放電式避雷針(ESE)之效能測試

 

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避雷針效能實地驗証

章任企業有限公司 陳信佑
本文刊登在中華民國電機技師公會雜誌176期110頁

 

1. 前言

台灣常見的避雷針有增強型避雷針(IEEE 998-2012所認可的收集體積CVM)、放電式避雷針(ESE, Early Streamer Emission, 依據NFC 17-102)、吸收反射式及消雷型避雷針，這些避雷針都具有保護半徑，可用來檢討建築物是否有完整的保護。
然而很多企業主、設計師和承包商會有所疑問，就如廠家宣稱的避雷針保護半徑是否真確？況且，目前全世界尚未有公認的避雷針保護半徑測試標準，亦無實驗室可做這項測試。因此對廠商宣稱的保護半徑仍有存疑。

 

2. 放電式避雷針(ESE)之效能測試

有些放電式避雷針廠商會說他們的避雷針效能已經有依照NFC 17-102標準做效能測試了，這樣的說法其實只對了一半，以下是NFC 17-102的效能測試介紹：
根據NFC 17-102的規定，ESE避雷針必須要做ΔT測試1，所謂的ΔT測試，簡單的說，就是在同一個測試環境下(如圖一)，測試者先拿一個傳統式避雷針棒，測試高壓產生器之電流擊中傳統式避雷針棒的時間，然後再測試高壓產生器之電流擊中ESE避雷針的時間。假設傳統式避雷針花了500μs攔截到雷電，而ESE避雷針花了440μs攔截到雷電，則代表此ESE避雷針放電的速度比傳統式避雷針快了60μs，所以此ESE避雷針的ΔT就是60μs。

測試出ΔT之後，再依據NFC 17-102的避雷針保護半徑公式(如圖二)代入計算，即可算出避雷針的保護半徑。

(圖二) NFC 17-102 避雷針保護半徑計算公式

 

因此，這樣的避雷針保護半徑有二個問題：
一、 此避雷針的ΔT測試是在實驗室內，測試時的溫度、濕度、高度等要素與實際安裝在現場的避雷針是否會一樣？
二、 此公式是如何產生的？法國INERIS2報告也對於此公式提出質疑。

 

3. ERICO公司之SYSTEM 3000避雷系統實地驗證

2006年，ERICO公司發表了實地驗證的論文，其標題為：Field study on the interception efficiency of lightning protection systems and comparison with models(避雷系統攔截效率之實地驗證與模型之比較)，作者為F D'Alessandro和 N.I Petrov。針對ERICO公司所開發之避雷系統收集體積(CVM, Collection Volume Method)理論做實地驗證。
此次驗證位在馬來西亞，由於該地區的雷擊頻度相當之高，每年每平方公里大約有20次雷擊(台灣大約是0.8次3)。ERICO公司直接對建築物上的避雷針來做驗證。統計的時間從1990-2003年，本次統計的結果如下表：

建築物數量	58棟
避雷針數量	86組
建築物平均高度	57米
總觀察時間	592年
設計時的保護位準	80％
實際觀察攔截效率	88％

由上表可知，ERICO公司SYSTEM 3000之收集體積理論是非常有效的。本篇論文已經刊登在The Royal Society上，完整的內容可至網站http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/462/2069/1365查詢。

 

4. ERICO委託TUV對SYSTEM 3000避雷系統實地驗證

上述的論文發表後，不免還是有人會質疑：所有的數據都是ERICO公司提供的，結論還是令人懷疑。因此，ERICO公司委託第三公正單位TUV統計與檢驗，TUV統計數據後，再提供給Case Western Reserve University計算分析。此論文標題為Interception efficiency of CVM-based lightning protection systems for buildings and the fractional Poisson model (建築物依照收集體積之避雷系統之攔截效率與Poisson模型)，作者為Harold S. Haller 和 Wojbor A. Woyczynski。於今年(2016)發表。
此次統計的時間為2010-2012，一樣是在馬來西亞，結果如下：

