傳熱學(xué)視角下的夏家店下層文化晚期房址

摘 要：自從人類(lèi)開(kāi)始定居，房屋就逐漸成為生產(chǎn)生活中最重要的生存產(chǎn)物。新石器時(shí)代晚期之后，人類(lèi)對(duì)居住址的要求越來(lái)越高，主要集中在居住的舒適性、房屋通風(fēng)與保暖情況、防水防塵等問(wèn)題上，因此對(duì)居住址居住要求提高的研究，是研究古人房屋建設(shè)與發(fā)展以及生產(chǎn)生活方式的關(guān)鍵。在燕山南北的早期青銅時(shí)代的遺存中，二道井子遺址，作為最典型的遺址，有著保存較為完整的居住址，對(duì)青銅時(shí)代早期燕山以北居住址的研究具有很大的價(jià)值，因而對(duì)房址使用情況、保暖通風(fēng)情況、防水防塵情況的研究可以更加深入。本文以二道井子遺址的房址為例，從傳熱學(xué)角度進(jìn)行計(jì)算和分析，以便更深入地了解燕山以北青銅時(shí)代早期房址的建設(shè)情況。

關(guān)鍵詞：夏家店下層文化；二道井子遺址；房址；傳熱學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：K878" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-260X（2025）02-0055-04

自從人類(lèi)開(kāi)始定居，房屋就逐漸成為生產(chǎn)生活中最重要的生存產(chǎn)物。自新石器時(shí)代起，古人就對(duì)住房的要求越來(lái)越高。在新石器時(shí)代晚期，住房要求進(jìn)一步提升，主要集中在居住的舒適性、房屋通風(fēng)與保暖情況、防水防塵等問(wèn)題上。進(jìn)入早期青銅時(shí)代，對(duì)居住址的要求繼續(xù)提高，如居住址的建設(shè)地選擇背風(fēng)面、注重房屋的通風(fēng)和保暖、避免雨水的滲入等。

在燕山以北的早期青銅時(shí)代的遺存中，二道井子遺址作為最典型的遺址，有著保存較為完整的居住址，對(duì)青銅時(shí)代早期燕山以北居住址的研究具有很大的價(jià)值。二道井子遺址對(duì)研究燕山以北青銅時(shí)代早期房屋建設(shè)與發(fā)展以及生產(chǎn)生活起到了關(guān)鍵的作用。對(duì)房址使用情況、保暖通風(fēng)情況、防水防塵情況的研究也可以更加深入。

本文從傳熱學(xué)的角度，以二道井子遺址的房址為例進(jìn)行計(jì)算和分析，以便更深入地了解燕山以北青銅時(shí)代早期房址的建設(shè)情況，進(jìn)而更加全面地把握北方早期青銅時(shí)代居住址的建設(shè)特點(diǎn)與古人對(duì)居住環(huán)境的追求。

1 二道井子遺址房址

1.1 二道井子遺址

赤峰地區(qū)自興隆洼文化到夏家店上層文化期間，一直有人類(lèi)活動(dòng)。房屋從舊石器時(shí)代的山洞，逐漸發(fā)展到墻壁用土堆砌，再到夯土土坯堆砌，房屋的建設(shè)受到了文化交流與環(huán)境變化的影響。到夏家店下層文化時(shí)期，赤峰地區(qū)房屋的建設(shè)發(fā)生了明顯變化，帶有柱洞的房址與面積較大的房址大幅減少。到夏家店下層文化晚期，房址逐漸從雙層墻的外墻發(fā)展到院墻，院墻內(nèi)私有財(cái)產(chǎn)堆積，證明各家私有財(cái)產(chǎn)大幅增加。

二道井子遺址是夏家店下層文化晚期的典型遺址，位于內(nèi)蒙古赤峰市紅山區(qū)文鐘鎮(zhèn)，目前發(fā)掘面積為5 200m2，清理出遺跡包括城墻、環(huán)壕、院落、房屋、道路、窖穴、灰坑、墓葬等，具有豐富的考古研究?jī)r(jià)值。

