干热气候下建筑致凉模式研究

有学者将建筑比喻为人体除真皮肤和服装之外的“第三层皮肤”[1]。在冷热季节，面对外部热环境和人体舒适性之间的差距，建筑系统确实承担了庇护的作用。具体说来，当外部环境所能提供热量过少时，建筑系统对人体主要起到防寒保暖的作用，当外部环境的热量超出人体热舒适范围时，建筑则需起到防热致凉的作用。正如《墨子·公孟》中所载：“今我问曰：何故为室？曰：冬避寒焉，夏避暑焉。”冷是生存的障碍，热是舒适的障碍[2]，尽管过冷过热对于人的生存来说，意义不尽相同，但对于热舒适的阻碍却是共同的。相比湿热气候，干热气候对建筑热舒适的影响因素主要体现在过强的太阳辐射、过高的空气温度和过低的空气相对湿度等方面。本文针对以上干热气候特点，根据热量传递规律，总结干热地区建筑在场地环境、围护系统、通风系统等方面常见的营造智慧，进而形成致凉模式，这是干热气候条件下建筑响应气候的重要内容。

1 致凉是建筑对干热气候的基本响应

在炎热气候条件下，建筑须承担过滤外部过多热量的作用，帮助躲避酷热环境，减少外部向室内不利的热传递和过多热量给空间使用者带来的不舒适性。

1.1 干热气候特点

根据柯本（Koppen）对全世界范围内的气候分类（表1），具备干热气候特点的气候类型有BWh、BWk、BSh、BSk等气候类型（图1），尽管不同的气候类型各项气候参数略有差异，但都面临同样的问题，即在常年或季节性的环境过热，超出人热舒适的范围，只是程度有所区别。

干热气候（hot-arid climate）是以太阳辐射强、气温高、湿度低、温差大为特点的气候。受干热气候影响的地区，白天气温上升迅速（最高气温达60℃左右），空气异常干燥，地表水蒸发快，地面反射率高，太阳辐射强烈，常出现刺目眩光的现象。由于空气中水汽较少，地表植被少，地表蓄热量较小的干热地区早晚、昼夜温差往往较大，自然为建筑提供了免费冷源。由于日夜温度差引起的通风概率较大，静风频率小，为通风致凉、建筑围护系统的自发散热创造了条件。

根据气候影响的季节性，干热地区可分为常年干热地区和季节性干热地区。热带沙漠气候影响下的地区属于常年干热地区，典型如撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、澳大利亚西部沙漠等地，北非一般夏天的月均温大都在30～35℃，阿拉伯半岛的亚丁一年有五个月的月均温在30℃之上，可见高温持续时间较长。干旱气候影响下地区多处于内陆，尽管纬度较高，由于远离海洋，身处内陆，降水较少，存在明显冷热季节，在夏季呈现出高温低湿的特点，如中亚、澳大利亚中东部、中国新疆局部等地区。

1.2 干热气候与人体热舒适性

干热气候影响下，人体受到强烈的太阳辐射和室外高温。强烈的太阳辐射给人体造成灼烧的感觉，甚至造成局部组织受伤。当人体长时间处于高温环境，使得人体内部热量难以顺畅地排解出去，容易中暑，甚至形成热辐射病。尽管较低的相对湿度有助于皮肤表面汗液的蒸发，但长时间过低的相对湿度导致人体水分蒸发过多，失水过多也会造成人体的不舒适。当相对湿度低于20%时，通常也会影响人体呼吸系统，使人出现口干舌燥、咽喉肿痛等症状。

表1 Köppen气候分类法的主要气候带与气候类型

图1 干热气候4种类型及其地域分布图

干热气候影响的地区，早晚、日夜温差通常较大，有的甚至达到30℃，白天最高温度超过40℃，而夜间最低温度只有10℃左右，甚至更低。在中国新疆局部地区流传“早穿棉袄午穿纱”之说。可见，较大的气温日较差给居民带来了早晚着装的较大变化，给日常生活带来的各种不便，这也从另一个角度说明干热地区居民需要具备较强的气候适应能力。

