基于耗散結構理論的生態型室內設計研究

摘 要：所謂耗散結構，指的是開放系統在離平衡態非常遠的時候，所產生的一種有序的時空結構。隨著社會的發展，人們對建筑設計的質量要求也越來越高。尤其是在生態背景下，生態化的室內設計更是獲得了人們的青睞。將耗散結構和生態室內設計進行結合，能減少室內設計中的增熵現象，為人們塑造一個更加舒適的家居環境。

關鍵詞：耗散結構;質量;生態;室內設計

課題項目：本文系江西省高校人文社會科學研究課題“基于生態文明建設視野下的生態型室內設計的應用研究”（JC1527 ）研究成果。

早在20世紀60年代末期，比利時物理學家普利高津便提出了耗散結構理論。所謂耗散結構，指的是遠離平衡狀態下的多元化系統，和外界能量流、物質流進行交換，并維持一定的狀態。

一、耗散結構必須具備的條件

為了促使耗散結構的運行更加有序，必須具備三個條件。第一，開放性。這是耗散結構產生和繼續維持的基礎。在開放性的基礎上，和外部環境進行能量、物質交換，從而抵消系統中的正熵流。第二，非平衡狀態。耗散結構并非固定的結構，其變化性、動態性很強[1]。第三，非線性互動作用。在這樣的背景和條件下，內部各個元素會相互影響、相互協作，從而促使耗散結構處于有序的狀態。

二、遠離平衡態的開放系統和熵

多元化系統在一定的影響下，通過動態變化，產生一種全新的有序結構。同時，普利高津也將開放系統、遠離平衡態、非線性作用當作是產生耗散結構的基礎。因此，耗散結構屬于研究遠離平衡態的開放系統，從無序到有序的狀態。

（一）開放系統

耗散結構包括了兩種含義，一種是消耗，一種是有序。為了維持有序的結構，系統必須消耗一些能量、物質。在這個過程中，怎樣實現系統有序狀態，屬于非常重要的問題。這里說的有序，指的是系統中很多要素之間產生的有規律的變化。有序分為兩種，一種是靜態的，一種是動態的。動態的結構大多來自于孤立系統，少數來自開放系統。在耗散結構理論中，人們都想要實現動態有規律的開放系統。這是由于在孤立系統里，沒有物質和能量方面的交換，物質非常容易形成有序的狀態。然而來源于孤立系統的有序狀態，則是靜態平衡狀態。但在開放系統里，系統和外部環境會互相影響，同時進行能量和物質的交換。因此要站在耗散結構的基礎上來對室內環境進行生態化設計，自然界、社會都需要和外部環境進行能量交換。若是阻止了開放系統和外界之間的能量、物質交換，那么系統的生命就會停止。與此同時，開放系統也會變成孤立的。

（二）和平衡態進行疏離

耗散結構理論中，對系統的平衡態、非平衡態的理解是開放的。在人類歷史上，一直在追尋人和人、人和物、物和物之間的系統平衡[2]。然而，這里的平衡也包括靜態和動態兩種。隨著社會的不斷發展，人們對世界的追求也逐漸趨于動態化。但耗散結構理論認為，只有和平衡態進行疏離，才能更好地發展。在普利高津看來，一個非平衡的混亂的無序狀態里，能產生新的結構，也就是耗散結構。其對于理解關聯性以及非平衡社會的組織作用，具有重要的作用。

（三）生命系統和非平衡態

分析耗散結構理論，發現有機體全部是開放性的系統，而且遠離了平衡態。這主要是因為生命系統擁有一個和平衡系統相背離的本質特征，其來自于生命系統的動態性。也就是說，生命過程只能在非平衡狀態中運行。普利高津認為，所有的生命活動都有特征，這些特征表示生命中擁有超過熱力學分支平衡閾值以及和平衡態相背離的現象。

（四）開放系統和熵

在耗散結構中，熵屬于非常重要的一個理念。19世紀末期，克勞修斯對熱機的循環進行研究，提出了熵這個概念。熱機系統在每一次循環結束時，其中的狀態函數——熵，都會回到初始值。克勞修斯將熵用在系統無序狀態下的動態性函數中，從而闡述系統能力的轉化過程。系統里的熵逐漸減少，有效能量也會增多。后來的研究者認為，熵可以用來描述系統的無序程度。在孤立系統中，狀態會由非平衡態逐漸朝著平衡態轉變，使得熵函數越來越多。待系統完全變為平衡態，其內部也會完全處于無序的狀態，熵函數逐漸增加。

三、生態設計理念

（一）生命以負熵為生

人體屬于開放的生命系統，其怎樣維持自身的生命特征呢？或者說，一個活的生命有機體是如何維持生命呢？這需要依靠生命系統的新陳代謝。換句話說，人通過吃、喝、呼吸或者另外的一些途徑，獲得人體生存必須的營養物質，從而替換人體損耗的元素，從而完成人體的物質交換。薛定諤認為這樣的觀點是錯誤的，他認為新陳代謝的本質并非能量交換。這是因為人體所含的能力和物質是相同的，都不會產生變化。如果體內的卡路里和體外的卡路里價值相同，那么單純的交換沒有任何用處。

如果生命系統的延續和新陳代謝無任何關系，那么根據薛定諤的熵理論，則可以得出這樣的結論：若僅僅將重點放在系統方面，不考慮系統和外界之間的能量、物質交換，則自然界中所有事物的發生，都會產生系統的熵，所以，一個生命系統也會不斷產生熵，逐漸趨于系統最大熵。這樣一來，系統會變得無序甚至很危險。為此，可以將重點放在開放系統的熵變化的其他因素方面，也就是系統外的熵傳遞。薛定諤認為，解決的方法是不斷獲得負熵，有機體需要依靠負熵而存在。新陳代謝的存在促使有機體減少了很多的熵[3]。

