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(guò)熱力學(xué)原理到系統(tǒng)生態(tài)學(xué)理論發(fā)展過(guò)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。基于系統(tǒng)生態(tài)學(xué)理論，通過(guò)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(jí)轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換、信息反饋增強(qiáng)等原則，為整體高性能的能量設(shè)計(jì)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(lèi)團(tuán)體長(zhǎng)期以來(lái)經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)其特定目的?？梢哉f(shuō)，地球上所有的物質(zhì)和過(guò)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(kāi)放系統(tǒng)三種類(lèi)型。如果把我們未知的整個(gè)宇宙視為孤立系統(tǒng)的話(huà)，地球生物圈系統(tǒng)可以視為以太陽(yáng)為主要能量來(lái)源的開(kāi)放系統(tǒng)，無(wú)時(shí)無(wú)刻不進(jìn)行著大量的能量流動(dòng)和物質(zhì)代謝。隨著科學(xué)技術(shù)和智能的不斷提高，人類(lèi)在整個(gè)生物圈系統(tǒng)的生態(tài)位不斷擴(kuò)充。物種之間自然選擇的緩慢過(guò)程已經(jīng)被人類(lèi)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(kāi)放視野來(lái)觀察建筑系統(tǒng)，將其視為整個(gè)生態(tài)圈能量循環(huán)和物質(zhì)代謝系統(tǒng)中的一個(gè)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(lái)，在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在物理學(xué)和物理化學(xué)中逐步建立和補(bǔ)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(guò)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(bǔ)充定律，除基礎(chǔ)理論價(jià)值外，實(shí)踐意義較小，其表述為“如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)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(shí)存在的情況下，系統(tǒng)的內(nèi)能的增量等于在這個(gè)過(guò)程中外界對(duì)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(jī)效率的研究而逐步完成的，具有不同的表述形式。開(kāi)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(jī)械能的不可能性及自然界一切自發(fā)過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)算所得出，表述為“不可能通過(guò)有限的循環(huán)過(guò)程，使物體冷到絕對(duì)零度”，即絕對(duì)零度不可能達(dá)到。我們的生態(tài)圈無(wú)時(shí)無(wú)刻不在直接或間接地消解著來(lái)自太陽(yáng)的能量，在這個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，人類(lèi)和自然界逐漸建立了秩序，同時(shí)也是一個(gè)持續(xù)熵增的過(guò)程。如果說(shuō)，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(huà)，表明熵的存在的第二定律則描述了我們整個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。正如生態(tài)學(xué)家尤蘭維奇（RobertE.Ulanowicz）所說(shuō)，“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(méi)有違反第一定律，它只是沒(méi)有告訴我們系統(tǒng)是如何運(yùn)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(duì)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?chē)h(huán)境做功的能力的統(tǒng)稱(chēng)。它通常并未指定能量的具體性質(zhì)和種類(lèi)，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(lái)說(shuō)，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(kù)斯•羅根（NicholasGeorgescu-Roegen）指出“熵是一個(gè)孤立結(jié)構(gòu)中所束縛的能量相對(duì)數(shù)量的指標(biāo)，或更確切地說(shuō)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(kāi)放系統(tǒng)的建筑能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)度。系統(tǒng)中㶲的大小取決于系統(tǒng)及其周?chē)h(huán)境的平衡程度，當(dāng)它們進(jìn)入平衡態(tài)時(shí)，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(yùn)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(wèn)題。能值是生態(tài)學(xué)家?jiàn)W德姆（H.T.Odum）在80-90年代為追蹤能量流動(dòng)、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(jì)流等之間不可統(tǒng)一度量的壁壘而創(chuàng)立的一個(gè)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(cè)度標(biāo)準(zhǔn)，能值是指一種能量流中所包含的另一種類(lèi)別能量的數(shù)量，稱(chēng)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(yáng)能，因而以太陽(yáng)能的能值——太陽(yáng)能焦耳為基本單位來(lái)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(gè)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(duì)于自然與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換中不便用能值轉(zhuǎn)換率進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)度的能流，則采取推算當(dāng)年該國(guó)貨幣能值的方法，即某國(guó)家（地區(qū)）全年能值應(yīng)用總量與當(dāng)年該國(guó)國(guó)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(shí)際購(gòu)買(mǎi)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(shí)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(jià)值層級(jí)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(yǔ)言而創(chuàng)立的以能量流動(dòng)、能量層級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖示（能量系統(tǒng)語(yǔ)言）以及突破能量?jī)?nèi)部之間和能量與經(jīng)濟(jì)、信息之間壁壘的能量成本統(tǒng)一核算（能值）的研究方法來(lái)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(gè)生動(dòng)現(xiàn)實(shí)是，任何生物和人為過(guò)程都不能以他們期待的最高效率運(yùn)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(shì)。所謂功率是指做功、能量消耗的速度及單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)有用能量流的數(shù)量；最大功率是在自組織過(guò)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(dòng)動(dòng)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(lái)看，“適者生存”指可以在單位時(shí)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(guò)度關(guān)注系統(tǒng)的能量效率問(wèn)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(lái)做同樣的功。對(duì)能量效率的強(qiáng)調(diào)通常會(huì)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(gè)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(diǎn)。根據(jù)他的描述，建筑系統(tǒng)可分為場(chǎng)地、結(jié)構(gòu)、表皮、設(shè)備、空間計(jì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的最優(yōu)化。譬如，如果最大化延長(zhǎng)設(shè)備層中的管道和線路的壽命可以實(shí)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(fèi)要遠(yuǎn)大于與其物理基礎(chǔ)設(shè)施更換的價(jià)值（能值），可見(jiàn)，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(shí)上，建筑物各性能之間的相互作用強(qiáng)化了建筑物作為整體系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，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(hù)、安裝高質(zhì)量設(shè)備等會(huì)達(dá)到一定的系統(tǒng)的能效閾值，超過(guò)此閾值后，就會(huì)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(guò)補(bǔ)償策略進(jìn)行抵消，得不償失。

