系統生態學下建筑系統的能量發展

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摘要:通過熱力學原理到系統生態學理論發展過程中與能量相關概念的解析，指出當前建筑系統能量發展的局限性。基于系統生態學理論，通過生態圈尺度下建筑系統的能量分析，總結提出了建筑系統在能量發展中的最大功率、能量層級轉換、物質濃度轉換、信息反饋增強等原則，為整體高性能的能量設計奠定基礎。

關鍵詞:熱力學；系統生態學；建筑系統；能量發展；最大功率

前言：

我們所處的環境是由不同物種組成的生態系統——包括人類團體長期以來經過多種安排組合而生成的物質結果，每一組成部分都需要消耗一定能量以實現其特定目的。可以說，地球上所有的物質和過程都可以追溯為能量。系統生態學視野下，系統可分為孤立系統、封閉系統和開放系統三種類型。如果把我們未知的整個宇宙視為孤立系統的話，地球生物圈系統可以視為以太陽為主要能量來源的開放系統，無時無刻不進行著大量的能量流動和物質代謝。隨著科學技術和智能的不斷提高，人類在整個生物圈系統的生態位不斷擴充。物種之間自然選擇的緩慢過程已經被人類的快速適應策略所取代。當前，建筑師應該以生態學家的開放視野來觀察建筑系統，將其視為整個生態圈能量循環和物質代謝系統中的一個子系統，將建筑的全壽命周期納入到生態系統的大循環中進行考量，在構成建筑環境的能源、材料和信息的熱力學中進行解析。

1熱力學原理

工業革命以來，在實踐經驗和物理實驗的基礎上，在物理學和物理化學中逐步建立和補充完善了熱力學的四條基本定律。熱力學第零定律作為溫度的定義和熱過程發生的判別條件提出最晚，是熱力學三大定律的理論基礎。第零定律作為一條補充定律，除基礎理論價值外，實踐意義較小，其表述為“如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡”。熱力學第一定律為能量轉化和守恒定律，其表述為“做功和熱傳遞都可以改變系統的內能，當改變內能的這兩種方式同時存在的情況下，系統的內能的增量等于在這個過程中外界對系統所做的功和系統所吸收的熱量總和”。熱力學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，使之完全轉變成功而不產生其他影響；而克勞修斯（R.Clausius）表述為熱量不可能從低溫熱源傳送到高溫熱源而不產生其他變化。熱力學第二定律表明熵的存在、熱能完全轉化為機械能的不可能性及自然界一切自發過程將不可逆地轉化為熵。熱力學第三定律為能斯特（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過程，使物體冷到絕對零度”，即絕對零度不可能達到。我們的生態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，同時也是一個持續熵增的過程。如果說，熱力學中能量轉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系統的運行機制。正如生態學家尤蘭維奇（RobertE.Ulanowicz）所說，“和所有其他處理耗散系統的學科一樣，生態學也沒有違反第一定律，它只是沒有告訴我們系統是如何運行的，而那才是非常有趣的。”

2從熱力學到系統生態學——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中能量的概念具有基礎意義。能量一般是指一種系統狀態向周圍環境做功的能力的統稱。它通常并未指定能量的具體性質和種類，在建筑師的一般使用中造成了一定程度的混淆。熵、㶲和能值的概念進一步明確了能量性質、數量和質量。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，這為能量質的區別。熵指的是系統中不能用于轉化為功的能量，尼古拉斯•喬治庫斯•羅根（NicholasGeorgescu-Roegen）指出“熵是一個孤立結構中所束縛的能量相對數量的指標，或更確切地說是能量在此種結構中均衡分布程度的指標”。在孤立系統中，熵總傾向于最大化，能量系統總傾向于平衡態。而作為開放系統的建筑能量系統設計的根本就在于使系統遠離平衡態和高熵狀態，使它做功。㶲指系統中可用于做功的有用能量，它是系統進入與環境平衡狀態前系統可能做的最大有用功的測度。系統中㶲的大小取決于系統及其周圍環境的平衡程度，當它們進入平衡態時，系統可做的有用功為零。建筑中的能量系統一般是在遠離平衡態的環境中運行的；這也是當前將建筑視為孤立系統，片面追求“零能耗”最大問題。能值是生態學家奧德姆（H.T.Odum）在80-90年代為追蹤能量流動、劃分能量質量和突破各種性質有效能（㶲）流、服務流、經濟流等之間不可統一度量的壁壘而創立的一個概念，它是系統生態學的核心概念和能量系統分析的基礎。作為有效能（㶲）流統一的測度標準，能值是指一種能量流中所包含的另一種類別能量的數量，稱為該能量的能值。地球上的任何能量、資源、產品或勞務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、產品或勞務等能值大小；另外，這還涉及到能值轉化率的概念。能值轉化率是指形成每個單位的某種能量（物質、信息和服務）所需要的另一種有效能（㶲）的數量。對于自然與經濟系統的轉換中不便用能值轉換率進行轉換測度的能流，則采取推算當年該國貨幣能值的方法，即某國家（地區）全年能值應用總量與當年該國國民生產總值的比，推算出其能值后進行統一比較分析。能值與貨幣的比值既是衡量貨幣實際購買力的標準，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、信息、產品和服務等之間的壁壘，實現了它們之間相互比較的可能。