（二）生態設計要引入負熵觀念

人體屬于開放的體系，會和外界產生物質、能量方面的交換。若是上面所說的污染物由于人體系統的交換進入人體，便會增加人體系統的熵，給健康帶來極大的危害。只有引進負的熵流，促使人體系統產生原理平衡狀態的有序結構，才能使得室內環境更加和諧。

（三）生態設計的宗旨

薛定諤提出，在生態設計過程中，要促使生命體系中的熵被減少，就要找到傳遞至生命系統的負熵之源。必須在不違背自然規律的前提下，減少其中的熵，這是非常大的難題。可促使該理念被推廣到生態設計中，人體屬于一個開放的系統，房屋建筑則屬于人體系統依賴的外部環境，要將建筑變成人體系統的負熵之源，解決的方法有兩個：第一，房屋的功能是為人遮風擋雨、保暖，除了要滿足這樣的功能，也不能阻止人體系統和外界進行能量、物質方面的交換;第二，要促使房屋建筑和人體系統產生能量、物質方面的交換。

四、基于耗散結構理論的生態型室內設計

（一）生態型室內設計

耗散結構理論的特點是開放性，同時這也是耗散結構維持的基礎。孤立系統的熵會產生變化，根據熱力學中的定律，這個系統不會產生新的有序結構。也就是說，開放性并非產生耗散結構的充分條件，其屬于必要條件。此外，若是開放系統中沒有引進負熵流，引進的是正熵流，那么就無法產生新的有序結構，僅僅只能維持系統的無序狀態。在對室內環境進行設計的過程中，要開發出有序的體系，從而自動輸入能量、物質等，使其被轉化為新的形式輸出。生態型室內環境具有開放性的特點，在設計完畢之后進行裝修，室內系統是封閉的。這樣一來，系統不能和外界進行物質、能量方面的交換。進行裝修時，如果室內的甲醛物質不斷累積，而內部環境又是封閉的，那么就容易威脅到人體健康。對室內環境進行開放性設計，具體包括下面這幾個方面的內容：

第一，促使室內空氣流通。為了提高室內環境的開放性，設計時要遵循流動性、通透性的原則，使得外界的空氣和室內進行交換。而且陽光屬于非常重要的負熵，所以室內設計必須保證透光性，有充足的陽光。

第二，科學使用空氣凈化技術。目前，世界上出現了很多的空氣凈化技術。這些技術能起到改善室內空氣質量的作用，常見的有HEPA過濾技術、活性炭凈化技術、嫁接高分子聚合技術、臭氧消毒技術、負離子凈化技術等[4]。在進行應用的時候，要根據室內的實際情況，選擇適宜的空氣凈化技術，使得室內環境更加開放。

第三，空氣混合對流設計。室內空氣混合對流的設計方法，最常用的方法有兩種：第一種是合理設計室內的空調體系，其中包括了變通型變風量系統和定風量一次、二次回風系統，從而促使室外的新鮮空氣流通到室內，最終實現室內室外的空氣混合對流;第二種是經常打開窗戶通風，促使室內和室外空氣實現混合對流。不僅如此，室內環境的舒適度也受到相對濕度、溫度的影響。在促使室內空調系統運行或打開門窗通風時，必須對室內的溫度、濕度進行合理控制。

（二）種植一些植物，增加負熵

首先，可以通過植物來調節室內的濕度。綠色植物能起到蒸騰的作用，增加室內濕度。栽培植物的介質也能增加水分，調節室內空氣。尤其是陽光充足的情況下，室內綠色植物的光合作用、蒸騰作用會更強，帶來更多水分。這對于人體皮膚的保濕、呼吸保持等，都具有良好的作用。

其次，通過綠色植物來減少室內的微生物。在裝修和居住時，室內的細菌、病毒數量會逐漸增多。如果室內擁有一些綠植，那么便會產生抗菌成分，抑制室內微生物，減少細菌、病毒的產生。

然后，室內的綠植能減少可吸入顆粒物的數量。人體若是吸入過多顆粒物，則會對健康造成一定的威脅。為此，可以在室內種植金邊吊蘭、馬蹄蓮等植物，塑造一個良性的低熵環境，減少對人體健康的威脅。

最后，可以通過綠色植物來減少室內的氣體污染。因為綠植在光合作用的狀態下，會形成很多的氧氣，和室內的二氧化碳進行交換，調節室內的碳氧比。不僅如此，綠植還能增加空氣負離子的濃度，使得室內空氣環境更加優良。

五、結語

綜上所述，基于耗散結構的生態室內設計，不但要促使室內環境更加開放，而且要在室內種植一些植物。隨著現代科技的不斷發展，負熵也在不斷增加。只有開展了科學合理的生態設計，在其中融入耗散結構理論，才能真正實現人體系統的熵減。

參考文獻：

[1]溝睿.基于耗散結構理論的生態型室內設計研究[J].美術教育研究，2017（11）：78.

[2]陶凱，郭漢丁，王星，等.建筑節能改造項目風險共擔耗散結構演化機理[J].吉首大學學報（自然科學版），2016（3）：90-93.

[3]管雪松，趙煦.基于耗散結構理論的生態型室內設計研究[J].藝術百家，2016（1）：227-229.

[4]張玉利，白峰.基于耗散理論的眾創空間演進與優化研究[J].科學學與科學技術管理，2017（1）：22-29.

作者簡介：

鐘朝玲，江西環境工程職業學院工業與設計學院，副教授。研究方向：平面設計、工藝美術。