110 公務人員升官等薦任 消防與災害防救 火災學 考古題詳解

核心觀念

本題考查 $t$-squared fire（平方時間成長火災）的熱釋率成長模型，以及燃料總發熱量與穩態燃燒時間的關係。家具可釋出的總熱量為質量乘以單位質量平均發熱量；成長階段則用平方時間模型求達到最高熱釋率所需時間。

快速成長火災的成長係數題目給為 $K=150$。依本題採用的單位，成長階段熱釋率為

其中 $\dot Q$ 以 $\mathrm{kW}$ 表示，$t$ 以秒表示，因此 $K$ 的單位為 $\mathrm{kW/s^2}$。

解題方法

先計算家具完全燃燒可釋出的總熱量：

最高熱釋率為 $9\ \mathrm{MW}=9000\ \mathrm{kW}$。令平方時間成長曲線達到此熱釋率：

因此，自起燃至最高熱釋率的成長時間約為 $7.75$ 秒。

成長階段的燃燒熱量為熱釋率對時間積分：

由於 $150t_g^2=9000$，也可寫成

核心觀念

「最少發火能量」（Minimum Ignition Energy, MIE）是指在特定試驗條件下，能使可燃物與空氣的混合物剛好發火所需的最低電火花能量。測定時須尋找最容易被點燃的混合比例；因此，測得值不只是物質本身的固定常數，也會受試驗條件影響。

電容器放電時，儲存的電能為：

其中 $C$ 為電容、$V$ 為放電前電壓。實際火花傳入混合物的能量會受放電回路與電極條件影響，故此式是測定時估算放電能量的基礎。

解題方法：測定步驟

1. 將待測可燃物與空氣配製成不同濃度的混合物；粉塵則須使粉塵均勻懸浮於空氣中。
2. 使用電容器充電，並使其經電極放電，在試驗容器內產生火花。
3. 先選定混合物濃度，逐步降低放電能量，觀察每次試驗是否發火；再改變混合物濃度，重複試驗。
4. 找出各種濃度中最容易發火的條件，並測定其發火與不發火的能量界限。能在該最敏感濃度下引發發火的最低火花能量，即為測得的最少發火能量。

試驗時應控制並記錄混合物濃度、溫度、壓力、氧氣濃度、電極間距與形狀等條件，以便比較結果。

影響因素及其關係

• 可燃物濃度：MIE 隨濃度改變；濃度過低時可燃物不足，過高時氧氣不足，兩者都較難發火。通常在最容易燃燒的濃度附近，MIE 最低。

核心觀念

本題考查電線起火的常見原因，以及電流超過電線容許值時，焦耳熱如何使電線及周圍可燃物起火。電線本身通常由導體與外層絕緣被覆構成；電流過大會使導體發熱，熱量若無法及時散去，便會使絕緣被覆劣化，進而引發漏電、短路、電弧或直接引燃可燃物。

電流通過導體所產生的焦耳熱可用下式表示：

其中 $Q$ 為產生的熱量、$I$ 為電流、$R$ 為導體電阻、$t$ 為通電時間。電流增加時，發熱量按電流平方增加；因此，過電流即使只持續一段時間，也可能造成電線顯著升溫。

解題方法

作答可分成兩部分：先列出一般電線引起火災的原因，再依「過電流發熱—絕緣劣化—電氣故障或起燃」的順序說明燃燒過程。

一、一般電線引起火災的原因

1. 過負載或電線規格不足：用電設備總電流超過電線容許值，或使用線徑過小、配線不當，使導體長時間過熱。
2. 短路：不同極性導線間因絕緣破損、導線接觸等原因形成低電阻通路，造成大電流及高熱，並可能產生電弧。
3. 接觸不良：接頭鬆脫、接續不良或接點氧化，使接觸電阻增大。電流通過時，接點局部產生大量焦耳熱，可能熔化被覆並引燃周圍物。
4. 漏電或絕緣劣化：絕緣老化、受潮、受熱、受化學物質侵蝕，或遭外力磨損、擠壓、釘穿，會降低絕緣性能，造成漏電、電弧或短路。
5. 導線局部受損或斷股：導體截面減小或局部電阻增加，使該處發熱集中。
6. 電線配置與使用不當：電線捆束、覆蓋散熱不良，或靠近高溫設備及可燃物，會加速溫升或使可燃物受熱起火。

二、電流超過電線容許值時的燃燒過程

核心觀念

本題考查公路隧道火災的人命安全危害因子，以及評估用路人避難與消防人員進入救援環境時常用的安全臨界值。隧道空間狹長、通風受限，火災產生的高溫、濃煙與有毒氣體容易沿隧道擴散；安全評估須同時考量人員暴露的強度、時間與所在位置。

本題不是選擇題，也不需計算。作答時應先列危害因子，再分別說明用路人避難與消防人員救援的建議限值。以下以命題當年（民國 110 年）常見的公路隧道火災安全評估基準為準。

解題方法

可依「熱、煙、毒、缺氧、輻射、逃生條件」整理危害，再以「用路人避難」和「消防人員救援可及性」區分安全標準。用路人需要在火場環境中辨識方向並離開隧道；消防人員則需接近火源執行救援，因此兩者的評估位置與部分限值不同。

一、人命安全的主要危害因子

1. 高溫與熱煙：高溫會造成熱傷害、呼吸道灼傷，並降低人員行動能力；熱煙也會迅速累積於隧道上方，影響避難環境。
2. 濃煙與能見度降低：煙霧妨礙辨認出口、避難方向與障礙物，可能使人員迷失、減速或跌倒。
3. 有毒氣體：一氧化碳（CO）會妨礙血液輸送氧氣；二氧化碳（CO₂）濃度升高會加重呼吸負擔；燃燒產物中的其他有毒氣體亦可能造成中毒。
4. 氧氣濃度下降：燃燒消耗氧氣，可能導致缺氧、判斷力下降及失去行動能力。
5. 熱輻射：火焰與高溫表面產生的輻射熱會造成皮膚灼傷，也會限制人員接近火源或穿越火場。
6. 火煙流動與通風狀況：縱向風速、排煙方向、隧道坡度與火災位置會影響煙氣蔓延方向及人員可使用的避難路徑。
7. 暴露時間與避難條件：同一溫度或毒氣濃度，暴露時間越長，危害越大；逃生距離、出口配置、交通壅塞及人員行動能力也會影響避難安全。

二、一般建議安全極限值