國 立 交 通 大 學
工學院產業安全與防災學程
碩 士 論 文
家用瓦斯熱水器一氧化碳模擬分析
與中毒防制之研究
A Study on Carbon Monoxide Simulation Analysis and Poisoning
Control of Household Gas Water Heater
研 究 生 : 陳 躍 仁
指導教授 : 陳 俊 勳 教授
邱 晨 瑋 教授
家用瓦斯熱水器一氧化碳模擬分析
與中毒防制之研究
A Study on Carbon Monoxide Simulation Analysis and
Poisoning Control of Household Gas Water Heater
研 究 生：陳 躍 仁 Student : Yueh-Jen Chen
指導教授：陳 俊 勳 Advisor : Chiun-Hsun Chen
：邱 晨 瑋 : Chen-Wei Chiu
國 立 交 通 大 學
工學院產業安全與防災學程
碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Degree Program of Industrial Safety and Risk Management
College of Engineering
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master of Science
in
Industrial Safety and Risk Management
July 2012
家 用 瓦 斯 熱 水 器 一 氧 化 碳 模 擬 分 析 與 中 毒 防 制 之 研 究 家 用 瓦 斯 熱 水 器 一 氧 化 碳 模 擬 分 析 與 中 毒 防 制 之 研 究 家 用 瓦 斯 熱 水 器 一 氧 化 碳 模 擬 分 析 與 中 毒 防 制 之 研 究 家 用 瓦 斯 熱 水 器 一 氧 化 碳 模 擬 分 析 與 中 毒 防 制 之 研 究 學生：陳躍仁 指導教授：陳俊勳 ：邱晨瑋 國立交通大學工學院產業安全與防災學程 摘 摘 摘 摘 要要要 要 台灣人口密度隨著環境變遷不斷地持續增加，民眾為追求更多之生活空間， 部分家庭將熱水器安裝於前、後陽台或室內，且因宵小橫行並將陽台裝設防盜窗， 導致形成一密閉空間，每當天氣較為寒冷時，常因熱水器燃燒不完全產生一氧化 碳，發生室內人員中毒死亡的悲劇，另由全台幾個案例亦發現，民眾雖有開窗保 持通風之防制行為，但也同樣造成屋內人員中毒死亡之慘劇。本研究使用 NIST （National Institute of Standard and Technology , U.S.A，美國國家標準局火災實驗 室）所發展之 FDS（Fire Dynamics Simulator）軟體，模擬瓦斯熱水器使用時之陽 台環境如密閉陽台、開啟對內室內門、強制通風等 3 個情境，經過 FDS 軟體計算 後得到陽台及相鄰空間內之氧氣、一氧化碳及二氧化碳等氣體濃度數據，發現模 擬數據曲線與勞研所全尺寸實驗所得之數據有高度吻合趨勢，觀察氧氣、一氧化 碳及二氧化碳等 3 種氣體在室內空間的濃度變化，相互之間亦符合燃燒邏輯，例 如當室內氧氣濃度低於 15％以下時，一氧化碳濃度會明顯迅速上升，甚至達到 1500ppm 以上，在短時間即可使人致死，另外當強制通風量足夠供給熱水器完全 燃燒時，室內一氧化碳濃度則會保持在很低的濃度，對人體無害。 成功建立 FDS 模擬瓦斯熱水器使用狀態之電腦模型後，在陽台未晾曬衣物之 淨空間內，嘗試以不同之開窗面積、外氣風速及熱水器型號等變數探討安全使用 瓦斯熱水器之模式，得出之安全建議為在陽台空間大（等）於 14m3 ，使用瓦斯熱 水器規格小（等）於 16L（33.1KW），關閉陽台與室內相通門窗之環境下，將陽 台對外窗開啟 0.2m2 以上時，即可保持室內空間之人員安全。 以上成果證實本研究所建構之電腦模型及參數設定可用於模擬家用瓦斯熱水 器使用情境，優點除了免除全尺寸實驗產生之人員中毒風險與重複實驗之高成本 外，並彌補實驗中觀測數據之不足，日後研究人員更可進一步利用此模型進行更 多防制中毒之研究。 關鍵字: 熱水器、一氧化碳、瓦斯、FDS、中毒
A Study on Carbon Monoxide Simulation Analysis and Poisoning Control of Household Gas Water Heater
Student：Yueh-Jen Chen Advisor：Dr. Chiun-Hsun Chen ：Dr. Chen-Wei Chiu
Degree program of Industrial Safety and Risk Management College of Engineering
National Chiao Tung University
ABSTRACT
This study adopted FDS (Fire Dynamics Simulator), developed by NIST (National Institute of Standard and Technology, to simulate 3 scenarios, different balcony environments when using gas water heater, such as airtight balcony, indoor door with openings, force ventilation. According to FDS simulation results, this study obtained several gas concentration data such as oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide in balcony and adjacent compartment. Also, we could find that data of the FDS simulation, O2, CO, and CO2 concentration, correspond highly with full-scale experimental results made by Institute of Occupational Safety & Health.
Through observing O2, CO, and CO2 concentration curve in the indoor compartment, we also find that when the indoor O2 concentration was lower than 15%, the CO concentration would rise rapidly and even reached above 1500ppm, causing death in short time so the phenomena correspond logically with combustion theory. In addition, when the force ventilation model supplied the water heater with enough air to burn, the indoor CO concentration will keep low and unharmful concentration to human body.
After setting up the computer models of FDS simulation related to gas water heater performance, the balcony is not drying clothes , the study also adopted diverse variables such as, the opening area of window, outdoor wind speed, and water heater types, to analyze deeply user’s safety regarding gas water heater. In a result, the study found out that while balcony area is above 14m3, water heater type is below 16L（33.1KW）, and the indoor window ,connecting balcony with room, is closed, if the opening on the outdoor window of the balcony is above 0.2m2, this can ensure the personal security of the indoor space.
