熵增原理下的生態(tài)優(yōu)勢與成本效益研究
——淺談綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢

(蘇州大學(xué) 江蘇 蘇州 215000)

一、引言

1962年雷切爾.卡森在《寂靜的春天》一書中批判了人們對(duì)自然的傲慢態(tài)度，并從環(huán)境污染角度喚起人們對(duì)自然的保護(hù)而非支配意識(shí)。從研究人與自然平衡關(guān)系的人居環(huán)境領(lǐng)域來說，隨著人類的文明、社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展以及對(duì)住房的需求，從前犧牲環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展為代價(jià)的傳統(tǒng)建筑和房地產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走到了盡頭。事實(shí)上，建筑領(lǐng)域的理論思想經(jīng)歷了不斷變遷與更新，生態(tài)建筑、綠色節(jié)能、海綿城市等理念不斷落實(shí)到我們身邊，這些綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)貫徹可持續(xù)發(fā)展的原則，在一定程度上緩解了人與自然之間緊張的關(guān)系，但另一方面其發(fā)展也受到了各種現(xiàn)實(shí)條件的影響，比如經(jīng)濟(jì)成本的制約。熵作為描述系統(tǒng)紊亂程度的函數(shù)，在當(dāng)代也被應(yīng)用到不同學(xué)科的研究領(lǐng)域中，在這里我們引入了熵這一物理學(xué)概念來解讀人居環(huán)境設(shè)計(jì)的發(fā)展，具有重要意義。

二、綠色人居環(huán)境的熵的概念

(一)熵。熵的概念最早是由德國物理學(xué)家克勞修斯針對(duì)熱力學(xué)第二定律提出的。希臘語中熵是“發(fā)展”的意思，代表了物體所處狀態(tài)是否穩(wěn)定有序，以及系統(tǒng)的紊亂程度[1]，能量分布得越均勻，熵值就越大。對(duì)于一個(gè)人居環(huán)境設(shè)計(jì)方案來說，熵則是將其看作一個(gè)系統(tǒng)，通過組織、設(shè)計(jì)其內(nèi)外空間中的各種因素，使得物質(zhì)和能量在內(nèi)部系統(tǒng)與外部環(huán)境系統(tǒng)之間進(jìn)行有序、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換，以此創(chuàng)造一個(gè)低能耗、無廢物、無污染、生態(tài)平衡的綠色人居環(huán)境[2]。

(二)熵增原理。當(dāng)系統(tǒng)中能量分布越均勻時(shí)，熵值就越大，而自然界普遍存在的規(guī)律之一是：能量密度起初參差不齊，但經(jīng)過自然傳導(dǎo)最終都趨于均質(zhì)化。熵增原理作為自然界的普遍法則，導(dǎo)致了事物的不斷消亡，也不可避免地影響著人類活動(dòng)，人們一系列的生產(chǎn)、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)等都不斷地帶來確定性的熵增。一個(gè)人居環(huán)境設(shè)計(jì)方案從設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)到回收整個(gè)過程都經(jīng)歷著持續(xù)不斷的熵增，也就意味著不斷的能量消亡，作為其設(shè)計(jì)者或使用者，我們可以根據(jù)熵增原理對(duì)人居環(huán)境設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的控制。

(三)耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)是針對(duì)系統(tǒng)與外界之間物質(zhì)或能量的有序交換提出的，它體現(xiàn)在開放系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)而進(jìn)行有序活動(dòng)的狀態(tài)，在這里我們尤指人居環(huán)境與外界環(huán)境之間的交換狀態(tài)。人居環(huán)境自身是不斷熵增的，那么要想達(dá)到和維持可持續(xù)發(fā)展的目的，只有通過汲取來自系統(tǒng)外界的能量或物質(zhì)的負(fù)熵，也說明了負(fù)熵是阻止系統(tǒng)無序化進(jìn)程及自消亡過程的動(dòng)力。

三、熵增與生態(tài)優(yōu)勢

(一)最大熵增與環(huán)境負(fù)熵。不確定性是建筑的基本屬性，它不可避免的自我能量消耗和在形式和材料上退化氧化。其次從熵的角度思考建筑與城市環(huán)境之間的關(guān)系，他們彼此之間的交流轉(zhuǎn)換，更是加速了這一過程的產(chǎn)生。以我國為例，我國每年有20億平方米的新建面積，是世界上每年新增建筑最多的國家，相當(dāng)于消耗了全世界40%的水泥和鋼材，而建筑物的平均壽命卻只有25-30年。從能量耗費(fèi)角度看，我們要考慮到設(shè)計(jì)人居環(huán)境自身與外界環(huán)境的共生關(guān)系。以此在能量負(fù)熵的前提下設(shè)計(jì)者需要考慮到人居環(huán)境設(shè)計(jì)的全壽命周期，目前世界上主流的綠色建筑以可持續(xù)的理念貫穿始終，平衡社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面，由此也衍生了對(duì)其的全生命周期評(píng)價(jià)。從生態(tài)環(huán)境整體出發(fā)，在最大熵增原理下考慮環(huán)境負(fù)熵具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢，它從根源上減少了對(duì)資源的過度利用和對(duì)環(huán)境的破壞，創(chuàng)造出人與環(huán)境相和諧的人居環(huán)境。

