112 高普考高考三級 消防技術 火災學 考古題詳解

核心觀念

1. 靜電引發火災爆炸之四階段機制： 靜電引發災害必須歷經四個歷程：產生（Generation）$\rightarrow$ 蓄積（Accumulation）$\rightarrow$ 放電（Discharge）$\rightarrow$ 引燃（Ignition）。本題核心聚焦於第二階段——「防止蓄積」。
2. 電荷消散與弛緩時間公式： 帶電體內部之電荷消散遵循指數衰減規律： $Q(t) = Q_0 \exp\left(-\frac{t}{\tau}\right)$ 其中，$\tau$ 為介電弛緩時間（Dielectric Relaxation Time）： $\tau = \varepsilon \rho = \frac{\varepsilon}{\kappa}$

• $Q_0$：初始帶電量
• $\varepsilon$：介質之介電常數（Permittivity）
• $\rho$：體積電阻率（Resistivity）
• $\kappa$：導電度（Conductivity） 欲防止靜電蓄積，物理本質即為縮短弛緩時間 $\tau$（降低電阻率 $\rho$、提高導電度 $\kappa$）或提供充分的電荷洩漏與中和途徑，使電荷消散速率遠大於產生速率。

3. 相關法規依據（以命題當年民國 112 年法規為準）：

• 《職業安全衛生設施規則》第 175 條：雇主對於作業場所中可燃性液體、可燃性氣體或粉體，因靜電引起爆炸或火災之虞者，應採取接地、增濕、使用除電劑、導電性材料或除電器等防止靜電危害措施。

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解題方法

本題屬於火災學與工業安全之典型申論題。解題切入點應緊扣**「電荷洩漏與中和（Charge Dissipation and Neutralization）」**之物理本質，將防制技術分為三大維度進行條理化論述：

1. 設備與環境工程對策：接地與跨接、提高相對濕度、控制流速與預留弛緩時間。
2. 材料與物料改質對策：添加抗靜電劑、採用導電性材質。
3. 人員作業安全對策：靜電消散型個人防護裝具（防靜電鞋、服）、導電性地坪。

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選項分析

本題為申論申述題，無選項設計。針對考場常見之論述盲點與答題偏誤，分析如下：

• 混淆「防止蓄積」與「防止引燃／滅火」： 若在答案中大量論述「灌注惰性氣體（如氮氣置換）」或「加裝防爆電氣設備」，該等措施屬於抑制燃燒三要素（隔絕氧氣）或防止外部電氣火花引燃，並未真正消除靜電的蓄積，列為主要標題會被閱卷委員扣分；唯有促進電荷洩漏與中和才是「防止蓄積」的本體。
• 混淆「抑制產生」與「防止蓄積」： 降低管流流速雖然能減少流動帶電的產生量，但流動仍會帶電；若要針對蓄積，必須搭配「靜置時間（Relaxation Section）」讓電荷洩漏。兩者在火災學學理上應予釐清。

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解題技巧

1. 記憶口訣：「接、濕、劑、中、弛、裝」（接地跨接、增高濕度、抗靜電劑、中和除電、靜置弛緩、人員裝具）。
2. 得分關鍵點：

• 數值標準要寫出（如相對濕度需達 $65\% \sim 70\%$ 以上；除電接地電阻通常要求小於 $100\ \Omega$；抗靜電劑降低電阻率至 $10^8\ \Omega\cdot\text{cm}$ 以下）。

核心觀念

本題考查火災學中「粉塵爆炸（Dust Explosion）」的形成機理與整體工程防護對策。

1. 粉塵爆炸五要素（Dust Explosion Pentagon）： 粉塵燃燒爆炸除需具備燃燒三要素（可燃物、助燃物/氧氣、著火源）外，尚需具備「浮游懸浮（Dispersion）」與「局限空間（Confinement）」。可燃性微細粉塵分散懸浮於空氣中達到爆炸下限濃度（LEL），一旦接觸有效著火源，即會在局限空間內迅速燃燒並產生劇烈壓力波。
2. 防護策略雙軌架構：

• 預防作為（Prevention）：消除五要素中的任一條件，阻止起火點燃。包括控制粉塵飛揚、落實環境除塵（破壞粉塵雲與蓄積）、嚴格排除點火源、導入惰性氣體降低氧氣濃度至極限氧濃度（Limiting Oxygen Concentration, LOC）以下。
• 減災防護作為（Mitigation & Protection）：預期爆炸可能發生時，藉由結構強度、洩壓及隔離設計限制破壞範圍，防止二次爆炸（Secondary Explosion）。包括洩爆（Venting）、抑爆（Suppression）、隔爆（Isolation）及耐爆結構設計。