2 7种建筑致凉模式

2.1 密集布局，相互遮挡形成阴影空间

建筑布局密集而且紧凑，建筑间距狭窄，建筑之间形成互相遮挡，减少了阳光能直射到的整个城市的建筑的立面，充分利用了建筑物互相之间的遮挡效应来防止建筑被太阳过度照射引起的过热现象。阴影区的空气温度至少比日照区低2℃，因此，阴影对热舒适性的改善比较显著。也门的希巴姆（Shibam town）是一个大约有7 000居民的小镇，小镇里大约有500栋5～11层的建筑（图2），互相遮挡，以阻挡强烈的阳光的热量进入室内，位于城中心的广场在白天部分或全部范围处于阴影之中（图3），有利于公共活动的展开。

在非洲撒哈拉沙漠边缘地区，有一个绿洲城市——加达米斯(Ghadames)，是以前撒哈拉经商路线中最闻名的驿站之一。加达米斯城的建筑层数较少，多为1～2层建筑，但建筑紧邻布置，密密麻麻分布于沙漠之上绿洲边缘，周边还有绿色植被。建筑之间的街巷十分狭窄，有的建筑出入口需要经过公用有盖拱廊（图4）。这些公共拱廊也是重要的风道，由于顶盖的庇护，廊下空间阴凉舒适。

中国新疆吐鲁番地区在最热月（7月）有“火洲”之称，平均气温为33℃以上，绝对最高气温曾达至49.6℃。新疆的大部分地区春夏和秋冬之交日温差极大。吐鲁番的传统民居采用了“上屋下窑”的形态（图5）。在夏季，人们大多居住在半地下室中，享受大地带来的阴凉舒适，

图2 希巴姆城市鸟瞰

图3 希巴姆城中处于阴影中的城市公共空间

而二层空间在夏季就成为良好的隔热层，镂空的墙体顶部有较好的通风，有利于农作物（如葡萄）晾干空间，既能让水分充分蒸发，又避免了直射阳光的暴晒。

2.2 “伸入”自然，躲避热辐射

“伸入”自然是指将建筑空间或建筑部分空间设置在山体内或土体表层以下。一方面，主要是利用山体和土壤较好的热稳定性，来抵消白天太阳辐射的热量，从而获得较凉爽的室内空间；另一方面，这类“伸入”自然的空间由于直面外部的立面面积较少，得热量也有限。约旦南部古城佩特拉（Petra）大约繁荣于公元前三世纪。佩特拉的主要建筑基本上都采取在岩壁上直接挖掘的方式建造（图6），可以利用岩壁拥有的极大的储热性能，平衡昼夜之间的温差，形成较为适宜的室内环境。岩壁内部温度在白天通常都低于室外空气温度，就是个巨大冷源，吸收室内空气的热量；在夜间，室外温度急速下降之后，又往往会低于岩壁的温度，这时岩壁就成为了室内空气温度的“稳定器”，减小室内降温的幅度。

在许多荒漠或戈壁地区，民居更多地利用半地下空间来充当避暑“凉空间”，人们中午避于地下“凉空间”[3]。在加达米斯城中，许多建筑都设有地下或半地下空间，这些空间长时间能处于阴影之中，温度较低（图7）。地表以下的深度越深，受到外部太阳辐射的影响就越少，依靠土地较好的热稳定性，获得比较阴凉的空间。上文的吐鲁番传统民居“上屋下窑”的形式也正是这一原理的应用。

图4 加达米斯鸟瞰和公共拱廊

图5 吐鲁番民居

图6 佩特拉岩壁建筑

图7 加达米斯沉入半地下的开放空间

2.3 规整形体，减少受热面积

在干热地区建筑的形体比较规整，体形系数较小，可以减少建筑传热系数，建筑所受太阳辐射的面积也较小。从也门希巴姆城中建筑来看，建筑平面大多为方形、长方形，略有凹凸，有些建筑相互倚靠在一起，联排建造，进一步减小了体形系数和表面积（图8）。规整的形体不但减少了建造施工的难度，也能减少受热表面积。较小的建筑体形系数，有利于在夏季减少得热。

2.4 厚重围护结构，削减室内热峰值

为抵御强烈的太阳辐射，在干热的地区，建筑的围护结构通常较为厚重。与轻薄的围护结构相比，厚重的围护结构往往具有热阻大、蓄热性大等特点。干热地区的建筑大多采用生土、石材等蓄热量大的建筑材料，厚重的围护结构可以抑制夏季白天室外向室内的热量传递，从而延迟了室内温度变化的波峰到来，还削减室内温度波动幅度，通过高蓄热系数的储热体来有效减小室内昼夜温差。厚重围护结构对热环境起到很好“削峰填谷”的调节作用。

