熵增原理下的生態優勢與成本效益研究
——淺談綠色人居環境設計的發展趨勢

(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度，并從環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系的人居環境領域來說，隨著人類的文明、社會的進步、科技的發展以及對住房的需求，從前犧牲環境、生態和可持續發展為代價的傳統建筑和房地產業已經走到了盡頭。事實上，建筑領域的理論思想經歷了不斷變遷與更新，生態建筑、綠色節能、海綿城市等理念不斷落實到我們身邊，這些綠色人居環境設計貫徹可持續發展的原則，在一定程度上緩解了人與自然之間緊張的關系，但另一方面其發展也受到了各種現實條件的影響，比如經濟成本的制約。熵作為描述系統紊亂程度的函數，在當代也被應用到不同學科的研究領域中，在這里我們引入了熵這一物理學概念來解讀人居環境設計的發展，具有重要意義。

二、綠色人居環境的熵的概念

(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“發展”的意思，代表了物體所處狀態是否穩定有序，以及系統的紊亂程度[1]，能量分布得越均勻，熵值就越大。對于一個人居環境設計方案來說，熵則是將其看作一個系統，通過組織、設計其內外空間中的各種因素，使得物質和能量在內部系統與外部環境系統之間進行有序、穩定的轉換，以此創造一個低能耗、無廢物、無污染、生態平衡的綠色人居環境[2]。

(二)熵增原理。當系統中能量分布越均勻時，熵值就越大，而自然界普遍存在的規律之一是：能量密度起初參差不齊，但經過自然傳導最終都趨于均質化。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、建設、運營、維護等都不斷地帶來確定性的熵增。一個人居環境設計方案從設計、建造、維護到回收整個過程都經歷著持續不斷的熵增，也就意味著不斷的能量消亡，作為其設計者或使用者，我們可以根據熵增原理對人居環境設計進行合理的控制。

(三)耗散結構。耗散結構是針對系統與外界之間物質或能量的有序交換提出的，它體現在開放系統遠離平衡態而進行有序活動的狀態，在這里我們尤指人居環境與外界環境之間的交換狀態。人居環境自身是不斷熵增的，那么要想達到和維持可持續發展的目的，只有通過汲取來自系統外界的能量或物質的負熵，也說明了負熵是阻止系統無序化進程及自消亡過程的動力。

三、熵增與生態優勢

(一)最大熵增與環境負熵。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境之間的關系，他們彼此之間的交流轉換，更是加速了這一過程的產生。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，我們要考慮到設計人居環境自身與外界環境的共生關系。以此在能量負熵的前提下設計者需要考慮到人居環境設計的全壽命周期，目前世界上主流的綠色建筑以可持續的理念貫穿始終，平衡社會、環境和經濟三個方面，由此也衍生了對其的全生命周期評價。從生態環境整體出發，在最大熵增原理下考慮環境負熵具有明顯的生態優勢，它從根源上減少了對資源的過度利用和對環境的破壞，創造出人與環境相和諧的人居環境。

(二)綠色生態可持續性。環境負熵指導下的綠色人居環境設計對綠色生態可持續有著重要意義。

首先我們今天的生態環境是歷史塑造的，目前我國一些重大生態環境問題，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過程中形成的。其次人口過度增長給生態環境帶來了巨大的壓力，人類對有限的環境、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境;另一方面，自然界也反作用于人類，限制其無節制的開發活動，以各種自然災害施加報復。

綜合考慮以上環境問題成因，環境負熵下的綠色人居環境設計能夠就顯得尤為必要。

四、熵增與成本效益

(一)熵增最小化經濟。首先經濟本身的發展就對生態環境帶來了壓力，從熵經濟學角度看，地球生態系統總熵是環境系統總熵與經濟系統總熵之和，熵增最小化經濟則是指在人類社會的發展過程中，經濟系統要與環境系統的熵增相互協調[3]，在進行人居環境建設時，不可避免的消耗了自然資源，干預了自然系統本貌，那么對環境系統的熵增也是不可控制的，因此，從另一方面出發，人類只有對經濟發展方式進行預估和改善，達到熵增最小化的經濟模式，才能有效的減少地球生態系統的總熵，即達到各種生態環保效益，緩解環境危機，實現資源的可持續利用。

(二)經濟變量不確定性。在進行人居環境建設時，經濟成本是不可忽視的因素，結合我國的基本國情，綠色人居環境的發展也受到了各種限制。據統計，在進行老住宅的節能改造約需80-120元/平方米，目前，河南省城鎮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模效益，因為我國的建筑和房地產行業資金嚴重缺乏，使得昂貴的綠色人居環境設計市場占有率較小?；谌珘勖芷诔杀纠砟畹慕洕б?，其影響因素和測算過程都是較為復雜的，而在環境負熵和可持續發展理念的影響下，大力推廣和發展綠色人居環境是確實是不可逆轉的趨勢，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，綠色人居環境設計便能得到普遍的推廣。

五、結語

如果將城市看作一個整體系統，而從熵的角度重新思考城市設計時，人居環境與自然環境之間的關系變得有趣起來，借助于熵增原理，為達到系統的持續穩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境，來重新闡述人與自然的關系，著也是一種必然趨勢。從成本效益出發，環境系統總熵要求我們進行最小熵增的經濟活動，故改進經濟生產模式，控制增量成本是我們進行綠色人居環境設計接下來的關鍵一步。當生態優勢和成本效益都基于全壽命周期理念時，熵增原理對人居環境的改善與指導才體現出重要意義。