In accordance with the above-mentioned results, it is clear that FDS models and several parameters set up by this study could simulate a series of household gas water heater scenarios effectively and logically. Therefore, not only could this study avoid poison risk by conducting full-scale experiments, but obtained CO poison prevention models and strategies to study further in the future.
誌
謝
本論文得以順利完成，承蒙陳院長俊勳及邱博士晨瑋於研究期間之殷切指導， 並不時花費時間於觀念及架構的提醒，才得以有今日的成果，邱博士晨瑋更是每 月不辭辛勞親至新竹指導學生，讓學生殊為感念；並感謝口試委員徐博士一量提 供之寶貴的意見與建議，使得本論文的涵蓋性更為完整。謹此致上內心的崇敬， 感謝教授們悉心指引，永銘於心。 能在消防局工作一直是一件非常幸運的事，可以將興趣與工作互相結合獲得很 大的成就感，經過幾年工作後有志於進修之途，感謝廖局長茂為給予在職進修的 機會，在交大在職專班的研習期間，得以學習更多專業知能及培養做學問的態度， 對於日後工作及生活上的助益極大。 在此，也要特別感謝交大研究生陳金輝、勞研所陳博士春萬、陳助理俊瑋以及 陳大隊長家慶暨大隊部同仁在論文及工作上的指導與協助，經過多時的努力終於 順利完成論文，在此致上深深的感謝。 最後，要感謝我的爸媽、姊妹及最支持我的老婆怡君，讓我在這段過程中遭遇 挫折總是默默的支持我，給我撐下去的信心與勇氣，讓我沒有後顧之憂，願將此 論文獻給你們及關心我的所有好朋友，一同分享這份喜悅。 陳躍仁 謹誌於 2012.7.30
目
錄
中文摘要 ……… i 英文摘要 ……… ii 誌謝 ……… iii 目錄 ……… iv 表目錄 ……… vi 圖目錄 ……… vii 第一章 緒論……… 1 1.1 研究動機與目的……… 1 1.2 研究方法與流程……… 2 1.3 研究內容與案例規劃……… 3 第二章 文獻探討……… 4 2.1 國內重大一氧化碳中毒案例……… 5 2.1.1 陽台紗窗污垢導致空氣對流不足……… 6 2.1.2 房東未安裝正確型式熱水器導致房客中毒………… 6 2.1.3 集合住宅管道間回流現象導致災情擴大……… 7 2.2 國內外相關研究整理……… 8 2.3 各國防範一氧化碳中毒措施……… 11 2.3.1 英國部分……… 11 2.3.2 美國部分……… 12 2.3.3 香港部分……… 16 2.4 新竹市防制一氧化碳中毒成果分析……… 17 2.4.1 前言─實施原因……… 17 2.4.2 實施方式與成效……… 19 2.4.3 家戶訪視成果分析……… 20 第三章 通風模式與數值分析……… 21 3.1 模擬軟體 FDS 介紹……… 21 3.1.1 模式分析……… 21 3.1.2 FDS 理論基礎與程式架構……… 22 3.2 我國燃氣熱水器現行規範……… 35 3.3 全尺寸實驗情境介紹……… 40 3.3.1 實驗空間及器材……… 40 3.3.2 氣體濃度的量測……… 41 3.4 模擬實驗邊界條件與參數設定……… 43 3.4.1 模擬模型……… 43 3.4.2 火源設定……… 45
3.4.4 其他相關參數設定……… 46 第四章 結果與討論……… 47 4.1 模擬情境結果與實驗比對……… 47 4.1.1 密閉陽台情境模擬結果與實驗比對……… 47 4.1.2 修正密閉陽台模擬結果與實驗比對……… 49 4.1.3 陽台對內落地窗開啟情境模擬結果與實驗比對…… 54 4.1.4 強制通風情境模擬結果與實驗比對……… 59 4.2 燃燒所需燃料之影響……… 64 4.3 使用熱水器安全模式之探討……… 66 4.3.1 開窗面積對陽台空間安全之影響……… 66 4.3.2 外氣風速對陽台空間安全之影響……… 67 4.3.3 熱水器型號對陽台空間安全之影響……… 69 4.3.4 小結……… 71 第五章 結論與建議……… 72 5.1 結論……… 72 5.1 建議……… 72 參考文獻 ……… 75
表 目 錄
表 2-1 一氧化碳濃度對於一般成人之影響... 4 表 2-2 全國歷年一氧化碳中毒人數統計（民國 93～100 年）... 5 表 2-3 新竹市歷年一氧化碳中毒人數統計（民國 95 年～100 年）.... 17 表 2-4 新竹市近年重大一氧化碳中毒案例... 18 表 2-5 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形訪視安全程度評估標準.18 表 2-6 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表－第一階段 ... 19 表 2-7 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表－第二階段 ... 19 表 2-8 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表－第三階段 ... 19 表 2-9 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表－第一～三階段 ... 20 表 3-1 FDS 輸入檔指令說明表... 34 表 3-2 我國燃氣熱水器安全管理法規沿革... 35 表 3-3 國內常用燃氣熱水器型式（以供排氣方式區分） ... 36 表 3-4 格點測試... 46 表 3-5 模擬相關參數設定 ... 46圖 目 錄
圖 1-1 研究流程圖... 2 圖 1-2 實驗房間之平面配置圖 ... 3 圖 3-1 FDS 與 Smokeview 使用流程架構圖... 33 圖 3-2 CF 式熱水器裝設圖 ... 36 圖 3-3 CF 式熱水器排氣管及頂罩圖示... 37 圖 3-4 FE 式熱水器裝設圖示 ... 38 圖 3-5 FF 式熱水器裝設圖示... 39 圖 3-6 RF 式熱水器裝設圖示 ... 39 圖 3-7 實驗房間配置平面圖 ... 40 圖 3-8 風向煙流可視化（風由窗戶外朝向陽台屋內吹） ... 42 圖 3-9 強制通風情境示意圖 ... 42 圖 3-10 實驗空間示意圖... 43 圖 3-11 模擬空間示意圖 ... 43 圖 3-12 模擬空間陽台示意圖 ... 44 圖 3-13 模擬空間窗戶示意圖 ... 44 圖 3-14 實驗空間陽台外觀照片 ... 44 圖 3-15 實驗空間陽台內部窗戶照片 ... 44 圖 3-16 實驗瓦斯熱水器外觀及規格照片... 45 圖 3-17 實際火源規格示意圖 ... 45 圖 4-1 密閉陽台實驗值與模擬值 CO2濃度比較圖... 48 圖 4-2 密閉陽台實驗值與模擬值 O2濃度比較圖 ... 48 圖 4-3 密閉陽台實驗值與模擬值 CO 濃度比較圖... 49 圖 4-4 修正密閉陽台實驗值與模擬值 CO2濃度比較圖... 50 圖 4-5 修正密閉陽台實驗值與模擬值 O2濃度比較圖 ... 51 圖 4-6 修正密閉陽台實驗值與模擬值 CO 濃度比較圖... 51 圖 4-7 模擬密閉陽台空間 CO 濃度向量立面切片圖（共 14 幅） ... 53 圖 4-8 陽台對內落地窗開啟情境之 CO 濃度比較圖（室內空間） ... 54 圖 4-9 陽台對內落地窗開啟情境之 O2濃度比較圖（室內空間） ... 55 圖 4-10 陽台對內落地窗開啟情境之 CO 濃度圖（陽台空間模擬值）... 55 圖 4-11 陽台對內落地窗開啟情境之 O2濃度圖（陽台空間模擬值）... 56 圖 4-12 模擬陽台對內落地窗開啟情境 CO 濃度向量立面切片圖（共 16 幅） ... 58 圖 4-13 強制通風情境之室內空間 CO 濃度比較圖 ... 59 圖 4-14 強制通風情境之室內空間 O2濃度比較圖 ... 60圖 4-15 強制通風情境陽台之 CO 濃度圖（陽台空間模擬值）... 60 圖 4-16 強制通風情境陽台之 O2濃度圖（陽台空間模擬值） ... 61 圖 4-17 模擬強制通風情境 CO 濃度向量立面切片圖（共 16 幅）... 63 圖 4-18 不同燃料模擬之 CO2濃度比較圖 ... 64 圖 4-19 不同燃料模擬之 O2濃度比較圖 ... 65 圖 4-20 不同燃料模擬之 CO 濃度比較圖... 65 圖 4-21 開窗大小之 CO 濃度比較圖 ... 66 圖 4-22 開窗大小 O2濃度比較圖... 67 圖 4-23 風速大小之 CO 濃度比較圖 ... 68 圖 4-24 風速大小之 O2濃度比較圖... 68 圖 4-25 陽台空間開窗大小之 CO 濃度比較圖（12L 熱水器）... 70 圖 4-26 陽台空間開窗大小之 CO 濃度比較圖（16L 熱水器）... 70