在也门城市SANA，一些住宅的底层和二层墙体超过85cm，采用石材砌筑，二层以上楼层的墙体也达到40～ 50cm[4]（图 9）。Abdulhak Mohammed Ghaleb等人的研究[5]通过实地测量表明：传统建筑的围护结构减少了室内外的热量交换，减少了室内波动的幅度，在昼夜获得相对稳定的热环境；当夏季室外温度在18.4～31.6℃范围波动时，室内温度为24～25.5 ℃，只有1.5℃的昼夜温差（图10、11）。

2.5 较小开口，减少热量渗透

建筑立面上的开口（如门窗）是室内外能量传递的重要通道。相比墙体的传热系数，门窗的传热系数较大，因此，对室内外热量传递有较大的影响。

图8 希巴姆城

在干热气候亚区中，建筑在厚重的墙体开设较小的门窗洞口，以此来减少通过门窗的热量传递，厚重的墙体在门窗洞口形成凹空间，形成窗洞遮阳（图12）。较小门窗洞口跨度较小，有利于厚重结构的承载设计，减少建造的技术难度，方便居民自建。较小的建筑开口有效控制了室内外的热量传递，有助于厚重的围护结构发挥出良好的调节昼夜温度的作用。

图9 也门传统住宅的厚重墙体

图10 冬夏两季一传统住宅室内外温度的变化比较图

图11 老城夏季一传统住宅室内外温度126h观测图

2.6 浅色表面，反射热量

在许多干热地区，建筑都采用了白色或浅色的立面，白色、浅色的墙体主要是对可见光部分的能量进行反射，减少建筑对可见光部分能量的吸收，为抑制热量渗透创造条件。如在加达米斯，部分民居的立面为白色（图13）。

在太阳辐射较强的热带沙漠和草原上或者地中海气候亚区中，利用浅色墙体反射太阳辐射也是相当普遍的。西班牙南部马贝拉(Marbella) 、卡萨雷斯Casares等地，濒临地中海，气候是典型的地中海气候，夏季炎热干燥，砖红色屋顶和白色的墙体是当地典型的建筑风貌特色（图14）。在夏季，空气中水汽含量较少，室外太阳辐射强烈，这些地区的大多数建筑都采用浅色立面，对阳光有显著的反射作用。

2.7 捕风塔，疏散热量

捕风塔实质上是空气自然冷却塔，这种捕风塔不使用任何机械设备, 完全靠自然能——太阳能和风能来致凉。在干热地区，昼夜温差大，空中较高处的通风良好。捕风塔在顶部设有2～8个开口，以利用来自各个方向的来风。高空的风被“捕捉”之后，进入通道，在达到室内空间之前，部分热量被捕风塔吸收，经过洒水装置的蒸发散热，让水蒸气吸收空气中的热量，得到加湿冷却的空气才进入室内空间。在伊朗，这种捕风塔降温系统无论在技术上还是在艺术上都十分成熟, 并形成了特殊的造型风格（图15）。

图12 希巴姆某宅立面图

伊朗的朵兰阿巴德花园(“Dowlatabad” Garden)的主体建筑带有完整的自然通风系统（图16）。捕风塔高达33.35m，是一个八角形平面。捕风塔可以在高空各个方向捕捉风，并导入室内空间。捕风塔充分

图15 捕风塔不同形态

图16 朵兰阿巴德花园主体建筑

图14 马贝拉民居利用了白天和夜间的温差（白天达到35℃，夜间达到17℃），可以达到到全天候的致凉效果。白天室外高温，室内外形成热压通风，能将近地面经过水池、绿化增湿、降温的空气吸入室内；夜间室外低温，空气密度高，由捕风塔下沉至室内，达到致凉目的。不管外部环境是否处于有风环境，这套致凉系统都能够有效运转。

在巴基斯坦和中东等干燥气候带，利用陶罐疏松的缝隙造成的毛细效应，可以让水非常缓慢地渗出到陶罐表面，巨大的表面积，加上空气干燥使得水可以进行有效的蒸发，蒸发带走大量的潜热，产生了古老的被动式“冰”水装置（图17）。

