干熱氣候下建筑致涼模式研究

有學者將建筑比喻為人體除真皮膚和服裝之外的“第三層皮膚”[1]。在冷熱季節，面對外部熱環境和人體舒適性之間的差距，建筑系統確實承擔了庇護的作用。具體說來，當外部環境所能提供熱量過少時，建筑系統對人體主要起到防寒保暖的作用，當外部環境的熱量超出人體熱舒適范圍時，建筑則需起到防熱致涼的作用。正如《墨子·公孟》中所載：“今我問曰：何故為室？曰：冬避寒焉，夏避暑焉。”冷是生存的障礙，熱是舒適的障礙[2]，盡管過冷過熱對于人的生存來說，意義不盡相同，但對于熱舒適的阻礙卻是共同的。相比濕熱氣候，干熱氣候對建筑熱舒適的影響因素主要體現在過強的太陽輻射、過高的空氣溫度和過低的空氣相對濕度等方面。本文針對以上干熱氣候特點，根據熱量傳遞規律，總結干熱地區建筑在場地環境、圍護系統、通風系統等方面常見的營造智慧，進而形成致涼模式，這是干熱氣候條件下建筑響應氣候的重要內容。

1 致涼是建筑對干熱氣候的基本響應

在炎熱氣候條件下，建筑須承擔過濾外部過多熱量的作用，幫助躲避酷熱環境，減少外部向室內不利的熱傳遞和過多熱量給空間使用者帶來的不舒適性。

1.1 干熱氣候特點

根據柯本（Koppen）對全世界范圍內的氣候分類（表1），具備干熱氣候特點的氣候類型有BWh、BWk、BSh、BSk等氣候類型（圖1），盡管不同的氣候類型各項氣候參數略有差異，但都面臨同樣的問題，即在常年或季節性的環境過熱，超出人熱舒適的范圍，只是程度有所區別。

干熱氣候（hot-arid climate）是以太陽輻射強、氣溫高、濕度低、溫差大為特點的氣候。受干熱氣候影響的地區，白天氣溫上升迅速（最高氣溫達60℃左右），空氣異常干燥，地表水蒸發快，地面反射率高，太陽輻射強烈，常出現刺目眩光的現象。由于空氣中水汽較少，地表植被少，地表蓄熱量較小的干熱地區早晚、晝夜溫差往往較大，自然為建筑提供了免費冷源。由于日夜溫度差引起的通風概率較大，靜風頻率小，為通風致涼、建筑圍護系統的自發散熱創造了條件。

根據氣候影響的季節性，干熱地區可分為常年干熱地區和季節性干熱地區。熱帶沙漠氣候影響下的地區屬于常年干熱地區，典型如撒哈拉沙漠、阿拉伯半島、澳大利亞西部沙漠等地，北非一般夏天的月均溫大都在30～35℃，阿拉伯半島的亞丁一年有五個月的月均溫在30℃之上，可見高溫持續時間較長。干旱氣候影響下地區多處于內陸，盡管緯度較高，由于遠離海洋，身處內陸，降水較少，存在明顯冷熱季節，在夏季呈現出高溫低濕的特點，如中亞、澳大利亞中東部、中國新疆局部等地區。

1.2 干熱氣候與人體熱舒適性

干熱氣候影響下，人體受到強烈的太陽輻射和室外高溫。強烈的太陽輻射給人體造成灼燒的感覺，甚至造成局部組織受傷。當人體長時間處于高溫環境，使得人體內部熱量難以順暢地排解出去，容易中暑，甚至形成熱輻射病。盡管較低的相對濕度有助于皮膚表面汗液的蒸發，但長時間過低的相對濕度導致人體水分蒸發過多，失水過多也會造成人體的不舒適。當相對濕度低于20%時，通常也會影響人體呼吸系統，使人出現口干舌燥、咽喉腫痛等癥狀。

表1 K?ppen氣候分類法的主要氣候帶與氣候類型

圖1 干熱氣候4種類型及其地域分布圖

干熱氣候影響的地區，早晚、日夜溫差通常較大，有的甚至達到30℃，白天最高溫度超過40℃，而夜間最低溫度只有10℃左右，甚至更低。在中國新疆局部地區流傳“早穿棉襖午穿紗”之說。可見，較大的氣溫日較差給居民帶來了早晚著裝的較大變化，給日常生活帶來的各種不便，這也從另一個角度說明干熱地區居民需要具備較強的氣候適應能力。

