系统生态学下建筑系统的能量发展

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摘要:通过热力学原理到系统生态学理论发展过程中与能量相关概念的解析，指出当前建筑系统能量发展的局限性。基于系统生态学理论，通过生态圈尺度下建筑系统的能量分析，总结提出了建筑系统在能量发展中的最大功率、能量层级转换、物质浓度转换、信息反馈增强等原则，为整体高性能的能量设计奠定基础。

关键词:热力学；系统生态学；建筑系统；能量发展；最大功率

前言：

我们所处的环境是由不同物种组成的生态系统——包括人类团体长期以来经过多种安排组合而生成的物质结果，每一组成部分都需要消耗一定能量以实现其特定目的。可以说，地球上所有的物质和过程都可以追溯为能量。系统生态学视野下，系统可分为孤立系统、封闭系统和开放系统三种类型。如果把我们未知的整个宇宙视为孤立系统的话，地球生物圈系统可以视为以太阳为主要能量来源的开放系统，无时无刻不进行着大量的能量流动和物质代谢。随着科学技术和智能的不断提高，人类在整个生物圈系统的生态位不断扩充。物种之间自然选择的缓慢过程已经被人类的快速适应策略所取代。当前，建筑师应该以生态学家的开放视野来观察建筑系统，将其视为整个生态圈能量循环和物质代谢系统中的一个子系统，将建筑的全寿命周期纳入到生态系统的大循环中进行考量，在构成建筑环境的能源、材料和信息的热力学中进行解析。

1热力学原理

工业革命以来，在实践经验和物理实验的基础上，在物理学和物理化学中逐步建立和补充完善了热力学的四条基本定律。热力学第零定律作为温度的定义和热过程发生的判别条件提出最晚，是热力学三大定律的理论基础。第零定律作为一条补充定律，除基础理论价值外，实践意义较小，其表述为“如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡”。热力学第一定律为能量转化和守恒定律，其表述为“做功和热传递都可以改变系统的内能，当改变内能的这两种方式同时存在的情况下，系统的内能的增量等于在这个过程中外界对系统所做的功和系统所吸收的热量总和”。热力学第二定律是随着热机效率的研究而逐步完成的，具有不同的表述形式。开尔文（LardKelvin）表述为不可能从单一热源吸收热量，使之完全转变成功而不产生其他影响；而克劳修斯（R.Clausius）表述为热量不可能从低温热源传送到高温热源而不产生其他变化。热力学第二定律表明熵的存在、热能完全转化为机械能的不可能性及自然界一切自发过程将不可逆地转化为熵。热力学第三定律为能斯特（W.H.Nernst）通过实验和验算所得出，表述为“不可能通过有限的循环过程，使物体冷到绝对零度”，即绝对零度不可能达到。我们的生态圈无时无刻不在直接或间接地消解着来自太阳的能量，在这个能量转化过程中，人类和自然界逐渐建立了秩序，同时也是一个持续熵增的过程。如果说，热力学中能量转化和守恒的第一定律是自然界的普遍法则的话，表明熵的存在的第二定律则描述了我们整个自然生态系统的运行机制。正如生态学家尤兰维奇（RobertE.Ulanowicz）所说，“和所有其他处理耗散系统的学科一样，生态学也没有违反第一定律，它只是没有告诉我们系统是如何运行的，而那才是非常有趣的。”

