故宮里的古代供暖系統(tǒng)

周乾，力學(xué)博士，最后跑去故宮爬屋頂，對成百的建筑從學(xué)術(shù)視角進(jìn)行過“顯微鏡下的觀察”。故宮擁有數(shù)量龐大的宮殿建筑群，是印證我國古代建筑技藝、宮廷歷史文化的寶貴實(shí)物，這可把這位故宮博物院的研究員給高興壞了。

編者按：

本專欄將由故宮博物館以“故宮建筑與宮廷生活”為主題，十五期連載，契合時(shí)令，對以下內(nèi)容分別解讀：故宮里的古代供暖系統(tǒng)、故宮冬至日“點(diǎn)亮金匾”的古代智慧、清代皇家“冬運(yùn)會(huì)”、紫禁城皇帝的新年家宴、明清皇家“煙花秀”、紫禁城皇帝愛喝什么茶、紫禁城皇帝愛喝什么酒、明清宮廷娛樂之“秋千”、故宮古建筑的防火方法、故宮古建筑的防震智慧、故宮里的端午宮俗、故宮里的古代冰箱、故宮古代排水系統(tǒng)、故宮古代皇家學(xué)校、明清皇家祭月與賞月。

位于北京市中心的故宮又名紫禁城，在明清時(shí)期是帝王執(zhí)政和生活的場所。故宮不僅擁有輝煌壯麗的古代宮殿建筑群，而且包含了諸多的古代宮廷生活智慧，供暖就是其中的典型代表。

北京在明清時(shí)期處于我國歷史上第四個(gè)寒冷期，為“明清小冰期”，一年中約150天屬于冬天，最冷時(shí)氣溫可達(dá)零下30攝氏度。即使在極其寒冷的時(shí)期，故宮的古建筑的室內(nèi)也是很溫暖的，因?yàn)槠溆械叵鹿┡到y(tǒng)。明朝太監(jiān)劉若愚著《酌中志》卷二十“飲食好尚紀(jì)略”載：“十月……是時(shí)夜已漸長，內(nèi)臣始燒地炕?！笨烧f明紫禁城在明朝時(shí)期已有地暖。據(jù)清末民初徐珂編撰的《清稗類鈔》記載：“每年十一月初一日，宮中開始燒暖炕，設(shè)圍爐，舊謂之開爐節(jié)?！痹谶@里，“開爐”即開始使用爐火之意。開爐節(jié)揭開了宮中御冬消寒的序幕。與現(xiàn)代人冬季采用的水地暖（在地板下埋設(shè)水管，以熱水為熱媒，在水管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，加熱地板）或電地暖（在地板下埋設(shè)電纜或電熱膜，使之加熱地板）方式不同，明清時(shí)紫禁城采取的地暖為燒火供暖，俗稱“火地”或“暖地”?；鸬厥枪蕦m古建筑的一種地下供熱系統(tǒng)，是皇宮取暖的主要方式。

一、供暖原理

故宮古建筑的火地由位于窗戶外面的地下操作口、窗戶里面的地下爐腔、室內(nèi)地面磚下面的火道（熱量傳輸?shù)耐ǖ溃⑹彝馀_(tái)基側(cè)面的出煙口組成（圖1-圖2）。其供熱基本原理為：服務(wù)人員（一般為太監(jiān)）站立于操作口內(nèi)，將木炭置入地下爐腔內(nèi)燃燒，加熱空氣；受熱后的空氣沿著火道路徑向四周擴(kuò)散，其間加熱地面磚，利用地磚自身的蓄熱和熱量向上輻射的規(guī)律，使得熱量由下至上進(jìn)行傳導(dǎo)，從而保持室內(nèi)的溫暖；散熱后的空氣溫度降低，其夾雜炭火中的少量煙塵從出煙口排出火道。上述原理可包括制熱、傳熱、散熱三個(gè)過程，以下進(jìn)行解讀。

制熱：即燒炭形成熱源的過程。太監(jiān)進(jìn)入室外操作口（圖3），往室內(nèi)地下的爐腔燒炭。爐腔與操作口之間的位置為送炭口，送炭口由鐵箅子及爐門組成。鐵箅子用生鐵鑄造而成，其邊框截面尺寸較大，固定在兩端的墻上，上部支撐檻窗下面的墻體。鐵箅子有利于防止人從操作口鉆入室內(nèi)。爐門關(guān)上后，則可防止熱源往外擴(kuò)散。爐腔的上方為鐵架子，亦為鑄鐵制造，主要是為了增加支撐強(qiáng)度，以承擔(dān)上部地磚傳來的重量，并用于承受燒炭產(chǎn)生的高溫。操作口在不使用時(shí)會(huì)被厚木板蓋上，可防止小動(dòng)物鉆入，并有利于宮中人員在室外行走。太監(jiān)站在操作口內(nèi)，可隔著窗戶看見室內(nèi)，便于與室內(nèi)使用人員交流，并及時(shí)增減炭火，以保證室內(nèi)溫度的適宜。

