［TED］科學是玩出來的

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

根據聯合國統計數據，全球每年 38% 的溫室氣體排放，並非來自道路上的交通工具，而是由「現代都市與建築」所造成的。

我們如今站在兩條路徑的十字路口。一條是依賴更多水泥建築與空調系統來抵禦夏季酷暑，然而這樣的選擇只會加劇室外大氣的惡化。另一條則是徹底改革建築、用電、設計與都市規劃，不僅尋求低碳排放的建築方式，還要找出節能降溫的解決方案，實現事半功倍的效果。

然而，我們是否真的能將建築業的碳排放歸零？

建築的溫室氣體哪裡來？

在建築物 60 年的生命週期中，建材的碳足跡其實只佔 9.8%，因為建築一旦完成後，材料不會頻繁更換。相反，日常生活中的用電才是主要的碳排來源，占了 83.4%，其中大部分來自冷氣、照明和各種電器。

當然，讓大家集體關燈停用電器「躺平」來拯救地球，顯然不切實際。既然完全不消耗能源是不可能的，我們應該尋找更現實的解決方案。

現在就來看看全球七棟零碳建築之一——成大的「綠色魔法學校」，臺灣首座淨零建築，如何運用建築技術，成為當代永續建築的典範。這些技巧中，有哪些能應用到你我家中呢？

為了省電要把煙囪塗黑、吸收更多太陽光？

都市裡，我們最大的挑戰之一就是夏天的高溫，水泥建築群在陽光的烘烤下，變成一個個巨大的窯爐。為了解決這個問題，綠色魔法學校在國際會議廳裝了一個煙囪，不過這不是為了讓窯爐更熱，而是用來降溫的。

煙囪為什麼都都要蓋的那麼高？原來煙囪越高，上下的溫差越大。熱空氣因為密度低而向上移動，產生熱對流。溫差越大，這個熱對流就越強烈，這就是所謂的「煙囪效應」。在要幫室內降溫的情況下，我們的目的是產生更強的煙囪效應，抽走熱空氣，讓室溫下降。但這棟建築裡沒有火爐，而溫差不夠大時，這效應會變得微弱，那該怎麼辦？

_{浮力通風效應。圖 / 泛科學自製動畫截圖}

綠色魔法學校提出了一個大膽的解法：在煙囪南面下半部改裝透明玻璃窗，並將煙囪內部塗成黑色，還加裝了黑色烤漆鋁板，這樣可以最大限度地吸收太陽光。每當艷陽高照，這個不插電的的「自然通風系統」就能自動啟動，創造局部的熱對流，帶動整根煙囪的熱氣向上移動，為室內降溫，達到節能效果。以熱制熱，完全反常識。

幫室內降溫的最大原則是：通風。

實際上，不是人人家裡都有煙囪。但如果建築的高處沒有任何窗戶或通風設備，熱空氣就是會從屋頂一路往下蓄積在室內。因此，你也一定在許多工廠或民宅的屋頂看過一個不斷旋轉的小風扇，它們也是有異曲同工的效用。雖然不是高聳的煙囪，但特殊的渦輪構造，風吹過就會開始轉動，並連帶空氣排出室外。是個不用插電的通風球。

綠色魔法學校的煙囪就是個效能更強的換氣機，足以讓 300 人大型會議廳的換氣次數，高達每小時 5 到 8 次，甚至能在室內颳起風速每秒 0.5 公尺的微風，是最舒適的環境。這些利用熱氣密度的差異來改善室內溫度的方法，又稱為「浮力通風」。

為了把通風貫徹到底，綠色魔法學校在建築的兩面裝設大量窗戶以及吊扇，來讓水平也能通風。這些我們習以為常的裝置，其實才是關鍵。靠吊扇的一點點電力讓自然風可以自由進出，耗費的能源，遠比冷氣還要少得多。

幫空調省電的最後一招，就是微環境控制。

實際上魔法學校內還是找的到空調設備，並不是完全拔除不用。除了選用最高效率的主機，以及把室內循環做到最好以外，降低周遭環境溫度才能減低冷氣的負擔。要降低水泥叢林的熱島效應，需要植被與水體來做溫度調適。

在太陽照射下，水泥屋頂表面最高可以達到攝氏 70 度，如果屋頂有種植植栽，室內頂層樓板的表面溫度就可以維持在攝氏32 度以下。不用開電就先幫室內降溫。

水也是關鍵的一環。一是水的比熱高，想打破水分子之間的氫鍵，需要大量的熱量，要讓一千克水的溫度升高一攝氏度，需要 4,200 焦耳的熱量，這可以避免溫度因為烈陽就快速上升。二是當溫度真的過高，水也會透過蒸發帶走熱量，讓溫度不至於向上飆。