二道井子遺址位于二道井子與三道井子村中間，距離市區(qū)約15km，遺址位于一個(gè)海拔600m、地勢(shì)平緩、東高西低的山坡上。遺址是由灰色土壤覆蓋，南北長(zhǎng)190m、東西寬140m，整體面積近2 700m2。其南北為凹陷地面，東面靠山，西邊臨河，這地勢(shì)十分適合定居，一是三面守險(xiǎn)可以保衛(wèi)遺址，二是沿水而建適合居民取水。

1.2 二道井子遺址房址

二道井子遺址堆積層深厚，此地應(yīng)為長(zhǎng)期使用，有些探方內(nèi)文化層疊壓堆積達(dá)20余層，文化層由房址、使用痕跡、廢棄堆積構(gòu)成。從揭露面看出房址堆積達(dá)數(shù)層，可以很明顯地看出房屋建造演變的過(guò)程。

外側(cè)有城墻與環(huán)壕，環(huán)壕平面大體呈橢圓形，南北長(zhǎng)約190m、東西寬約140m，此環(huán)壕剖面呈梯形，底寬0.2～0.5m，上面最寬有11.8m，高6.05m，這樣的結(jié)構(gòu)便于環(huán)壕挖掘，并且從環(huán)壕內(nèi)堆積的分層可以看出其使用時(shí)間長(zhǎng)[1]。

城墻位于環(huán)壕內(nèi)側(cè)，基寬9.6m、存高6.2m，其建筑方法為直接在地面上堆積梯形的土墻，然后在兩側(cè)進(jìn)行堆土包砌，此方法與后來(lái)《營(yíng)造法式》中記載的城墻建造方法近似，表明城市建設(shè)已經(jīng)初步形成。城墻內(nèi)部的堆積也會(huì)隨著城內(nèi)堆積緩慢升高，有部分房址位于城墻上，有些應(yīng)為早期的敵樓，城墻外側(cè)坡度較為陡峭，與環(huán)壕內(nèi)壁相連形成統(tǒng)一的斜面，每次城內(nèi)地面拔高后，就會(huì)在城外環(huán)壕內(nèi)取土建造城墻，城墻也會(huì)隨之提高，最后形成了12m的落差。

雙層墻壁的房屋發(fā)展成為院落。院落遺址大多由房址、院墻、窖穴等組成，但不是同一時(shí)期建造完成的。屋內(nèi)地面一般有六七層堆積，屋外院墻也是一圈圈擴(kuò)建而成，就地取材，擴(kuò)建的外墻就直接推倒用來(lái)向外建設(shè)，逐漸發(fā)展成面積更大的院落。在發(fā)掘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)很多擴(kuò)建殘留的材料被堆砌到內(nèi)外墻之間，一是節(jié)省了人工成本，二是可以起到避風(fēng)作用[2]。

2 F54傳熱情況分析

2.1 F54簡(jiǎn)介

F54應(yīng)為夏家店下層文化晚期建筑，其為地面式建筑，平面形狀以圓形為主，外部多附有回廊或側(cè)室，并非一次性建成。墻體是由尺寸大小不一的土坯壘砌而成，土坯之間用草拌泥進(jìn)行黏合。從建筑遺址可以看出，房址墻壁和院墻原是緊貼在一起，在逐漸改造后發(fā)展成院落。這證明當(dāng)時(shí)環(huán)境有轉(zhuǎn)暖的情況，并且物產(chǎn)豐富后，私有制逐漸發(fā)展，房址、院內(nèi)和灰坑中的遺物都表明夏家店下層晚期物產(chǎn)已經(jīng)到達(dá)一個(gè)巔峰，詳見(jiàn)圖1。