第一章
第一章
第一章
第一章
緒論
緒論
緒論
緒論
1.1 1.1 1.1 1.1 研究動機與目的研究動機與目的研究動機與目的 研究動機與目的 在台灣，冬季由於受到大陸冷氣團及季風影響，氣候寒冷， 民眾習慣將門窗緊閉，於環境通風不良情形下，即有民眾於住家 內因使用熱水器不當而造成一氧化碳中毒案件。經分析過去幾年 來一氧化碳中毒的發生原因，多是因為使用天然氣(NG)或液化石 油氣(LPG)的瓦斯熱水器於燃燒不完全時產生一氧化碳，加上熱 水器型式裝設錯誤或陽台違建加蓋鋁門窗等造成密閉環境，於一 氧化碳無法排出之情形下，民眾自然無法避免一氧化碳中毒事 件，根據內政部消防署歷年發布的消息中，96 至 97 年間全台發 生一氧化碳中毒案例計有 109 次，死亡 28 人及 245 人受傷，98 年共計發生 35 件、16 人死亡及 83 人受傷之一氧化碳中毒案件， 99 年共計發生 53 件、17 人死亡及 123 人受傷之一氧化碳中毒案 件。而全台區域性劃分，通常越是北部（東北季風強烈天氣冷， 門窗易緊閉）、越是大都會區（房價高，瓦斯熱水器易置於室內） 一氧化碳中毒發生率越高。 以新竹市南大路 327 巷內於 98 年 2 月 3 日發生之一氧化碳 中毒事件為例，因時值農曆過年期間寒流來襲天氣寒冷，住戶使 用裝設於廚房之瓦斯熱水器燃燒不完全，雖然廚房窗戶有打開， 但紗窗積了一層油垢造成空氣對流不良，而造成一家 5 口中毒死 亡之悲劇。相對於火災案件，一氧化碳中毒意外更容易造成人員 死亡，除了客觀條件如熱水器型式裝設錯誤或陽台違建等造成密 閉環境問題外，民眾缺乏防災意識也是最難控制與克服的因素， 社會大眾雖清楚一氧化碳中毒讓人致命，然而以一氧化碳中毒死 亡者不乏高知識水平者，甚至同一住戶發生 2 次以上中毒案件， 可以知道一氧化碳中毒的危害特性及成因未被普遍了解。 目前國內已有研究使用全尺寸實驗方式測量一定通風條件 下室內一氧化碳濃度累積情形，供給政府及學術單位參考，考量 全尺寸實驗之限制，以 FDS 軟體進行模擬分析密閉空間使用瓦斯 熱水器情形，可設定不同參數及模式即可模擬出各種瓦斯熱水器 使用情境，免除實驗產生之人員中毒風險與重複實驗之高成本， 並彌補實驗中觀測數據之不足，綜合以上所得之結論提供向民眾 宣導及政府防治一氧化碳中毒決策時可參考之資料。
1.2 1.2 1.2 1.2 研究方法與流程研究方法與流程研究方法與流程研究方法與流程 本論文「家用瓦斯熱水器一氧化碳模擬分析與中毒防制之研 究」，主要是以文獻回顧法、FDS 模擬分析比較等方式，研析瓦 斯熱水器於住宅使用時發生一氧化碳中毒之危害及防範措施，研 究流程圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 研究流程圖
研究主題
國內重大一氧 化碳中毒案例 國外防範一氧 化碳中毒措施 國內相關 研究文獻探討
新竹市防制一氧 化碳中毒成果 FDS 電腦設計 與模擬 密閉陽台情境 陽台對內落地窗 開啟情境 強制通風情境 模擬結果與全尺寸實驗數據驗證 探討安全使用熱水器之模式 結論與建議1.3 1.3 1.3 1.3 研究內容與案例規劃研究內容與案例規劃研究內容與案例規劃 研究內容與案例規劃 本論文研究內容包含國內重大一氧化碳中毒案例、國外防範 一氧化碳中毒措施、國內相關研究整理、新竹市防制一氧化碳中 毒成果分析等，藉由瞭解一氧化碳相關特性及危害風險，知己知 彼參考國外防範一氧化碳中毒措施，並透過家戶訪視結果得知一 般民眾住宅內使用瓦斯熱水器狀況之統計數據，綜合以上進行彙 整與探討一氧化碳中毒潛在因子。 電腦模擬實驗案例規劃參考行政院勞工委員會勞工安全衛 生研究所（以下簡稱勞研所）於 95 年 12 月所發表之「陽台通風 影響瓦斯熱水器一氧化碳累積之研究」[1]，建構實驗房間之模 型（如圖 1-2），利用 FDS 軟體進行模擬瓦斯熱水器在各種情境 使用時一氧化碳濃度累積之情況，例如密閉陽台、陽台對內落地 窗開啟、強制通風等情境，得出之數據與勞研所實驗數值做驗 證，並進行探討與分析安全使用瓦斯熱水器之模式。 綜合上述兩大部分，瞭解民眾一氧化碳中毒之主客觀因素， 佐以實驗數據為證，提供正確使用瓦斯熱水器模式，以作為日後 向民眾宣導之依據。 圖 1-2 實驗房間之平面配置圖 資料來源：勞工安全衛生研究季刊(95 年 12 月)
第二章
第二章
第二章
第二章 文獻探討
文獻探討
文獻探討
文獻探討
「一氧化碳」為無色、無味、沒有刺激性之有毒氣體，其容易從肺部吸收， 吸收的量依每分鐘通氣量、暴露時間長短、環境中一氧化碳和氧氣之相對濃度 而 定 [2] 。 一 氧 化 碳 對 人 體 的 危 害 性 主 要 是 因 為 其 容 易 與 血 中 的 血 紅 素 （hemoglobin）結合，形成所謂的碳氧血紅蛋白（carboxyhemoglobin）（COHb）， 其結合能力比氧強 200－230 倍[3,4]，而碳氧血紅蛋白較氧合血紅蛋白(O2Hb) 的解離速度慢 3600 倍，空氣中之一氧化碳濃度到達 60PPM 時，即可抑制血紅 素攜帶氧氣的一半能力；因此血紅素在優先與一氧化碳結合的情況下，將會大 幅降低血液輸送氧的功能，導致心臟和腦組織缺氧而嚴重受創；若處於高濃度 下，會使大腦失去正常功能甚至致死。 一氧化碳為碳氫化合物燃燒不完全下的產物，常見引起一氧化碳中毒情況 為不當使用汽柴油引擎或幫浦等機械設備、火災事故現場及不當使用燃氣器具 等加熱設備。其中，最廣為人知的一氧化碳中毒事故莫過於居家所使用之燃氣 熱水器因環境的通風不良，而造成不完全燃燒，進一步引發一氧化碳中毒事 故。一氧化碳中毒的急性症狀如下：先出現頭痛、反胃、呼吸急促現象，之後 伴隨精神錯亂、肌肉無力情形，此時出力即產生暈眩，因此無法做較遠距離的 移動，因而常未能立即逃出中毒環境，最後即喪失意識、昏迷，結果因心律不 整、心臟和腦受損等因素而導致死亡。 人體於一氧化碳中毒後所產生的症狀，與吸入一氧化碳的時間、人體一氧 化碳血紅素濃度、年齡、健康情形等因素有關。參考 NFPA（美國國家消防協 會，National Fire Protection Association）防火手冊（NFPA's Fire Protection Handbook）資料，整理空氣中一氧化碳濃度對於一般成人之影響如表 2-1[5]：表 2-1 一氧化碳濃度對於一般成人之影響 環境中一氧化碳含量(PPM) 暴露時間 出現症狀 50 8 小時 無明顯症狀 200 2~3 小時 輕微頭痛 400 1~2 小時 明顯頭痛、反胃 800 45 分鐘 頭暈、反胃、暈眩，1 小時即失去知覺 1,000 40 分鐘 意識混亂、心跳呼吸加速，1 小時即失 去知覺 1,600 20 分鐘 頭痛、反胃、暈眩情形，2 小時會死亡 3,200 5~10 分鐘 頭痛、反胃、暈眩情形，30 分鐘會死 亡 6,400 1~3 分鐘 頭痛、暈眩，10-15 分鐘內會死亡 12,800 1~3 分鐘 1-3 分鐘內可能會死亡
資料來源：NFPA（美國國家消防協會）防火手冊（NFPA's Fire Protection Handbook）資料 由上述表格分析可知，當空氣中一氧化碳濃度達到 1,600PPM 時，即有可 能短時間導致人員死亡，濃度達 12,800PPM 以上時，更是在 3 分鐘之內即可致 人於死。在一間面積 5 坪、高度 2.5 公尺的房間內，66 公升的一氧化碳即達 1,600PPM 濃度，因此微量一氧化碳對人體即會造成極大的影響，但一氧化碳 中毒初期症狀與感冒、食物中毒極為類似，因而導致許多人在一時不察的情況 下失去了性命。 2.1 國內重大一氧化碳中毒案例國內重大一氧化碳中毒案例國內重大一氧化碳中毒案例國內重大一氧化碳中毒案例 在台灣，冬季東北季風帶來寒流吹襲，瓦斯熱水器成了家家戶戶 必備之電器之一，依據內政部消防署所公布的統計數據(如表 2-2)，每 年均有多起因使用瓦斯熱水器不慎造成一氧化碳中毒之案例，以下提 供國內重大之一氧化碳中毒案例作為借鏡，找出中毒之重要因子，適 時排除以防再度發生意外。
