冷氣空調簡史──人類最偉大的現代發明？還是破壞大氣的地球災難？

冷氣空調的演進

為了病人著想的設計，最早的「冷氣」是醫療設備

在創造與維持室內舒適環境的設備出現之前，人類的生活作息只能順從季節氣候，但高溫潮濕的地區，往往容易滋生細菌、進而流行傳染病──古代，人們通稱叫作「瘴癘之氣」──但在19世紀上半葉，一位美國的醫師兼發明家戈里（John Gorrie），為了對抗瘴氣帶給人類的疫病威脅，竟提出了「給城市降溫」的想法。

1840年代，戈里在美國西南部的佛羅里達州行醫，當地氣候不僅高溫炎熱，也因地理環境靠海、多沼澤而極為潮濕，並容易滋生蚊蟲、進而導致瘧疾等傳染病的大流行。由於瘧疾的主要症狀是發燒，佛羅里達夏季的悶熱很容易加重患者的病情，因此不忍病患痛苦的戈里，於是想方設法希望能夠降低病房的濕熱高溫，並希望發明一種「建築冷卻機械」，好緩解佛州夏季的瘴癘病害。

一開始，戈里的醫院只能用傳統的「天然冷氣」——在室內放置大型冰塊，以降低室溫——但佛州氣候冬暖夏熱，境內地勢平坦也沒有高山取冰佛羅里達州的「最高峰」是海拔只有105公尺的布里頓山（Britton Hill），其地勢比台北市區的象山（海拔183公尺）還矮。，因此用於調節病房溫度的大型冰塊，只能用昂貴的長途海運，從上千公里以外的冰山專程送來。於是為了解決成本與時間方案，戈里終於在1851年設計出一套用馬、水利等天然動力驅動的「室內製冰機」。

根據美國能源部的紀錄，戈里醫生發明的這部機器，是第一套取得專利的室內機械冷卻系統，也奠定了現代空調系統的設計基礎。但由於籌措不到足夠的開發資金，晚年窮困潦倒的戈里醫生，有生之年並沒有機會把他的發明商業化，科學家們的「冷氣理想」也一度被社會嘲諷為昂貴且違背自然節氣的白日夢而已。

1902年「空調系統」誕生，目的是為印刷品除濕

戈里醫生雖然壯志未酬，但他的冷氣之夢，卻由另一位美國發明家——也就是「現代空調之父」開利（Willis Carrier）——於1902年實現。

年輕時的開利，是任職於鍛造公司的機械工程師。當時他收到一間印刷工廠委託，因為廠房內部過於潮濕，許多新印好的雜誌、海報、書本，常因為墨水未乾暈開或紙張受潮膨脹而印出大量瑕疵品。於是，開利就奉命設計了一套讓廠房「室內保持乾燥」的機器，他以水氣遇冷會凝結的原理設計──用冰涼的地下水，在封閉的金屬管內循環，當工廠內的潮濕空氣被抽進機器、接觸到低溫的金屬盤管時，空氣中的水氣遇冷會凝結成水如同在夏日的冰涼可樂鋁罐，表面會有冷凝的水。，這時只要把凝結水排出室外，就能減少室內濕度，同時，與低溫金屬盤管接觸的室內循環空氣溫度也會被冷卻降溫，而這套為室內帶來乾爽清涼的系統，也因此被開利命名為「空氣調節」（Air-conditioning）裝置。

雖然最初的空調設計，主要任務是除濕而不是製冷，但在生產與改進的過程中，開利卻對運用「蒸發吸熱」與「凝結散熱」的物理原理更為得心應手，空調的作用也因為市場需求而轉向冷氣功能。到了1920年代以後，空調設計不僅已將早期的冷卻水改為吸熱效果更好的化學冷媒，更確定了我們至今仍在使用的「蒸氣壓縮製冷」設計。

蒸氣壓縮製冷是冰箱、冷氣空調的基本設計，其原理是在封閉金屬管路中注入沸點低的「冷媒」。在冷凍循環系統中，冷媒先是在壓縮機被壓縮，因此冷媒溫度和壓力升高為氣態。然後，透過冷凝器將氣態冷媒冷凝為中溫高壓狀態後，流入膨脹閥中被節流降壓，形成低溫低壓的液態。而低溫冷媒在蒸發器中吸收室內的熱量，變為高溫冷媒，再返回壓縮機，即完成蒸氣壓縮循環。