魔法學校的屋頂花園使用水庫淤泥，研磨後燒製成的再生陶粒，裡頭混合了稻穀，結構極細，不會像有機土一樣分解消失，可以涵養水源，還不用動不動補土壤，不只降低屋頂植被的澆水次數，還能達到降溫效果。地面也採用透水鋪面，讓每一滴水都不浪費。

綠色魔法學校本名是成功大學的「孫運璿綠建築研究大樓」

2013 年被英國知名出版社羅德里其評為「世界最綠的建築」，並獲選為聯合國全球七棟零碳建築之一。

除了表彰之外，在認證上也確實取得了臺灣最高等級的「鑽石級綠建築」認證，以及美國最高級的「白金級綠建築」兩個綠建築認證。

為了讓相同的成效可以陸續在全臺的所有建築上實現，臺灣在既有的綠建築標章體系上，擬定出了「建築能效評估系統 BERS」，針對關鍵的空調、照明、插座電器的用電狀況訂出明確的耗電密度指標得分。簡單來說，就是每平方公尺的面積上，每年平均的用電量。

要打造一棟淨零建築，需要設計與材料硬體的相互配合。在日常用電這最大耗能項目上，能透過前面的淨零設計與智慧能源管理來減低能耗。而我們還沒提到的最後一塊拼圖，則是回到建築的建材本身。這部分減碳的方法有很多種，例如將傳統施作工法改為在工廠就完成模組化建材製造的「預鑄工法」，減少現場搭建鷹架、施工的步驟，達成減碳。又或是將部分建材更換為木、竹等負碳建材，甚至使用零廢棄物、能「循環使用」的建材。例如 2018 年亮相的臺中花博荷蘭館、或是 2021 年台糖在沙崙啟用的循環聚落。

建築物能夠完全不用電嗎？……電從哪裡來？

沒錯，連全球最綠的建築——綠色魔法學校，也無法做到完全不使用電力。正如前面提到的，建築的最大能源消耗來自日常使用，而這所「魔法學校」的成就，是成功將日常能源消耗降低，讓溫室氣體排放減少超過 50%。

這就是關鍵，減少一半後，剩下的部分就靠周邊的造林、太陽能和風能等綠色能源來補足。

2022 年 3 月，國發會公佈了 2050 淨零排放的路徑圖，參考美國、日本、歐盟等國，制定了 2050 年達成淨零建築的目標。

這條路徑包含兩個核心目標：第一，所有建築物要在建築能效評估系統（BERS）中達到 1 級節能，甚至進一步達到「1+ 級」近零碳建築的標準，減少至少 50% 的能源消耗。第二，同步發展再生能源，讓這些近零碳建築朝淨零邁進。

這個目標比你想像的要容易實現。比如，2023 年 12 月，台達電的瑞光大樓 II 就成功取得了「1+ 級」近零碳建築認證，並符合 0 級淨零建築規範。而在 2024 年 7 月，國泰人壽在臺中烏日的商辦大樓經過改造後，也達到 0 級淨零建築標準。這些案例證明了綠色魔法學校的成功經驗可以複製，不論是新建築還是舊建築，都能達成甚至超越淨零目標。

為了不讓每一年的夏天都是你我餘生最涼的夏天，碳排歸零是必須要實現的目標。現在你知道，這個任務的關鍵就掌握在你我手中。就像選擇能源標章電器一樣，只要選擇符合 BERS 能效標準的建築，我們不僅能降低冷氣的依賴，也能節省電費，讓地球和你的荷包都雙贏。

從上兩篇國際科展研究介紹，能看出中學生對生活、自然界的重視。源於對生活的熱情，行為與社會科學科和電腦科學與資訊工程科的學生們也從人類習性的角度切入，產出有趣的主題。所謂科技來自人性，科展主題也來自對生活的探索與對自身的好奇。

【行為與社會科】：視覺中的鬼影是哪來的？

臺北麗山高中周芷語、謝宜薰在看到《國家地理》雜誌探討視覺的文章，對自己視覺中所產生的鬼影感到驚奇。赫曼方格是因人體視網膜的「側抑制作用」而造成的，在某些視覺刺激較強時，接收到周圍較弱訊號的細胞會被覆蓋。在赫曼方格的例子中，黑方格與白線條中會有錯覺造成的灰點。

兩人疑惑赫曼方格會讓人感覺黑色方格間白色線條的交會處出現暗點，但一般穿著的格子衫卻很少會出現這個狀況，萌生出想進一步研究的想法。他們的作品獲得本次大會獎二等獎。

研究中針對三種視錯覺中生理錯覺的赫曼方格來探討，他們將赫曼方格套入不同配色，以 RGB 色法去定義對比色、互換色和相近色，再將這些方格設計為格子衫，讓受試者觀看並探討消費行為。