捕风塔系统通过在含有地下水土层中的通风管道，室外的热空气被降温并利用捕风塔的负压作用吸入建筑内部，经过冷却和增湿双重作用的空气进入室内空间，给人体带去凉爽的感觉（图18）。1973年，英国伦敦建筑协会，曾针对埃及一栋带捕风塔和中庭喷泉的民居进行通风实测，发现在干热强风环境中，室内起居空间的风环境和热环境都十分舒适[6]（图19）。

捕风塔的形态与外部风环境密切相关。在巴基斯坦海得拉巴，几乎所有建筑屋顶都要设置了斗状的捕风装置，朝向主导风向（图20）。该地区从4～6月，气温可超过50℃，风斗的作用就是将主导风引入建筑，加强蒸发致凉作用。在通风流畅的建筑中，气温可以降到25℃左右，致凉效果显著。这样的风斗在当地至少有500年的历史了[7]。

图17 被动式“冰”水装置示意图

图18 捕风塔系统示意图

图19 埃及某民居实测捕风塔功效示意图

图20 巴基斯坦信德省海得拉巴（Hyderabad Sind）建筑风斗（bad-gir）

3 结语

干热地区建筑致凉模式可分为场地环境、围护系统、通风系统等三个层面。其中，场地环境层面，包括通过密集布局使建筑相互遮挡形成阴影空间、伸入自然以对冲白天太阳辐射得热等；围护系统层面，包括规整形体以减少受热面积、厚重墙体有效削减室内温度波动幅度、小开口来减少热量渗透以及利用浅色表面来反射热量等；通风系统层面，主要利用不同高度部位温度差和日夜温差形成烟囱效应，获得自然通风的动力，有效转移热量等（表2）。只要能有效减少太阳的直接辐射，热舒适性就能获得较大提升。在干热地区，尽管夏季气温较高，并易出现极端高温，远超湿热地区的绝对高温。但由于空气比较干燥，利于水汽蒸发，自然通风带动蒸发比较显著，自然通风的致凉效果较高。在干热地区，建筑通过被动式的营建为室内空间获取较为舒适的热环境，为可持续性建筑、绿色建筑提供了重要的参考意义。

（感谢同济大学建筑与城市规划学院博士研究生Akram为本文提供了素材）

表2 干热地区建筑致凉模式、途径、影响因素及关联性列表

根据对环境中热量的利用方式，干热气候下的建筑致凉主要有以下几种途径：避开热量、隔离热量、散发热量、转移热量。由于干热地区通常降水较少，不利于高大植物生长，主要通过自身密集长高、伸入地下或山体来制造阴凉区域。厚重围护系统主要通过自身的厚度和热惰性隔离热量，有效减少得热，使建筑室内外空间形成明显得热迟滞，并减少室内空间随外部环境波动的幅度，稳定室内温度，以获得持续稳定的舒适空间。干热地区夜间室外温度低，风速较大，建筑围护系统在白天的得热可以较快散发，避免不断累积并对室内空间形成二次热辐射，尽管散热表面受限，但在夜间能得到充分的散热时间，在第二天得热之前温度不断降温。作为干热地区独特的通风系统，则在建筑致凉过程中贡献较大，其中涉及了垂直拔风、显热转化到潜热等过程。富有地域特色的捕风塔通风系统，利用昼夜温差和热压通风等原理，将热量排出室外并使凉空气进入室内，使室内空间保持了凉爽和舒适。

从7种不同的致凉模式看，太阳辐射是影响干热地区建筑致凉及其有效性的最主要因素，空气中潜热较少，

参考文献：

[1]林宪德.绿色建筑[M].北京:中国建筑工业出版社,2011:133.

[2]吕爱民. 应变建筑——大陆性气候的生态策略[M].上海:同济大学出版社, 2003:65.

[3]黄薇.建筑形态与气候设计[J].建筑学报,1993(02):10-14.

[4]Akram. The Applications Of Traditional Architecture Techniques In Modern Architecture In Yemen[D].同济大学硕士论文,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]伯纳德.鲁道夫斯基.没有建筑师的建筑[M].天津:天津大学出版社, 2011:95-96.