表 2-2 全國歷年一氧化碳中毒人數統計（民國 93～100 年） 年度 93 年 94 年 95 年 96 年 97 年 98 年 99 年 100 年 件數 200 161 38 41 68 35 53 46 死亡人數 33 31 20 15 13 16 17 11 受傷 (送醫)人數 299 358 86 90 155 83 123 113 資料來源：內政部消防署 2.1.1 陽台紗窗污垢導致空氣對流不足陽台紗窗污垢導致空氣對流不足陽台紗窗污垢導致空氣對流不足陽台紗窗污垢導致空氣對流不足 94年2月24日在台南市東區富農街發生的一氧化碳中毒死亡事件，造 成5名女大學生當場死亡，據了解災害現場位於該棟建築物之5樓，熱水 器裝在陽台，使用年限超過10年，雖設有窗戶，但窗戶呈現半開狀況， 且陽台掛滿衣物、窗戶紗窗滿佈塵垢。因救護人員到達現場時，其中一 名女大學生倒臥於浴室，且浴室水龍頭尚在流水，因此可研判係因熱水 器燃燒不完全產生一氧化碳中毒而死亡。 98年2月3日在新竹市南大路327巷內發生之一氧化碳中毒事件，因 時值農曆過年期間寒流來襲天氣寒冷，住戶使用裝設於廚房之瓦斯熱水 器燃燒不完全，雖然廚房窗戶有打開，但紗窗積了一層油垢造成空氣對 流不良，而造成一家5口中毒死亡之悲劇。 這2起事件災害現場的窗戶雖未緊閉，但因紗窗滿布塵垢且有衣物 阻隔對流或堆積油垢，導致新鮮空氣無法進入且熱水器產生之一氧化 碳廢氣無法排出，因而各帶走了5條人命。由此可知，陽台只要加鋁窗、 紗窗即有空氣對流不足之可能，因此瓦斯熱水器只要裝設於有加蓋的 陽台或室內，均應裝設強制排氣型熱水器合法使用排氣管，才能保障 使用者的安全。 2.1.2 房東未安裝正確型式熱水器導致房客中毒房東未安裝正確型式熱水器導致房客中毒房東未安裝正確型式熱水器導致房客中毒房東未安裝正確型式熱水器導致房客中毒 94年2月14日於高雄市林森二路發生房客盥洗時一氧化碳中毒死亡 意外事故，起因於瓦斯熱水器裝設於加裝鋁門窗之陽台，因供排氣設計 不良，門窗亦緊閉，致燃燒不完全而造成事故。房東雖聲稱，當初購買 該房屋時，陽台即裝設鋁門窗，事先並已提醒該房客，且房客已成年， 應具有使用瓦斯熱水器常識，若非該房客關閉陽台鋁門窗和屋內窗戶， 不致發生通風不良情形。法官卻認為，房東已預見陽台加裝鋁門窗、阻 礙空氣流通可能產生的危險，卻未採取防範措施，因此仍依過失致死罪
判處房東有期徒刑3個月，得易科罰金。 房客於租屋時，應確保屋內熱水器型式之正確性，以保障自身安 全，房東亦應有道德良知，才能收取租金並同時兼顧房客安全。 2.1.3 集合住宅管道間回流現象導致災情擴大集合住宅管道間回流現象導致災情擴大集合住宅管道間回流現象導致災情擴大集合住宅管道間回流現象導致災情擴大 台北縣永和市恆豐大樓於92年7月發生一氧化碳中毒事件，肇因於該 大樓6樓之4陽台違建，因開啟冷氣而緊閉窗戶，其熱水器型式為屋外 型，該住戶洗澡時因室內氧氣不足產生一氧化碳，即中毒死亡；但熱水 器持續運轉，浴室抽風機亦繼續將燃燒產生的一氧化碳排入管道間，且 該大樓之浴室天花板內未加裝管路逆止閥，導致各樓層間之氣體可透過 管道流通，而住戶為避免其他樓層浴室傳來味道，另二次施工堵住9樓 的通風管道，管道間至9樓即封閉，一氧化碳上升至9樓後即無法排出， 向下蓄積繼而流竄到其他樓層，並由浴室排風口擴散，最後共造成3死8 傷的慘劇。 集合住宅之共同通風管道應保持暢通，屋頂之通風管道出口則應設 置強制排氣設備且附有防止逆流之措施，住戶應檢視浴室天花板內之排 風機是否密封連接管道且加裝管路逆止閥，以上措施除了保持各戶之廢 氣可以順利排出外，也讓上述之悲劇不再發生。
2.2 國內國內國內國內外外外外相關研究整理相關研究整理相關研究整理 相關研究整理
計算流體力學CFD（ Computational Fluid Dynamics）是一門已積 極發展的科學，理論上是研究與描述流體各類線樣方程式的解。在工程 應用上，目的在運用電腦數值計算佐證實驗測試結果與改善設計之上。 在建築自然通風模擬上則是在1970年代後才有人開始從事此方面之研 究，近幾年來由於電腦運算能力大幅提升之後，以計算流體力學的電腦 模擬程式模擬氣流來預測室內通風換氣的研究才蓬勃發展。其中，張瑋 如君[6]於2010年運用計算流體力學方法（CFD-ACE+軟體）進行有系統之 研究，建立典型台灣住家陽台－室內空間幾何模型、一氧化碳不完全燃 燒模型，以及一氧化碳三維擴散之數值模式，針對室內窗開啟關閉與通 風速度變化之可能情境進行不同通風狀況，共14種案例之一氧化碳濃度 分佈與速度場之分析。主要研究發現包括： 1.通氣速度變化明顯影響陽台與室內房間之一氧化碳濃度分佈狀況與速 度場模式。 2.計算模擬結果顯示V=3.0×10-4 m/s為關鍵通氣速度，當通氣速度低於此 關鍵通氣速度時，氣流之運動主要為擴散作用，此時室內門關閉與否 對於室內房間一氧化碳濃度分布之影響不大。 3.當通氣速度高於關鍵通氣速度時，室內門開啟時室內房間的一氧化碳 濃度將遠低於室內門關閉的狀況。此乃因為新鮮空氣經由開啟之室內 門被牽引進入室內房所導致之結果。 此研究在台灣乃屬於創新研究，也實證了CFD軟體應用於模擬一氧化碳 氣體擴散情形之可行性。
FDS是一套計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）軟 體，主要用於火災模擬，具有軟體取得容易，且更新快速，免費下載使 用，模擬之可靠度、準確度頗佳等特點，搭配強大的後處理程式 Smokeview，對火場內之溫度場、速度場、熱傳導、熱輻射、熱對流、 一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、能見度等之參數能以優越的3D立體視覺 效果呈現，瓦斯熱水器使用時之狀態與一般燃燒相同，以使用FDS模擬 室內空間一氧化碳濃度蓄積情況應屬可行，國內應用FDS的研究相當 多，以下列舉： 1.李東昇君[7]於民國98年利用FDS火災模擬軟體對公寓住宅進行火災模 擬，以瞭解火災的成長、延燒、濃煙流動擴散、溫度及一氧化碳濃度 變化。由研究結果顯示，FDS可設定偵測居室中特定點之氧氣、一氧
化碳及二氧化碳濃度之蓄積情況，並可匯出時間－濃度曲線圖，可用 於評估室內空間在多久時間內即可蓄積至一氧化碳危險濃度，造成內 部人員健康上的危害性。 2.蔡銘儒君等[8]於民國97年以歷年於內政部建築研究所防火實驗中心 建置的10MW大尺度燃燒分析裝置、ISO 9705房間量熱儀及可調整天花 板高度之單一房間火災模式驗證實驗屋之局限空間，所進行之研究實 驗資料為FDS模擬場景與參數設定進行模擬，再將模擬結果與實驗結 果進行比對，得出針對火災模式驗證與文件化等標準之研訂，可供設 計者設計評估與主管官署評定之參考。 3.何明錦君等[9]於民國94年針對特定既有住商複合建築物火災成災個 案，就建築物之現況予以模擬建檔，進行電腦分析與判斷，以驗證防 火避難危險改善成效。藉由FDS電腦模擬可發現一旦住戶內容發生火 災，其擴大延燒非常快速，故預防火災才是最重要的課題。 4.紀人豪君等[10]於民國99年以現有小規模旅館建築物為標的，收集調 查白雪大旅社火災現場勘查資料，並採用電腦模擬程式（FDS+EVAC） 進行火場情境重建模擬，以該類建築物的火災危險因子與人員避難安 全之課題，探討各項改善方案之成效。並就各改善方案情境，於內政 部建築研究所防火實驗中心建置實際人員避難模擬試驗，與電腦模擬 結果數據比對分析，探討其差異性，提出可行性與修正研擬改善的方 案，以確保旅館類建築物人員避難安全。 因應國內一氧化碳中毒案件日趨嚴重，我國自民國 94 年起在消防 法中納入燃氣熱水器之安全管理條文，但民眾家中已普遍使用裝置錯誤 型式之瓦斯熱水器，造成只要寒流來襲即會有民眾一氧化碳中毒，然而 法規的訂定仍有需改進之空間，王佩琪君[11]於 2009 年以統計分析法說 明近年來國內外一氧化碳中毒事件數據，文獻蒐集與回顧法說明燃氣熱 水器類型與一氧化碳生成關係，及國外防範一氧化碳中毒相關規定；並 針對國內燃氣熱水器承裝制度、建築相關法令、政府補助措施、消防法 修正草案內容等，於了解執行情形及缺失後，依國內民情及參考國外法 規提具建議，期做為完備國內相關防範措施之參考。 呂博弘君等人於 2006 年採用全新的瓦斯熱水器並以氣體偵測器進 行實驗的量測，實驗主要探討密閉空間、風向、開窗面積大小及導管的 有無及門窗的阻隔等對於一氧化碳的累積或排除等影響。結果發現在體 積約 14m3 的全密閉陽台空間中，其一氧化碳濃度值可在 15 分鐘高達 1500ppm，人員於此濃度的暴露下即會造成人員昏迷、呼吸及心臟衰竭