由於傳統的赫曼方格（黑白配色）所受到的側抑制較明顯，較易產生生理錯覺，並且在黑白色互換後因眼球較激烈的顫動（saccade）使得閃爍程度上升，導致眼睛易感到疲憊。不同顏色的赫曼方格則會受到視桿與視錐細胞的影響，導致我們看到不同的生理錯覺。例如看著紅綠格子衫時，正常視覺下鬼影的出現和灰點閃爍程度皆為零，然而紅綠色盲的受試者卻會看到鬼影——這樣的差異，就會影響到受試者是否較有意願購買這種配色的衣服。

提及未來的研究方向時，周芷語、謝宜薰提及應該要再修改問卷設計，並且未來進行實驗時，期望能運用眼動儀和腦波儀來使實驗結果更精確。

【電腦科學與資訊工程科】運用空間物品記憶裝置建構搬運機器人

台北內湖高中廖子游、邵明諒、林禹丞表示，先前於全國科展時，他們研發 AR的相關軟體，希望能經由環境物體辨識和定位，導航出指定物品的正確位置。延伸功能若能夠套用在機器人身上，能使機器人與人之間有更良好的互動，且能更合乎我們的訴求。

團隊研發一款 AR 記憶眼鏡，能在日常生活中建構整個空間，並利用特徵點建構平面並辨識物體，標記出這個物品在空間中的地點。即使被記憶的物品是放在抽屜中，或是剛好在記憶眼鏡視野的正後方，也能夠藉由記憶中的方位與距離正確引導出物品的所在位置。如果能進一步將這樣的記憶資訊傳達搬運機器人，擁有空間記憶的機器人就可以正確找到尋找的物件，並做出妥善的處理。舉例來說，我們吃糕點時常一不小心就掉屑屑，此時若人類配戴 AR 記憶眼鏡，可以迅速讓掃地機器人趕到現場進行清掃。

關於自己出色的設計，他們表示就高中生而言能運用的經費有限，無法購得實質的 AR 眼鏡。不過，三人藉由手機裝載自製 app，再將手機放入 AR 眼鏡殼來模擬 AR 眼鏡的畫面，並以有線耳機上的音量鍵作為操作眼鏡的控制器。真正的挑戰是物件識別的整合、數據資料的處理，以及要讓程式計算出正確的物件方位和距離。

儘管年紀尚輕，這些充滿創意的中學生們身上已散發著渾厚的科學家氣息。無論是對於周遭未知的問題窮追不捨，又或者能從簡單原理發想新的創意。雖然有時會受限資源不足，他們都細心地對此進行嚴謹的研究，即使挫敗也不輕易言棄。這樣願意親自深究，挖出未知背後的真相，正是研究學者所應具備的精神。

期許未來能有更多同學能運用課堂中的知識，在科展中一顯身手，明年我們在科教館不見不散！

上篇國際科展的介紹中，我們看見中學生們經由生活周遭的觀察，獲取研究的靈感與啟發。本篇延續這份對生活的熱情與對社會的關懷，走進環境科學的研究環節。

科學的起源在於人類對自然的觀察與重視。對生命與環境的充滿熱誠、選擇地球與環境科學科、植物學科的同學們，究竟出現了哪些題目呢？來問問師大附中的廖廷涓同學，以及來自屏東潮州高中的莊惟婷、陳馬琤、賴安琦同學吧！

【地球與環境科學】：哪些因素會影響海平面的高度？

廖廷涓在上地球科學課時，發現有許多能影響海平面年際變化（一年以上的變化）的因素。舉例來說，2011 年就出現聖嬰現象，使得全球海平面高度平均下降 5 毫米。某些不清楚年際變化的陰謀論者就憑這個數據主張全球暖化並不存在，無視了長期趨勢變化。若對環境的改變毫無知覺、不了解這些變化背後所隱含的意義，我們就可能會錯估地球的健康狀況。因此，廖廷涓想知道有沒有其他也會成為影響海平面年際變化的因子？

為此，廖廷涓由美國太空總署（NASA）、法國國家太空研究中心（法文：Centre National d’Études Spatiales，縮寫：CNES）和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發布的公開數據。針對中太平洋聖嬰現象、東太平洋聖嬰現象、北極振盪、南極振盪，以及太平洋或大西洋多年代震盪這六個年際震盪因子，個別分析與 1993-2017 年的全球平均海平面年際震盪之間是否相關。此研究讓她獲得本次大會獎一等獎，並為地球與環境科學的出國正選代表。