F54為復(fù)合建筑的主體部分，整個(gè)建筑由一個(gè)圓形房址、偏房、部分殘墻和院墻構(gòu)成，面積約為72m2。主體部分（F54）平面呈圓形，直徑約5m，墻體寬約0.8m、殘高0.9～1m。墻面平整，內(nèi)外壁抹有草拌泥多達(dá)3層，厚約0.02m，局部有火燒痕跡，房?jī)?nèi)居住面保存較好，分為5層，累計(jì)厚約0.1m。以正常成年人為例，在房間內(nèi)休息時(shí)，人應(yīng)為側(cè)臥，固化墻壁是為了讓墻壁更加堅(jiān)固，同時(shí)讓房間更加整潔，從而增加舒適度。從房屋內(nèi)側(cè)多層居住面可以看出，此間房屋使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾代。F54的建設(shè)也非一次成型，多層外墻應(yīng)為多次建設(shè)，直到最外側(cè)墻壁發(fā)展為院落，主體部分之外殘留的墻壁有些應(yīng)為擴(kuò)建后的殘留物，清理院落會(huì)額外使用體力，在生產(chǎn)勞動(dòng)實(shí)踐為主要任務(wù)的時(shí)代，多余的勞動(dòng)是不提倡的。居住面中央存有一近圓角方形地面灶，邊長(zhǎng)約0.75m，灶四周存有凹槽，灶面燒結(jié)面明顯，應(yīng)為長(zhǎng)期使用導(dǎo)致。灶處于房屋中間，是為了能更好地將熱量輻射到房屋各處，并加熱吹入房間內(nèi)的風(fēng)，使熱量傳遞到房屋內(nèi)各處。這樣安置灶坑是很常見(jiàn)的現(xiàn)象。

門(mén)道朝向西南，寬約0.9m、殘高0.92m，在赤峰地區(qū)，冬天刮的是東北風(fēng)，所以在山嶺處陽(yáng)面建造房屋，同時(shí)設(shè)置有較長(zhǎng)的彎曲門(mén)道，能有效避免寒風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入。門(mén)道朝西南，減少了寒風(fēng)吹入，符合房址建設(shè)的保暖要求。門(mén)外兩側(cè)存有土坯壘砌的“門(mén)柱”，為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)長(zhǎng)0.2m、寬0.1m、殘高約0.5m。室內(nèi)居住面略高于房外踩踏面。青銅時(shí)代，墊高的土門(mén)檻讓室內(nèi)地面高于室外，有效地避免積水流入室內(nèi)。在二道井子遺址存在時(shí)期，溫度與濕度相對(duì)現(xiàn)在較高，房?jī)?nèi)門(mén)檻較高是為了防止在降雨量大時(shí)雨水流入室內(nèi)，同時(shí)傾斜的室內(nèi)地面使得雨水不會(huì)輕易流入室內(nèi)。

側(cè)房位于主房西側(cè)，與主房共用東墻，平面呈長(zhǎng)方形，南北長(zhǎng)2.2m、東西寬2.4m、墻體寬0.4m、殘高0.8～1m。墻面加工方式與主房相同。室內(nèi)居住面與房外踩踏面無(wú)高差，可達(dá)主房門(mén)道附近。門(mén)道朝南，寬約0.5m。從建筑結(jié)構(gòu)可以看出，側(cè)房建造在F54外層墻外，表明其建造時(shí)間比主屋晚很多。根據(jù)其內(nèi)遺物可知，側(cè)房應(yīng)為倉(cāng)庫(kù)類(lèi)建筑，其中并無(wú)居住痕跡，也沒(méi)有相應(yīng)的生存設(shè)施。

外墻分為五次修筑，可以看出是從雙層墻的外墻逐漸發(fā)展成院落，主房、側(cè)房和外墻內(nèi)部堆積以破碎土坯為主，其中夾雜些許灰土和黃土，近踩踏面處存有一層很薄的黃土堆積。這表明外墻在發(fā)展為院落的過(guò)程中，會(huì)把里邊的墻推倒，然后收集未破的土坯同新做的土坯，向外擴(kuò)建，直到最后出現(xiàn)回廊。此時(shí)回廊內(nèi)可以?xún)?chǔ)存更多的物品，代表在夏家店下層文化晚期家庭社會(huì)分工帶來(lái)的家庭私有物逐漸增加，私有制經(jīng)濟(jì)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)高度[1]。