或死亡等情形；另外，有許多的民眾認為只要開了窗就不會發生中毒的 情形，然而事實卻不盡然，實驗發現即使於陽台開了窗，但因開窗方式 不佳或風向的影響下也可能導致一氧化碳擴散至室內，其因風向擴散至 室內之一氧化碳可於 50 分鐘後達到 100ppm 以上，長時間的暴露也會有 頭痛、虛弱的情形產生。 因此，密閉空間、導管的有無、開窗對流面積的大小、門窗的阻隔 及風向等皆會影響著一氧化碳的累積與否。故建議對於新安裝瓦斯熱水 器之民眾，應遵守通過之法令，由合格技術人員安裝瓦斯熱水器，對於 現有瓦斯熱水器，應檢討安裝位置，除了絕對不可安裝在浴室內以外， 對於安裝於密閉陽台的瓦斯熱水器應視為室內熱水器，應立即遷至室外 或換裝強制排氣型熱水器，而陽台也應給予足夠的通風面積產生有效對 流以減少一氧化碳的累積。 由以上文獻資料中可發現，應用 FDS 軟體模擬瓦斯熱水器在密閉 空間中一氧化碳蓄積濃度之變化應屬可行，實際對照全尺寸實驗之數 據，若趨勢相同即可推論此模擬模型及參數設定為符合現況，日後可更 改不同變數條件即可得出內部空間一氧化碳蓄積濃度之變化，對於未來 燃氣熱水器管理規定之制訂可提供科學之依據，消防單位在規劃燃氣熱 水器使用安全宣導方面也多了有力的證據。
2.3 各國防範一氧化碳中毒措施各國防範一氧化碳中毒措施 各國防範一氧化碳中毒措施各國防範一氧化碳中毒措施 2.3.1 英國部分英國部分英國部分英國部分
英國每年因一氧化碳中毒而死亡人數約有30人，英國政府係以要 求房屋出租人定期維修檢查瓦斯器具、瓦斯器具或配件裝置人員資格 等方式，提供英國民眾瓦斯器具使用的安全保障。
英國之主管機關為健康及安全委員會（HSE, Health and Safety Executive），該會訂有「瓦斯安全（安裝與使用）規範」（The Gas Safety 〈Installation and Use〉Regulations）、「1998年瓦斯安全規範：房東 義務守則」（Landlord. A guide to landlords duty: Gas Safety Regulations 1998）暨「瓦斯器具－委託檢查」（Gas Appliance－Get them Checked）， 英國強制規範瓦斯器具應定期執行檢修並檢附檢查報告，且該檢修應 由特定合格技術人員辦理【須經瓦斯器具安裝登記委員會（CORGI, Council for Registered Gas Installer）註冊合格】。除此之外，英國政府 相關部門藉由編印瓦斯安全手冊、防範一氧化碳中毒宣導資料及社群 網站宣導等方式，進行廣泛之宣導。 「瓦斯安全（安裝與使用）規範」係於1998年修正，針對住家、 活動式空間（如貨櫃屋）、商業空間（如辦公室、商店、飯店等）、 民宿、遊艇等場所，要求燃氣系統、燃氣設備、排氣管等之瓦斯使用 安全，為落實該規範之執行，並訂定「1998年瓦斯安全規範：房東義 務守則」暨「瓦斯器具－委託檢查」。該規範之重點內容如下[12]： 1.瓦斯器具及配件之裝置人員，應具有相當之承裝能力，並應取得瓦 斯器具安裝登記委員會（CORGI, Council for Registered Gas Installer） 註冊合格資格。 2.瓦斯器具之安裝、使用、檢查、維護等，均應由註冊合格之技術人 員擔任。 3.除居室之密閉型器具外，1996年1月1日後禁止於臥房內裝置瓦斯器 具（如暖氣）；如為出租之公寓，則應於1998年10月31日前將裝置 於臥房內之瓦斯器具遷移至其他處所。 4.於1998年10月31日後，除居室密閉型或附有自動切斷安全裝置之熱 水器外，不得在居室內裝置水點火熱水器（Instantaneous Water Heaters）。
5.如有瓦斯漏氣情形，瓦斯供應商（Main Gas Transporter）╱緊急服 務人員（Emergency Service Providers）應於事件發生後12小時內瞭
解發生原因並採行預防措施；如為一氧化碳事故，應於獲報後立即 採取相關措施並確保現場安全。 針對房東應擔負之瓦斯器具維護責任，摘要如下[13]： 1.房東應確保瓦斯器具與排氣管等之安全狀態，所有燃氣器具應依製 造商指示進行維修，每年並委託瓦斯器具安裝登記委員會（CORGI） 註冊合格之技術人員進行維修一次。 2.於房屋出租時，應於簽訂租賃契約同時將瓦斯器具與排氣管等最近 一次檢查合格報告檢附給承租人。 3.瓦斯器具與排氣管之安裝、維修及安全檢查等，均應由瓦斯器具安 裝登記委員會（CORGI）註冊合格之技術人員辦理。 4.瓦斯器具安全檢查紀錄應保存2年以上。 5.完成瓦斯器具安全檢查之28天內，應將該紀錄送給承租戶。 6.房東如未善盡瓦斯器具維修之責，得處罰款5000英鎊，並另由刑事 法庭（Crown Court）審理，最高之刑事罰得為無限罰款甚或被判入 獄。 另外，考量英國國內有來自世界各國的民眾，為了加強瓦斯器具 使用安全的法令介紹與說明，健康及安全委員會（HSE）使用中文、 阿拉伯文、葡萄牙文、西班牙文、土耳其…等各種不同語文印製「1998 年瓦斯安全規範：房東義務守則」暨「瓦斯器具－委託檢查」宣導資 料，俾於向一般社會大眾宣導。健康及安全委員會（HSE）為提供各 項瓦斯安全諮詢服務，並設置諮詢電話專線：0800-300363，如有60 歲以上或長期罹病、殘障、聽覺或視覺受損等弱勢族群，並可由瓦斯 器安裝登記委員會（CORGI）提供瓦斯器具免費安全檢查服務。 2.3.2 美國部分美國部分美國部分美國部分
依美國疾病控制中心（Centers for Disease Control）統計數據，美 國每年因一氧化碳中毒約導致450人死亡、2萬人受傷送醫[14]。 美國之立法係以州為單位，由各州自行針對區域特性予以設置相 關法令，規範住宅應設置一氧化碳警報器，其中有要求新建或增建改 建住宅者，亦有溯及既往至全部住宅者，設置場所則包含車庫、有燃 氣設備之場所、居室等。依據全美州立法機構會議（National Conference of State Legislatures）網頁資料顯示，美國有25個州已強制住家裝設一 氧化碳警報器[15]。茲摘錄部分規定整理如下：
1. 明尼蘇達州（Minnesota）
（1）法規名稱：Minn. Stat. § 299F.50 to .51 – Carbon Monoxide Alarms （2）法規摘譯： I.2007 年 1 月 1 日起，所有新建住宅單元均須設置一氧化碳警 報器。 II.2008 年 8 月 1 日起，所有既設之獨立房屋均須設置一氧化碳 警報器。 III.2009 年 8 月 1 日起，所有既設之公寓、大樓、集合住宅等 均須設置一氧化碳警報器。 IV.一氧化碳警報器必須設置在離睡眠區域（臥室）10 呎內之 位置。 2. 伊利諾斯州（Illinois）
（1）法規名稱：430 Ill. Comp. Stat. § 135/ -- Carbon Monoxide Alarm Detector Act （2）法規摘譯： I. 2007 年 1 月 1 日起，每一住宅單元均須設置一氧化碳警報 器，但住宅內未設置燃氣器具、未連結至車庫且與建築物內 其他一氧化碳可能來源確實區隔者，得免設之。 II.一氧化碳警報器應設置在離睡眠區域（臥室）15 呎內之位置。 III.房屋出租人應於出租房屋設置一氧化碳警報器，承租人應確 保一氧化碳警報器之電力充足（定時更換電池）。 IV.蓄意未設置或維護一氧化碳警報器者屬 B 級輕罪，得處 180 天有期徒刑及最高 1500 美元罰金；致破壞或移除一氧化碳警 報器者，初犯屬 A 級輕罪、得處 364 天有期徒刑及最高 2500 美元罰金，累犯則為 4 級重罪、得處 1 年以上，3 年以下有期 徒刑及最高 2500 美元罰金。 3. 阿拉斯加州（Alaska）
（1）法規名稱：Alaska Stat. § 18.70.095 - Smoke and Carbon Monoxide Detection Devices.
（2）法規摘譯：
I. 2005 年 1 月 1 日起，於住宅下列區域應設置一氧化碳警報 器：放置燃氣器具之空間附近、住宅內附屬車庫門口旁、停 車位、臥室。
II.一氧化碳警報器應安裝在距離睡眠區域（臥室）15 呎內之位 置。 III.房屋出租人應於出租房屋設置一氧化碳警報器，承租人應確 保一氧化碳警報器之電力充足（定時更換電池）；違者為 B 級輕罪，得處 90 天有期徒刑及最高 2000 美元罰金。 4. 佛蒙特州（Vermont）
（1）法規名稱：Vt. Stat. Ann. titl. 9 § 2881 to 2883 – Smoke Detectors and Carbon Monoxide Detectors.