結果顯示，這六種年際震盪中，中太平洋聖嬰現象、太平洋或大西洋多年代震盪三者對海平面高度的影響較大。北極振盪整體而言雖然不如前三者有顯著影響，仍然與平均海平面高度有相關性。

運用分析結果乘以各因子所佔比重後，預測模型作出 R 值 0.86 的海平面高度變化曲線圖。換句話說，只要得知這些因子的變化趨勢，就可以解釋約 70% 的全球平均海平面高度的年際變化，也有機會預測未來海平面高的年際變化。

另外，研究結果還顯示，大西洋多年代震盪及北極振盪出現後幾個月，海平面才會發生顯著變化。廖廷涓表示相當感興趣海平面變化延遲的原因，未來想更深入研究這些氣候現象與海平面高度之間如何互相影響，並釐清不同海域與這些因子間的關聯。

【植物學】絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的？

莊惟婷、陳馬琤、賴安琦在生物課本上看到了各式各樣的食蟲植物，一個少見的水生食蟲植物抓住了她們的目光——絲葉狸藻（Utricularia gibba）。從前人的研究中得知，絲葉狸藻是捕蟲界的一方之霸，捕蟲的吸入動作僅需 0.02-0.05 秒，非常快速。捕蟲囊內部的四爪腺毛是絲葉狸藻吸收養分與排出囊中水分的重要路徑。然而，同是特化構造的半球型腺毛卻很少在先前研究中被提及。因此她們希望能釐清半球型腺毛的功用，以及已知具有消化功能的四爪腺毛對不同營養物質吸收的狀況，並作出比較。

要解釋如何釐清半球型腺毛的功能，我們需從捕蟲囊的捕食機制談起：當獵物經過時，囊口外側的觸發毛會控制瓣膜開合，利用囊中負壓迅速吸入獵物與溶液；之後再由四爪腺毛把多餘的溶液排出囊外，重新回到準備捕食獵物的狀態。不過他們懷疑，不只是四爪腺毛，由氣孔特化出的半球型腺毛可能也具備排水的功能，於是開始著手進行實驗。

團隊調配兩種不同色的螢光染劑溶液，並以睫毛針觸發捕蟲囊開關，使捕蟲囊受內外染料染出不同顏色。隨後發現，外部位於捕蟲囊側面的半球型腺毛其出水孔有不同色的色素殘留痕跡，顯示半球型腺毛確有排水功能。

解決半球型腺毛的問題後，他們轉向比較四爪腺毛在吸收不同營養物質（甘胺酸、硝酸鉀、甘油和葡萄糖），以及吸收水分時的表現差異。他們觀察到染色過的營養液被吸進捕蟲囊後，會立即充入四爪腺毛並流進捕蟲囊的基座細胞，由共質體路徑進入至植體。他們推測含氮物質是從專一性的離子通道運輸至體內，至於是否為主動運輸仍有待商榷。

四種營養素中，葡萄糖雖然能快速進入四爪腺毛，卻發現沒有被大量吸收，後他們推測因實驗系統設計是在光照下進行，由於絲葉狸藻可行光合作用補充葡萄糖，故不需使用捕蟲器進行葡萄糖補充。

另外，他們也研究在不同理化因子（如照光、環境溫度）的影響下，對半球型腺毛和捕蟲運動造成的影響。在燈源上加上色紙作為藍、紅兩類色光光源，並比較色光觸發前後捕蟲囊的面積變化率。最終發現，短波長的藍光有使捕蟲囊面積下降的趨勢。但比較捕蟲囊在觸發捕捉獵物前後的形態變化，他們得出短波長的藍光可促進捕蟲囊的排水功能，進而可使捕蟲囊的捕蟲效率提升。另外，經由測量不同光照下對光合作用光反應速率的影響，他們發現紅光下光反應速率最好，藍光最差，正與先前捕蟲囊面積變化的實驗結果相反。因此，團隊推測正因藍光下光合作用光反應效率低，才需要活躍的捕蟲運動來補足養分。

除此之外，他們還發想到能以捕蟲囊為設計模型，製造一個以不同膨脹係數的雙層材料製造的囊袋（內層小，外層大），擺放於海面漂泊。在白天高溫時，可觸發袋口吸入海水與塑膠微粒，晚上低溫時袋口緊閉造成負壓內凹，將海水排出而留下較大的塑膠微粒於袋中，進而達到回收塑膠微粒的效用。

有很多設計的最初理念也都是在生物觀察時受到啟發，期望莊惟婷、陳馬琤、賴安琦三位同學的設計，能在未來減輕人類所造成的環汙問題！

（修改時間：2020年4月13日）

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