現場數量	24
建築物平均高度	70.1米
總觀察時間	37年
平均觀察時間	1.54年
設計時的保護位準	90.9％
實際觀察攔截效率	90.7％

由上表可知，ERICO公司的收集體積(CVM)理論是相當有可靠性的，設計時的保護位準跟實際觀察的攔截效率幾乎沒有差別。本篇論文目前已經刊登在Cornell University，完整的內容請到http://arxiv.org/abs/1602.01395查詢。

 

5. 結論

以目前的科技尚無法測試廠商宣稱的避雷針保護半徑，因此，退而求其次，依據避雷針的設計理論，採用統計學檢討現場避雷針的實際攔截能力。 ERICO公司為驗證避雷針攔截能力，今年所發表的論文，已由第三公正單位處理數據統計及分析，提供實地驗證。

 

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備註1. 根據NFC 17-102/2011年版本，ESE避雷針的測試除了ΔT測試之外還有其他的如環境測試、耐電流測試等，但由於本文章主要在講實地驗證部分，故其他測試暫不贅述。

泵送管路之阻力計算

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泵送管路之阻力計算 

前言 泵送中的液體會遭受各種阻力而影響泵送揚程，此阻力取決於水量（流速）與所用管路 的狀況及液體的性質（黏度、濃度）等；當液體流經細管時，阻力增大，彎曲或粗細急變、 閥數多、管舊而鏽多時，阻力增大，反之，阻力減少，但是，不論用多新的管，也不可能全 無阻力，因此，必須計算此阻力而加於實揚程，成為泵所需求的揚程。 管的阻力 管有各種大小口徑，其材質也有鐵、銅、PVC、混凝土等，就阻力而言，最經濟的水量 Q 大致取決於口徑別，管路阻力反比於管徑 D 的 5 次方(註一)，管徑若不適當，對泵的規範大 有影響。 常用的 PVC 管，比起鐵管，其內部表面平滑亦不生鏽，阻力僅有鐵管的 75％；反之，使 用內部生鏽之舊鐵管時，阻力甚大，吸上海水的管內面常有各種貝類、海草等附著物而無法 吸水；水質不良的井管亦會因水垢附著而無法吸水。 d1 d2 流量 R=R1+R2 損失水頭 R=R1+R2 R2 R1 R1 R2 R1 R2 流量與阻力的關係在同口徑的管中正比於流量的平方，在縱軸取損失水頭、橫軸取水量， 即可表成曲線，若加上系統所需之實揚程，則成為圖一所示之情形；系統中若有管徑變化的 組合時，管路阻力曲線為該管當時流量的各管路阻力之和（如圖二）；分歧管路時的管路阻力 曲線取相對於損失水頭的各流量之和即可（如圖三）。 Q R1 1 Q3 Q1+Q2=Q3 流量 Q2 Q1 損失水頭 R2 Q2 (圖三) 阻力曲線 損失水頭實揚程 流量 (圖一) (圖二) 接頭、閥的阻力 接頭是連接管者，分為連接（管套）、彎曲（肘管、彎管）、分歧（三通管）、改變直徑（異 形管套）等，阻力多於直管，為了減少管路損失，儘量使用阻力少者。 阻力是肘管>彎管、異形管套>擴大管，若吸水揚程接近 6 米時，要增粗吸水管以減少管損 或採用正壓設計以確保可達到額定之吸入揚程。 閥門阻力依球形閥→閘閥→碟形閥→停止閥之序增大阻力，故閥門的選擇也同接頭一樣要 注意。 有黏度的液體、水以外含固形物的液體、造紙用紙漿等，通過管時的阻力值必然大於水， 泵所要求的性能及動力亦增大，配管條件也要相對作考慮。 