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人類活動與地球熱循環

102/04/10 16799

翁國亮｜勤益科技大學研發科技與資訊管理研究所

地球是目前唯一能夠確認有生命存在的星球，科學家至今仍努力探索其他類似太陽系的行星系，尋找是否有如地球一般能孕育萬物的美麗行星。水覆蓋了地球百分之七十一的表面，從外太空遙望，地球是一顆湛藍美麗的星體。大致上來說，地球是由大氣、海洋、地殼、地函與地核組成，可分為岩石圈、水圈、大氣圈及生物圈。地球在漫長的46億年演進中，經歷無數次的物理和化學變化，生物和非生物不斷地以動態形式相互結合，形成了龐大且錯綜的生態圈，孕育著多采多姿的萬有生命及人類。

居於萬物頂端的人類，從早期的農業時代開始，到科技發展最迅速且變遷最大的工業革命，在生活和生產的方式及能源的使用上有很大的改變，因此可以說人類的活動也是從工業革命之後，開始快速發展與革新。創新科技的進步使生活品質提升，人與人之間的距離縮短，甚至已有能力到外太空探索。不斷追求進步的我們，殊不知在迅速發展的同時，已經陸續對地球的整個環境生態引爆一顆顆不定時炸彈，所造成的傷害正逐漸擴大並增強中。

浩瀚的宇宙大約有10億個星系，與我們密切相關的太陽屬於銀河系，也是宇宙中的一個星系。太陽表面的溫度可以達到攝氏6,000度，在這源源不絕的熱能作用之下，萬有的生命給地球帶來旺盛的活動力，地球演化成一個能讓無數的蟲魚鳥獸、奇花異果生生不息，並可供人類生養的舒適環境。

空氣與水是能量的載體，帶著太陽供給地球的熱，大公無私地把能量傳輸到地球的各個角落。大氣的主要成分包含氮與氧，其次是數量會變動的水蒸氣、氬、二氧化碳、臭氧、氦與其他惰性氣體，有了這些多元的氣體加上能量，才能維持植物的生長，影響天氣四季規律的變化，保持地表溫暖和抵擋有害的紫外線輻射，使萬物能夠成長、生活。

地表上的大氣層可根據溫度的垂直分布與變化，把由地表開始一直到最上層的電離層分為對流層、平流層、中氣層與增溫層（電離層），距地表500公里的高空尚有大氣的存在。與我們生活最相關的是對流層，舉凡氣象觀測中常見的雲、霧、雨、雪、冰雹等，多發生在對流層中。對流層最適合萬物生養與人類生活，但人類活動所產生與排放的空氣汙染，主要都在這層傳輸與反應，因此會直接影響我們的生存環境。

地球的熱循環

陽光、空氣及水是人類賴以生存的3大要素。太陽光是地球能量之源，空氣與水是地球上能量的載體，把能量分載到各個角落，這三者是孕育萬物的基本元素。地球上的水在太陽輻射的作用下，不斷地從水面、陸面和植物表面蒸發和升騰，帶著能量化為水蒸氣融入空氣中後升到高空，再被氣流帶到地球上的任意空間。在高空富含水蒸氣的大氣遇到低溫的空氣時，就凝結成為液態的小水滴甚至小冰晶而形成雲。這些雲中的小水滴凝聚到足夠重量時，以雨、霧、雪的形式回歸大地。

地球熱循環的能量來自於太陽白天輸入地球的能量，加上地球本身內部釋放出來的能量，減去供萬物生長所需的能量和晚上由地球排出的能量，所剩的能量就透過水循環消耗掉，以維持地球的溫度於穩定的平衡狀態。多餘的能量讓地球上的水不斷蒸發、輸送、凝結、降落，這周而復始的過程就是水的循環，也是地球的熱循環，地球就是透過水循環來維持熱平衡的狀態。

