物理學視域下建筑節能問題探討論文
在物理學看來，能量從一種形式轉換成另外一種形式時它的總能并沒有發生變化，其中所蘊含的能量既不會增加也不會減少，既不會自行產生也不會憑空消失。這就是熱力學第一定律的基本思想———能量守恒定律，但是這一定律只規定了能量的數量關系，并沒有涉及到能量的轉換過程。熱力學第二定律———能量不能自發地從低溫物體轉移到高溫物體，就解釋了能量轉換的基本方向。熱力學第二定律表明，只會做功而不消耗能量的永動機是永遠不可能制成的，孤立系統中實際發生的過程必然會導致其中的熵不斷增加，它永遠沒有減少的可能。最早提出熱力學第二定律的學者是麥克斯韋，后期有許多學者試圖證明這一理論的錯誤性，但終究還是沒有成功，直到1951年法國物理學家布里淵將信息論與統計物理聯合起來進行研究，才證實了麥克斯韋的這一假設。這一假設中的事物交換與信息交換存在本質的區別，在事物交換中不可能出現兩者共同擁有的情況，一方的增加勢必導致另一方的減少，但是信息交換則不同，它不必遵循熱力學定律。
可以說信息替代能源是建筑節能的基礎，從布里淵的研究可以看出，信息的傳遞不遵循熱力學定律，可以利用這一規律在熱力學允許的范圍內做許多事情，例如通過技術手段降低孤立系統中熵的增長速率，在生產消費過程中用信息替代能源。能源是有限的，但是信息資源卻是取之不盡用之不竭的，當前社會面臨的問題是社會發展導致能源在不斷減少，能源消耗造成的環境污染問題也在不斷增加，而環境污染反過來又會嚴重阻礙社會的發展，如果一直糾結于物質系統，很難找出解決矛盾的方法，而用信息資源代替物質能源就難很好地解決這一問題。日常生活中有許多利用信息來降低能耗的實例：出行前預先在地圖上標明線路，既能節省時間又可以降低汽車的能耗；在房間安裝溫控設施，隨時了解房間的溫度可以降低取暖能耗；新信息技術應用于機械設備中可以提高機械設備的工作效率，降低設備的能耗。信息的使用能夠有效降低能耗，同時信息在建筑節能方面也有著十分重要的意義，當前我國引起我國建筑界普遍關注的高層建筑節能問題，就是因為對建筑節能信息了解的缺乏，才導致了設計不合理現象頻繁出現，忽視信息的建筑工程必然會對整個建筑造成極壞的影響。
物理學知識在建筑節能中的運用
（一）以物理手段實現太陽光照明
經醫學專家研究證明，太陽光可以降低諸如憂郁癥、慢性疲勞綜合征之類疾病產生的幾率，采用物理方法將太陽光引進室內不僅可以增加曬太陽的機會，更有利于人的身體健康。在沒有機會到戶外享受陽光的時候，采用導光管裝置就能將陽光引入室內，它主要是通過物理學中的反射原理傳遞光線，但是光線的每一次傳遞都會造成能量的損失，這種導光管裝置不適合長距離的光線傳遞。物理學家愛德曼茲發明了一種神奇的裝置，這個裝置的主體是一個塑料控板，控板上安裝了許多由激光切割而成的鏡片，這些鏡片按照一定的規律進行排列，當太陽光照射到塑料控板上時亮度便會增強，然后傳遞到每一個角落。許多科學家開始將研究的重點放在彩色熒光塑料上，他們試圖采用熒光塑料來采集陽光，這項研究的原理是：白色是由紅、綠、藍三個顏色組合而成，科學家們嘗試將由這三種顏色的塑料收集到的陽光進行重新組合，然后就形成了人類生活中所需要的白色太陽光。通過這種物理手段形成的太陽光所發出的亮度相當于兩個75瓦燈泡所發出的亮度。