2.2 F54傳熱學(xué)計(jì)算

F54是圓形房址，墻壁以1/2錯(cuò)縫將土坯壘砌成墻，墻體寬0.8m，應(yīng)為多層土坯壘砌而成，中間以草木灰填充，以草木灰在進(jìn)行涂抹墻壁，F(xiàn)54直徑約為5m，地面面積約為20m2。此房址的門(mén)框已不存在，但根據(jù)與其同一遺址的F75的門(mén)框（F75為非居住址，不合適進(jìn)行計(jì)算），其墻壁高度為1.75m，所以每個(gè)房址的高度應(yīng)不高于1.75m。

根據(jù)能量守恒定律，房屋內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量和散失熱量是相同的，以此可以計(jì)算房址高度和熱量散失。房屋內(nèi)得到的熱量應(yīng)為灶坑內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量（Q₁）和人體產(chǎn)生的熱量（Q₂），散失的熱量為墻壁散失熱量（Q₃），地面散失熱量（Q₄），房頂散失熱量（Q₅），門(mén)散熱量和冷風(fēng)侵入散熱量（Q₆），可以得到一個(gè)等式（1），詳見(jiàn)圖2。

Q₁+Q₂＝Q₃+Q₄+Q₅+Q₆" （1）

2.2.1 房屋得熱量

根據(jù)以上分析，可以得到房址的得熱量情況。對(duì)二道井子遺址所存在木本植物進(jìn)行分析，查詢(xún)得知燃料的熱值，然后再根據(jù)灶坑的體積取一個(gè)合理值，從而得出此時(shí)灶坑內(nèi)燃料產(chǎn)生的熱量。在二道井子遺址房址和灰坑中出土的木炭中，櫟屬出土概率是最高的，約86.3%，說(shuō)明櫟屬是二道井子遺址居民利用最多的木本植物。櫟屬樹(shù)體高大，木材強(qiáng)度大、耐沖擊、有彈性，適合制作屋架和農(nóng)具[3]。同時(shí)，櫟屬是具有很高熱值的樹(shù)種，在取暖時(shí)，減少添加燃料活動(dòng)可以減少室外取料導(dǎo)致的熱量散失，采用高熱值的樹(shù)種作燃料是合理的[4]。

夏家店下層文化遺址的部分灶坑約為15cm，如為地面灶，燃料最多堆積10cm（堆積過(guò)高會(huì)引燃屋頂）。假設(shè)一個(gè)地面灶內(nèi)堆積的燃料在理想狀態(tài)下完全燃燒，櫟樹(shù)密度約為0.7～0.93g/cm3，得出Q1=ρVH/s=858.03J/s=858.03W；櫟樹(shù)密度ρ約為0.7～0.93g/cm3；灶坑內(nèi)體積約為V=0.75*0.75*0.1=0.056 m3；櫟樹(shù)熱值H=18.80±0.29kj/kg。

假設(shè)每個(gè)房間內(nèi)至少住兩個(gè)人，每個(gè)成年人的靜息散熱量約為100～120W（人在夜晚休息時(shí)為靜息），按照每個(gè)人平均釋放的熱量可得：Q₂＝q*2=220W。

2.2.2 房屋散熱量

墻壁散熱為整個(gè)房屋的主要散熱方式，將墻體結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為通過(guò)固體壁面的傳熱，詳見(jiàn)圖3。根據(jù)歷史溫度可得，在夏家店下層文化時(shí)期，室外溫度比現(xiàn)在高約5℃，所以在估算時(shí)，可以取一個(gè)室外溫度-15℃進(jìn)行計(jì)算。正常蒙古包的室內(nèi)溫度約為5～10℃，可以取室內(nèi)溫度約5℃。

墻體左側(cè)為室內(nèi)熱流體，墻體右側(cè)為室外冷流體，熱量順著圍護(hù)結(jié)構(gòu)從室內(nèi)向室外散失。其整個(gè)傳熱過(guò)程分三段，將三段合并可得：q=K（tw-tn）W/m²=17.62W/m²。其中tn：供暖室內(nèi)空氣溫度，℃；tw：室外空氣溫度，℃；k：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2*℃）；而通過(guò)墻壁的總熱流Q₃即為熱流密度和壁面積的乘積，即：Q₃=q*F_墻壁=583.75W。