在工業革命以前，地球在自然的演化中一直都維持平衡的狀態，且平衡在非常適合人類活動的狀態，人類活動所產生的熱占地球熱循環相當微小的部分，根本不足以影響地球的熱平衡。但工業革命後，人類活動產生的熱迅速增加，使地球原本趨於最適合人類活動的熱平衡必須重新調整。近年來，地球暖化，氣候變遷，演化至極端氣候成形，就是地球重新調整熱平衡的結果。

環境變遷

人類出現在地球上的時間很短，僅是地球形成至今的一瞬間，但是對於地球環境的影響力卻遠遠超過出現前的幾百萬年。地球經歷了無數次的冰期與間冰期，約每十萬年就出現一段時期的寒冷冰期，環境雖然變動劇烈，但最終會趨向自然平衡。而人類取得的能源，所燃燒的煤、石油等化石燃料，都要經歷數百萬年以上的高溫、高壓環境才得以形成，但我們只花了數十年的時間就把這些珍貴資源使用掉很大的一部分。

自18世紀的工業革命後，由於追求經濟與科技的發展，大量燃燒化石燃料，使大氣中二氧化碳濃度由工業革命前的280 ppm上升到現在的380 ppm。二氧化碳等溫室氣體不斷增加，使地球受到溫室效應的影響，再加上人類活動的直接熱排放，使地球表現出暖化現象，造成全球性氣候變遷和生態的重大危機。

極端氣候

溫室氣體的排放與人類活動的直接熱排放造成地球暖化和氣候變遷，形成極端氣候，氣候趨向極冷、極熱、極溼、極乾儼然成為常態。

極冷—2008年2月，澎湖遭遇了百年來最大的寒害，養殖業及沿岸魚類生態受到重創。據澎湖縣政府農漁局統計，這次寒害被凍死的魚類達1,500公噸，損失飆高到1.8億元，是澎湖三十多年來最慘重的損失。寒害並不只在臺灣發生，如美國、大陸、日本、歐洲等地也陸續發生，可謂寒害布滿全球各地。

極熱—2007年7月，歐洲遭到熱浪侵襲，東歐的匈牙利溫度飆到攝氏48度，1個星期有超過500人被熱死。南歐的義大利則有多場森林大火，山區黑煙衝天，高溫加上大風，大火一發不可收拾。另外，2008年美國加州洛杉磯東北，一個晚上的大火就吞噬了2,500英畝的林地，大約有38個大安森林公園大。

極溼—2009年8月，臺灣遭受颱風侵襲，為南部帶來超大雨量。中央氣象局統計，屏東到嘉義多處山區總雨量超過2,000毫米，3天內幾乎把一年的總雨量下光了，也釀成南臺灣五十年來最大災情的「八八水災」，災區範圍甚至比九二一大地震還大。2011年7月，泰國南部因持續暴雨而引發的洪災，造成366人死亡，兩百萬人受洪水影響，糙米的產量減少350萬公噸。這次水災損失達1,000億泰銖，重建經費預估需33億美元，災情相當嚴重。

極乾—2012年7月，美國中西部及南部受乾旱高溫肆虐，農作物受到重創，玉米大豆持續減產，穀物價格節節攀升，玉米價格飆漲45％，大豆也漲了22％。乾旱不只使農民受災，消費者也受害，而且是全球性的糧食危機。

近年來極冷、極熱、極溼、極乾天氣在世界各地同時展開，氣象災難布滿全球的夢魘已然降臨。

當人類選擇經濟要蓬勃發展，生活品質要無限提升，而造成地球暖化、氣候變遷、生態失衡等危機時，環保的意識也逐漸抬頭，世界各國紛紛成立環保組織、訂定公約等，避免再繼續破壞環境生態。聯合國政府間氣候變遷小組（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）於2007年所發表的第四次評估報告中，提出明確的證據證明人類活動所排放的二氧化碳，是造成地球環境溫度上升的元兇。

建築對環境的熱影響

臺灣地狹人稠，土地使用率相當高，尤其以都市來說，一眼望去都是鋼筋混凝土建築物，可謂是世界上擁有最高密度水泥建築的國家。人類有80％的時間生活在室內，因此建築物與人類的關係相當密切。自1970年代兩次石油危機後，永續綠建築的概念開始萌芽，世界各國積極投入研究發展至今已達四十餘年。有感於人類文明滅絕的危機，各方面要求在發展經濟時必須兼顧環境，使能永續發展，需要積極推動綠建築的概念與政策，以緩和對生態環境的破壞。

