108 年 國立中央警察大學消防科學研究所《火災科學》

本題主要探討火場煙氣的流動與建築物內部的煙控原理，包括影響煙氣流動的因素、中性帶的定義與分佈，以及在不同燃燒階段中性帶的變化。

核心觀念：煙氣流動、煙控、中性帶、燃燒曲線。

(一) 引起煙霧流動與蔓延的主要因素：
火場中煙氣的流動與蔓延是複雜的物理現象，主要受到以下幾項因素的影響：

1. 熱浮力 (Buoyancy)：燃燒產生的煙氣溫度遠高於周圍空氣，密度較小，因此會產生向上的浮力。此浮力是煙氣垂直向上的主要驅動力。
2. 壓力差 (Pressure Difference)：建築物內外的壓力差會驅動空氣流動，進而影響煙氣的擴散。壓力差的來源包括：
   • 熱浮力造成的堆疊效應 (Stack Effect)：在溫暖的建築物內，由於熱空氣密度較小，會向上堆疊，造成底部壓力較高，頂部壓力較低。當建築物內部溫度高於外部時，煙氣會傾向向上排出；反之，若外部冷空氣進入，也會產生流動。
   • 風壓 (Wind Pressure)：外部風力吹襲建築物，會在迎風面產生正壓，背風面產生負壓，這都會影響建築物內部的空氣交換和煙氣滲透。
   • 機械通風系統 (Mechanical Ventilation)：建築物的空調、排煙系統等機械設備會人為製造壓力差，影響煙氣的流動路徑。
   • 開口效應 (Opening Effect)：建築物內外的開口（如門、窗、孔洞）會造成壓力交換。
3. 溫度梯度 (Temperature Gradient)：火災區域的溫度最高，隨著遠離火源，溫度逐漸降低。這種溫度分佈會影響空氣的密度，進而產生壓力差和流動。
4. 煙氣密度 (Smoke Density)：煙氣本身具有一定的密度，其密度與周圍空氣的密度差異會影響其運動。
5. 建築物幾何形狀與構造 (Building Geometry and Structure)：建築物的空間佈局、樓層高度、牆壁、門窗的密閉性、開口的尺寸和位置等，都會直接影響煙氣的垂直和水平流動路徑。例如，長廊、垂直豎井（如樓梯間、電梯井）是煙氣快速垂直蔓延的重要通道。
6. 燃燒速率與熱釋放率 (Burning Rate and Heat Release Rate, HRR)：高熱釋放率的火災會產生更多高溫煙氣，增強熱浮力，加速煙氣的流動和蔓延。
7. 外部環境因素 (External Environmental Factors)：如室外溫度、濕度、風速、風向等，也會間接影響建築物內部的熱交換和壓力分佈。

(二) 中性帶分佈情形繪圖說明：
中性帶 (Neutral Plane) 是指在一個有開口（如門、窗）的空間中，煙氣和新鮮空氣的流動方向發生改變的水平面。在這個平面上，煙氣的向上浮力與外部空氣進入的向下壓力（或重力）達到平衡，因此在這個高度上，煙氣既不向上逸出，外部空氣也不向下進入。

• 整棟大樓的中性帶分佈：
  在整棟大樓中，如果發生火災，煙氣會從火源處向上聚集。如果建築物有單一的通風口（例如頂部開口或大樓整體結構的通風特性），中性帶會形成一個相對平坦的水平面。

  • 火源上方：煙氣由於熱浮力而向上流動，並堆疊在建築物較高的區域。
  • 中性帶以上：煙氣的主要流動是向上逸出或在該區域內循環。
  • 中性帶以下：新鮮空氣（或較冷的空氣）從建築物較低的開口（如底部門窗）流入，補充燃燒所需的氧氣。
  • 中性帶的位置：其高度取決於火災的強度（熱釋放率）、開口的大小和位置、以及建築物內部的壓力分佈（如堆疊效應、風壓等）。通常，火源越強，中性帶的位置越高。若有較大的開口，新鮮空氣可深入，中性帶可能較低。