1 簡易管路損失水頭計算 在管路系統當中，管路直線段的表面阻抗所導致之能量損失稱之為主要損失，而非直線管 流之能量損失則稱為次要損失，一般指肘管、閥、T 形管、彎管等損失。本文利用Darcy-Weisbach equation及管路次要損失的計算式來表示主要及次要損失水頭。 達西-威斯巴哈方程式（Darcy-Weisbach equation）如下式： 2g V D L fh 2 l = 管路摩擦次要損失水頭，可用下式表示 2g V kh 2 i ' l = 合併兩式得到主要及次要的摩擦損失水頭計算式 2 2 2 i 2 2 i 2 L CQQ 2gA k D2gA L f 2g V k 2g V D L fh = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =+= + hl =主要損失水頭（m） f=摩擦損失係數 hL=總摩擦損失水頭（m） L=直管長度（m） V=平均流速（m/s） A=水管斷面積（m2 ） g=重力加速度(m/s2 ) Q=流量（m3 hl ' = 次要損失水頭 (m) /s） D=直管直徑（m） ki=次要損失係數 C 則視管徑D、管路長度L、摩擦係數 f 及次要損失係數 ki 而作修訂之係數。 摩擦損失係數 f 之值因管內表面狀況而異，新鐵管為0.02，舊鐵管為0.04，管路損失水頭正 比於流速V平方和管長L，反比於管直徑D。 若僅就直管管路損失來作探討，根據連續方程式Q = VA，當設計流量Q固定時，流速V大， 管徑斷面積A縮小，即所採用的管徑變小，對整個管路摩擦損失而言，其損失增加 （ ），若以流速V=2.0 m/sec及1.6 m/sec作比較，相同的流量、相同的設計位置 2g V D L = fh 2 l 與地點，大流速所計算的主要損失約為小流速的1.75 倍，故而當採用較小流速時，對於降低管 路損及氣蝕現象（泵浦入口揚程之管路）的產生皆有正面的助益。 以上述之總摩擦損失水頭計算式來作為實際運算時，需考量各家不同之摩擦因子經驗式的 選用及誤差的範圍，是此公式在運用上較為不便之處，因此業界在計算損失水頭等相關數值時， 便將其整理成圖表形式，以便於實際運用查詢，而簡化許多較冗長的計算過程，計算方式如次 項說明。 2 業界常用之經驗計算式 一、直管之摩擦損失水頭 圖四為管路損失所使用之鋼管損失曲線圖，本圖為配管總長每100公尺的損失揚程（m） 與流量（l/min）之關係圖，其近似公式可用池田參考式表示，該式是由鋼管損失圖所轉換 的近似公式。 圖四為管路損失所使用之鋼管損失曲線圖，本圖為配管總長每100公尺的損失揚程（m） 與流量（l/min）之關係圖，其近似公式可用池田參考式表示，該式是由鋼管損失圖所轉換 的近似公式。 hS =為每100m的損失揚程值。 的損失揚程值。 2 5 0023.00005.0 02.0 Q DD hf ⎟ ×× ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += Q = 流量（l /min） D = 管徑（m） 圖五亦為管路損失所使用之鋼管損失曲線圖，本圖為配管總長每100公尺的損失揚程（m） 與流量（m3 /min）之關係圖，其近似公式可用Darcy實驗式表示。 圖五亦為管路損失所使用之鋼管損失曲線圖，本圖為配管總長每100公尺的損失揚程（m） 與流量（m hS =為每100m的損失揚程值。 