3. 法規與技術規範（以命題當年民國 112 年法規為準）：

• 《職業安全衛生設施規則》第 173 條至第 177 條（通風、除塵、消除靜電、嚴禁火源、防爆電氣）。
• 《建築技術規則》建築設計施工編有關防火區劃、安全梯與特殊危險工廠構造之規定。
• 國際通用規範：NFPA 652（可燃性粉塵基礎標準）、NFPA 654（製造加工及處理可燃微粒標準）、NFPA 68（洩爆防護）、NFPA 69（預防爆炸系統）。

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解題方法

本題為典型的系統論述型申論題，題目明確指定了兩個維度：「建築物」 與 「作業場所」。

解題切入點應採「雙軌分流、要素對應」的邏輯架構：

1. 建築物層面：著重於「被動防禦與硬體結構設計」，包含建築物之平面配置、結構耐爆/洩爆方向、室內幾何構造（消除易積塵之死角梁柱）、防火防爆區劃隔絕。
2. 作業場所層面：著重於「製程控制、點火源阻絕與主動安全防護」，涵蓋粉塵防積與清掃作業程序、通風集塵系統、電氣防爆與防靜電、惰化技術、主動抑爆及緊急隔爆系統。

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選項分析

本題為申論論述題，非選擇題，無單一選項可供判別。答題時須依命題重點，將應採行之具體措施按「建築物」及「作業場所」分大項條列展開（完整論述見下方【答案】）。

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解題技巧

1. 破題黃金法則：前言先點出「粉塵爆炸五要素」與「防止二次爆炸」，向閱卷老師展現扎實的學科基本功。二次爆炸往往由初次弱爆炸震落梁柱、管線表面蓄積之靜態粉塵，形成大範圍高濃度粉塵雲所引發，破壞力遠大於初次爆炸。
2. 答題關鍵口訣：

• 建築面：「避死角（斜面設計）、設洩爆（輕質屋頂/外牆）、做區劃（獨立隔離）」。
• 場所面：「除積塵（濕式/防爆吸塵，嚴禁吹掃）、消火源（防爆/接地）、加惰化、配抑隔爆」。

3. 常見失分陷阱：

• 誤答「以壓縮空氣吹掃除塵」：在火災學與勞安法規中，吹掃會引發高濃度浮游粉塵雲，極易引發二次爆炸，屬於重大違規禁忌；必須使用防爆真空吸塵或濕式清洗。
• 僅寫作業管理而遺漏「建築物」結構設計（如洩爆面應避開主要出入口、通風管穿牆阻火隔爆）。

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【答案】

防範含有粉塵之作業場所及倉儲發生粉塵爆炸，應破壞粉塵爆炸五要素（可燃性粉塵、氧氣、點火源、浮游懸浮、局限空間），並自「建築物本體設計」及「作業場所工程與製程管理」兩方面採行下列作為：

一、建築物方面之防範作為

核心觀念

本題旨在測驗建築物「區劃火災」（Compartment Fire）進入「最盛期」（Fully Developed Stage）時的燃燒行為機制及其控制參數。核心概念包括：

1. 律速步驟（Rate-Determining Step）的轉移：火災燃燒速率取決於「燃料供應蒸發速率」與「氧氣（空氣）流入速率」兩者中較慢者。
2. 開口因子（Ventilation Factor, $A_v\sqrt{H_v}$）：描述建築物開口部流通空氣能力的物理量。
3. 燃燒機制判別界限：透過 Thomas（湯瑪斯）經驗式或 Kawagoe（川越邦雄）燃燒速率式，以開口特性與室內表面積（或燃料表面積）之幾何關係，界定火災屬於通風控制或燃料控制。

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解題方法

本題為標準申論題，作答切入點應分為兩大主軸：

1. 內容解析：從「定義」、「支配因子（律速條件）」、「燃燒性狀與生成物」、「火場危害特性」四個層面深入對比兩種燃燒型態。
2. 判別經驗式：明確列出學界公認之經驗判定式（以 Thomas 經驗式為主，輔以 Kawagoe 通風燃燒極限式），詳列各變數之物理意義、單位與判別臨界值。