傳熱：燒炭產(chǎn)生的熱量在地下向室內(nèi)（圖1中編號3→4方向）擴(kuò)散，該方向的煙道被稱為主煙道；這期間又會(huì)向兩側(cè)（圖1中編號4→5及與其平行的方向）擴(kuò)散，該方向的煙道被稱為支煙道。上述主、支煙道的分布方式猶如蜈蚣，因此又被俗稱為“蜈蚣道”。需要說明的是，由于熱量是由下往上走，因而火源位置位于室內(nèi)最低點(diǎn)，而主煙道從火源位置向室內(nèi)延伸時(shí)，其高度逐漸增大，剖面呈斜坡上升狀。這樣一來，熱量就可以較為迅速地向遠(yuǎn)處位置擴(kuò)散。一般而言，主煙道截面尺寸較大，上面蓋地磚一層；支煙道截面尺寸小，上面扣瓦（圖4）。為便于熱量在地下擴(kuò)散，主煙道的地磚之上、支煙道的瓦之上再架空鋪設(shè)地面磚，其架空方式為：在灰土（夯土）之上立多個(gè)磚制支墩，地面磚搭在支墩上，面磚之間接縫用灰漿抹嚴(yán)實(shí)。

散熱：地下熱量經(jīng)過主、支煙道擴(kuò)散到室內(nèi)地下的各個(gè)位置，然后通過室外臺(tái)基側(cè)壁的出煙口（圖1中編號6和7、圖3）排向室外。由于火源產(chǎn)生的絕大部分熱量已在室內(nèi)地下擴(kuò)散，因而從出煙口排出的熱量已經(jīng)非常少了。需要說明的是，出煙口相當(dāng)于紫禁城的“煙囪”，這種“煙囪”與普通建筑立在屋頂之上的煙囪不同，它位于室內(nèi)地面以下，巧妙地通過室外臺(tái)基將煙霧排出，既不影響建筑整體外觀，又能起到良好的排煙效果。這種做法，可以解釋“紫禁城的冬天燒炭取暖，但不見一個(gè)煙囪”的說法（坤寧宮背立面有一個(gè)煙囪，那是薩滿教祭祀殺豬煮豬肉排煙的通道，與冬季取暖無關(guān)）。此外，為避免小動(dòng)物從出煙口鉆入室內(nèi)地下，出煙口往往會(huì)砌上銅錢紋樣的鏤空磚雕，達(dá)到既實(shí)用又美觀的效果。

二、供暖效果

盡管冬天室外寒冷，然而紫禁城里的明清帝王感覺非常溫暖舒適。明代文人呂毖所撰《明宮史》卷一載有“懋勤殿，天啟皇剏造地炕于此，恒臨幸之”；卷四載有“（在室內(nèi)）飽食逸居，無所事事”。上述內(nèi)容描述了明代帝王冬天喜歡去有火地的室內(nèi)，且在冬日的夜里，火地提供的熱量，使得室內(nèi)充滿著溫暖和愜意。清代的乾隆皇帝在《冬夜偶成》一詩中就寫道：“人苦冬日短，我愛冬夜長……敲詩不覺冷，漏永夜未央。”由于室內(nèi)溫暖，乾隆帝竟然喜歡漫長的冬夜，并通過賦詩表達(dá)愉悅的心情。道光皇帝在《養(yǎng)正書屋全集》中寫道：“花磚細(xì)布擅奇工，暗熱松枝地底烘。靜坐只疑春煦青，閉眼常覺體沖融?！彼诔錆M暖意的屋內(nèi)，感受著地底傳來的融融暖意，夸贊火地精巧的布局方式、出色的供熱效果。金易、沈義羚所撰《宮女談往錄》（北京：紫禁城出版社，1991年），從宮女何榮兒的角度，回顧了晚清時(shí)期紫禁城內(nèi)的歷史。其中的“手紙和官房”章節(jié)，記載了清代紫禁城建筑的取暖方式：“數(shù)千間的房子都沒煙囪。宮里怕失火，不燒煤更不許燒劈柴，全部燒炭。宮殿建筑都是懸空的，像現(xiàn)在的樓房有地下室一樣。冬天用鐵制的轆轆車（鐵火車），燒好了的炭，推進(jìn)地下室取暖，人在屋子里像在暖炕上一樣?！边@段話不僅印證了紫禁城里的火地供暖方式，亦反映了火地具有很好的供熱效果。

三、燃料供應(yīng)