Q = 流量（m 3 Q = 流量（m /min） D = 管徑（m） 3 2 5 0023.00005.0 02.0 Q DD hf ⎟ ×× ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += 5.09 /min） 1.97 s D Q h = 0.0000412 3 /min）之關係圖，其近似公式可用Darcy實驗式表示。 S =為每100m的損失揚程值。 3 /min） (圖四) 3 (圖五) 4 二、管附屬物的損失水頭 管路中除了直管之外尚有各種的閥類、肘管等附屬管件，在計算上以查表方式來求得 其相當於直管之長度，一同併入直管長以求取其損失水頭，如表一、表二及表三所示。 表一 接頭、閥類的相當直管長度表（m）(其 1) 表二 管附屬物相相當直管長度表（m）(其2) 5 表三 管附屬物相相當直管長度表（m）(其 3) 三、管路總損失： 管路總損失=（配管總長 + 附屬管件之相當的直管長度）÷ 100 × hs 【例】如下圖所示，管徑50mm、流量200 l/min，則管路損失水頭為何？全揚程應取幾米為適當？ 先求直管全長： 吸水管…… 5 m + 1 m = 6 m 出水管…… 5 m + 30 m + 4 m = 39 m 統計接頭、閥類數量： 90∘肘管 3個 ○1 ○2 ○3 閘閥 1個 ○S 止回閥 1個 ○C 50mm直管長度: 90∘肘管 3個 = 2.1 m × 3 = 6.3 m 底閥 1個 = 8.4 m m ≒ 24 m 底閥 1個 查表一求得相當於 閘閥 1個 = 0.39 m 止回閥 1個 = 8.4 m 接頭閥類合計相當於直管長度23.49 1M 3M 5M P 底閥 1 3 2 90°肘管 管口徑全為 30 M 5M 2 1 C S 4M 3 50mm鋼管 6 吸 m = 69 m ≒ 70 m 統計結果相於50 m管徑之直管70 m長，由圖四得知管徑50 mm直管，流量200 l/min 時， 故本例之管路損失應為： m 再將管路損失 3 m + 30 m ＝33 m，而成為38.04 m，故此泵浦流量200l/min， 揚程40 m即可。 使用PVC管時，管路損失水頭減為鐵管的75%，故成為： m ≒ 4 m 當使用舊鐵管時，雖因程度而異，但應以新鐵管管路損失之2倍來做計算較為保障。 管路 0 mm管中若通以750 l/min之流量時，則阻力（管路損失）變成為 100 m，這表示50 mm管徑在無任何揚程揚升下，橫引100 m時就需要施壓100 m之水柱壓力 (=10 )方可抵銷在該操作條件下之管路損失；同水量而用65 mm的管徑時，將750 l/min與 mm的交點垂下得25 m， 相較之下不難發現， 由50mm增大為65 時， 註一： 考 文 獻 物抽水管路系統之設計方法”，逢甲大學土木及水利工程研究所碩士論文， 2003。 2.賴 水管6 m + 出水管39 m + 接頭閥類24 m 每100 m管路損失7.2 m， 70 ÷ 100 × 7.2 = 5.04 5.04 m加於實揚程 70 ÷ 100 × 7.2 × 75% = 3.78 阻力曲線圖 以前述例子而言，在5 kg/cm 65 2 兩者 當管徑 mm 管損由100 m降為25 m之甚大差距，因此在整個液體傳輸系統中，將因輸送管口徑選擇的不 同，而使得所選用的泵浦的規範亦隨之有重大的變動。 2 2 5 D2gD ' Q f VL fhl == 參 1.黃瑞榮，”建築 耿陽 譯，”現代邦浦實用技術理論及使用”，復漢出版社，1993。