一、燃料控制燃燒與通風控制燃燒之內容

(一) 燃料控制燃燒（Fuel-controlled Fire）

1. 定義與支配機制： 室內開口部充足或進氣通暢，空氣（氧氣）供應量遠大於燃料燃燒所需量（空氣過剩率 $\lambda > 1$）。燃燒速率僅受限於可燃物本身的物理化學特性、排列方式、幾何形狀及暴露表面積，與開口大小無關。
2. 燃燒性狀與溫度：

• 燃燒效率高、燃燒反應較完全，熱釋放率（HRR）由燃料有效表面積決定。
• 大量過剩空氣流入會帶走部分熱量，因此室內平均火場溫度通常低於通風受限火災的最盛期峰值溫度。
• 排出的煙氣中一氧化碳（$\text{CO}$）及未燃烴類氣體濃度較低。

3. 發生時機： 常出現於火災初期的成長期、衰退期，或是開口面積特別巨大（如門窗全開、挑高廠房、大面積玻璃帷幕破壞）的建築物最盛期。

(二) 通風控制燃燒（Ventilation-controlled Fire）

1. 定義與支配機制： 室內可燃物數量充足，但建築物開口受限，進入室內的空氣量不足以維持完全燃燒（空氣過剩率 $\lambda < 1$）。燃燒速率完全受限於開口部之空氣流入率，與室內存放之燃料多寡或燃料表面積無關。
2. 燃燒性狀與溫度：

• 燃燒極不完全，室內充斥高濃度未燃熱解可燃性氣體（如 $\text{CO}$、未燃碳氫化合物等）及濃密黑煙。
• 當未燃氣體溢出窗外遇外部空氣時，常在開口外部發生二次燃燒，形成劇烈的**外燃（External Flaming）**現象。
• 若維持穩定受限進氣，開口處可達到最高燃燒效率與極高之火場溫度。

3. 火災危害與時機： 現代密閉耐火建築火災進入最盛期後，絕大多數皆屬於通風控制燃燒。此狀態下若突然破門或破窗引入大量新鮮空氣，極易誘發**複燃（回燃，Backdraft）**或瞬間全室爆燃，對消防搶救人員威脅極大。

(三) 兩種燃燒型態綜合比較

比較項目	燃料控制燃燒（Fuel-controlled）	通風控制燃燒（Ventilation-controlled）
空氣供應狀況	充分過剩（$\lambda > 1$）	嚴重不足（$\lambda < 1$）
燃燒速率決定者	燃料特性與燃料表面積 $A_F$	開口通風量（開口因子 $A_v\sqrt{H_v}$）
燃燒完全度	較完全，生成物多為 $\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{O}$	不完全，含高濃度 $\text{CO}$、碳黑、熱解可燃氣
外燃現象	較少，火焰多侷限於可燃物周圍	明顯，未燃氣體於窗外遇氧形成開口燃燒
特殊火災危害	火勢隨燃料蔓延擴大	易發生回燃（Backdraft）、煙燃爆炸

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二、燃燒類型之判別經驗式

在火災工程與火災動力學中，最盛期燃燒型態的判別經驗式以 Thomas（湯瑪斯）經驗式 最為代表性，並可結合 Kawagoe（川越邦雄）燃燒速率式 作為驗證基礎：

(一) Thomas（湯瑪斯）經驗判別式

Thomas 透過大量縮尺及實體區劃火災實驗，提出以「開口因子」與「室內邊界總表面積」或「燃料表面積」之比值作為判別分界：

1. 依室內邊界內表面積判定（最常用之標準經驗式）： $\frac{A_v \sqrt{H_v}}{A_T}$

核心觀念

本題旨在評量考生對火災學中「氣體火災與爆炸」基本特性的掌握度，特別是民生與工業最常見之兩大燃料氣體——液化石油氣（LPG, Liquefied Petroleum Gas） 與 天然氣（LNG, Liquefied Natural Gas） 的理化性質對比，以及氣體擴散動力學在建築室內環境中引發之燃燒爆炸行為與緊急應變原則。

核心學理與法規基礎包括：

1. 蒸氣密度（Vapor Density）與比重效應：理想氣體分子量換算（以空氣平均分子量 $M_{\text{air}} \approx 28.97\text{ g/mol}$ 為基準），決定氣體洩漏後的沉降或浮升行為。
2. 燃燒範圍（Flammable Range）：燃燒下限（LFL）與上限（UFL）之寬窄及下限數值大小，決定火災爆炸之敏度與潛在危險性。
3. 氣化體積膨脹比：液相相變至氣相之體積膨脹倍率。
4. 《消防法》與《公共危險物品及可燃性高壓氣體製造儲存處理場所設置標準暨安全管理辦法》（以命題當年民國 112 年法規為準）：可燃性高壓氣體容器安全、賦臭劑添加規定及洩漏防護作為。

