系統(tǒng)生態(tài)學(xué)下建筑系統(tǒng)的能量發(fā)展

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摘要:通過熱力學(xué)原理到系統(tǒng)生態(tài)學(xué)理論發(fā)展過程中與能量相關(guān)概念的解析，指出當(dāng)前建筑系統(tǒng)能量發(fā)展的局限性?；谙到y(tǒng)生態(tài)學(xué)理論，通過生態(tài)圈尺度下建筑系統(tǒng)的能量分析，總結(jié)提出了建筑系統(tǒng)在能量發(fā)展中的最大功率、能量層級轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換、信息反饋增強等原則，為整體高性能的能量設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:熱力學(xué)；系統(tǒng)生態(tài)學(xué)；建筑系統(tǒng)；能量發(fā)展；最大功率

前言：

我們所處的環(huán)境是由不同物種組成的生態(tài)系統(tǒng)——包括人類團(tuán)體長期以來經(jīng)過多種安排組合而生成的物質(zhì)結(jié)果，每一組成部分都需要消耗一定能量以實現(xiàn)其特定目的?？梢哉f，地球上所有的物質(zhì)和過程都可以追溯為能量。系統(tǒng)生態(tài)學(xué)視野下，系統(tǒng)可分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)三種類型。如果把我們未知的整個宇宙視為孤立系統(tǒng)的話，地球生物圈系統(tǒng)可以視為以太陽為主要能量來源的開放系統(tǒng)，無時無刻不進(jìn)行著大量的能量流動和物質(zhì)代謝。隨著科學(xué)技術(shù)和智能的不斷提高，人類在整個生物圈系統(tǒng)的生態(tài)位不斷擴充。物種之間自然選擇的緩慢過程已經(jīng)被人類的快速適應(yīng)策略所取代。當(dāng)前，建筑師應(yīng)該以生態(tài)學(xué)家的開放視野來觀察建筑系統(tǒng)，將其視為整個生態(tài)圈能量循環(huán)和物質(zhì)代謝系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，將建筑的全壽命周期納入到生態(tài)系統(tǒng)的大循環(huán)中進(jìn)行考量，在構(gòu)成建筑環(huán)境的能源、材料和信息的熱力學(xué)中進(jìn)行解析。

1熱力學(xué)原理

工業(yè)革命以來，在實踐經(jīng)驗和物理實驗的基礎(chǔ)上，在物理學(xué)和物理化學(xué)中逐步建立和補充完善了熱力學(xué)的四條基本定律。熱力學(xué)第零定律作為溫度的定義和熱過程發(fā)生的判別條件提出最晚，是熱力學(xué)三大定律的理論基礎(chǔ)。第零定律作為一條補充定律，除基礎(chǔ)理論價值外，實踐意義較小，其表述為“如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡”。熱力學(xué)第一定律為能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，其表述為“做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能，當(dāng)改變內(nèi)能的這兩種方式同時存在的情況下，系統(tǒng)的內(nèi)能的增量等于在這個過程中外界對系統(tǒng)所做的功和系統(tǒng)所吸收的熱量總和”。熱力學(xué)第二定律是隨著熱機效率的研究而逐步完成的，具有不同的表述形式。開爾文（LardKelvin）表述為不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)變成功而不產(chǎn)生其他影響；而克勞修斯（R.Clausius）表述為熱量不可能從低溫?zé)嵩磦魉偷礁邷責(zé)嵩炊划a(chǎn)生其他變化。熱力學(xué)第二定律表明熵的存在、熱能完全轉(zhuǎn)化為機械能的不可能性及自然界一切自發(fā)過程將不可逆地轉(zhuǎn)化為熵。熱力學(xué)第三定律為能斯特（W.H.Nernst）通過實驗和驗算所得出，表述為“不可能通過有限的循環(huán)過程，使物體冷到絕對零度”，即絕對零度不可能達(dá)到。我們的生態(tài)圈無時無刻不在直接或間接地消解著來自太陽的能量，在這個能量轉(zhuǎn)化過程中，人類和自然界逐漸建立了秩序，同時也是一個持續(xù)熵增的過程。如果說，熱力學(xué)中能量轉(zhuǎn)化和守恒的第一定律是自然界的普遍法則的話，表明熵的存在的第二定律則描述了我們整個自然生態(tài)系統(tǒng)的運行機制。正如生態(tài)學(xué)家尤蘭維奇（RobertE.Ulanowicz）所說，“和所有其他處理耗散系統(tǒng)的學(xué)科一樣，生態(tài)學(xué)也沒有違反第一定律，它只是沒有告訴我們系統(tǒng)是如何運行的，而那才是非常有趣的?！?/p>