  繪圖示意：
  （請想像一個垂直的建築物剖面圖）

  • 在建築物頂部標示「煙氣聚集區」。
  • 在建築物中部標示一條水平線，標註「中性帶」。

本題主要探討第五類公共危險物品（氧化性物質）中的有機過氧化物，重點在於其危險性、預防措施以及火災發生時的應變處置。

核心觀念：公共危險物品分類、氧化性物質、有機過氧化物特性、火災預防、火災應變。

(一) 有機過氧化物的危險性並舉例說明：
有機過氧化物（Organic Peroxides）是一類含有過氧基團（-O-O-）的有機化合物。其危險性主要源於其結構的不穩定性，使其具有強烈的氧化性、易分解性，並且在特定條件下極易引發爆炸。

主要危險性：

1. 強氧化性 (Strong Oxidizing Property)：過氧基團具有極強的氧化能力，能與許多可燃物（如有機物、金屬粉末等）發生劇烈反應，即使在沒有外部空氣的情況下，也能助長燃燒，甚至引發爆炸。
2. 不穩定性與易分解性 (Instability and Ease of Decomposition)：過氧基團的鍵能較低，容易斷裂。分解過程會釋放出大量的熱能，如果這些熱能無法及時散失，溫度升高會加速分解，形成熱失控（Thermal Runaway），最終可能導致爆炸。
3. 敏感性 (Sensitivity)：許多有機過氧化物對熱、衝擊、摩擦、撞擊、靜電、或與某些污染物（如金屬離子、酸、鹼）接觸都非常敏感，可能在無預警的情況下引發劇烈反應或爆炸。
4. 自反應性 (Self-Reactivity)：有些有機過氧化物在儲存過程中，即使沒有外界火源，也會緩慢分解並放熱，長期儲存或在高溫環境下，可能達到危險的分解溫度。
5. 爆炸性 (Explosiveness)：當其分解速度快於熱散失速度，且分解產物為氣體時，會產生巨大的壓力，引發爆炸。某些有機過氧化物本身就是爆炸物。

舉例說明：

• 過氧化苯甲醯 (Benzoyl Peroxide, BPO)：
  • 用途：常用作聚合物（如壓克力、聚苯乙烯）的聚合起始劑、麵粉漂白劑、藥品（如治療痤瘡的藥膏）成分。
  • 危險性：是一種常見的有機過氧化物，對熱、衝擊和摩擦敏感。在儲存不當（如高溫、密閉）或與不相容物質接觸時，可能發生劇烈分解甚至爆炸。它也是強氧化劑，能助長燃燒。
• 過氧化環己酮 (Cyclohexanone Peroxide)：
  • 用途：常作為固化劑，用於不飽和聚酯樹脂的製造。
  • 危險性：與過氧化苯甲醯類似，對熱、衝擊敏感，易分解，具有爆炸性。
• 過氧化二第三丁基 (Di-tert-butyl Peroxide, DTBP)：
  • 用途：用作高溫聚合的起始劑、橡膠的交聯劑。
  • 危險性：相對穩定，但仍是強氧化劑，遇熱易分解。

(二) 災前預防及災時處置要項：
針對有機過氧化物的危險性，必須採取嚴格的預防措施，並在火災發生時進行專業、安全的處置。

災前預防要項：

1. 了解物質特性 (Understand Material Properties)：
   • 詳細閱讀物質安全資料表 (MSDS/SDS)，了解其化學性質、儲存條件、禁忌物、熱分解溫度、自反應溫度等。
   • 確認物質的危險性分類（例如，根據聯合國分類，有機過氧化物屬於第 5.2 類）。
2. 安全儲存 (Safe Storage)：
   • 隔離儲存：應與可燃物、還原劑、金屬鹽類、酸、鹼等禁忌物隔離儲存。
   • 溫度控制：儲存溫度必須嚴格控制在安全範圍內，遠低於其分解溫度。許多有機過氧化物需要冷藏或冷凍儲存。
   • 通風良好：儲存場所應通風良好，防止分解產生的氣體累積。
   • 避免陽光直射與熱源：遠離火源、熱源、火花，避免陽光直射。
   • 容器與包裝：使用原廠合格的包裝容器，保持容器密閉（但某些需要允許微量釋氣的設計），避免物理損傷。
   • 少量儲存：盡量減少儲存量，採先進先出原則。
3. 安全操作與搬運 (Safe Handling and Transportation)：