3.2能量層級(jí)轉(zhuǎn)換

對(duì)于系統(tǒng)的發(fā)展而言，沒(méi)有簡(jiǎn)單的限制，只有復(fù)雜的轉(zhuǎn)換閾值。能量層級(jí)轉(zhuǎn)換可以隨著時(shí)間的推移發(fā)展，并取得成功，是因?yàn)樗鼈冏畲蠡擞杏媚芰康牧鲃?dòng)。如果我們將最大功率原則稱(chēng)為“終極因”或自組織系統(tǒng)的選擇目標(biāo)，能量轉(zhuǎn)換層級(jí)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(yùn)營(yíng)中的一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)電動(dòng)機(jī)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(guò)程中使用了更多勢(shì)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(guò)燃燒燃料生產(chǎn)電能，燃燒過(guò)程中轉(zhuǎn)化效率約為35％，也就是說(shuō)，建筑物中每使用一單位電能，需要電廠燃燒三個(gè)單位的燃料。顯然，電能和燃料在不同的能量層級(jí)，前者要高于后者。當(dāng)前，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)生活水平的提高，電能的使用原來(lái)越廣泛。這種趨勢(shì)表明了建筑系統(tǒng)能量層級(jí)的轉(zhuǎn)換，增加了有用能量的流動(dòng)，驗(yàn)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(jí)結(jié)構(gòu)的濃度和強(qiáng)度層級(jí)進(jìn)行組織。我們可以通過(guò)追蹤單一材料（例如鐵）的濃度來(lái)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(guò)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(fèi)更多能量的開(kāi)采和提煉行為，進(jìn)一步強(qiáng)化了鐵的物質(zhì)濃度。可見(jiàn)，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(huì)產(chǎn)生更高濃度和能值的物質(zhì)濃度層級(jí)結(jié)構(gòu)。與能量層級(jí)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(qiáng)度土地使用之間的相互作用，它們都可以通過(guò)物質(zhì)濃度的轉(zhuǎn)換原則來(lái)檢測(cè)。

3.4信息反饋增強(qiáng)

建筑系統(tǒng)能量發(fā)展中的最大功率、能量層級(jí)轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換原則的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)信息反饋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)。信息反饋增強(qiáng)是指具有增強(qiáng)系統(tǒng)功率的能值逆能量系統(tǒng)的等級(jí)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(shí)上，消耗資源是人類(lèi)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(fèi)的增長(zhǎng)，而非減少其增長(zhǎng)。人類(lèi)有巨大的可用能梯度，入射太陽(yáng)每年可以為地球提供16萬(wàn)太瓦的㶲，而人類(lèi)一年只消耗大約16太瓦的㶲，從這個(gè)意義上說(shuō)，聲稱(chēng)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(jí)轉(zhuǎn)換、物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換、信息反饋增強(qiáng)等原則闡釋了建筑系統(tǒng)能量整體優(yōu)化的運(yùn)行機(jī)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(jì)成為可能?？沙掷m(xù)生態(tài)環(huán)境原則從關(guān)注稀缺個(gè)體的效率目標(biāo)轉(zhuǎn)移到了整個(gè)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(jì)的本質(zhì)。正如巴塔伊（Bataille）所說(shuō)的，建筑系統(tǒng)的能量發(fā)展只有在我們巨大的當(dāng)代財(cái)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