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解題方法

本題為典型之「比較與論述型」申論題，作答結構應採取「比較維度結構化」與「應變流程標準化」切入：

1. 第一部分：特性差異比較 從四個構面（組成、物性、化性、室內洩漏爆炸特性）列出關鍵參數並製作系統化比較表，再輔以文字深度解析其背後的火災學物理意義。
2. 第二部分：室內洩漏緊急處置程序 依循「防止點火 $\to$ 切斷氣源 $\to$ 通風稀釋 $\to$ 疏散避難 $\to$ 報案處置」之標準作業流程（SOP）條列說明，並強調因應 LPG 與 LNG 之比重差異所採取的不同通風手法。

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選項分析

本題為高普考申論題（非選擇題），無選項可資分析。評分核心在於能否精準列舉兩者之定量數值、定性機制及對應處置步驟。以下針對題目要求之各大構面逐項解析：

一、LPG 與 LNG 之特性差異分析

比較構面	液化石油氣（LPG）	天然氣（LNG／導管天然氣 NG）
主要組成	丙烷（$\text{C}_3\text{H}_8$）、丁烷（$\text{C}_4\text{H}_{10}$）之混合物	甲烷（$\text{CH}_4$）為主（佔 80%~95% 以上），含少量乙烷、丙烷等
物理性質：分子量與比重	丙烷分子量約 44，丁烷約 58；氣體比重約 $1.5 \sim 2.0$（重於空氣）	甲烷分子量約 16；氣體比重約 $0.55 \sim 0.65$（輕於空氣）
物理性質：沸點與相態	常壓沸點約 $-42^\circ\text{C}$（丙烷）至 $-0.5^\circ\text{C}$（丁烷），常溫加壓（約 $0.2 \sim 0.8\text{ MPa}$）即可液化儲存	常壓沸點約 $-161.5^\circ\text{C}$，須經深冷低溫技術始能液化（管線輸送則為常溫氣態）
物理性質：氣化膨脹比	液態氣化為氣態時，體積膨脹約 $250$ 倍	液態氣化為氣態時，體積膨脹約 $600$ 倍
化學性質：燃燒／爆炸範圍	約 $1.8\% \sim 9.5\%$（燃燒下限極低，範圍較窄）	約 $5.0\% \sim 15.0\%$（燃燒下限較高，範圍較寬）
化學性質：發熱量（熱值）	高熱值，約 $24,000 \sim 30,000\text{ kcal/m}^3$（約 $11,000\text{ kcal/kg}$）	低熱值，約 $9,000 \sim 10,000\text{ kcal/m}^3$（約 $13,000\text{ kcal/kg}$）
化學性質：著火能量與速度	最低著火能量（MIE）極小（約 $0.25\text{ mJ}$），層流燃燒速度約 $38 \sim 45\text{ cm/s}$	最低著火能量（MIE）極小（約 $0.28\text{ mJ}$），層流燃燒速度約 $35 \sim 40\text{ cm/s}$
室內洩漏爆炸特性	沉積於地板、凹坑及低矮死角，不易隨風消散，易達 LFL，引爆多自地面引燃	浮升聚集於天花板、橫樑死角，若上方開口良好易擴散排出；頂部密閉時形成可燃頂層

二、特性深入學理說明

1. 組成差異：

• LPG 屬於中碳數烷烴，通常儲存於高壓鋼瓶中供家庭、商業或車輛使用。
• LNG 為低碳數烷烴，都市民生多以導管天然氣（NG）形式常壓常溫輸送。兩者常態皆無色、無臭、無毒（但高濃度具窒息性），法規規定均須添加賦臭劑（如乙硫醇 Ethyl Mercaptan、THT 等）以利嗅覺察知。

2. 物性差異：

• 比重差異決定了氣體擴散的流場重力效應（Buoyancy effect）。以空氣分子量約 29 為基準： $\text{LPG 氣體比重} = \frac{M_{\text{LPG}}}{M_{\text{air}}} \approx \frac{44 \sim 58}{29} \approx 1.5 \sim 2.0 > 1$ $\text{LNG 氣體比重} = \frac{M_{\text{LNG}}}{M_{\text{air}}} \approx \frac{16}{29} \approx 0.55 < 1$