（2）法規摘譯： I. 2005 年 7 月 1 日起，新建之單一家庭建築物（single－family， 供家庭居住並含睡眠區域之建築物，不包含集合住宅、公寓 大廈等），應於鄰近臥室處設置一氧化碳警報器。一氧化碳警 報器應使用家用電源，並以電池做為備用電力。 II. 2005 年 7 月 1 日起，住宅所有權變更時，應由賣方於鄰近臥 室處設置一氧化碳警報器；一氧化碳警報器應使用家用電源 或用電池供電。如買方發現一氧化碳警報器未符合規定，應 通知賣方，賣方應於 10 日內改善完畢。 III. 2005 年 10 月 1 日起，所有住宅單元（含集合住宅、公寓大 廈、旅社等）之睡眠區域（臥室）均應設置一氧化碳警報器。 5. 麻薩諸塞州（Massachusetts）
（1）法規名稱：Mass. Gen. Laws Ann. ch. 148, § 26f1/2；Mass. Gen. Laws Ann. ch. 148 § 27A
（2）法規摘譯： I. 2006 年 3 月 31 日起，設有燃氣器具或封閉式停車處所之住 宅，應於距離睡眠區域（臥室）10 公尺內設置一氧化碳警報 器。 II.住宅買賣移轉前，必須由消防單位查看一氧化碳警報器設置 情形。 6. 紐澤西州（New Jersey）
（1）法規名稱：N.J. Stat. Ann. § 52:27D-133.3 to 133.5 – Carbon monoxide sensor device required for issuance of certificate of occupancy.
（2）法規摘譯：2003 年 4 月 7 日起，住宅使用燃氣器具或附有車 庫者，應於距離睡眠區域（臥室）10 公尺內設置
一氧化碳警報器。 7. 喬治亞州（Georgia）
（1）法規名稱：Sec. R313.4.1 of the Ga. State Minimum Standard One and Two Family Dwelling Code (International Residential Code for One- and Two-Family Dwellings with Georgia State Amendments) adopted pursuant to Ga. Code Ann. § 8-2-20.
（2）法規摘譯：2009 年 1 月 1 日起，新建之供 1 至 2 個家庭居住 的獨棟住宅、三層樓以下之連棟住宅，於各個睡眠 區域（臥室）均應設置一氧化碳警報器。
8. 德州（Texas）
（1）法規名稱：Tex. Hum. Res. Code Ann. § 42.060 – Carbon Monoxide Detectors；Tex. Health & Safety Code Ann. § 766.003 - Information Relating to Fire Safety and Carbon Monoxide Dangers.
（2）法規摘譯：2003 年 9 月 1 日起，要求日間照護中心、護理之 家及一般住家均應設置一氧化碳警報器。
2.3.3 香港部分香港部分香港部分香港部分 香港特別行政區政府委任機電工程署監督氣體安全管理，同時並 委任氣體安全諮詢委員會提供意見。機電工程署負責有關液化石油 氣、天然氣等之進口、生產、儲存、運送、供應及使用安全準則，並 訂定相關規定。在香港特別行政區訂有「住宅式氣體熱水爐裝置規 定」，用以規範燃氣熱水器之裝設位置、通風等事宜。 依據「住宅式氣體熱水爐裝置規定」規定，香港地區係以 FF 式 （強制供排氣式）為初次裝置或更換熱水器之首選。在浴室或淋浴間 以外的地方，如周邊環境不允許裝置 FF 式熱水器，才可使用 FE 式 （強制排氣式）熱水器，新設建築物應遵從「建築物（設計）規例」 （第 123F 章）第 35A 條的規定，在指定的位置預留牆孔，以備安裝 FF 式熱水爐。如已依「氣體安全（裝置及使用）規例」第 27 條的規 定留有適當牆孔，則一定必須利用該牆孔安裝 FF 式熱水器，不得安 裝其他型式熱水器。 鑑於CF式（自然排氣式）熱水器自80年代中期起在香港已逐步 淘汰，原因是香港地狹人稠，浴室較為窄小，安裝自然排氣式熱水器 之垂直排氣管有其困難，且市場上尚有其他熱水器型式可供消費者選 擇。為加速淘汰自然排氣式熱水器，機電工程署在「1991年氣體安全 條例」和「氣體安全(裝置及使用)規例」已禁止安裝新的CF式（自然 排氣式）熱水器[16]。 至於未設排氣管之RF式（屋外式）熱水器，除應由機電工程署 註冊通過之氣體工程承包商每年檢驗、維修以確保操作安全外，為進 一步維護住宅使用熱水器安全，「1999年氣體安全（裝置及使用及雜 項）（修訂）規例」於2000年4月1日生效，禁止售賣、供應、裝置未 裝設排氣管之熱水器，2000年6月30日後，並禁止使用未設置排氣管 之熱水器為浴室供應熱水，經查獲違規者，可處罰款5千元港幣[17]。
2.4 新竹市防制一氧化碳中毒成果分析新竹市防制一氧化碳中毒成果分析 新竹市防制一氧化碳中毒成果分析新竹市防制一氧化碳中毒成果分析 2.4.1 前言前言前言前言─實施原因實施原因實施原因實施原因 有鑑於國內每逢冬令時節，民眾居家使用瓦斯型熱水器未符合安 全規範，造成一氧化碳傷亡案件層出不窮，不僅使若干家庭瀕臨破 碎，更由社會大眾共同承擔此一慘痛代價。新竹市因為地形因素，冬 季季風強盛，向來即有「風城」之稱，無論東北季風或西南季風進入 新竹市，風勢即受到約束而增強，以至於民眾在使用熱水器時關閉門 窗的機率極大，加上長時間使用熱水器，且熱水器使用型式與設置位 置不當或空間通風不良，使得一氧化碳燃燒不完全，致使新竹市從95 年~100年8月止，因使用瓦斯熱水器造成一氧化碳中毒或疑似中毒案 件共計發生163件，死亡人數達17人(如表2-3)。 表2-3 新竹市歷年一氧化碳中毒人數統計（民國95年～100年） 年度 95 年 96 年 97 年 98 年 99 年 100 年 合計 件數 4 10 29 43 36 41 163 死亡人數 1 1 2 7 5 1 17 受傷 (送醫)人數 8 16 57 90 72 108 351 資料來源：新竹市消防局 絕大多數造成人員死亡之案例均是不當使用瓦斯熱水器造成，且 單一案件即造成一家數口或多人一起死亡(如表2-4)，然而消防單位面 對此種類型的安全問題，除了平時對大眾加強教育宣導，更於冬季天 氣嚴寒時的重點期間用盡一切方法，冀能喚醒民眾於使用上之注意與 預防，但在實際上卻無法完全遏止中毒事件之發生，特別是98年2月3 日新竹市南大路327巷內一家5口一氧化碳中毒死亡案件，引起全國報 章媒體及社會大眾對於瓦斯熱水器使用不當造成危險之重視。新竹市 消防局廖局長召集相關幹部苦思各種防範策略，決定以最根本之方 式，於98年3月起針對新竹市戶政機關登記135,444戶住家，採全面地 毯式實施家戶訪視，檢視各戶中熱水器使用情形並予以記錄，同時將 瓦斯熱水器使用情形設定危險狀態分級(如表2-5)，進而掌握轄內使用 瓦斯熱水器住戶之危險程度分佈，同時順利推動獎勵瓦斯熱水器更換 或遷移之補助，真正落實保障市民之生命安全。
表2-4 新竹市近年重大一氧化碳中毒案例 日期 時間 地點 死亡 人數 備註 98.01.19 22:28 新竹市關東路 23 巷內 2 公寓大樓，陽台加蓋且熱水器 裝於室內，當日發現 2 名患者 明顯死亡，交由警察處理。 98.02.03 15:50 新竹市南大路 327 巷內 5 透天住宅，陽台加蓋且熱水器 裝於室內，當日發現 5 名患者 明顯死亡，交由警察處理。 99.01.01 10:38 新竹市經國路 1 段 2 公寓大樓，陽台加蓋且熱水器 裝於室內，當日發現 2 名患者 明顯死亡，交由警察處理。 表2-5 新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形訪視安全程度評估標準 級數 狀態 內容 一級狀態 無危險之虞 1.使用電熱水器（含太陽能熱水器）。 2.瓦斯熱水器安裝於屋外或開放性之陽台。 3.使用強制排氣型（FE、FF）熱水器，排氣 管依規安裝且通風狀況良好。 4.建築物使用鍋爐式熱水器，安裝處所通風良 好。 二級狀態 有危險之虞，但平 日若隨 時維持 通 風，即可避免危險 1.使用屋外型（RF）或自然排氣型（CF）瓦 斯熱水器，安裝於非開放性之陽台，平時 窗戶保持開啟，通風良好，惟長期使用仍 可能因燃燒不完全蓄積一氧化碳。 2.使用屋外型（RF）或自然排氣型（CF）瓦 斯熱水器，安裝於通風不良之陽台，但有裝 設功能正常之一氧化碳警報器。 三級狀態 高危險場所，不易 藉由開 窗等動 作 而完全改善，須建 議住戶 遷移或 改 裝熱水器者 使用屋外型（RF）或自然排氣型（CF）瓦斯 熱水器，安裝於屋內或其他通風困難之場所 （門窗緊閉、開口面積不足，堆積雜物影響 通風），須立即遷移或改裝。 表2-4、表2-5 資料來源：新竹市消防局