（二）利用太陽能取暖
要利用太陽能進行取暖就必須選用熱阻和吸熱系數較大的材料，熱阻是指材阻擋能量進行傳遞的能力，吸熱系數是指物體本身吸取熱量的能力。在傳統熱學工藝中這種方式較為常見，為了滿足工藝需求一般使用熱阻與吸熱系數較高的材料，在減緩熱量傳遞的同時最大限度地吸收熱量。太陽能是取之不盡用之不竭的，充分利用太陽能不僅有利于節能，更有利于降低環境污染，建筑選址最好是選擇陽光充足的地方，有利于陽光的接受。建筑中的玻璃選用熱阻與吸熱系數較大的材料能夠有效地進行能量儲存，這些材料在白天吸收大量的熱量，然后使用儲熱墻或者其他儲熱工具將熱量儲存起來，在夜間溫度降低時這些儲熱工具便可釋放出熱量，增加室內溫度。對于冬冷夏熱地區的建筑，要組織調溫，窗外應當設有可以操控的遮陽設備，夏日溫度較高時這些遮陽設備可以阻擋高角度陽光的照射，冬季溫度較高時這些遮陽設備又可以將低角度陽光引進室內；也可以在遮陽裝置中安裝雙層玻璃，在冬季檔有日照的時候雙層玻璃的吸熱作用能夠提升室內溫度，晚上關閉反射膜或者百葉窗，能夠有效的組織熱量的散失，起到保溫節能的作用。
（三）納米技術在建筑材料中的應用
納米原本只是一種計量單位，當某種材料的粒徑小于100nm時，它便可以稱作是納米材料。納米技術是上世紀八十年代興起的新興技術，制作具有小粒徑材料的技術就是所謂的納米技術，納米科學是原子物理、量子物理等多種學科的聚集點，納米材料具有體積尺寸小的特性，從而就成就了它不同于一般材料的特質，如納米材料具有表面效應、體積效應、宏觀量子隧道效應等特殊性質。納米技術在混凝土生產中的應用能夠有效地提高混凝土的強度，通過對堿骨反應的抑制能夠有效地提高混凝土材料的耐久性。由于納米材料具有量子尺寸、光催化效應等性質，因此采用納米技術制作而成的混凝土具有分解有毒物質、凈化空氣的功效。納米材料的其它功能能夠制成不同功能的混凝土材料，如能夠進行智能報警與自我修復的納米材料。納米材料的特殊性能能夠使材料的剛度、強度、韌度等發生變化，利用這些特殊的性能就可以生產出各種不同的材料，如彈性水泥、延性水泥，抗菌陶瓷、保溫隔熱玻璃、抗菌塑料等具有高性能的材料，這些材料不僅能夠提高建筑物的使用性能，更能降低建筑物的能耗，有效的降低因能源消耗而造成的環境污染。
（四）毛細現象在建筑設計中的應用
當液體接觸到具有細微裂縫的物體或者具有較小管徑的細管時，就會沿著裂縫與細管上升或下降，這種現象就被稱作是毛細現象。毛細現象是由于分子間相互作用而產生的結果，紙張吸水、地下水沿著細縫上升等都屬于毛細現象，這種現象在建筑中的應用能夠解決許多難題。例如在裝有空調的室內，無論是夏天的冷風還是冬天的熱風都會使人感覺不舒適，這主要是由于空調吹出的“風”會帶走人體的水分，從而引發脫水等“空調病”，而新型建筑中的溫控裝置則用水這一傳熱載體取代了傳統建筑中的空氣，這種新型技術能夠有效的降低人體的不適感。這一技術正是使用了毛細現象的原理，建筑物的天花板上布滿了網柵，它是由一根根細小的毛細管組成，這些毛細管縱橫交錯形成一張網，毛細管中流通著水，冬季溫度較低時發電所產生的余熱使管中的熱水不斷流動，熱水的流動使室內溫度上升，發電所產生的余熱又使管中的冷水不斷流動，從而降低室內溫度。采用毛細現象制成的'制冷系統大大優于傳統的制冷模式，不僅能夠降低能耗，更能降低身體的不舒適感。