本題旨在探討室內火災燃燒實驗中，幾個關鍵參數（可燃物量、開口部面積、開口部高度、地板面積、室內總表面積）對火災發展過程中室內溫度、燃燒速度和持續燃燒時間的影響。

核心觀念：火災動力學、火災參數、燃燒速度、溫度發展、持續時間。

在室內火災的發展過程中，上述參數會交互影響，共同決定火災的強度和持續性。以下分別說明：

1. 可燃物量 (Quantity of Combustible Materials)：

   • 影響：這是影響火災規模和持續時間最直接的因素。
   • 關係：
     • 室內溫度：可燃物越多，燃燒時釋放的總熱量越多，導致室內溫度升高得越快、越高。
     • 燃燒速度：在氧氣供應充足的前提下，可燃物量越大，單位時間內的燃燒速率（熱釋放率）通常也越高，火勢越猛烈。
     • 持續燃燒時間：可燃物越多，火災能夠持續的時間就越長，直到所有可燃物燃燒殆盡或因其他因素（如缺氧）而熄滅。
   • 影響結果：較多的可燃物量會導致更強烈的火災，更高的峰值溫度，更快的燃燒速度，以及更長的燃燒時間。反之，可燃物量少則火勢較弱，持續時間較短。

2. 開口部面積 (Area of Openings)：

   • 影響：開口（如門、窗）是室內外空氣交換的主要通道，對火災的燃燒速度和溫度有極其重要的影響。
   • 關係：
     • 室內溫度：開口面積越大，新鮮空氣（氧氣）進入越多，有利於燃燒的持續和加劇，可能導致更高的溫度。但若開口過大（例如整個房間暴露），則熱量散失也快，可能限制溫度的極端升高，反而使火勢向「全室燃燒」而非「密閉空間高溫」發展。
     • 燃燒速度：通常情況下，在一定範圍內，開口面積越大，氧氣供應越充足，燃燒速度（熱釋放率）越快。特別是當火災處於「受限通風」狀態時，開口面積是限制燃燒速度的主要因素。
     • 持續燃燒時間：開口面積越大，氧氣供應越充分，可燃物燃燒越完全，持續時間可能縮短（因為燃燒更劇烈），但也可能因為持續供應氧氣而延長。這是一個複雜的權衡。
   • 影響結果：中等大小的開口面積通常能提供足夠的氧氣，使火勢猛烈，溫度升高。過小的開口會限制氧氣供應，降低燃燒速度和溫度（進入「缺氧燃燒」狀態）；過大的開口則會加速熱量散失，可能降低峰值溫度，但火勢蔓延迅速。

3. 開口部高度 (Height of Openings)：

   • 影響：開口的高度與中性帶的位置有關，影響煙氣的排出和新鮮空氣的進入。
   • 關係：
     • 室內溫度：開口的位置（高或低）決定了中性帶在該開口處的高度。如果開口較高，且火源在下方，煙氣會從開口上方逸出，下方新鮮空氣流入，溫度可能受控；若開口較低，則可能導致煙氣在房間內積聚，限制氧氣供應，降低燃燒速率。
     • 燃燒速度：開口的高度影響了有效的空氣交換率。通常，開口的上緣高度是影響中性帶位置和空氣交換的關鍵。
     • 持續燃燒時間：與開口面積類似，開口高度決定了空氣交換的效率，進而影響燃燒的持續性。