故宮里的火地供暖所用燃料多用紅籮炭，其質(zhì)地優(yōu)異，產(chǎn)生熱量高、煙霧少，且略帶香氣。明代宦官劉若愚所撰《酌中志》卷十六《內(nèi)府衙門識(shí)掌》記載了紅籮炭的來源：“凡宮中所用紅籮炭者，皆易州一帶山中硬木燒成，運(yùn)至紅籮廠，按尺寸鋸截，編小圓荊筐，用紅土刷筐而盛之，故名曰‘紅籮炭也。每根長尺許，圓經(jīng)二三寸不等，氣暖而耐久，灰白而不爆?！边@段話說明：紅籮炭的名稱源于炭被盛入刷有紅土漿的籮筐內(nèi)，而炭產(chǎn)于易州（今河北易縣），由山中硬木燒制而成，被運(yùn)送至紅籮廠（今北京市西城區(qū)大紅羅廠街附近）保存，并被加工成長約1尺（約為0.33米）的小段；紅籮炭在使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生爆裂，且熱量充足、持時(shí)長。而乾隆帝所作《撥火謠》一詩中，有“地爐榾柮撥溫黁，白灰紅炭堪為友”的描述。此處“榾柮”指炭，“黁”指香氣，乾隆帝對紅籮炭優(yōu)秀的材料性能極為贊賞。

根據(jù)清代內(nèi)廷大學(xué)士鄂爾泰、張廷玉等人編纂的《國朝宮史》卷十七記載，由于紅籮炭數(shù)量稀少，冬季用紅籮炭的供應(yīng)，宮中不同身份的人有著不同的規(guī)定：皇太后，40斤；皇后，20斤；皇貴妃，15斤；貴妃，15斤；妃，10斤；嬪，8斤；貴人，5斤；常在，無；答應(yīng)，無；皇子（公主），5斤；皇子福晉，10斤；皇子側(cè)室福晉，無。需要說明的是，宮中除了供應(yīng)紅籮炭外，還有黑炭。上述人員或兼受用紅籮炭和黑炭，或僅受用黑炭。

另據(jù)《宮女談往錄》之“手紙和官房”章節(jié)記載，紅籮炭燃盡產(chǎn)生的炭灰，還被收集起來，用于馬桶、便盆中的襯墊物，可避免產(chǎn)生臭氣。

四、傳聞考辨

關(guān)于故宮里的古代取暖方法，有傳聞?wù)J為：“皇宮內(nèi)的墻壁其實(shí)都是砌成空心的‘夾墻，俗稱‘火墻”；“皇帝辦公的三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）、養(yǎng)心殿以及部分寢宮的墻均是空心的，殿內(nèi)地磚下面砌有縱橫相通的火道，直通向殿外的地爐子”。上述觀點(diǎn)都是有誤的。從工程實(shí)踐來看，目前尚未發(fā)現(xiàn)故宮的古建墻體存在上面所說的“夾墻”或“火墻”。如圖5為故宮某古建筑墻體斷面照片，可見墻體為實(shí)心砌筑方式。另火地主要分布在內(nèi)廷區(qū)域（皇帝生活區(qū)）。在前朝三大殿，既沒有“火墻”，也沒有“火地”?；实墼诙炫e行重要活動(dòng)時(shí)，在三大殿內(nèi)的主要取暖方式為炭盆。如《國朝宮史》卷三載有“上諭本月二十七日（雍正元年十月二十七日，即1723年11月24日）太和殿廷試日期，天氣寒冷，著總管將大火盆多為預(yù)備”。該段話說明，在雍正元年的冬季，太和殿舉行廷試（皇帝親自出題目的考試），由于天氣寒冷，因而太和殿內(nèi)預(yù)備的是火盆。

另有關(guān)于故宮內(nèi)有暖閣與火炕的傳聞。在故宮內(nèi)確有這兩種取暖做法，且與火地密切相關(guān)。所謂暖閣，即在有火地的建筑內(nèi)，用木隔斷將這部分區(qū)域與宮殿建筑的其他區(qū)域隔開，使之成為一個(gè)較為封閉的小空間，且能夠保持恒定的溫暖狀態(tài)。如位于內(nèi)廷區(qū)域的坤寧宮在明代為皇后寢宮，其最東邊兩間房在清代被改為皇帝大婚的洞房，改造方式與暖閣做法一致，因而被稱為“東暖閣”，見圖6。而火炕則是利用火地的熱源，在建筑內(nèi)（尤其是靠近窗戶位置的區(qū)域）設(shè)置木制的或磚砌的長方體臺(tái)座，便于帝后在冬天的日常起居活動(dòng)，見圖7?；鹂辉跐M族一直很盛行，它既是寢息的設(shè)施，又是取暖的設(shè)施。明思宗崇禎十七年（1644）清入關(guān)后，滿族皇室將火炕大規(guī)模地運(yùn)用到了紫禁城的內(nèi)廷建筑中，成為火地之上的便于帝后開展休閑活動(dòng)的重要設(shè)施。

五、結(jié)語

故宮里的古代供暖系統(tǒng)，通過在室外操作口燒火，火源產(chǎn)生的熱量在室內(nèi)地下擴(kuò)散，并加熱地磚，達(dá)到了室內(nèi)保溫的效果。這種科學(xué)、簡易的供暖方式，體現(xiàn)了我國古代工匠的建筑智慧。