作者:王松永 臺灣大學森林環境暨資源學系
資料來源:行政院國家科學委員會 http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=8188&ctNode=40&mp=1

居家環境採用木質建材,可發揮冬暖夏涼、抗菌除霉的功能,且在有計畫的運用下,這種建材永不虞匱乏。

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「綠建築」在日本稱為環境共生建築,有些歐洲國家則稱它是生態建築或永續建築。而「綠建築」的評估指標,可從資材、能源、水、土地、氣候等地球資源,以及營建廢棄物、垃圾、污水、排熱、二氧化碳排放量等廢棄物,兩個層面來評估。「綠建築」較實質的定義就是,消耗最少的地球資源、產生最少廢棄物的建築物。換言之「綠建築」就是強調節能、低污染、低耗能、低環境衝擊的環保建築。

「綠建築」的評估指標群共有 9 個,分別是生物多樣性指標、綠化指標、基地保水指標、水資源指標、日常節能指標、二氧化碳減量指標、廢棄物減量指標、污水與垃圾改善指標,以及室內環境指標。

環境調和材料

環境調和材料是指顧慮到環境的材料,可由四項條件來評量:資源可再生產或再製成同一產品的回收率高,資源的消耗少;各製造程序或生命周期的全部製造程序所造成的環境負荷少;廢材可再利用於其他用途;廢棄物所造成的環境負荷少。

把上述四項條件及人類利用材料流程,與綠建築指標進行比較。其中第一項條件是有關資源的枯竭性,幾乎人類利用的所有資源都無法再生,唯有木材等生物資源,可藉由吸收大氣中的二氧化碳與環境中的水分,經光合作用產生其生長所需的碳水化合物。

樹木生產一公噸碳水化合物,須自大氣中吸入 1.6 公噸二氧化碳,並釋出 1.2 公噸氧,因此樹木生長期間能夠淨化空氣,並把這些碳水化合物提供給形成層細胞,做為分生木質部細胞的營養源,木材就是木質部細胞的累積體。因為屬於生物材料的木材只要透過合理的育林過程就可再生,而森林再生過程由於會吸收二氧化碳,進而使地球大氣中二氧化碳濃度降低,所以木材符合綠建築的綠化指標要求。

只有當某製品是必要的時候,再製成同一製品的回收率高才有意義。但通常僅由廢材已無法再製造成原產品,必須投入新的資源,才有可能再加以利用。鐵的回收率接近 100%,其廢料混入銅後,性能會降低,而成為使用等級逐漸降低的階梯狀利用型式。木材因可再生產,所以這一資源的取得並無太大問題,建築廢材回收再利用,則大多製成粒片板等板狀材料,今後研發如何把廢材製成使用比率甚高的軸狀材料,是一大課題。

第二項條件是有關製造過程中投入能源而造成二氧化碳的排放等,造成環境負荷的問題。任何一項產品在每一生產環節,或多或少都會增加環境的負擔。不過,木材在加工、製造過程所投入的能源則較其他材料少很多。木材乾燥、木質板材的熱壓工程,製漿蒸解等都在攝氏 200 度以下,而水泥煅燒需攝氏 1,400 度,塑膠原料的輕油裂解約在攝氏 700 ~ 800 度,融礦爐的溫度則需達攝氏 2,000 度,因此木材也符合這一項條件。

木材一次製品,如纖維板、紙張或木粉與塑膠複合材等,因其構成要素變小,以致加工時能源需求較大,但比起其他材料仍然少了很多。

廢材回收再利用時,加工過程的能源消耗,也必須列入考量。雖然把鐵從廢材回收再利用,比利用新的資源更節省能源,但是仍需投入大量能源。由廢混凝土製造再生骨材時,則會較新規骨材消耗更多能源。然而木材回收再利用所製成的粒片板,消耗的能源與新規製品並無差異,最後廢棄時尚可當成能源使用,可見木材的回收再利用對於環境幾乎不會造成負荷。

就「二氧化碳減量指標」來比較建築物使用木質材料與其他材料時所排放的二氧化碳量,當建築一棟樓地板面積 136 平方公尺的住宅時,依三種建築構法所使用的建材,推算出碳素排放量,木造住宅是 5,140 公斤;鋼筋混凝土結構住宅(RC 構造)是 21,814 公斤,是木造的 4.2 倍;鋼骨結構是 14,730 公斤,是木造的 2.9 倍。