2从热力学到系统生态学——能量概念的拓展

澄清能量、熵、㶲的概念涵义对于明确其于建筑系统中能量的概念具有基础意义。能量一般是指一种系统状态向周围环境做功的能力的统称。它通常并未指定能量的具体性质和种类，在建筑师的一般使用中造成了一定程度的混淆。熵、㶲和能值的概念进一步明确了能量性质、数量和质量。一般来说，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，这为能量质的区别。熵指的是系统中不能用于转化为功的能量，尼古拉斯•乔治库斯•罗根（NicholasGeorgescu-Roegen）指出“熵是一个孤立结构中所束缚的能量相对数量的指标，或更确切地说是能量在此种结构中均衡分布程度的指标”。在孤立系统中，熵总倾向于最大化，能量系统总倾向于平衡态。而作为开放系统的建筑能量系统设计的根本就在于使系统远离平衡态和高熵状态，使它做功。㶲指系统中可用于做功的有用能量，它是系统进入与环境平衡状态前系统可能做的最大有用功的测度。系统中㶲的大小取决于系统及其周围环境的平衡程度，当它们进入平衡态时，系统可做的有用功为零。建筑中的能量系统一般是在远离平衡态的环境中运行的；这也是当前将建筑视为孤立系统，片面追求“零能耗”最大问题。能值是生态学家奥德姆（H.T.Odum）在80-90年代为追踪能量流动、划分能量质量和突破各种性质有效能（㶲）流、服务流、经济流等之间不可统一度量的壁垒而创立的一个概念，它是系统生态学的核心概念和能量系统分析的基础。作为有效能（㶲）流统一的测度标准，能值是指一种能量流中所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值。地球上的任何能量、资源、产品或劳务形成所需的能量约有98%直接或间接地源于太阳能，因而以太阳能的能值——太阳能焦耳为基本单位来衡量其他形式的能量、资源、产品或劳务等能值大小；另外，这还涉及到能值转化率的概念。能值转化率是指形成每个单位的某种能量（物质、信息和服务）所需要的另一种有效能（㶲）的数量。对于自然与经济系统的转换中不便用能值转换率进行转换测度的能流，则采取推算当年该国货币能值的方法，即某国家（地区）全年能值应用总量与当年该国国民生产总值的比，推算出其能值后进行统一比较分析。能值与货币的比值既是衡量货币实际购买力的标准，也可视为货币的能值。能值这一概念突破了各种有效能（㶲）流、物质、信息、产品和服务等之间的壁垒，实现了它们之间相互比较的可能。

3系统生态学视野下建筑系统的能量发展研究

系统生态学是奥德姆（H.T.Odum）在热力学基本定律的基础上、以整体系统论的角度、借鉴林德曼（R.L.Lindeman）在生态系统中建立起的能量流价值层级结构研究方法和工业系统中描述系统的图示语言而创立的以能量流动、能量层级结构系统图示（能量系统语言）以及突破能量内部之间和能量与经济、信息之间壁垒的能量成本统一核算（能值）的研究方法来研究生态系统的。

3.1最大功率

奥德姆（H.T.Odum）观察到自然世界的一个生动现实是，任何生物和人为过程都不能以他们期待的最高效率运行。自然系统中存在牺牲效率以获得更多功率输出的一般趋势。所谓功率是指做功、能量消耗的速度及单位时间内通过有用能量流的数量；最大功率是在自组织过程中，由于系统的发展使能量摄入和转化的最大化。奥德姆（H.T.Odum）列举了各种能量使用率与其驱动动力或人口成比例的自然和技术先例，证明最大功率发生在中间效率水平。在可用能量丰富的环境中，牺牲效率获取功率；而在资源匮乏环境中，效率便成为更为行之有效的策略。从系统生态学的角度来看，“适者生存”指可以在单位时间内最大限度地支配有效能源的形式持久性。在建筑系统的能量发展中，往往过度关注系统的能量效率问题。能量效率是所做的有用功与投入的有效能（㶲）之间的比值，在建筑中通常意味着以最小的能量投入来做同样的功。对能量效率的强调通常会导致建筑系统最小化能量数量的投入和子系统的效率优化，这不仅与最大功率背道而驰，而且各个子系统间的相互抵消和冲突也不能使系统整体达到最优化。哈布瑞肯(JohnHabraken)于上世纪60年代提出的“支撑体”理论中建筑系统“层”的概念就解释了这一点。根据他的描述，建筑系统可分为场地、结构、表皮、设备、空间计划和陈设等不同的层，各层有不同的使用寿命，子系统的最大效率无法实现整体系统的最优化。譬如，如果最大化延长设备层中的管道和线路的寿命可以实现其最大效率，但是，由于线路老化产生的该系统引导的能源浪费要远大于与其物理基础设施更换的价值（能值），可见，层与层之间的相互作用与层内部的相互作用同等重要，只有各层在中间效率水平状态下才能使建筑系统最优化。事实上，建筑物各性能之间的相互作用强化了建筑物作为整体系统运行的特点，任何单一性能策略——增加围护材料的绝热值、安装高质量窗户、安装高质量设备等会达到一定的系统的能效阈值，超过此阈值后，就会产生舒适度降低或成本增加的整体效能的降低，且需要通过补偿策略进行抵消，得不偿失。