2 7種建筑致涼模式

2.1 密集布局，相互遮擋形成陰影空間

建筑布局密集而且緊湊，建筑間距狹窄，建筑之間形成互相遮擋，減少了陽光能直射到的整個城市的建筑的立面，充分利用了建筑物互相之間的遮擋效應來防止建筑被太陽過度照射引起的過熱現象。陰影區的空氣溫度至少比日照區低2℃，因此，陰影對熱舒適性的改善比較顯著。也門的希巴姆（Shibam town）是一個大約有7 000居民的小鎮，小鎮里大約有500棟5～11層的建筑（圖2），互相遮擋，以阻擋強烈的陽光的熱量進入室內，位于城中心的廣場在白天部分或全部范圍處于陰影之中（圖3），有利于公共活動的展開。

在非洲撒哈拉沙漠邊緣地區，有一個綠洲城市——加達米斯(Ghadames)，是以前撒哈拉經商路線中最聞名的驛站之一。加達米斯城的建筑層數較少，多為1～2層建筑，但建筑緊鄰布置，密密麻麻分布于沙漠之上綠洲邊緣，周邊還有綠色植被。建筑之間的街巷十分狹窄，有的建筑出入口需要經過公用有蓋拱廊（圖4）。這些公共拱廊也是重要的風道，由于頂蓋的庇護，廊下空間陰涼舒適。

中國新疆吐魯番地區在最熱月（7月）有“火洲”之稱，平均氣溫為33℃以上，絕對最高氣溫曾達至49.6℃。新疆的大部分地區春夏和秋冬之交日溫差極大。吐魯番的傳統民居采用了“上屋下窯”的形態（圖5）。在夏季，人們大多居住在半地下室中，享受大地帶來的陰涼舒適，

圖2 希巴姆城市鳥瞰

圖3 希巴姆城中處于陰影中的城市公共空間

而二層空間在夏季就成為良好的隔熱層，鏤空的墻體頂部有較好的通風，有利于農作物（如葡萄）晾干空間，既能讓水分充分蒸發，又避免了直射陽光的暴曬。

2.2 “伸入”自然，躲避熱輻射

“伸入”自然是指將建筑空間或建筑部分空間設置在山體內或土體表層以下。一方面，主要是利用山體和土壤較好的熱穩定性，來抵消白天太陽輻射的熱量，從而獲得較涼爽的室內空間；另一方面，這類“伸入”自然的空間由于直面外部的立面面積較少，得熱量也有限。約旦南部古城佩特拉（Petra）大約繁榮于公元前三世紀。佩特拉的主要建筑基本上都采取在巖壁上直接挖掘的方式建造（圖6），可以利用巖壁擁有的極大的儲熱性能，平衡晝夜之間的溫差，形成較為適宜的室內環境。巖壁內部溫度在白天通常都低于室外空氣溫度，就是個巨大冷源，吸收室內空氣的熱量；在夜間，室外溫度急速下降之后，又往往會低于巖壁的溫度，這時巖壁就成為了室內空氣溫度的“穩定器”，減小室內降溫的幅度。

在許多荒漠或戈壁地區，民居更多地利用半地下空間來充當避暑“涼空間”，人們中午避于地下“涼空間”[3]。在加達米斯城中，許多建筑都設有地下或半地下空間，這些空間長時間能處于陰影之中，溫度較低（圖7）。地表以下的深度越深，受到外部太陽輻射的影響就越少，依靠土地較好的熱穩定性，獲得比較陰涼的空間。上文的吐魯番傳統民居“上屋下窯”的形式也正是這一原理的應用。

圖4 加達米斯鳥瞰和公共拱廊

圖5 吐魯番民居

圖6 佩特拉巖壁建筑

圖7 加達米斯沉入半地下的開放空間

2.3 規整形體，減少受熱面積

在干熱地區建筑的形體比較規整，體形系數較小，可以減少建筑傳熱系數，建筑所受太陽輻射的面積也較小。從也門希巴姆城中建筑來看，建筑平面大多為方形、長方形，略有凹凸，有些建筑相互倚靠在一起，聯排建造，進一步減小了體形系數和表面積（圖8）。規整的形體不但減少了建造施工的難度，也能減少受熱表面積。較小的建筑體形系數，有利于在夏季減少得熱。

2.4 厚重圍護結構，削減室內熱峰值

為抵御強烈的太陽輻射，在干熱的地區，建筑的圍護結構通常較為厚重。與輕薄的圍護結構相比，厚重的圍護結構往往具有熱阻大、蓄熱性大等特點。干熱地區的建筑大多采用生土、石材等蓄熱量大的建筑材料，厚重的圍護結構可以抑制夏季白天室外向室內的熱量傳遞，從而延遲了室內溫度變化的波峰到來，還削減室內溫度波動幅度，通過高蓄熱系數的儲熱體來有效減小室內晝夜溫差。厚重圍護結構對熱環境起到很好“削峰填谷”的調節作用。