2.4.2 實施方式與成效實施方式與成效實施方式與成效實施方式與成效 新竹市轄內戶政資料統計戶數計135,444戶（統計至98年3月）， 為落實新竹市消防局家戶訪視政策，將訪視計畫區分為三階段專案 推動辦理： 1.第一階段：新竹市所轄戶籍登載住戶全面進行家戶訪視（135,444 戶），期間為98年3月至98年12月（如表2-6，第一階段實施成果 統計）。 表2-6：新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表 －第一階段 年度 應訪視戶數 受訪戶數 未受訪戶數 受訪率 三級戶數 98 135,444 75,675 59,769 55.87％ 5,672 資料來源：新竹市消防局 2.第二階段：賡續98年全面訪視實施後，未受訪戶（59,769戶）再進 行訪視，期間為99年1月至99年9月（如表2-7，第二階段實施成果 統計）。 表2-7：新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表 －第二階段 年度 應訪視戶數 受訪戶數 未受訪戶數 受訪率 三級戶數 99 59,769 16,954 42,815 28.37％ 2,177 資料來源：新竹市消防局 3.第三階段：賡續前二階段全面訪視實施後，未受訪戶（42,815戶） 再進行訪視，期間為99年10月至100年4月（如表2-8，第三階段實 施成果統計）。 表2-8：新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表 －第三階段 年度 應訪視戶數 受訪戶數 未受訪戶數 受訪率 三級戶數 100 42,815 725 42,090 1.69％ 26 資料來源：新竹市消防局 新竹市於98年第一階段針對所轄135,444戶實施家戶訪視結 果，受訪75,675戶數中，查列三級狀態者5,672戶，受訪率計55.87％； 第二階段賡續98年全面訪視實施後，未受訪戶59,769戶再進行訪 視，查列三級狀態者2,177戶，受訪率計28.37％；第三階段賡續98、 99年全面訪視實施後，未受訪戶42,815戶再進行訪視，查列三級狀
態者26戶，受訪率計1.69％。經統計98年3月～100年4月將近2年期 程間，家戶訪視累積三級狀態者計7,875戶，總受訪率為68.92％，實 際到訪總戶數為93,354戶（如表2-9，第一～三階段實施成果統計）。 表2-9：新竹市消防局執行瓦斯熱水器使用情形家戶訪視成果表－ 第一～三階段 年度 應訪視戶數 受訪戶數 未受訪戶數 受訪率 三級戶數 98～100 135,444 93,354 42,090 68.92％ 7,875 資料來源：新竹市消防局 2.4.3 家戶訪視成果分析家戶訪視成果分析家戶訪視成果分析家戶訪視成果分析 由上述統計資料分析可得受訪戶數93,354中，列為三級危險的 即有7,875戶，約佔總數的8％，如果加上未受訪的42,090家戶，新 竹市約有10,836戶需列為三級戶數，無怪乎每年均有約40件一氧化 碳中毒的案件發生，如果遇上當年天氣嚴寒，這個數字將會往上達 到2～3倍，因為潛在的中毒家戶實在太多，因此消防署從97年起每 年均有編列預算補助全國各家戶改善熱水器使用情況，以新竹市為 例，相對三級戶數而言（每年約補助400戶，每戶補助3,000元）， 改善的進度尚嫌緩不濟急，分析家戶訪視成果中，得知三級危險家 戶特點如下： 1.大部分都是天然氣瓦斯熱水器用戶。 2.公寓式建築物比例較高。 3.大多為RF型熱水器裝置於室內或CF型熱水器設置於陽台並加 裝氣密窗。 4.陽台加蓋有開窗，但堆積大量雜物或晾曬衣物，使得通風不良。 雖然目前在市面上已停售CF型熱水器，但以一般民眾使用熱 水器年限均達10年以上之現況，使用CF型熱水器但未合格安裝排 氣管的家戶不在少數，再加上民眾每日使用瓦斯熱水器之錯誤方式 及安全觀念意識的輕忽，導致一氧化碳中毒案件不斷的發生，在三 級危險家戶尚未完全改善以前，只能透過不斷的宣導及案例教育， 輔以補助熱水器遷移或更換，雙管齊下，期能降低每年一氧化碳中 毒件數。
第三章
第三章
第三章
第三章 通風模式與數值分析
通風模式與數值分析
通風模式與數值分析
通風模式與數值分析
3.1 模擬軟體模擬軟體模擬軟體 FDS 介紹模擬軟體 介紹介紹 介紹 FDS 火災模擬軟體是由 NIST/BFRL（美國國家標準暨技術協會/建 築物與火災研究實驗室）所開發，於西元 2000 年 2 月公開發表第一版， 目前已發展至 5.3 版（2009 年 1 月）且可供研究者免費下載使用。本章 將介紹其模式方法、原理架構、模擬情境設定等，茲分述如下： 3.1.1 模式分析模式分析模式分析模式分析 由於建築物起火後的動態模式相當複雜，在進行建築物火災動態 評估時，過去通常只能採用經驗公式與案例比對的方法，隨著電腦科 技的發達，近年來大部分皆採用電腦程式計算模擬其動態評估。關於 火災模擬軟體，目前有許多軟體可供選擇，而在火災模擬軟體當中亦 分為區域模式（Zone Model）、場模式（Field Model）、避難模式（Egress Model）、探測器反應模式（Detector Response Model）、結構抗火模 式（Fire endurance Model）及其他模式（Miscellaneous Model）[18]。 現今火災模擬最主要是以區域模式及場模式兩種方式來預測火災行 為，其模式簡介如下[19、20]： 1.區域模式 所謂的區域模式（Zone Model）是以區域的觀點與控制容積為基 礎的區域模式，將建築物內部的空間畫分為幾個不同的區域，每一個 區域均可用一組參數與半經驗定律（Semi-Empirical Laws）來加以描 述，並假設在每個區域流場內的物理和化學性質皆均勻相等，雖計算 過程較簡便、省時，但只能預測平均的煙流動情形，無法預測實際火 災發生時建築物內詳細之流場與溫度場分佈，且使用區域模式的一個 最大問題在無法使用於不規則空間所區分的建築物。 早期區域模式被視為模擬火災的一個主要工具，特別是對於方形 幾何形狀之區域或是小尺度之區域。雖然區域模式在早期的火災安全 分析與設計曾扮演著成功的角色，不過，近年來建築物日趨高聳與複 雜，對於大尺度或是幾何形狀複雜之建築物火災，甚至迅速延燒之火 災，區域模式便有其不足之處。2.場模式 所謂的場模式（Field Model）是以計算流體力學為理論基礎，其 模式基本上是由第一定律（First-Principle Law）所推導的守恆方程式 （Conservation Equations）（包含質量、動量、能量與濃度守恆方程 式等）以及化學燃燒、煙塵（Soot）模式、熱輻射與紊流等副模式 （Sub-Models）所組成，而完整之火場模擬包含著紊流擾動、燃燒反 應、煙塵特性以及熱輻射效應等複雜之耦合物理現象，用以預測火場 情況進而設計火災消防工程的技巧。 隨著電腦計算速度的大幅增加也逐漸發展成熟，而且在實際的工 程應用上也扮演一定份量的角色，對於大空間的火場預測，例如高層 建築、隧道、大型賣場（Shopping Mall）、巨蛋球場特殊建築等等， 也能提供相當可靠的理論預測，通常經由場模式所進行的火災模擬需 要花費大量的電腦計算時間，因為場模式主要將欲設計的空間進行多 維空間的分割，而成多個控制體積（Control Volume），針對每個格 點的性質然後利用質量、動量、能量或濃度等守恆方程式對預設的變 數求其微分方程式（Difference Equations）及數值計算的解，隨著時 間軸的移動，其所需的計算量會相當龐大，但也因為如此，採用場模 式可針對不規則形狀的建築進行細部計算。因此，適用於複雜形狀、 大空間建築中採用不同煙控系統的煙流動與沈積現象的模擬。 目前已有許多研究應用電腦模擬軟體從事火場與火災煙流相關 研究，而鮮少針對瓦斯熱水器燃燒不完全產生一氧化碳擴散模擬相關 研究；因此，本研究將以 NIST/BFRL(美國國家標準暨技術協會火災 實驗室)所發展之場模式火災模擬軟體 FDS(Fire Dynamics Simulator) 為研究工具，模擬密閉空間內一氧化碳濃度蓄積情況，以及對內門窗 開閉、強制通風等與一氧化碳濃度蓄積之相關性，並與全尺寸實驗結 果相互比較分析，求證其 FDS 應用於模擬瓦斯熱水器燃燒不完全產 生一氧化碳擴散情境之準確性，最終得到如何安全使用瓦斯熱水器之 建議方式。 3.1.2 FDS理論基礎與程式架構理論基礎與程式架構 理論基礎與程式架構理論基礎與程式架構
FDS 是一套計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD） 軟體，軟體的核心是 Navier-Stokes 方程組，用於解析受火災熱浮力驅 動的低速流場三維數值計算流體力學軟體，著重在煙流及熱傳遞的現 象。其數值模擬分為直接數值模擬法（Direct Numerical Simulation,