再就材料對碳的貯藏量而言,因木材的構成元素是 50% 碳、43% 氧、6% 氫,另 1% 是其他二十幾種元素,所以木材質量中有一半是碳,只要在固體狀態時利用木質材料,這些碳都會固定在木質材料內部,因此木材是碳貯藏型材料。一般木造住宅所使用的木材,每平方公尺建坪大約是 0.20 立方公尺(m3/m2),這其中包含結構材與裝飾材,而非木造住宅所使用的木材量,大約是 0.04 m3/m2,以裝飾材為主。如木材密度是每立方公尺 500 公斤,其中含 50% 碳,則 136 平方公尺建坪的木造住宅會貯藏碳 6,800 公斤,而非木造住宅會貯藏碳 1,360 公斤。

如單純從二氧化碳減量觀點來看,與其他材料相比,木質材料最符合「綠建築」的要求。木材是一種自然物,雖然在加工過程中使用膠合劑、塗料、保存處理藥劑等,但這些物質對環境的影響還不算大。

第三項條件雖與第一項有部分重複,但具有使廢棄物處理量減低的積極意義。即使資源再生產是可能的,但製造過程中的廢棄物,若不設法減量,而當作垃圾逐漸累積,也會造成環境問題。當前木材的回收再利用率雖低,但也可當作材料能源回收再利用,因此不會引起垃圾問題。在掩埋處理時因木材具有生物分解性,對於環境影響也較少。木材的解體材經燃燒可獲得材料能源,最終會變成灰,不至於有垃圾堆積的問題。這與綠建築的「廢棄物減量指標」及「污水與垃圾改善指標」都有關聯。

第四項條件指的是,最終的廢棄物殘留狀況不會增加環境負荷。我國已公布實施「資源回收再利用法」,木材及混凝土是可回收再資源化的材料,可以使環境負荷降至最低。當前的木材加工利用,則已朝向零廢料排放方向努力。

若針對利用木材、鋼骨與混凝土為材料的三種建築系統,對環境所造成的影響進行比較,並以構築建坪 4,620 平方公尺,地上三層辦公室及地下一層車庫的建築物為例,採用埃森納模型(Athenatm model)分析所使用的原材料及能源的需求量,以及氣體、水及固體廢棄物的排放量。在能源需求方面,混凝土造及鋼骨造各比木造大 1.5 與 1.9 倍;在排放溫暖化氣體指數方面,包含所排放的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物及甲烷等,大 1.8 與 1.4 倍;在空氣污染指數方面,大 1.67 與 1.42 倍;在水污染指數方面,大 1.9 與 120 倍;在產生固體廢棄物方面,大 1.96 與 1.36 倍;在生態資源使用衝擊指數方面,大 1.97 與 1.16 倍。

綜合上述資料可知,由木材所建築的構造物,是具有最低生態衝擊、最環保的一種建築物,也就是最符合「綠建築」指標的建築物。

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木材的舒適健康效能


居住環境的優劣取決於居住性的好壞,居住環境可區分為住宅的外在環境與內在環境。住宅外在環境的居住性是指有關地域氣候、地質、水質、交通、都市化程度、公害等,而內在環境則是指有關住宅的耐力、防火、耐久性等安全性,以及舒適性、方便性等。以下僅針對與住宅舒適性、健康性相關的木質材料效用進行說明。

調節溫度與隔熱:單純就材料的熱擴散係數而言,木材、混凝土及鐵分別是 8 × 10-4、2 × 10-3 與 5 × 10-2 平方公尺/小時(m2/h)。因此以相同厚度的材料進行比較時,木材比混凝土等隔熱材,具有較佳的隔熱性與溫度調節性。

筆者曾在臺北市針對一棟磚造混凝土房屋,以 9 毫米(mm)厚杉木板內裝天花板與牆壁後(稱為A房屋),進行室溫變化的實驗,觀察到室溫的平均值在春、秋及冬天,都比無內裝房屋(稱為B房屋)高約攝氏 0.2 ~ 1.5 度,而夏天則相反,A房屋比B房屋低攝氏 0.1 ~ 2.0 度,達到「冬暖夏涼」的效果。此外,室內溫度的垂直變化在A房屋是攝氏 0.1 ~ 1.6 度,比B房屋的攝氏 0.2 ~ 2.3 度小。