2從熱力學(xué)到系統(tǒng)生態(tài)學(xué)——能量概念的拓展

澄清能量、熵、㶲的概念涵義對于明確其于建筑系統(tǒng)中能量的概念具有基礎(chǔ)意義。能量一般是指一種系統(tǒng)狀態(tài)向周圍環(huán)境做功的能力的統(tǒng)稱。它通常并未指定能量的具體性質(zhì)和種類，在建筑師的一般使用中造成了一定程度的混淆。熵、㶲和能值的概念進(jìn)一步明確了能量性質(zhì)、數(shù)量和質(zhì)量。一般來說，能量既包含了能用于做功的能量和并不能用于做功的能量，這為能量質(zhì)的區(qū)別。熵指的是系統(tǒng)中不能用于轉(zhuǎn)化為功的能量，尼古拉斯•喬治庫斯•羅根（NicholasGeorgescu-Roegen）指出“熵是一個孤立結(jié)構(gòu)中所束縛的能量相對數(shù)量的指標(biāo)，或更確切地說是能量在此種結(jié)構(gòu)中均衡分布程度的指標(biāo)”。在孤立系統(tǒng)中，熵總傾向于最大化，能量系統(tǒng)總傾向于平衡態(tài)。而作為開放系統(tǒng)的建筑能量系統(tǒng)設(shè)計的根本就在于使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)和高熵狀態(tài)，使它做功。㶲指系統(tǒng)中可用于做功的有用能量，它是系統(tǒng)進(jìn)入與環(huán)境平衡狀態(tài)前系統(tǒng)可能做的最大有用功的測度。系統(tǒng)中㶲的大小取決于系統(tǒng)及其周圍環(huán)境的平衡程度，當(dāng)它們進(jìn)入平衡態(tài)時，系統(tǒng)可做的有用功為零。建筑中的能量系統(tǒng)一般是在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的環(huán)境中運行的；這也是當(dāng)前將建筑視為孤立系統(tǒng)，片面追求“零能耗”最大問題。能值是生態(tài)學(xué)家奧德姆（H.T.Odum）在80-90年代為追蹤能量流動、劃分能量質(zhì)量和突破各種性質(zhì)有效能（㶲）流、服務(wù)流、經(jīng)濟流等之間不可統(tǒng)一度量的壁壘而創(chuàng)立的一個概念，它是系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的核心概念和能量系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。作為有效能（㶲）流統(tǒng)一的測度標(biāo)準(zhǔn)，能值是指一種能量流中所包含的另一種類別能量的數(shù)量，稱為該能量的能值。地球上的任何能量、資源、產(chǎn)品或勞務(wù)形成所需的能量約有98%直接或間接地源于太陽能，因而以太陽能的能值——太陽能焦耳為基本單位來衡量其他形式的能量、資源、產(chǎn)品或勞務(wù)等能值大??；另外，這還涉及到能值轉(zhuǎn)化率的概念。能值轉(zhuǎn)化率是指形成每個單位的某種能量（物質(zhì)、信息和服務(wù)）所需要的另一種有效能（㶲）的數(shù)量。對于自然與經(jīng)濟系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換中不便用能值轉(zhuǎn)換率進(jìn)行轉(zhuǎn)換測度的能流，則采取推算當(dāng)年該國貨幣能值的方法，即某國家（地區(qū)）全年能值應(yīng)用總量與當(dāng)年該國國民生產(chǎn)總值的比，推算出其能值后進(jìn)行統(tǒng)一比較分析。能值與貨幣的比值既是衡量貨幣實際購買力的標(biāo)準(zhǔn)，也可視為貨幣的能值。能值這一概念突破了各種有效能（㶲）流、物質(zhì)、信息、產(chǎn)品和服務(wù)等之間的壁壘，實現(xiàn)了它們之間相互比較的可能。