雖然永續發展意識的推動已有多年，推動的同時卻也看到一棟棟的「熱建築」佇立在城市中，有些甚至還在興建中，令人擔憂，因每棟建築物都排放出相當多的廢熱，與綠建築的理念背道而馳。人們在一棟建築物內活動，所排放的熱量將使建築物外圍5公尺內的溫度上升攝氏3～5度，這時空調耗電量就有如火上加油般激增。

都會區中，高樓大廈建得越緊密，因人們活動而產生的熱愈在都市內聚積不散，使都市氣溫比郊區高，等溫線以封閉的曲線包圍都市中心，使城市猶如一座「熱島」。建築物所產生的廢熱形成「建築物的熱島效應」，再加上「都市的熱島效應」，可讓整體的環境溫度上升攝氏8～10度。都市化發展得愈快、愈大，熱島效應就越顯著。當室外環境溫度上升攝氏1度，空調運轉的耗電量約增加6％，增加能源的消耗又直接疊加在熱排放上。

建築物的熱排放是不得不為之的程序，但對地球環境生態甚至氣候的影響非常嚴重。夏天裡家家戶戶使用冷氣機，室內雖然涼快，卻把室內的熱加上電能直接排放到室外，使室外的溫度升高，周圍環境變得更燠熱難耐。冷氣機直接排放到室外的廢熱成為增強地球水循環的動力，促使地球暖化、氣候變遷，形成極端氣候，給人類及萬物的生存帶來重大危機。

以臺灣冷氣機裝設總量約2,500萬kW，使用率60％計，直接熱排放所增強的地球水循環量推估是每年2億公噸（參見附錄）。這些由臺灣各地的空調廢熱排放送到天上的水，不知何時會落到哪裡。2009年8月莫拉克颱風重創南臺灣，造成臺灣中南部地區有史以來最嚴重的水災。

根據水利署統計，屏東縣三地門累積雨量達2,500毫米以上，高雄縣御油山也超過2,500毫米，而阿里山量測站量得的總累積雨量2,884毫米是臺灣史上之冠，其24小時及48小時降雨量分別是1,623.5毫米及2,361.0毫米，逼近世界降雨量極大值的紀錄（世界紀錄分別是1,825毫米及2,467毫米）。這期間臺灣多處淹水、山崩與土石流，其中以高雄縣甲仙鄉小林村滅村事件最為嚴重，造成數百人活埋。近年來造成臺灣甚至世界各地發生水禍的水，空調的廢熱排放很可能是幫兇之一。

建築物的熱排放方式

空調雖給人們帶來舒適的生活環境，但其龐大的能耗也給生活在地球村的全體人民帶來不利的影響，因為空調的最終產物—廢熱或廢冷—最後必回歸自然環境。龐大的廢熱若以顯熱方式排放，往往造成建築物外部嚴重的熱汙染。因此空調的廢熱排放，對外在自然環境的影響不能僅以小尺度的空間去思考，而應思考能量排放至大自然後，自然的流通會造成何種尺度的影響。

空調熱轉移的過程，無論經歷何種形式的熱交換，最終就是把熱排放至大氣中。一般空調機的熱交換過程，無論是以壓縮冷媒製冷或是採吸收式以冷製冷，熱量最終的排放只有兩種方式：氣冷式、水冷式。氣冷式的熱交換屬於顯熱交換的模式；水冷式熱交換則屬於潛熱交換的模式。

利用空氣經過室外熱交換管排（冷凍空調系統冷凝器），把室內熱交換管排中的冷媒在空調空間所吸收的熱量，和系統在運轉中所產生的熱量（如壓縮機的壓縮熱）移轉至室外大氣中，這過程屬於顯熱交換的模式。顯熱交換往往會造成熱排放區域的熱汙染，如空調設備熱交換效率低，甚至會影響該區域人民的生活品質，並導致冷氣運轉費用的增加。