就A與B房屋的節約能源情形進行比較試驗時,測試時間是在 1991 年 8 月 2 ~ 4 日,先把兩房屋的室溫控制在攝氏 25 度,測得A房屋消耗電力是 0.258 ~ 0.487 千瓦-小時(kw-h),平均 0.375 kw-h,B房屋是 0.317 ~ 0.587 kw-h,平均 0.468 kw-h,A房屋比B房屋節約 20% 的能源。就牆壁與屋頂的熱貫流係數進行比較時,B房屋的熱流量是每小時每平方公尺攝氏每度溫差 2.58 ~ 4.93 kcal/m2h℃,而A房屋是 1.66 ~ 2.38 kcal/m2h℃,B房屋是A房屋的 1.6 ~ 2.1 倍。

當腳底接觸不同材質的地板時,會有不同的熱量流向地板,由測定腳背皮膚溫度的變化,可看出隨接觸時間的增加,皮膚溫度減低的多寡依序是混凝土地板、PVC 塑膠地板及木質地板(櫟木),且在室溫攝氏 18 度時熱流向地板會明顯大於室溫 22 度時。所以在冬天溫度低時,木質地板顯得較溫暖,最適用於幼兒與老年者起居室的地板。

調節濕度:木材的吸濕性比混凝土、PVC 塑膠、玻璃、金屬等材料高,透濕性大,所以由木材所包圍的空間比起由吸濕性較低材料所包圍的空間,因溫度變化所發生的相對濕度(RH)變動會較小,能使大氣中的 RH 值維持穩定的效果。

大氣中含有的水分,決定於隨溫度變化的飽和蒸氣壓,例如一立方公尺的大氣中所含的飽和水分,在攝氏 10 度時是 9.4 公克,20 度時是 17.3 公克,30 度時是 30.4 公克。厚度五毫米,面積一平方公尺的木材,當它的含水率增減 1% 時,比重 0.4 的木材會吸脫濕 20 公克水分,比重 0.6 的木材則會吸脫濕 30 公克水分。因此,被木材所包圍的空間內,木材的含水率不需有太大的變化,就能讓大氣中的相對濕度保持恆定。

臺北市屬於高溫高濕地區,由實驗結果得知,A房屋(有木材內裝者)RH 的年平均值較B房屋(無木材內裝者)低 8 ~ 10%,且 RH 值在室內的垂直分布差異,也以A房屋的 1.1 ~ 5.7% 低於B房屋的 4.2 ~ 14.8%。一般輕質纖維板、木材、合板、粒片板、纖維板等都是良好調濕材料,至於玻璃、磁磚、壓克力樹脂等材料的調濕性則較差。

室溫在一日內會循環變化,RH 也會隨著循環變化,木材吸脫濕現象也是如此。就台北地區而言,一日內木材調濕的有效深度,由實驗結果得知大約是四毫米。對於高濕的臺灣地區來說,木材內裝可說是一種不需消耗能源的「自然除濕機」。

防滑止跌:地板表面在濕潤狀態時,依所使用材料種類的不同,而有容易滑倒與否的差異,尤其用於身體障礙者、兒童、老人的地板設施,防止滑倒是非常重要的考量因素。材料的濕潤表面摩擦係數與乾燥表面摩擦係數的比值,是與滑倒相關的水分係數,水分係數和材料的吸濕性、吸水性有關,其值愈小愈易滑倒。塑膠地磚或合成橡膠等水分係數值都較小,而木材、栓皮、木質材料等的水分係數則較大,較不易令人滑倒。

舒適的五官感受:以往常說「在木造校舍上學的小孩較不易有近視眼」,這可能是因為木材會吸收對眼睛有害的短波長光線,即紫外線,只會反射可使人們感到溫暖的長波長光線,即紅外光,且具有抑制晃眼感的性質。一般木材的反射率大約和人類肌膚相同,在 50 ~ 60% 左右,所以木材反射的光線不至於太晃(耀)眼,對眼睛較柔和。