（五）太陽墻技術的應用
太陽墻技術的應用實際上是太陽能技術應用的一個范疇，太陽能可再生、環保、便宜等特性一直是能源研究專家觀眾的焦點，人們不斷開發探索新的途徑來實現對太陽能的利用。采用太陽墻空氣集熱器可以回收墻體的散熱，解決新風的預熱問題，在增強室內空氣供給量的同時能夠有效的節省能源。制作太陽墻主要采用鍍鋅鋼薄板或鋁制薄板，這些薄板外擁有許多褶皺和小孔，薄板的表面顏色較深，這些板材一般安裝在距離建筑外墻20厘米的地方，并和建筑物頂部的遮雨板連接在一起形成太陽墻即熱系統一個組成部分，另外一個部分由室內風機與管道組成，這兩大部分就構成太陽集熱系統的整體。其中薄板上的褶皺主要是用來增加板材的強度，褶皺可以根據需要的不同而設計不同的形狀，板材上孔洞的數量以及分布規律則是根據實際需求確定，這主要要考慮到建筑物的功能、特點、所處地理位置、陽光充足程度等。冬季，空氣通過板材上的孔洞進入集熱墻，空氣在流動的過程中汲取板材上吸收的熱量，隨后空腔的溫度上升，空氣就受到氣壓的作用進入沿著管道進入各個房間，為房間供暖；在夜間可以用風扇將由室內散失到空腔中的熱空氣重新扇回室內，這樣既能為房間供暖，又能夠為房間不斷輸入新鮮空氣。在夏季則停止風扇的運作，室外的熱空氣從孔洞中進入空腔，然后又沿著空腔上端和周圍的空隙流出，空氣源源不斷的在空腔內流動，不僅帶走了室內的熱量，也阻擋了熱量進入室內。
物理學知識在世博館建設中的應用
隨著傳統能源的日益枯竭，環境的日益惡化，人們將更多的目光集中到節能型建筑上，中國2010年第41屆上海世博會上低碳節能型場館成為了全世界矚目的焦點，其場館建設中許多技術與知識都和物理學息息相關。
（一）馬德里竹屋和空氣生態樹
從名稱上就可以知道馬德里竹屋建筑材料同其它場館的不同之處，其外墻用一層厚厚的竹窗進行覆蓋，竹窗由縱橫交織的竹子編制，在空氣清新的早晨將竹窗打開既可以更新室內的空氣又能降低溫度，在中午將竹窗關上能夠抵擋熱量的進入但又不會閉塞阻擋室內的空氣流通，竹子由于其空心的特質能夠起到很好的隔熱與保溫效果。空氣生態樹整體是由鋼鐵構建而成，其外觀為十邊形，整個場館的直徑為12米，空氣生態樹內部安裝有可以自動開合的百葉窗與直徑為7米的大型“引風機”，建筑物頂端安裝有太陽能電池板，整個建筑可以實現能源自給，不必消耗額外的能源。生態樹外圍用黑色遮陽網遮擋陽光，雖然白色遮陽網能有有效地反射太陽光，但由于遮陽網表面不平整，太陽光在其表面會形成漫反射，白色遮陽網不利于散熱，而黑色遮陽網則能吸收太陽光，同時遮陽網的結構又能有效阻擋熱量的擴散。
（二）倫敦零碳館
