原标题:故宫里的古代供暖系统
位于北京市中心的故宫又名紫禁城,在明清时期是帝王执政和生活的场所。故宫不仅拥有辉煌壮丽的古代宫殿建筑群,而且包含了诸多的古代宫廷生活智慧,供暖就是其中的典型代表。
一、供暖原理
故宫古建筑的火地由位于窗户外面的地下操作口、窗户里面的地下炉腔、室内陆面砖下面的火道(热量传输的通道)、室外台基侧面的出烟口组成(图1-图 2)。
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图 1: 火地平面示意图(1- 室外操作口;2- 地下炉腔即火源;3、4、5- 火道,虚线箭头为热量在地下的传递方向 ;6-窗户 ;7- 出烟口 ;8- 夯土示意图)
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图2: 火地在 1-4 方向剖面示意图
其供热基本原理为:服务人员(一般为太监)站立于操作口内,将木炭置入地下炉腔内燃烧,加热空气;受热后的空气沿着火道路径向四周扩散,其间加热地面砖,利用地砖自身的蓄热和热量向上辐射的规律,使得热量由下至上进行传导,从而保持室内的温暖;散热后的空气温度降低,其夹杂炭火中的少量烟尘从出烟口排出火道。上述原理可包括制热、传热、散热三个过程,以下进行解读。
制热:即烧炭形成热源的过程。太监进入室外操作口(图3),往室内陆下的炉腔烧炭。
炉腔与操作口之间的位置为送炭口,送炭口由铁箅子及炉门组成。铁箅子用生铁铸造而成,其边框截面尺寸较大,固定在两端的墙上,上部支撑槛窗下面的墙体。铁箅子有利于防止人从操作口钻入室内。炉门关上后,则可防止热源往外扩散。炉腔的上方为铁架子,亦为铸铁制造,主要是为了增加支撑强度,以承担上部地砖传来的重量,并用于承受烧炭产生的高温。操作口在不使用时会被厚木板盖上,可防止小动物钻入,并有利于宫中人员在室外行走。太监站在操作口内,可隔着窗户看见室内,便于与室内使用人员交流,并及时增减炭火,以保证室内温度的适宜。
传热:烧炭产生的热量在地下向室内(图1中编号3→4方向)扩散,该方向的烟道被称为主烟道;这期间又会向两侧(图1中编号4→5 及与其平行的方向)扩散,该方向的烟道被称为支烟道。上述主、支烟道的分布方式犹如蜈蚣,因此又被俗称为“蜈蚣道”。需要说明的是,由于热量是由下往上走,因而火源位置位于室内最低点,而主烟道从火源位置向室内延伸时,其高度逐渐增大,剖面呈斜坡上升状。这样一来,热量就可以较为迅速地向远处位置扩散。一般而言,主烟道截面尺寸较大,上面盖地砖一层;支烟道截面尺寸小,上面扣瓦(图4)。
为便于热量在地下扩散,主烟道的地砖之上、支烟道的瓦之上再架空铺设地面砖,其架空方式为:在灰土(夯土)之上立多个砖制支墩,地面砖搭在支墩上,面砖之间接缝用灰浆抹严实。
散热:地下热量经过主、支烟道扩散到室内陆下的各个位置,然后通过室外台基侧壁的出烟口(图1中编号6和7、图3)排向室外。由于火源产生的绝大部分热量已在室内陆下扩散,因而从出烟口排出的热量已经非常少了。需要说明的是,出烟口相当于紫禁城的“烟囱”,这种“烟囱”与普通建筑立在屋顶之上的烟 囱不同, 它位于室内陆面以下,巧妙地通过室外台基将烟雾排出,既不影响建筑整体外观,又能起到良好的排烟效果。这种做法,可以解释“紫禁城的冬天烧炭取暖,但不见一个烟囱”的说法(坤宁宫背立面有一个烟囱,那是萨满教祭祀杀猪煮猪肉排烟的通道,与冬季取暖无关)。此外,为避免小动物从出烟口钻入室内陆下,出烟口往往会砌上铜钱纹样的镂空砖雕,达到既实用又美观的效果。
二、供暖效果
尽管冬天室外寒冷,然而紫禁城里的明清帝王感觉非常温暖舒适。