3系統(tǒng)生態(tài)學(xué)視野下建筑系統(tǒng)的能量發(fā)展研究

系統(tǒng)生態(tài)學(xué)是奧德姆（H.T.Odum）在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上、以整體系統(tǒng)論的角度、借鑒林德曼（R.L.Lindeman）在生態(tài)系統(tǒng)中建立起的能量流價值層級結(jié)構(gòu)研究方法和工業(yè)系統(tǒng)中描述系統(tǒng)的圖示語言而創(chuàng)立的以能量流動、能量層級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖示（能量系統(tǒng)語言）以及突破能量內(nèi)部之間和能量與經(jīng)濟、信息之間壁壘的能量成本統(tǒng)一核算（能值）的研究方法來研究生態(tài)系統(tǒng)的。

3.1最大功率

奧德姆（H.T.Odum）觀察到自然世界的一個生動現(xiàn)實是，任何生物和人為過程都不能以他們期待的最高效率運行。自然系統(tǒng)中存在犧牲效率以獲得更多功率輸出的一般趨勢。所謂功率是指做功、能量消耗的速度及單位時間內(nèi)通過有用能量流的數(shù)量；最大功率是在自組織過程中，由于系統(tǒng)的發(fā)展使能量攝入和轉(zhuǎn)化的最大化。奧德姆（H.T.Odum）列舉了各種能量使用率與其驅(qū)動動力或人口成比例的自然和技術(shù)先例，證明最大功率發(fā)生在中間效率水平。在可用能量豐富的環(huán)境中，犧牲效率獲取功率；而在資源匱乏環(huán)境中，效率便成為更為行之有效的策略。從系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的角度來看，“適者生存”指可以在單位時間內(nèi)最大限度地支配有效能源的形式持久性。在建筑系統(tǒng)的能量發(fā)展中，往往過度關(guān)注系統(tǒng)的能量效率問題。能量效率是所做的有用功與投入的有效能（㶲）之間的比值，在建筑中通常意味著以最小的能量投入來做同樣的功。對能量效率的強調(diào)通常會導(dǎo)致建筑系統(tǒng)最小化能量數(shù)量的投入和子系統(tǒng)的效率優(yōu)化，這不僅與最大功率背道而馳，而且各個子系統(tǒng)間的相互抵消和沖突也不能使系統(tǒng)整體達(dá)到最優(yōu)化。哈布瑞肯(JohnHabraken)于上世紀(jì)60年代提出的“支撐體”理論中建筑系統(tǒng)“層”的概念就解釋了這一點。根據(jù)他的描述，建筑系統(tǒng)可分為場地、結(jié)構(gòu)、表皮、設(shè)備、空間計劃和陳設(shè)等不同的層，各層有不同的使用壽命，子系統(tǒng)的最大效率無法實現(xiàn)整體系統(tǒng)的最優(yōu)化。譬如，如果最大化延長設(shè)備層中的管道和線路的壽命可以實現(xiàn)其最大效率，但是，由于線路老化產(chǎn)生的該系統(tǒng)引導(dǎo)的能源浪費要遠(yuǎn)大于與其物理基礎(chǔ)設(shè)施更換的價值（能值），可見，層與層之間的相互作用與層內(nèi)部的相互作用同等重要，只有各層在中間效率水平狀態(tài)下才能使建筑系統(tǒng)最優(yōu)化。事實上，建筑物各性能之間的相互作用強化了建筑物作為整體系統(tǒng)運行的特點，任何單一性能策略——增加圍護(hù)材料的絕熱值、安裝高質(zhì)量窗戶、安裝高質(zhì)量設(shè)備等會達(dá)到一定的系統(tǒng)的能效閾值，超過此閾值后，就會產(chǎn)生舒適度降低或成本增加的整體效能的降低，且需要通過補償策略進(jìn)行抵消，得不償失。