其中，低溫低壓冷媒在蒸發器中的變化過程，會吸收大量室內熱能，因此就可以產出冷氣，維持室內的舒適環境。

在開利設計空調的初期，曾使用氨（NH₃）來當冷媒，但氨易燃、有腐蝕性與刺鼻的味道，並不適合民生家電使用，因此美國科學家米基利（Thomas Midgley Jr.）等人才在1928年合成出了更安全、便宜的新一代合成冷媒：氟氯碳化物（CFCs），世界上第一種不易燃的製冷劑。

氟氯碳化物作為冷媒的出現，促使空調從工廠走入了家庭。隨著第二次世界大戰的結束，美國經濟起飛、人口暴增的黃金時期，更成為家家戶戶都可擁有、象徵科技進步的平民電器。

臭氧層破洞、全球暖化，都是冷氣的涼爽代價

空調在二戰之後的普及，讓人類的生活型態出現了驚人的改變──安裝冷氣的商場、電影院，豐富了人們的娛樂選擇；安裝了冷氣的汽車，讓長途駕駛變得更加輕鬆舒適；安裝了冷氣的辦公室，勞工的工作精神更為集中；安裝了冷氣的住宅，讓原本炎熱潮濕的熱帶地區也變得乾爽宜人，進而擴張了人類生活的選擇與勢力範圍。

但空調給人類帶來的舒適生活與文明演變，卻也給地球造成了慘痛而不可逆的傷害代價。

1970年代，科學家們發現南極上空的臭氧層，每年春夏都會迅速減薄，而且一年比一年嚴重。到了1985年，英國南極調查局（British Antarctic Survey, BAS）更藉由科學證據與歷史資料，證實南極上空出現了「臭氧層破洞」，而造成此一現象的元兇之一，即是常用於空調冷媒的氟氯碳化物。

諾貝爾化學獎得主──墨西哥化學家莫利納（Mario Molina）和美國化學家羅蘭德（F. Sherwood Rowland）——共同發現，製造與使用過程中被排放到大氣的氟氯碳化物，在上升到高空的平流層後，會因為照射紫外線輻射而分解，釋放出氯原子（Cl）。但氯原子會跟臭氧（O₃）作用，並將臭氧分解生成氧氣（O₂）和氧化氯（ClO），而氧化氯在高空中又會因為氣溫與紫外線輻射的關係，繼續被分解成氯原子。無限循環之下，臭氧層中的臭氧就因此快速被分解，進而出現臭氧層破洞。

臭氧層破洞，原本應該被阻擋在大氣層之外的紫外線進入地球，進而增加人類罹癌與患病的風險，並為地球的生態與生物多樣性帶來嚴重傷害。為此，國際社會連忙在1987年通過了《蒙特婁議定書》（Montreal Protocol），約定禁用氟氯碳化物。而家電空調使用的冷媒，自此也全面改用不會傷害臭氧的氫氟碳化物（HFCs）。

但作為下一代冷媒的氫氟碳化物，卻給地球帶來更嚴重的威脅。因為科學家在1990年代發現，氫氟碳化物是極為強大的溫室氣體，其造成的溫室效應的威力甚至是二氧化碳（CO₂）的百倍、甚至千倍以上。

為了減緩全球暖化的腳步，自從2000年開始，世界各國就紛紛討論限制使用，或改進氫氟碳化物冷媒的合成方式，以求盡可能減少溫室氣體的排放；同時，空調工程師們也設計出了兼顧節能與製冷效率的變頻冷氣，並積極尋找更新一代「綠色冷媒」與更永續的「環保冷氣」。

像是美國哈佛大學的研究團隊就希望透過特殊的建築材料，打造一個不需冷媒與壓縮機，就能藉由水冷循環的蒸發冷卻系統來讓室內降溫。美國富豪比爾・蓋茲（Bill Gates）旗下的環保新創公司Blue Frontier，更提出了一種使用濃縮鹽溶液作為環保替代冷媒的方案，希望把冷氣打造成電池一樣的「儲冷系統」，好讓下一代的人類能夠在不傷害大自然的狀況下，繼續舒服、健康且環保地度過每一個大熱天。