故宮裡的古代皇家地暖
（本文載于《科技日報》2021年12月10日第8版，有修改）
超過600歲的故宮又名紫禁城，不僅擁有輝煌壯麗的古代宮殿建築群，而且含包含了諸多的古代宮廷生活智慧，地暖就是其中的典型代表。明朝太監劉若愚著《酌中志》卷十七《大内規制紀略》有：“右向東曰懋勤殿，先帝創造地炕于此，恒臨禦之”；卷二十《飲食好尚紀略》有：“十月……是時夜已漸長，内臣始燒地炕”；以上可說明紫禁城在明朝時期已有地暖。盡管冬天室外寒冷，居住在宮中的帝王們在則過得非常舒适溫暖。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”。道光皇帝在《養正書屋全集》中寫有“花磚細布擅奇工，暗熱松枝地底烘”。在這裡，“鳥道”、“羊腸”即為地下供暖的通道。與現代人采用的水地暖（在地闆下埋設水管，以的熱水為熱媒，在水管内循環流動，加熱地闆）或電地暖（在地闆下埋設電纜或電熱膜，使之加熱地闆）方式不同，故宮裡的古代地暖為室外燒火、加熱室内地磚的供熱方式，俗稱“火地”或“暖地”。
火地由位于窗戶外面的地下操作口、窗戶裡面的地下爐腔、室内地面磚下面的火道（熱量傳輸的通道）、室外台基側面的出煙口組成（圖1-圖2）。其供熱基本原理為：服務人員站立于操作口内，将木炭置入地下爐腔内燃燒，加熱空氣；受熱後的空氣沿着火道路徑向四周擴散，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律，使得熱量由下至上進行傳導，進而保持室内的溫暖；散熱後的空氣溫度降低，其夾雜炭火中的煙塵（少量）從出煙口排出火道。
圖1 火地平面示意圖
（1-室外操作口；2-地下爐腔；3、4、5-火道，虛線箭頭為熱量在地下的傳遞方向；6-窗戶；7-出煙口；8-夯土示意圖）
圖2 火地沿1-4方向剖視圖
服務人員的操作口位于窗戶外面的地面以下，尺寸一般為0.8×0.8×1m（長×寬×高）。在明代，紫禁城負責燒炭的人員由惜薪司安排，清代為内務府營造司人員。服務人員進入操作口，可往室内地下的爐腔燒炭火。操作口在不使用時會被厚木闆蓋上，可防止小動物鑽入，并有利于宮中人員在室外行走（圖3）。操作口在室外，且服務人員站在操作口内，可隔着窗戶看見室内，便于與室内使用人員交流，并及時增減炭火，以保證室内溫度的适宜。另操作口設在室外，還有利于避免室内火源産生的煙霧在室内蔓延或其它安全隐患。
圖3 火地操作口與出煙口（虛線框部分）
服務人員燒炭後，熱量在地磚下面沿着建築寬度方向内擴散，該方向的火道稱為主煙道；主煙道兩側還有若幹寬度較小的煙道，方向與其垂直，稱為支煙道。上述主、支煙道的分布方式猶如蜈蚣，因而又被俗稱為“蜈蚣道”。需要說明的是，由于熱量是由下往上傳遞，因而火源位置位于室内最低點，而主煙道從火源位置向室内延伸時，其底部高度逐漸增加，煙道剖面呈斜坡上升狀。這樣一來，熱量就可以較為迅速的由窗底向室内擴散。一般而言，主煙道截面尺寸較大，其上部蓋闆由磚砌築而成；支煙道截面尺寸小，蓋闆為扣瓦（圖4）。另主、次煙道的蓋闆之上再架空鋪設地面磚，其架空方式為：在各煙道之間的夯土層之上立多個磚制支墩，地面磚搭在支墩上，面磚之間接縫用灰漿抹嚴實。這種做法的科學性在于：一方面地磚層可均勻受熱，且溫度不過高；另一方面如有煙塵滲出煙道時，其仍然會限制在地面以下傳遞，并從出煙口排出。
圖4 主煙道和支煙道
地下熱量經過主、支煙道擴散，然後回轉，通過室外台基側壁的出煙口排向室外（圖3）。需要說明的是，出煙口相當于故宮古建築的“煙囪”，這種“煙囪”與普通建築立在屋頂之上的煙囪不同，它位于室内地面以下，既不影響建築整體外觀，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、但不見一個煙囪”的說法。此外，為避免小動物從出煙口鑽入室内地下，出煙口往往會砌上銅錢紋樣的镂空磚雕，達到既實用又美觀的效果。火地用炭源于今河北易縣，由一種硬木燒成，被稱為“紅籮炭”。每根炭被加工成長約32厘米、直徑約10厘米的塊體。這種炭産生的熱量高、煙霧少。《酌中志》卷十六《内府衙門識掌》還記載了這種炭具有“氣暖而耐久，灰白而不爆”的優點。木炭燃盡産生的炭灰，還被收集起來，用于宮中馬桶、便盆中的襯墊物。
有觀點認為，“皇宮内的牆壁其實都是砌成空心的‘夾牆’，俗稱‘火牆’，熱力順着夾牆溫暖整個大殿”，這種觀點是錯誤的。從工程實踐來看，目前尚未發現故宮的古建牆體存在用于傳遞熱量的“夾牆”。
故宮裡的古代皇家地暖，通過在室外操作口燒火，火源産生的熱量在室内地下擴散，并逐漸向室内空間擴散，達到了室内保溫的效果。這種科學、簡易的供暖方式，展現了古代工匠的智慧。
（作者資訊：周乾，故宮博物院故宮學研究所）