3系統生態學視野下建筑系統的能量發展研究

系統生態學是奧德姆（H.T.Odum）在熱力學基本定律的基礎上、以整體系統論的角度、借鑒林德曼（R.L.Lindeman）在生態系統中建立起的能量流價值層級結構研究方法和工業系統中描述系統的圖示語言而創立的以能量流動、能量層級結構系統圖示（能量系統語言）以及突破能量內部之間和能量與經濟、信息之間壁壘的能量成本統一核算（能值）的研究方法來研究生態系統的。

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通過有用能量流的數量；最大功率是在自組織過程中，由于系統的發展使能量攝入和轉化的最大化。奧德姆（H.T.Odum）列舉了各種能量使用率與其驅動動力或人口成比例的自然和技術先例，證明最大功率發生在中間效率水平。在可用能量豐富的環境中，犧牲效率獲取功率；而在資源匱乏環境中，效率便成為更為行之有效的策略。從系統生態學的角度來看，“適者生存”指可以在單位時間內最大限度地支配有效能源的形式持久性。在建筑系統的能量發展中，往往過度關注系統的能量效率問題。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。對能量效率的強調通常會導致建筑系統最小化能量數量的投入和子系統的效率優化，這不僅與最大功率背道而馳，而且各個子系統間的相互抵消和沖突也不能使系統整體達到最優化。哈布瑞肯(JohnHabraken)于上世紀60年代提出的“支撐體”理論中建筑系統“層”的概念就解釋了這一點。根據他的描述，建筑系統可分為場地、結構、表皮、設備、空間計劃和陳設等不同的層，各層有不同的使用壽命，子系統的最大效率無法實現整體系統的最優化。譬如，如果最大化延長設備層中的管道和線路的壽命可以實現其最大效率，但是，由于線路老化產生的該系統引導的能源浪費要遠大于與其物理基礎設施更換的價值（能值），可見，層與層之間的相互作用與層內部的相互作用同等重要，只有各層在中間效率水平狀態下才能使建筑系統最優化。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運行的特點，任何單一性能策略——增加圍護材料的絕熱值、安裝高質量窗戶、安裝高質量設備等會達到一定的系統的能效閾值，超過此閾值后，就會產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行抵消，得不償失。

3.2能量層級轉換

對于系統的發展而言，沒有簡單的限制，只有復雜的轉換閾值。能量層級轉換可以隨著時間的推移發展，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”或自組織系統的選擇目標，能量轉換層級結構則是一種“形式因”，即系統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動電動機或電子設備的電力的能值。電能的特殊性在于：首先，在其生產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電能，燃燒過程中轉化效率約為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。當前，隨著技術的進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能量層級的轉換，增加了有用能量的流動，驗證了最大功率原則。

3.3物質濃度轉換

能量循環和物質代謝是密不可分的，在自組織系統中，物質將按照追蹤能量轉換層級結構的濃度和強度層級進行組織。我們可以通過追蹤單一材料（例如鐵）的濃度來理解物質濃度的轉換策略。地球生物圈中的大部分鐵元素濃度是彌散的，但是通過地質和生物循環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，進一步強化了鐵的物質濃度。可見，隨著物質濃度的每次增加，都需要更多的能量，而且，一些物質濃度變高，便會產生更高濃度和能值的物質濃度層級結構。與能量層級的轉換緊密相關的物質濃度的轉換有助于分析建筑物中物質和燃料之間的相互作用以及城市中心高濃度與郊區低強度土地使用之間的相互作用，它們都可以通過物質濃度的轉換原則來檢測。

3.4信息反饋增強

建筑系統能量發展中的最大功率、能量層級轉換、物質濃度轉換原則的實現離不開信息反饋增強的實現。信息反饋增強是指具有增強系統功率的能值逆能量系統的等級結構流通，從而使之功率提高的現象，是自組織系統反饋環境信息調整優化自身能量結構的方式。

4結論

事實上，消耗資源是人類和自然系統的共同特征，大多數情況下，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，基于系統生態學理論，生態圈尺度下建筑系統的最大功率、能量層級轉換、物質濃度轉換、信息反饋增強等原則闡釋了建筑系統能量整體優化的運行機制，進而使體現建筑整體環境性能的高效建筑設計成為可能。可持續生態環境原則從關注稀缺個體的效率目標轉移到了整個生態系統所尋求的生產力，這一變化改變了建筑系統能量設計的本質。正如巴塔伊（Bataille）所說的，建筑系統的能量發展只有在我們巨大的當代財富積累中才能被理解。

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作者:鄭斐 劉甦 單位:山東建筑大學建筑城規學院