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人類活動與地球熱循環

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