绿色建筑进化与建筑学能量议程

绿色建筑进化与建筑学能量议程

罗意鑫

广东都市建筑规划设计有限公司广东珠海519000

摘要：绿色建筑不应以“漂绿”以及技术的杂汇集成为唯一取向，而应立足于当地的气候与文化，基于能量流动与热力学原理，在建筑学的能量议程下为绿色建筑的发展开拓一条基于建筑学本体的路径图。文章始于能量与热力学建筑的前沿议题，通过案例分析与实践研究，提出能量形式化的几个策略来展现绿色建筑进化的新趋势。

关键词：绿色建筑进化；建筑学能量

1绿色建筑进化

人类社会与环境之间的矛盾已日趋严峻，环境恶化、全球变暖与能源危机成为人类要面临的最困难的问题之一，威胁人类的生存与发展。建筑作为全球将近40%的能耗来源毋庸置疑地成为能耗主体，势必要担负起其责任。面对资源有限性与人类需求无限性的矛盾，近年来，建筑在应对环境问题时，其自主性面对着前所未有的挑战，却也同时面临着发展的机遇。在可持续发展的广泛语境下，绿色建筑成为当代建筑发展的重要方向。但以节能和评估为第一导向的绿色建筑浪潮，在通过指标化普及绿色建筑理念的同时，其自身的体系也受到一系列的质疑与反思。

2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.Nernst1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。

3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。

4系统生态学视野下建筑系统的能量发展研究

4.1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。

4.2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I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。

5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（Batallle）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。

参考文献：

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[2]陈柯宇，陈彪，丁一帆，沈心媛，陈伟.基于热力学分类的建筑相变材料性能研究[J].新型建筑材料，2018，（05）：75-76

[3]沈君承.当代“热力学建筑实验”及其启示[J].住宅与房地产，2017，（09）：240