「蒸發式冷凝器」以空氣和水為冷卻的介質，直接把熱排放至大氣中；「水冷式冷凝器」以水為冷卻介質，熱雖然是以顯熱方式轉移，但最終須藉由冷卻水塔把熱排放至大氣中。這兩種排熱方式最後都是藉由水蒸發把熱排放至大氣，屬於潛熱交換的模式，因此不會造成熱排放區域的溫度上升，也不會有熱島效應的產生。但水冷式熱交換過程必須耗用大量的水，在水資源日益枯竭的今天，採用水冷式裝置也必須多加思考。

近年來由於冷卻水塔可能產生退伍軍人症，又使大家的選擇多一份顧慮。雖有許多廠商推出抑制或殺滅退伍軍人症病菌的添加劑，但這些添加劑的殘留成分是否會隨著水蒸氣的散播，造成另一種傷害與環境汙染，是值得深思的問題。

在經濟發展過程中取得重大成就與利益的同時，人類逐漸體認到，若未能與環境共生共存，將使人類付出龐大甚至難以挽回的代價。地球資源及能源的過度使用、森林過度砍伐、土地超限利用、汙染排放等人為活動，在不同程度上已對地球環境帶來空前的壓力與衝擊，並對環境和氣候產生很大的影響。

人類活動帶給自然生態系統嚴重的破壞，如溫室效應導致地球暖化、氣候變遷，形成極端氣候，人類正處於自己創造的浩劫中，必須認真面對。大家都打著「節能減碳」、「綠色環保愛地球」、「永續發展」等理念的旗幟，希望能真正地施行，從小地方開始著手，讓這些理念不只是個口號，使環境、空氣、氣候等問題獲得真正改善，並營造出健康人居環境，珍惜地球上有限的自然資源，使萬物能永續發展，確保人類後代子孫的生存環境。

附錄：冷氣機造成的CO₂排放量與地面水蒸發量

以輸入功率 1 kW、能源轉換效率 COP ＝ 3 的空調機為例，空調機的製冷能力＝輸入能量 × COP ＝ 1 kW × 3 ＝ 3 kW，空調機的排熱能力＝輸入能量 ×（1 + COP）＝ 1 kW × 4 ＝ 4 kW ×（860 kcal∕h·kW）＝ 3,440 kcal∕h，臺灣生產1 kW-h 電排放 CO₂ 0.638 kg，空調機運轉 1 小時，對環境的熱貢獻＝ 0.638 kg CO₂排放 + 3,440 kcal 的熱排放。
在臺灣，空調機一天運轉 10 小時，一年運轉 160 天，CO₂ 年排放量＝（0.638 kg/kW·h）×（10 kW-h∕天）× 160 天∕年＝ 1,020.8 kg∕年，廢熱年排放量＝（3,440 kcal∕hr）×（10 h∕天）× 160 天∕年＝ 5,504,000 kcal∕年，每kW空調熱交換對環境的年熱貢獻＝輸入能量的 CO₂ 排放當量 + 建築物排放熱量＝ 1,020.8 kg CO₂ 排放 + 5,504,000 kcal 熱排放。
蒸發 1 kg 常溫水約需 600 kcal 熱量，空調廢熱年排放量每年增強地面水的蒸發量＝ 5,504,000 kcal ÷ 600 kcal∕kg ＝ 9173.3 kg 的水蒸發。
在臺灣，空調總裝設容量約 2,500 萬kW，平均以1,500 萬 kW 運轉推估，CO₂ 每年排放量＝ 1,020.8 kg × 1,500 萬＝ 1,530 萬公噸 CO₂，增強地面水的年蒸發量＝ 9.17 公噸 × 1,500 萬＝ 19,755 萬公噸水。

資料來源

《科學發展》2013年4月，484期，52 ~ 59頁

暖化(76) 永續發展(51) 熱島效應(11) 山崩(10) 土石流(28) 間冰期(3) 科發月刊(5210)

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