3.2能量層級轉(zhuǎn)換

對于系統(tǒng)的發(fā)展而言，沒有簡單的限制，只有復(fù)雜的轉(zhuǎn)換閾值。能量層級轉(zhuǎn)換可以隨著時間的推移發(fā)展，并取得成功，是因為它們最大化了有用能量的流動。如果我們將最大功率原則稱為“終極因”或自組織系統(tǒng)的選擇目標(biāo)，能量轉(zhuǎn)換層級結(jié)構(gòu)則是一種“形式因”，即系統(tǒng)在存在可用能源條件下的一種演化組織形式。建筑運營中的一個簡單例子就是用于加熱或烹飪的燃料（如煤炭）的能值不同于用于驅(qū)動電動機或電子設(shè)備的電力的能值。電能的特殊性在于：首先，在其生產(chǎn)和輸送過程中使用了更多勢能；其次，電能是更加清潔、集中，且形式更為靈活。我們通常是通過燃燒燃料生產(chǎn)電能，燃燒過程中轉(zhuǎn)化效率約為35％，也就是說，建筑物中每使用一單位電能，需要電廠燃燒三個單位的燃料。顯然，電能和燃料在不同的能量層級，前者要高于后者。當(dāng)前，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人類生活水平的提高，電能的使用原來越廣泛。這種趨勢表明了建筑系統(tǒng)能量層級的轉(zhuǎn)換，增加了有用能量的流動，驗證了最大功率原則。

3.3物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換

能量循環(huán)和物質(zhì)代謝是密不可分的，在自組織系統(tǒng)中，物質(zhì)將按照追蹤能量轉(zhuǎn)換層級結(jié)構(gòu)的濃度和強度層級進(jìn)行組織。我們可以通過追蹤單一材料（例如鐵）的濃度來理解物質(zhì)濃度的轉(zhuǎn)換策略。地球生物圈中的大部分鐵元素濃度是彌散的，但是通過地質(zhì)和生物循環(huán)消耗的能量將少量的鐵聚集在濃縮的混合物——礦石中，隨著耗費更多能量的開采和提煉行為，進(jìn)一步強化了鐵的物質(zhì)濃度?？梢?，隨著物質(zhì)濃度的每次增加，都需要更多的能量，而且，一些物質(zhì)濃度變高，便會產(chǎn)生更高濃度和能值的物質(zhì)濃度層級結(jié)構(gòu)。與能量層級的轉(zhuǎn)換緊密相關(guān)的物質(zhì)濃度的轉(zhuǎn)換有助于分析建筑物中物質(zhì)和燃料之間的相互作用以及城市中心高濃度與郊區(qū)低強度土地使用之間的相互作用，它們都可以通過物質(zhì)濃度的轉(zhuǎn)換原則來檢測。

3.4信息反饋增強

建筑系統(tǒng)能量發(fā)展中的最大功率、能量層級轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換原則的實現(xiàn)離不開信息反饋增強的實現(xiàn)。信息反饋增強是指具有增強系統(tǒng)功率的能值逆能量系統(tǒng)的等級結(jié)構(gòu)流通，從而使之功率提高的現(xiàn)象，是自組織系統(tǒng)反饋環(huán)境信息調(diào)整優(yōu)化自身能量結(jié)構(gòu)的方式。

4結(jié)論

事實上，消耗資源是人類和自然系統(tǒng)的共同特征，大多數(shù)情況下，更高的效率反而加快了能源消費的增長，而非減少其增長。人類有巨大的可用能梯度，入射太陽每年可以為地球提供16萬太瓦的㶲，而人類一年只消耗大約16太瓦的㶲，從這個意義上說，聲稱能源短缺并不合理。因此，基于系統(tǒng)生態(tài)學(xué)理論，生態(tài)圈尺度下建筑系統(tǒng)的最大功率、能量層級轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換、信息反饋增強等原則闡釋了建筑系統(tǒng)能量整體優(yōu)化的運行機制，進(jìn)而使體現(xiàn)建筑整體環(huán)境性能的高效建筑設(shè)計成為可能?？沙掷m(xù)生態(tài)環(huán)境原則從關(guān)注稀缺個體的效率目標(biāo)轉(zhuǎn)移到了整個生態(tài)系統(tǒng)所尋求的生產(chǎn)力，這一變化改變了建筑系統(tǒng)能量設(shè)計的本質(zhì)。正如巴塔伊（Bataille）所說的，建筑系統(tǒng)的能量發(fā)展只有在我們巨大的當(dāng)代財富積累中才能被理解。

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作者:鄭斐 劉甦 單位:山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院