家具、門、櫥櫃等的住宅內裝材,喜歡使用木材的理由,是木材能夠增添平靜的印象,這可能是因為木材的原色與黃、紅系的色相相近,會讓人們感覺溫暖有關。此外,原木材特有的規則紋理以及散發出的特殊芬多精味道,都會讓人感到舒適。然而由木材所製成的中密度纖維板或粒片板,如直接使用時,並不會產生上述的效果。木材的紋理來自年輪,而年輪間隔又受到每年天候的影響,它在規則中帶有變動,這種規律又不失呆板的特徵,反應出自然的美,給人一種安詳、舒暢的感受。

京都大學木質研究室的研究指出,凝(注)視木材紋理時,會促進腦部 α 波的發生,具有使人愉快的效果。此外,木材能夠提供人們心情柔和、平靜感覺的「1/f 的搖晃」,這種效果在蠟燭的火焰、微風、小溪的水聲等各種自然現象,或在人們的心跳間隔、古典音樂、手工作品等當中都存在。至於 RC 造住宅,則具有把「1/f 的搖晃」聲音隔絕掉的特性,它對於聲音幾乎不會吸收,使得音響在室內久久不消,而形成噪音。

依筆者研究所得結果,RC 造室內的餘響時間在高頻 4,000 赫茲(4 kHZ)時是 2.6 ~ 2.7 秒,中頻(250 HZ ~ 2 kHZ)約 3 ~ 5 秒,低頻(125 HZ)是 4.5 ~ 5.4 秒。若室內以九毫米厚的杉木壁板內裝時,可使室內的餘響時間與噪音值降低,高頻可降低約 20 ~ 30%,中頻可降低約 50 ~ 60%,低頻可降低約 60%,能夠有效地改善音響品質。

一定濃度的木材香氣會刺激人們的副交感神經,使人們心情放鬆,提高肝功能,對於腦部也有良好的影響。在含有 α-松油類氣味的環境下睡覺時,疲勞消除得較快,翌日的工作效率會提高,血液的流動會變得較順暢,可使血壓保持穩定。台灣扁柏的檜木油成分,對於黃色葡萄球菌或真菌具有殺菌效果,而這類細菌常會使先天性過敏症皮膚炎患者遭受感染,引發症狀惡化。木材的天然香氣對人類不會產生副作用,有降低血壓(收縮壓會降低 11%)、減少流行性感冒的發生率、治療失眠、治癒過敏症等功效。

抑制螨類:在室內棲息的細菌類、霉菌類、螨類等微生物,其繁殖都與溫度、濕度條件有密切關係。以螨類為例,棲息在室內的以塵螨及爪螨為主,其繁殖條件是溫度攝氏 25 ~ 32 度,相對濕度 60 ~ 85%。螨類並非直接喝水,而是從空氣中吸收水分做為其水分的來源,所以太乾燥或太潮濕時都不適螨類的生存。一般支氣管氣喘、過敏性鼻炎、先天性過敏症皮膚炎(蕁麻疹)等過敏症病患,其致病原因有 50 ~ 90% 與螨類有關,其中小孩氣喘更高達 80% 是由螨類所引起的。

在 RC 造的住宅內螨類會快速地繁殖,但如果室內能用木材內裝成木質環境,則對螨的繁殖有很大抑制效果。這可能是因為木材表面不停地進行水分的吸收與脫離,當空氣乾燥時,灰塵容易在室內到處飛揚,這時木材會釋出水分,灰塵吸收水分後就不會四處飄浮,人們也就不易吸入螨類。還有一項重要因素是木材所含精油對螨類的繁殖有抑制效果,如檜木、杉木、柳杉、樟樹、側柏、羅漢柏、花旗松、桉樹等樹種的精油都具有較強的抑制效果。

降低癌症發生率:東京農工大學教授鈴木正治,曾就癌症與住宅的木造率關係進行研究,他以受氣候影響較少的西日本地區女性為對象進行分析,發現木造率分別是 60% 與 90% 時,二者的平均壽命會有一歲的差異。木造率愈高者,肺癌、食道癌、乳癌、肝癌所引起的死亡率(對於死亡總數的比率)會減少。同時鈴木教授特別針對肺癌、乳癌、肝癌,分別在 1968 年、1987 年、1988 年三個不同時期,進行三次統計分析,結果也顯示有相同的趨勢。

鈴木教授也曾進行「教育現場的居住性」調查,結果指出,訴求「想睡覺、疲倦感」的學生數目,在 RC 造教室會較木造教室高出三倍以上。訴求「注意力不能集中」的學生數目,RC 造教室是木造教室的 2.5 倍。教師本人的「累積疲勞」,也出現 RC 造教室是木造教室兩倍的結果。對於「精神的壓力」、「焦慮」、「氣力衰退」、「身體疲勞與不順」等訴求的教師,也以 RC 造教室的較多。