倫敦零碳館最為特別的就是安裝在建筑物頂端的可以自由轉動的風帽，由于夏天上海的溫度較高，空氣很難進入室內，風帽的自由轉動就能將室外的新鮮空氣引入場館中。另外工作人員將黃浦江底層的水通過管道引入場館下方，底層的江水溫度較低，用于對空氣降溫再好不過，由風帽采集而來的新鮮空氣經過江水的降溫后就被輸入場館中。熱空氣中的水蒸氣較多，會使人感到沉悶，經過江水冷卻后空氣中的部分水蒸氣會液化，空氣濕度相對較低。零碳館還采用了許多技術用于節能減排：屋頂鋪設的太陽能電池與熱水器能夠有效的將太陽能轉化成熱能，供給室內的能量需求；場館玻璃上安裝的太陽能電池不僅能夠增加室內的光亮度，又能為室內提供必要的電能；場館外墻上涂有熒光材料，白天墻壁能夠吸收太陽能并將其儲存起來，到了夜間就能發出光亮用于照明。這些節能技術基本上都是建立在物理學的基礎上，諸如太陽能電池、熒光涂料等能夠有效降低場館的能源消耗。
（三）漢堡之家館
漢堡之家館外形就如同是四個打開的抽屜，這個場館的神奇之處就在于它能夠不消耗任何的能源而使場館的溫度永遠維持在25℃左右。漢堡之家之所以具備如此生氣的功能主要就在于其建筑中使用熱傳遞與新能源。漢堡館的朝向同一般建筑物有很大區別，它的整體設計是坐北朝南。設計師為了擴大北面墻體的面積，將北邊一大部分墻體向抽屜一樣向外延伸，而南向則采用了百葉窗與遮陽網的設計，這樣的設計既能保證場館內的光亮程度，又能有效地避免陽光直射，減少場館的受熱面積。漢堡館的墻體有三層結構組成，其中設有很好的保溫層，能夠有效地阻擋室外的熱量進入場館內部；漢堡館的每一塊玻璃都是雙層結構，其中充滿了惰性氣體，不僅能夠進行保溫，同時還能有效地隔絕室外噪音；漢堡館只要能量來源就是太陽能和地熱，地熱所采用的就是地下水冬暖夏涼的原理，冬季溫暖的地下水能夠給場館供暖，夏季涼爽的地下水又能降低室內溫度，而其中地下水的抽取與輸送則完全有場館頂部的太陽能電池提供。漢堡館擁有完整的能源系統，完全不需要額外供電。
（四）新加坡館
新加坡館最為顯著的特征就是場館表面擁有許多開縫，這些開縫朝著不同方向延伸，場館頂端一個橫向的360度的大口子特別顯眼。新加坡館整體向內傾斜，下方的陰影帶中不僅設有水池還有綠色植被，風從場館上方的大口子吹入場館內部，場館頂端的空氣流通速度同場館內部形成極大的反差，由物理學知識可以知道空氣流動迅速的地方具有較大的壓強，這樣場館內部的熱空氣就從頂端的口子流向室外，而場館外部的空氣則經過陰影帶流入場館；空氣流經陰影帶時會使得陰影帶中水分蒸發，變成水蒸氣，而水分蒸發需要吸收熱量，場館內部的熱量就這樣被陰影帶降低，所以場館內部即使沒有開設空調也可以很涼爽。
總結
在中國的能源消耗排行榜中，建筑耗能位居榜首，而且隨著經濟發展的加劇，能源的消耗與日俱增，我國每年建成的房屋總共有16－20億平方米，超過了所有發達國家年建筑面積的綜合，這些建筑物95％以上屬于高能耗建筑，且建筑單位面積的能耗差不多是發達國家能耗的三倍。在這種形式下，相關部門迫切需要采取必要手段降低建筑物的能耗，以低能耗作為建筑設計的核心思想。建筑與物理學有著密不可分的關系，建筑學的理論與思想基本上都來源于物理學知識，物理科學在環保建筑中的應用能夠有效的降低能耗，2010年中國世博會的成功也證明了這一點，世博會建筑的核心思想就是低碳、低能耗，而物理知識的應用恰恰就幫助其實現了這一目標，相信物理技術在今后勢必會更多的應用與建筑節能，為社會的可持續發展做出巨大貢獻。
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