在也門城市SANA，一些住宅的底層和二層墻體超過85cm，采用石材砌筑，二層以上樓層的墻體也達到40～ 50cm[4]（圖 9）。Abdulhak Mohammed Ghaleb等人的研究[5]通過實地測量表明：傳統建筑的圍護結構減少了室內外的熱量交換，減少了室內波動的幅度，在晝夜獲得相對穩定的熱環境；當夏季室外溫度在18.4～31.6℃范圍波動時，室內溫度為24～25.5 ℃，只有1.5℃的晝夜溫差（圖10、11）。

2.5 較小開口，減少熱量滲透

建筑立面上的開口（如門窗）是室內外能量傳遞的重要通道。相比墻體的傳熱系數，門窗的傳熱系數較大，因此，對室內外熱量傳遞有較大的影響。

圖8 希巴姆城

在干熱氣候亞區中，建筑在厚重的墻體開設較小的門窗洞口，以此來減少通過門窗的熱量傳遞，厚重的墻體在門窗洞口形成凹空間，形成窗洞遮陽（圖12）。較小門窗洞口跨度較小，有利于厚重結構的承載設計，減少建造的技術難度，方便居民自建。較小的建筑開口有效控制了室內外的熱量傳遞，有助于厚重的圍護結構發揮出良好的調節晝夜溫度的作用。

圖9 也門傳統住宅的厚重墻體

圖10 冬夏兩季一傳統住宅室內外溫度的變化比較圖

圖11 老城夏季一傳統住宅室內外溫度126h觀測圖

2.6 淺色表面，反射熱量

在許多干熱地區，建筑都采用了白色或淺色的立面，白色、淺色的墻體主要是對可見光部分的能量進行反射，減少建筑對可見光部分能量的吸收，為抑制熱量滲透創造條件。如在加達米斯，部分民居的立面為白色（圖13）。

在太陽輻射較強的熱帶沙漠和草原上或者地中海氣候亞區中，利用淺色墻體反射太陽輻射也是相當普遍的。西班牙南部馬貝拉(Marbella) 、卡薩雷斯Casares等地，瀕臨地中海，氣候是典型的地中海氣候，夏季炎熱干燥，磚紅色屋頂和白色的墻體是當地典型的建筑風貌特色（圖14）。在夏季，空氣中水汽含量較少，室外太陽輻射強烈，這些地區的大多數建筑都采用淺色立面，對陽光有顯著的反射作用。

2.7 捕風塔，疏散熱量

捕風塔實質上是空氣自然冷卻塔，這種捕風塔不使用任何機械設備, 完全靠自然能——太陽能和風能來致涼。在干熱地區，晝夜溫差大，空中較高處的通風良好。捕風塔在頂部設有2～8個開口，以利用來自各個方向的來風。高空的風被“捕捉”之后，進入通道，在達到室內空間之前，部分熱量被捕風塔吸收，經過灑水裝置的蒸發散熱，讓水蒸氣吸收空氣中的熱量，得到加濕冷卻的空氣才進入室內空間。在伊朗，這種捕風塔降溫系統無論在技術上還是在藝術上都十分成熟, 并形成了特殊的造型風格（圖15）。

圖12 希巴姆某宅立面圖

伊朗的朵蘭阿巴德花園(“Dowlatabad” Garden)的主體建筑帶有完整的自然通風系統（圖16）。捕風塔高達33.35m，是一個八角形平面。捕風塔可以在高空各個方向捕捉風，并導入室內空間。捕風塔充分

圖15 捕風塔不同形態

圖16 朵蘭阿巴德花園主體建筑

圖14 馬貝拉民居利用了白天和夜間的溫差（白天達到35℃，夜間達到17℃），可以達到到全天候的致涼效果。白天室外高溫，室內外形成熱壓通風，能將近地面經過水池、綠化增濕、降溫的空氣吸入室內；夜間室外低溫，空氣密度高，由捕風塔下沉至室內，達到致涼目的。不管外部環境是否處于有風環境，這套致涼系統都能夠有效運轉。

在巴基斯坦和中東等干燥氣候帶，利用陶罐疏松的縫隙造成的毛細效應，可以讓水非常緩慢地滲出到陶罐表面，巨大的表面積，加上空氣干燥使得水可以進行有效的蒸發，蒸發帶走大量的潛熱，產生了古老的被動式“冰”水裝置（圖17）。