3.2能量层级转换

对于系统的发展而言，没有简单的限制，只有复杂的转换阈值。能量层级转换可以随着时间的推移发展，并取得成功，是因为它们最大化了有用能量的流动。如果我们将最大功率原则称为“终极因”或自组织系统的选择目标，能量转换层级结构则是一种“形式因”，即系统在存在可用能源条件下的一种演化组织形式。建筑运营中的一个简单例子就是用于加热或烹饪的燃料（如煤炭）的能值不同于用于驱动电动机或电子设备的电力的能值。电能的特殊性在于：首先，在其生产和输送过程中使用了更多势能；其次，电能是更加清洁、集中，且形式更为灵活。我们通常是通过燃烧燃料生产电能，燃烧过程中转化效率约为35％，也就是说，建筑物中每使用一单位电能，需要电厂燃烧三个单位的燃料。显然，电能和燃料在不同的能量层级，前者要高于后者。当前，随着技术的进步和人类生活水平的提高，电能的使用原来越广泛。这种趋势表明了建筑系统能量层级的转换，增加了有用能量的流动，验证了最大功率原则。

3.3物质浓度转换

能量循环和物质代谢是密不可分的，在自组织系统中，物质将按照追踪能量转换层级结构的浓度和强度层级进行组织。我们可以通过追踪单一材料（例如铁）的浓度来理解物质浓度的转换策略。地球生物圈中的大部分铁元素浓度是弥散的，但是通过地质和生物循环消耗的能量将少量的铁聚集在浓缩的混合物——矿石中，随着耗费更多能量的开采和提炼行为，进一步强化了铁的物质浓度。可见，随着物质浓度的每次增加，都需要更多的能量，而且，一些物质浓度变高，便会产生更高浓度和能值的物质浓度层级结构。与能量层级的转换紧密相关的物质浓度的转换有助于分析建筑物中物质和燃料之间的相互作用以及城市中心高浓度与郊区低强度土地使用之间的相互作用，它们都可以通过物质浓度的转换原则来检测。

3.4信息反馈增强

建筑系统能量发展中的最大功率、能量层级转换、物质浓度转换原则的实现离不开信息反馈增强的实现。信息反馈增强是指具有增强系统功率的能值逆能量系统的等级结构流通，从而使之功率提高的现象，是自组织系统反馈环境信息调整优化自身能量结构的方式。

4结论

事实上，消耗资源是人类和自然系统的共同特征，大多数情况下，更高的效率反而加快了能源消费的增长，而非减少其增长。人类有巨大的可用能梯度，入射太阳每年可以为地球提供16万太瓦的㶲，而人类一年只消耗大约16太瓦的㶲，从这个意义上说，声称能源短缺并不合理。因此，基于系统生态学理论，生态圈尺度下建筑系统的最大功率、能量层级转换、物质浓度转换、信息反馈增强等原则阐释了建筑系统能量整体优化的运行机制，进而使体现建筑整体环境性能的高效建筑设计成为可能。可持续生态环境原则从关注稀缺个体的效率目标转移到了整个生态系统所寻求的生产力，这一变化改变了建筑系统能量设计的本质。正如巴塔伊（Bataille）所说的，建筑系统的能量发展只有在我们巨大的当代财富积累中才能被理解。

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作者:郑斐 刘甦 单位:山东建筑大学建筑城规学院