃料－氧氣邊讀取，可燃界限下限約 $5\%$，上限約 $60\%$。

圖表是估讀值，常用較精確數值約為空氣中 $5.3\%$ 至 $15\%$、氧氣中 $5.1\%$ 至 $61\%$。

物質判定