明代文人呂毖所撰《明宫史》卷一载有“懋勤殿,天启皇剏造地炕于此,恒临幸之”;卷四载有“(在室内)饱食逸居,无所事事”。上述内容描述了明代帝王冬天喜欢去有火地的室内,且在冬日的夜里,火地提供的热量,使得室内充满着温暖和惬意。清代的乾隆皇帝在《冬夜偶成》一诗中就写道:“人苦冬日短,我爱冬夜长……敲诗不觉冷,漏永夜未央。”由于室内温暖,乾隆帝竟然喜欢漫长的冬夜,并通过赋诗表达愉悦的心情。道光皇帝在《养正书屋全集》中写道:“花砖细布擅奇工,暗热松枝地底烘。静坐只疑春煦青,闭眼常觉体冲融。”他坐在充满暖意的屋内,感受着地底传来的融融暖意,夸赞火地精巧的布局方式、出色的供热效果。金易、沈义羚所撰《宫女谈往录》(北京:紫禁城出版社,1991 年),从宫女何荣儿的角度,回顾了晚清时期紫禁城内的历史。其中的“手纸和官房”章节,记载了清代紫禁城建筑的取暖方式:“数千间的房子都没烟囱。宫里怕失火,不烧煤更不许烧劈柴,全部烧炭。宫殿建筑都是悬空的,像现在的楼房有地下室一样。冬天用铁制的辘辘车(铁火车),烧好了的炭,推进地下室取暖,人在屋子里像在暖炕上一样。”这段话不仅印证了紫禁城里的火地供暖方式,亦反映了火地具有很好的供热效果。
三、燃料供应
故宫里的火地供暖所用燃料多用红箩炭,其质地优异,产生热量高、烟雾少,且略带香气。明代宦官刘若愚所撰《酌中志》卷十六《内府衙门识掌》记载了红箩炭的来源:“凡宫中所用红箩炭者,皆易州一带山中硬木烧成,运至红箩厂,按尺寸锯截,编小圆荆筐,用红土刷筐而盛之,故名曰'红箩炭’也。每根长尺许,圆经二三寸不等,气暖而耐久,灰白而不爆。”这段话说明:红箩炭的名称源于炭被盛入刷有红土浆的箩筐内,而炭产于易州(今河北易县),由山中硬木烧制而成,被运送至红箩厂(今北京市西城区大红罗厂街附近)保存,并被加工成长约 1 尺(约为 0.33米)的小段;红箩炭在使用时不会产生爆裂,且热量充足、持时长。而乾隆帝所作《拨火谣》一诗中,有“地炉榾柮拨温黁,白灰红炭堪为友”的描述。此处“榾柮”指炭,“黁”指香气,乾隆帝对红箩炭优秀的材料性能极为赞赏。
根据清代内廷大学士鄂尔泰、张廷玉等人编纂的《国朝宫史》卷十七记载,由于红箩炭数量稀少,冬季用红箩炭的供应,宫中不同身份的人有着不同的规定:皇太后,40斤;皇后,20斤;皇贵妃,15斤;贵妃,15斤;妃,10斤; 嫔,8 斤; 贵人,5斤;常在,无;答应,无;皇子(公主),5斤;皇子福晋,10 斤;皇子侧室福晋,无。需要说明的是,宫中除了供应红箩炭外,还有黑炭。上述人员或兼受用红箩炭和黑炭,或仅受用黑炭。
四、传闻考辨
另火地主要分布在内廷区域(皇帝生活区)。在前朝三大殿,既没有“火墙”,也没有“火地”。皇帝在冬天举行重要活动时,在三大殿内的主要取暖方式为炭盆。如《国朝宫史》卷三载有“上谕本月二十七日(雍正元年十月二十七日,即1723年11月24日)太和殿廷试日期,天气寒冷,着总管将大火盆多为预备”。该段话说明,在雍正元年的冬季,太和殿举行廷试(皇帝亲自出题目的考试),由于天气寒冷,因而太和殿内预备的是火盆。
另有关于故宫内有暖阁与火炕的传闻。在故宫内确有这两种取暖做法,且与火地密切相关。所谓暖阁,即在有火地的建筑内,用木隔断将这部分区域与宫殿建筑的其他区域隔开,使之成为一个较为封闭的小空间,且能够保持恒定的温暖状态。如位于内廷区域的坤宁宫在明代为皇后寝宫,其最东边两间房在清代被改为皇帝大婚的洞房,改造方式与暖阁做法一致,因而被称为“东暖阁”,见图6。
而火炕则是利用火地的热源,在建筑内(尤其是靠近窗户位置的区域)设置木制的或砖砌的长方体台座,便于帝后在冬天的日常起居活动,见图7。
火炕在满族一直很盛行,它既是寝息的设施,又是取暖的设施。明思宗崇祯十七年(1644)清入关后,满族皇室将火炕大规模地运用到了紫禁城的内廷建筑中,成为火地之上的便于帝后开展休闲活动的重要设施。
五、结语
故宫里的古代供暖系统,通过在室外操作口烧火,火源产生的热量在室内陆下扩散,并加热地砖,达到了室内保温的效果。这种科学、简易的供暖方式,体现了我国古代工匠的建筑智慧。
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终审✎张颐雯 审核✎朱玲
刊物编辑✎张子乐 推文编辑✎马捷
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