降低環境中的氡濃度:天然放射線占了人類接受到的輻射中極大的比率,約占總輻射的 83%,其中 57% 來自於氡,其次是釷與其他放射性物質。釷的半衰期較氡短很多,較不會形成問題。氡、釷與其他放射性物質在衰變時放射出來的 α 射線,其穿透力遠較 β 射線或 γ 射線為低,用一張薄紙就可以擋住,然而這並非意味 α 射線的危險性較低。

事實上 α 射線會對生物體產生較大的電離作用,比其他放射線更會造成傷害,尤其人類的支氣管上皮組織,如直接被 α 射線照射,會引起染色體異常,產生高危險性。氡與其他放射性物質會附著於煙霧微粒上在空中飄浮,極易吸入肺部,其中部分會附著在肺的支氣管黏膜上,若附著的放射性物質平均半衰期達 40 分鐘以上,則 α 衰變會對支氣管上皮長時間近距離照射,一般認為這是引起肺癌的原因之一。

從鈾礦山的氡濃度與肺癌死亡率關係的免疫學研究發現,兩者之間有正相關的關係,所以美國及聯合國糧農組織(FAO)都把氡列為一種對人類有害的放射性物質。依據美國訂定的標準,長期暴露在室內氡濃度是每立方公尺 100 貝克勒(Bq/m3)的危險性,大約相當於每年胸部照射 200 次X光,這一影響也會導致每 1,000 人中就有 3 ~ 30 人因肺癌而死亡。

木質建材的柳桉合板不會放射氡氣,至於無機建材中,以石綿板的放射量最高,每公斤可達 11.3 ~ 13.0 Bq。水泥板、石膏板的放射量也很高,主要是來自所使用的石膏,尤其磷酸石膏的放射量每公斤高達 48 ~ 93 Bq,住宅所使用的石膏板也達到 29.8 Bq/m3。就連水泥系建材的氡濃度釋放量,也較木質系建材高出甚多。

木造住宅一樓與二樓的氡濃度,平均值大約是 3 ~ 22 Bq/m3,而 RC 造連棟住宅是 25 ~ 46 Bq/m3,RC 造住宅內的氡濃度大約是木造住宅的 1.6 倍。一般 RC 造住宅的氡濃度都比木造住宅高,主要是因為混凝土釋放氡所致。

在同一地點所建造的木造校舍與 RC 造校舍內的氡濃度也有差異,前者是 7 ~ 18 Bq/m3,後者是 53 ~ 82 Bq/m3。RC 造辦公室或校內實驗室的氡濃度一般都較高,其範圍在 21 ~ 325 Bq/m3,尤其空調設備完善,與外界空氣較少交換的 RC 造圖書館,其氡濃度可高達 253 ~ 1,116 Bq/m3。而微膠片資料室一般是用無機建材內裝,與倉庫同樣都是密閉的空間,所以其氡濃度也高達 88 ~ 325 Bq/m3,這是因為從 RC 及無機質建材所放射出的氡氣滯留室內所致。

對於由 RC 及無機質建材所放射出的氡氣,可透過加裝木質材料的貼面來加以遮蔽。如果在 RC 室內牆壁以木材裝飾,或在石膏板、各種無機質建材表面貼木質單板,則由 RC 及無機質建材所放出的氡氣,經 α 衰變最後在木質材料中變成穩定的鉛,不再存在於室內空氣中,這樣對人體就不會造成危害。

木造住宅一方面可有效減低二氧化碳的排放量,另一方面所使用的原料又可再生,發揮了資源永續經營與環境保育二大功能。實際上,歐、美、加、日等工業先進國家,住宅大部分都採木質結構,至於國內則大量使用無機質材料,使得都市成為水泥森林,對生態衝擊甚大,如能增加生物材料的使用量,將可改善這種情況。木材取自森林,能再生、可回收、省能源,廢棄物對生態環境衝擊少,因此被認為是 21 世紀的「生態材料」,值得推廣利用,它不但不會破壞環境,反而對環境具有正面的貢獻。

 

相關附件:《科學發展》2005年5月,389期,20~27頁

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