(二)綠色生態(tài)可持續(xù)性。環(huán)境負(fù)熵指導(dǎo)下的綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)綠色生態(tài)可持續(xù)有著重要意義。

首先我們今天的生態(tài)環(huán)境是歷史塑造的，目前我國一些重大生態(tài)環(huán)境問題，如森林覆被率低，黃土高原嚴(yán)重的水土流失，北方大面積的沙化土地等，都是在長期的歷史開發(fā)過程中形成的。其次人口過度增長給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力，人類對(duì)有限的環(huán)境、資源的過度需求本就是一個(gè)矛盾，一方面，人要改造自然，為自己創(chuàng)造適宜的生存條件，并不斷地向自然界索取資源，滿足自己的需要，同時(shí)也排放廢棄物污染環(huán)境;另一方面，自然界也反作用于人類，限制其無節(jié)制的開發(fā)活動(dòng)，以各種自然災(zāi)害施加報(bào)復(fù)。

綜合考慮以上環(huán)境問題成因，環(huán)境負(fù)熵下的綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)能夠就顯得尤為必要。

四、熵增與成本效益

(一)熵增最小化經(jīng)濟(jì)。首先經(jīng)濟(jì)本身的發(fā)展就對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來了壓力，從熵經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，地球生態(tài)系統(tǒng)總熵是環(huán)境系統(tǒng)總熵與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)總熵之和，熵增最小化經(jīng)濟(jì)則是指在人類社會(huì)的發(fā)展過程中，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)要與環(huán)境系統(tǒng)的熵增相互協(xié)調(diào)[3]，在進(jìn)行人居環(huán)境建設(shè)時(shí)，不可避免的消耗了自然資源，干預(yù)了自然系統(tǒng)本貌，那么對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的熵增也是不可控制的，因此，從另一方面出發(fā)，人類只有對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式進(jìn)行預(yù)估和改善，達(dá)到熵增最小化的經(jīng)濟(jì)模式，才能有效的減少地球生態(tài)系統(tǒng)的總熵，即達(dá)到各種生態(tài)環(huán)保效益，緩解環(huán)境危機(jī)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

(二)經(jīng)濟(jì)變量不確定性。在進(jìn)行人居環(huán)境建設(shè)時(shí)，經(jīng)濟(jì)成本是不可忽視的因素，結(jié)合我國的基本國情，綠色人居環(huán)境的發(fā)展也受到了各種限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在進(jìn)行老住宅的節(jié)能改造約需80-120元/平方米，目前，河南省城鎮(zhèn)既有居住建筑面積約為12億平方米，其中的90%為高耗能建筑，節(jié)能改造難度巨大。綠色建筑需要有效控制增量成本并考慮規(guī)模效益，因?yàn)槲覈慕ㄖ头康禺a(chǎn)行業(yè)資金嚴(yán)重缺乏，使得昂貴的綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)市場占有率較小?；谌珘勖芷诔杀纠砟畹慕?jīng)濟(jì)效益，其影響因素和測算過程都是較為復(fù)雜的，而在環(huán)境負(fù)熵和可持續(xù)發(fā)展理念的影響下，大力推廣和發(fā)展綠色人居環(huán)境是確實(shí)是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，所以只要能夠有效突破因投資額度巨大、投資回收期長且收益率低下而帶來的局限性等成本難題，綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)便能得到普遍的推廣。

五、結(jié)語

如果將城市看作一個(gè)整體系統(tǒng)，而從熵的角度重新思考城市設(shè)計(jì)時(shí)，人居環(huán)境與自然環(huán)境之間的關(guān)系變得有趣起來，借助于熵增原理，為達(dá)到系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定與緩解自消耗進(jìn)程，我們需要一種人與自然之間的共生與融合的綠色人居環(huán)境，來重新闡述人與自然的關(guān)系，著也是一種必然趨勢。從成本效益出發(fā)，環(huán)境系統(tǒng)總熵要求我們進(jìn)行最小熵增的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，故改進(jìn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式，控制增量成本是我們進(jìn)行綠色人居環(huán)境設(shè)計(jì)接下來的關(guān)鍵一步。當(dāng)生態(tài)優(yōu)勢和成本效益都基于全壽命周期理念時(shí)，熵增原理對(duì)人居環(huán)境的改善與指導(dǎo)才體現(xiàn)出重要意義。