捕風塔系統通過在含有地下水土層中的通風管道，室外的熱空氣被降溫并利用捕風塔的負壓作用吸入建筑內部，經過冷卻和增濕雙重作用的空氣進入室內空間，給人體帶去涼爽的感覺（圖18）。1973年，英國倫敦建筑協會，曾針對埃及一棟帶捕風塔和中庭噴泉的民居進行通風實測，發現在干熱強風環境中，室內起居空間的風環境和熱環境都十分舒適[6]（圖19）。

捕風塔的形態與外部風環境密切相關。在巴基斯坦海得拉巴，幾乎所有建筑屋頂都要設置了斗狀的捕風裝置，朝向主導風向（圖20）。該地區從4～6月，氣溫可超過50℃，風斗的作用就是將主導風引入建筑，加強蒸發致涼作用。在通風流暢的建筑中，氣溫可以降到25℃左右，致涼效果顯著。這樣的風斗在當地至少有500年的歷史了[7]。

圖17 被動式“冰”水裝置示意圖

圖18 捕風塔系統示意圖

圖19 埃及某民居實測捕風塔功效示意圖

圖20 巴基斯坦信德省海得拉巴（Hyderabad Sind）建筑風斗（bad-gir）

3 結語

干熱地區建筑致涼模式可分為場地環境、圍護系統、通風系統等三個層面。其中，場地環境層面，包括通過密集布局使建筑相互遮擋形成陰影空間、伸入自然以對沖白天太陽輻射得熱等；圍護系統層面，包括規整形體以減少受熱面積、厚重墻體有效削減室內溫度波動幅度、小開口來減少熱量滲透以及利用淺色表面來反射熱量等；通風系統層面，主要利用不同高度部位溫度差和日夜溫差形成煙囪效應，獲得自然通風的動力，有效轉移熱量等（表2）。只要能有效減少太陽的直接輻射，熱舒適性就能獲得較大提升。在干熱地區，盡管夏季氣溫較高，并易出現極端高溫，遠超濕熱地區的絕對高溫。但由于空氣比較干燥，利于水汽蒸發，自然通風帶動蒸發比較顯著，自然通風的致涼效果較高。在干熱地區，建筑通過被動式的營建為室內空間獲取較為舒適的熱環境，為可持續性建筑、綠色建筑提供了重要的參考意義。

（感謝同濟大學建筑與城市規劃學院博士研究生Akram為本文提供了素材）

表2 干熱地區建筑致涼模式、途徑、影響因素及關聯性列表

根據對環境中熱量的利用方式，干熱氣候下的建筑致涼主要有以下幾種途徑：避開熱量、隔離熱量、散發熱量、轉移熱量。由于干熱地區通常降水較少，不利于高大植物生長，主要通過自身密集長高、伸入地下或山體來制造陰涼區域。厚重圍護系統主要通過自身的厚度和熱惰性隔離熱量，有效減少得熱，使建筑室內外空間形成明顯得熱遲滯，并減少室內空間隨外部環境波動的幅度，穩定室內溫度，以獲得持續穩定的舒適空間。干熱地區夜間室外溫度低，風速較大，建筑圍護系統在白天的得熱可以較快散發，避免不斷累積并對室內空間形成二次熱輻射，盡管散熱表面受限，但在夜間能得到充分的散熱時間，在第二天得熱之前溫度不斷降溫。作為干熱地區獨特的通風系統，則在建筑致涼過程中貢獻較大，其中涉及了垂直拔風、顯熱轉化到潛熱等過程。富有地域特色的捕風塔通風系統，利用晝夜溫差和熱壓通風等原理，將熱量排出室外并使涼空氣進入室內，使室內空間保持了涼爽和舒適。

從7種不同的致涼模式看，太陽輻射是影響干熱地區建筑致涼及其有效性的最主要因素，空氣中潛熱較少，

參考文獻：

[1]林憲德.綠色建筑[M].北京:中國建筑工業出版社,2011:133.

[2]呂愛民. 應變建筑——大陸性氣候的生態策略[M].上海:同濟大學出版社, 2003:65.

[3]黃薇.建筑形態與氣候設計[J].建筑學報,1993(02):10-14.

[4]Akram. The Applications Of Traditional Architecture Techniques In Modern Architecture In Yemen[D].同濟大學碩士論文,2010:113.

[5]Ghaleb Mohammed Abdulhak. Effects of Climatic Elements on the Formation of Traditional Architecture in Sana'a City[J]. Damascus University Journal,2007,26(01):69-79.

[6]H.Fanthy. Natural Energy and Vernacular Architecture[M].London: the University of Chicago Press,1986:78-79.

[7]伯納德.魯道夫斯基.沒有建筑師的建筑[M].天津:天津大學出版社, 2011:95-96.