本題主要探討火災研究中的「火災猛烈度」概念，以及國際上常用的 ISO 834 標準火爐試驗的溫度-時間曲線，並要求進行簡單的數值計算。

核心觀念：火災猛烈度、標準火災曲線、ISO 834、溫度-時間關係。

(一) 火災猛烈度 (Fire Severity) 的說明：
火災猛烈度（或稱火災嚴重性、火災強度）是指火災對建築物結構或火災區域內物品造成破壞或影響的程度。它是一個綜合性的概念，用來描述火災的整體效應，而不是單一的指標（如最高溫度）。
火災猛烈度與以下因素有關：

1. 持續時間 (Duration)：火災持續的時間越長，對結構的熱作用時間就越長，猛烈度越高。
2. 溫度 (Temperature)：火災達到的最高溫度以及溫度的分佈，高溫會導致材料強度下降、變形甚至熔化。
3. 熱釋放率 (Heat Release Rate, HRR)：高熱釋放率意味著火災釋放的能量大，對周圍環境的熱影響更強烈。
4. 熱作用的總量 (Total Heat Load)：這是持續時間和溫度的綜合體現。
5. 建築物內部環境 (Internal Environment)：如空間大小、通風條件、可燃物種類和分佈等，也會影響火災的發展和猛烈度。

在火災工程中，火災猛烈度常用來評估建築物構件（如鋼結構、混凝土構件）在高溫下的性能和耐火極限。它通常與標準火災曲線（如 ISO 834 曲線）所模擬的火災過程相關聯。一個高猛烈度的火災，意味著結構在較短時間內承受了很高的熱負荷。

(二) 國際上採行的 ISO 834 號火爐試驗標準溫度-時間曲線：
ISO 834 是國際標準化組織 (ISO) 制定的關於建築構件耐火試驗的標準。其中定義了一條標準的溫度-時間曲線，稱為「標準火災曲線」(Standard Fire Curve)。這條曲線模擬了在標準火災條件下，建築構件所經歷的溫度變化。

該曲線的數學表達式為：
$T_g = T_{a} + \Delta \Theta$
其中：

• $T_g$ 是爐溫（攝氏度）。
• $T_{a}$ 是初始爐溫（通常為室溫，例如 20℃）。
• $\Delta \Theta$ 是溫度隨時間的增加量，其計算公式為：
  $\Delta \Theta = \begin{cases} 20 \cdot t^{0.5} & \text{for } t \le 1 \text{ min} \\ 20 + 325 \cdot (1 - e^{-0.2 \cdot (t-1)}) + 20 \cdot (t-1) & \text{for } t > 1 \text{ min} \end{cases}$
  其中 $t$ 是從火災開始計時的總時間（分鐘）。

簡化計算公式（常用近似值）：

• 前 1 分鐘：$T_g = 20 + 20 \sqrt{t}$ （假設初始溫度為 20℃）
• 1 分鐘後：$T_g = 20 + 325(1 - e^{-0.2(t-1)}) + 20(t-1)$

(三) 在室溫 20℃，以 ISO 834 曲線加熱，10、20、30 分鐘時的爐溫計算：

已知初始溫度 $T_{a} = 20^\circ\text{C}$。

• 10 分鐘時 (t = 10 min)：
  由於 $t = 10 > 1$，使用第二個公式：
  $\Delta \Theta = 20 + 325 \cdot (1 - e^{-0.2 \cdot (10-1)}) + 20 \cdot (10-1)$
  $\Delta \Theta = 20 + 325 \cdot (1 - e^{-0.2 \cdot 9}) + 20 \cdot 9$
  $\Delta \Theta = 20 + 325 \cdot (1 - e^{-1.8}) + 180$
  $e^{-1.8} \approx 0.1653$
  $\Delta \Theta = 20 + 325 \cdot (1 - 0.1653) + 180$
  $\Delta \Theta = 20 + 325 \cdot (0.8347) + 180$