風管阻力計算

 1先把矩形風管查詢等於風管圓管等值表

2.

土壤滲流量係數計算

 例土壤滲流細數（Seepage Coefficient）是指土壤在滲流過程中，單位水頭梯度下單位時間內的滲流量。要計算土壤滲流細數，通常需要考慮以下主要公式：

1. 達西定律 (Darcy's Law)

達西定律是用來描述土壤滲流的基本公式： $q = k \cdot i$ 其中：

• $q$ 是單位時間內的滲流量（滲流速度，m/s）。
• $k$ 是土壤的滲透係數（Permeability Coefficient，m/s）。
• $i$ 是水頭梯度（Hydraulic Gradient），定義為水頭損失與滲流路徑長度的比值（無量綱）。

2. 滲透係數的測定

滲透係數 $k$ 可通過不同的方法測定，根據不同的土壤類型，可以使用不同的方法，包括定水頭法（Constant Head Permeameter）和變水頭法（Falling Head Permeameter）。

3. 滲流細數的計算

滲流細數通常可以通過以下方法計算： $C = \frac{q}{i}$ 其中：

• $C$ 是滲流細數。
• $q$ 是滲流速度（或單位時間內的滲流量）。
• $i$ 是水頭梯度。

滲流細數的實際值會依賴於土壤的類型、結構以及水頭梯度的大小。在實驗室測試中，通常會測量滲透係數 $k$，並根據已知的水頭梯度 $i$ 和滲流速度 $q$ 來計算。

你是否需要更詳細的計算步驟或實驗方法？

你說：

舉例種植土壤面積10平方公尺水頭10公分滲流流量多少

ChatGPT 說：

要計算滲流流量，我們可以使用達西定律來計算。假設我們知道土壤的滲透係數 $k$，並且有土壤面積 $A$、水頭 $h$ 以及滲流路徑的長度 $L$（即水頭梯度 $i = \frac{h}{L}$），我們可以計算出滲流流量。

給定條件：

• 土壤面積 $A = 10$ 平方公尺
• 水頭 $h = 10$ 公分 = 0.1 公尺
• 滲透係數 $k$（假設）
• 滲流路徑長度 $L$（假設）

假設滲透係數和滲流路徑長度：

假設：

• 滲透係數 $k = 1 \times 10^{-5}$ m/s（這是常見砂質土壤的典型值）
• 滲流路徑長度 $L = 1$ 公尺

計算水頭梯度：

$i = \frac{h}{L} = \frac{0.1}{1} = 0.1$

計算滲流流量 $Q$：

$Q = k \cdot i \cdot A$ $Q = 1 \times 10^{-5} \times 0.1 \times 10 = 1 \times 10^{-6} \, \text{m}^3/\text{s}$

結果：

滲流流量 $Q = 1 \times 10^{-6}$ 立方公尺每秒（或 1 毫升每秒）。

這個結果意味著在這樣的條件下，每秒鐘會有 1 毫升的水滲流過這 10 平方公尺的土壤面積。

需要注意的是，滲透係數 $k$ 的具體數值在實際情況中會依土壤的種類和結構而有所不同。

你說：

多少量

ChatGPT 說：

在之前的計算中，我們得到了滲流流量 $Q = 1 \times 10^{-6}$ 立方公尺每秒，也就是每秒 1 毫升的水滲流過 10 平方公尺的土壤面積。

如果你想知道在更長時間內滲流的總水量，可以乘以時間來計算。例如：

假設：

• 滲流持續時間為 $t$ 秒

計算滲流總水量 $V$：

$V = Q \times t = 1 \times 10^{-6} \times t \, \text{m}^3$

例如，計算 1 小時（3600 秒）的滲流量：

$V = 1 \times 10^{-6} \times 3600 \, \text{m}^3 = 0.0036 \, \text{m}^3$

這表示在 1 小時內，總共會有 0.0036 立方公尺（或 3.6 公升）的水滲流過該土壤面積。

總的來說，滲流量的多寡取決於滲透係數、土壤面積、水頭梯度以及滲流持續的時間。如果有具體的時間需求，我可以幫助你計算更精確的水量。

案例二

滲流係數=10的負4次方

土壤深度=100公分

水頭差=10公分

面積=10M平方

滲流時間1小時

計算滲流量

Q=10負4次方*面積100000公分平方*水頭差10公分=100

/100公分深=1公分*3600秒S=3600立方公分=3,6公斤水

數據機房散熱

 me-qr.com/mobile/pdf/4a386764-0db4-4f25-ab77-c961b1bf7428

結合自然冷卻的先進數據機房能源管理技術

 

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