DNS）及大型渦流模擬法（Large Eddy Simulation, LES）兩種方法。 FDS 主要是以大型渦流模擬法（LES）為基礎的 CFD 火災模擬軟 體，可用於模擬建築物三維的火災情境，經由將建築物空間劃分成眾 多細小格點，以數值分析方法將質量、動量、能量及物種四個守恆方 程式、狀態方程式等離散化，並配合初始條件、邊界條件等限制，針 對空間之流場、溫度場及火災特性進行解析。可預估火災發生時火場 的溫度與熱輻射、燃燒生成物、煙層高度與環境可視度等火災的物理 數據，以提供對於火場發生過程的掌握。 3.1.2.1 統御方程式統御方程式統御方程式統御方程式 FDS應用範圍為低馬赫數（亦即Weakly Compressible）流場分 析，可描述受火災浮力驅動之氣體流動現象，FDS計算之主要的方 程式如以下所介紹[21]： 1. 流體力學之統御方程式 （1） 質量守恆（Conservation of Mass）方程式 +∇⋅ =0 ∂ ∂ u t
ρ
ρ
（3.1） 其中ρ：流體密度（kg/m3） u：流體速度（m/s） t：時間（s） （2） 動量守恆（Conservation of Momentum）方程式ρ
(
)
+∇ =ρ
+ +∇⋅τ
∇ ⋅ + ∂ ∂ f g p u u t u （3.2） 其中p：壓力（nt/m2） g：重力加速度（m/s2） f ：外力（nt/m3） τ ：黏滯剪應力張量（nt/m2 ）（3） 能量守恆（Conservation of Energy）方程式
( )
( )
l l l l D Y h T k q Q Dt DP hu h t +∇⋅ − = −∇⋅ ′′+∇ ∇ +∇⋅ ∇ ∂ ∂∑
ρ ρ ρ （3.3） 其中 u P t Dt DP ∇ ⋅ + ∂ ∂ = （質量導數） h ：焓（kJ/kg） Q：熱釋放率（kw） q ′′：輻射熱通量（kw/m2） k ：熱傳導係數（kw/mk） T ：溫度（℃） hl：l物種之焓值（kJ/kg） D ：擴散係數（m2/s） Yl：l物種之質量分率 （4） 物種守恆（conservation of Species）方程式(
)
(
)
• ′′ ′ + ∇ ⋅ ∇ = ⋅ ∇ + ∂ ∂ l l l l l Y u D Y W Y t ρ ρ ρ （3.4） 其中 •′′′ l W ：l物種單位體積生成率 （5） 狀態方程式P
P
ogZ
P
~
+
−
=
ρ
∞ （3.5） 對低馬赫數流而言P
o=
ρ
TR
∑
(
Y
i/
M
i)
=
ρ
TR
/
M
（3.6） 其中Po ：外界壓力（nt/m2） gZ ∞ ρ ：靜壓（nt/m2） P~ ：擾動壓力（nt/m2）2 / 1 2 2 ) ( 3 2 ) ( ) ( 2 ) ( ⋅ ∇ − ⋅ ∆ = Cs defu defu u LES ρ µ （3.7） 其中CS：經驗常數 ∆：格點長度 ⋅ ∇ − ⋅ = ∇ ⋅ ≡ Φ ( ) 3 2 ) ( 2 defu defu u u µ τ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 x w z u z v y w y u x v z w y v x u ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − 2 ) ( 3 2 z w y v x u （3.8） 定義 Sc D l LES µLES ρ ) , = ( （3.9） Pr p LES LES c k = µ （3.10） 其中Pr：普郎特常數（Prandtl number） Sc：舒密特常數（Schmidt number） 2. 差分方程式 （1） 時間之離散
對時間項的離散，FDS 採用 Second order predictor-corrector scheme。在每個 time-step 開始的時候， n ρ 、 n i Y 、 n uv 、Hn與p0n均 為 已 知 ， 需 特 別 注 意 的 是 ， 上 標(n+1)e代 表 的 是 第(n+1)個 time-step 時程式預估出來的值。 1. 熱物理性質ρ、Yi和p0是利用顯性的尤拉法（explicit Eluer step）得到，例如密度可由下式預估 (n1)e n
t
(
u
n n nu
n)
v
v
⋅
∇
+
∇
⋅
−
=
+ρ
ρ
δ
ρ
ρ
（3.11） 2. 解壓力的 Poisson 方程式則可由 n n n n F t u u H e v v v ⋅ ∇ − ⋅ ∇ − ⋅ ∇ − = ∇ +δ
) ( ) ( ( 1) 2 （3.12） F v 這一項包含了動量方程式裡得對流、發散及外力項。速度則由下個 time-step 預估
)
(
) 1 (n n n nH
F
t
u
u
+ e=
−
+
∇
v
v
v
δ
（3.13） 而 time-step 必須符合 < w z v y u x t δ δ δ δ min , , （3.14） 3. 前 述 兩 者 算 完 之 後 ， 熱 物 理 性 質 ρ 、 Yi 和 p0 將 在 下 一 個 time-step 做校正。例如密度將寫成(
( ))
2 1 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 n n e n e n e n e n e n u u t + + + + + + = + − v ⋅∇ + ∇⋅v ρ ρ δ ρ ρ ρ （3.15） 4. 透過之前預估出來的結果來重新計算壓力 e e e n n n n n F t u u u H ( 1) ) 1 ( 1 ) 1 ( 2 2( ) ( ) ( ) + + + + ⋅ ∇ − ⋅ ∇ − ⋅ ∇ − ⋅ ∇ − = ∇ v v v v δ （3.16） 更正過的速度如下[
( )]
2 1 ( 1) ( 1) ( 1) 1 n n e n e n e n H F t u u u + = + + − + + ∇ + v v v vδ
（3.17） （2） 空間之離散 所有空間項的離散皆採用二階中央差分法（Second order central difference），整個計算的範圍是一個被長方體格點分割的 長方體。每個格點裡面，用i、j和k分別代表格點的x、y及z方向。 所有線性的量（如密度）都是在格點的中心給定，例如ρijkn 代表的 是第n個 time-step 格點i、j、k裡的密度。向量的值則是在格點 的表面給定。 （3） 收斂條件 FDS 軟體在數值計算方法上，主要採 LES（Large Eddy Simulation 大尺度渦流模擬方法）模式進行計算。對計算疊代時 間（time step），程式會根據 CFL 穩定條件（Courant-Friedrichs- Lewy condition）與 VN 穩定條件(Von-Neumann condition)，依據計算所得之速度數值與物理量，自動進行疊代時間 δt（time step） 之調整，使計算過程中之 CFL 數與 VN 數均介於 0.8 至 1 之間， 以達到數值方法的計算之收斂。 （3.18） （3.19） δt：疊代時間（time step） u、v、w：速度分量 δx、δy、δz：網格大小 V：黏滯系數(viscosity) D：擴散系數(diffusivity) k/ρcp：熱導率(thermal conductivity) 3. 燃燒模式
（1）FDS 中提供混合比燃燒模式( Mixture Fraction Combustion Model; MFCM )及有限速率反應模式，主要差別在於 MFCM 是以 氧消耗率之原理來計算熱釋放率，有限速率反應模式則是使用有限 速率化學反應方程式來描述燃燒之化學反應。
混合比燃燒模式( Mixture Fraction Combustion Model ) + →
∑
i Pi o FFuel V O V oducts V 2 Pr （3.20） 其中Vi：i分子化學反應當量係數 對化學當量反應而言o o o F F F M V m M V m • • ′′ ′ = ′′ ′ （3.21） i M ：i分子之莫耳重量（kg） i m：i分子之質量消耗率（kg/s） 定義
![圖 3-1 FDS 與 Smokeview 使用流程架構圖[22]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8419569.180423/43.918.136.740.113.895/圖31FDS與Smokeview使用流程架構圖22.webp)
![表 3-1 FDS 輸入檔指令說明表[23] 指令名稱 代表意義 指令說明 HEAD 程式檔命名 HEAD包含CHID與TITLE兩參數， CHID是命名程式檔，執行FDS後所產 生的檔案皆會以此一參數為主檔名。 TITLE則為程式主題敘述。 MESH IJK 網格定義 即格點之尺寸設定。包含三個參數： IBAR：X軸切割之格數。 JBAR：Y軸切割之格數。 KBAR：Z軸切割之格數。 MESH XB 設定運算區域大小 設定運算區域範圍之大小及座標系延 展，由XBAR、Y](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8419569.180423/44.918.111.743.173.999/一參數為主檔則為程式主題敘述MESH網格定義即格尺寸運算區域大小XBARY.webp)
