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)計的發(fā)展趨勢

(蘇州大學 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自然的傲慢態(tài)度，并從環(huán)境污染角度喚起人們對自然的保護而非支配意識。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、社會的進步、科技的發(fā)展以及對住房的需求，從前犧牲環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展為代價的傳統(tǒng)建筑和房地產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走到了盡頭。事實上，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到我們身邊，這些綠色人居環(huán)境設(shè)計貫徹可持續(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)實條件的影響，比如經(jīng)濟成本的制約。熵作為描述系統(tǒng)紊亂程度的函數(shù)，在當代也被應(yīng)用到不同學科的研究領(lǐng)域中，在這里我們引入了熵這一物理學概念來解讀人居環(huán)境設(shè)計的發(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家克勞修斯針對熱力學第二定律提出的。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。對于一個人居環(huán)境設(shè)計方案來說，熵則是將其看作一個系統(tǒng)，通過組織、設(shè)計其內(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)之間進行有序、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換，以此創(chuàng)造一個低能耗、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。當系統(tǒng)中能量分布越均勻時，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)過自然傳導最終都趨于均質(zhì)化。熵增原理作為自然界的普遍法則，導致了事物的不斷消亡，也不可避免地影響著人類活動，人們一系列的生產(chǎn)、建設(shè)、運營、維護等都不斷地帶來確定性的熵增。一個人居環(huán)境設(shè)計方案從設(shè)計、建造、維護到回收整個過程都經(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)計者或使用者，我們可以根據(jù)熵增原理對人居環(huán)境設(shè)計進行合理的控制。

(三)耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)是針對系統(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)遠離平衡態(tài)而進行有序活動的狀態(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)的負熵，也說明了負熵是阻止系統(tǒng)無序化進程及自消亡過程的動力。

三、熵增與生態(tài)優(yōu)勢

(一)最大熵增與環(huán)境負熵。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。從能量耗費角度看，我們要考慮到設(shè)計人居環(huán)境自身與外界環(huán)境的共生關(guān)系。以此在能量負熵的前提下設(shè)計者需要考慮到人居環(huán)境設(shè)計的全壽命周期，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、環(huán)境和經(jīng)濟三個方面，由此也衍生了對其的全生命周期評價。從生態(tài)環(huán)境整體出發(fā)，在最大熵增原理下考慮環(huán)境負熵具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢，它從根源上減少了對資源的過度利用和對環(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)境負熵指導下的綠色人居環(huán)境設(shè)計對綠色生態(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，人類對有限的環(huán)境、資源的過度需求本就是一個矛盾，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，以各種自然災(zāi)害施加報復。

綜合考慮以上環(huán)境問題成因，環(huán)境負熵下的綠色人居環(huán)境設(shè)計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。首先經(jīng)濟本身的發(fā)展就對生態(tài)環(huán)境帶來了壓力，從熵經(jīng)濟學角度看，地球生態(tài)系統(tǒng)總熵是環(huán)境系統(tǒng)總熵與經(jīng)濟系統(tǒng)總熵之和，熵增最小化經(jīng)濟則是指在人類社會的發(fā)展過程中，經(jīng)濟系統(tǒng)要與環(huán)境系統(tǒng)的熵增相互協(xié)調(diào)[3]，在進行人居環(huán)境建設(shè)時，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)，人類只有對經(jīng)濟發(fā)展方式進行預(yù)估和改善，達到熵增最小化的經(jīng)濟模式，才能有效的減少地球生態(tài)系統(tǒng)的總熵，即達到各種生態(tài)環(huán)保效益，緩解環(huán)境危機，實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

(二)經(jīng)濟變量不確定性。在進行人居環(huán)境建設(shè)時，經(jīng)濟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，在進行老住宅的節(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，因為我國的建筑和房地產(chǎn)行業(yè)資金嚴重缺乏，使得昂貴的綠色人居環(huán)境設(shè)計市場占有率較小。基于全壽命周期成本理念的經(jīng)濟效益，其影響因素和測算過程都是較為復雜的，而在環(huán)境負熵和可持續(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)計便能得到普遍的推廣。

五、結(jié)語

如果將城市看作一個整體系統(tǒng)，而從熵的角度重新思考城市設(shè)計時，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，為達到系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定與緩解自消耗進程，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)總熵要求我們進行最小熵增的經(jīng)濟活動，故改進經(jīng)濟生產(chǎn)模式，控制增量成本是我們進行綠色人居環(huán)境設(shè)計接下來的關(guān)鍵一步。當生態(tài)優(yōu)勢和成本效益都基于全壽命周期理念時，熵增原理對人居環(huán)境的改善與指導才體現(xiàn)出重要意義。