地面的導(dǎo)熱為其次，使用熱流密度計(jì)對(duì)冬天的房址進(jìn)行測(cè)量，其熱流密度為：q=8W/m2，所以可得Q₄＝q*F_地面=166.81W。

冷風(fēng)滲透侵入量為少部分，但由于房址簡(jiǎn)陋，換氣次數(shù)散失熱量會(huì)大幅度增加，根據(jù)暖通空調(diào)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：Q₆=c*Q*（tn-tw）W=261.87W。

根據(jù)以上公式，可以得出房頂?shù)臒崃可⑹₅=65.6W，根據(jù)公式Q=KF（tw-tn），可以得到屋頂?shù)臒崃髅芏?，也可以確定屋頂?shù)牟糠謹(jǐn)?shù)據(jù)[5]，詳見(jiàn)表1。

以上計(jì)算公式是個(gè)等式，如果按照此公式進(jìn)行計(jì)算，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量，將其內(nèi)各個(gè)散熱面熱流密度，冷風(fēng)侵入換氣次數(shù)測(cè)得并進(jìn)行計(jì)算，可以大體得出房址高度，這對(duì)房址的復(fù)原工作和古人的居住情況研究大有益處。

3 聚落內(nèi)房址與環(huán)境分析

二道井子遺址年代距今4000—3500年，當(dāng)時(shí)全新世大暖期早已結(jié)束，但從地質(zhì)考古發(fā)現(xiàn)天氣有多次回暖現(xiàn)象，二道井子遺址內(nèi)的建筑演變過(guò)程也表明天氣有轉(zhuǎn)暖跡象，同時(shí)也包含私有制大幅度發(fā)展的原因[6]。

在二道井子遺址發(fā)掘出典型房址有兩種，分別為帶有院落的F61房址和F69房址及其附屬結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)圖4。

F69房址與F61、H153等建筑共同組成3號(hào)院落。F61與F69雖為同期建筑，但F61早于F69廢棄，從院內(nèi)的殘缺土坯堆積可以看出，F(xiàn)61房址是雙層墻，這可以反映當(dāng)時(shí)與周邊遺址激烈的文化交流，雙層墻壁既可以保證保暖問(wèn)題，雙層墻壁大大減少了在墻壁處散失的熱量，使房屋內(nèi)溫度升高，更適合人類(lèi)居住，同時(shí)也對(duì)房屋的保衛(wèi)進(jìn)一步加強(qiáng)。

3號(hào)院落外墻進(jìn)一步擴(kuò)大，說(shuō)明財(cái)富積累使3號(hào)院落的主人更加富裕，在F61旁邊建造了一處更大的房屋F69，F(xiàn)61不再作為居住使用，應(yīng)是作為倉(cāng)庫(kù)繼續(xù)使用。F69建好后，院落擴(kuò)建形成最后的院墻，同時(shí)因?yàn)槲锂a(chǎn)豐富，私有制發(fā)展，除卻在院內(nèi)堆積，也建設(shè)了地下倉(cāng)庫(kù)，用以?xún)?chǔ)存價(jià)值更高的物品。私有制的發(fā)展，導(dǎo)致貧富差距逐漸顯現(xiàn)并拉大。從F55和F54的規(guī)模就可以得出結(jié)論。

F75為典型房址。其使用時(shí)間比較長(zhǎng)，但由于其中并無(wú)灶坑，同時(shí)墻壁上還有一個(gè)面積較大的瞭望孔，如果作為居住址，此種房屋形制對(duì)冬天保暖極為不利。同時(shí)房屋高度較高，殘墻達(dá)到1.75m，當(dāng)時(shí)民房建筑無(wú)法達(dá)到。并且室內(nèi)雖有烘烤硬化墻壁，但其中沒(méi)有燃燒木材的木炭殘留，這個(gè)房址應(yīng)該是作為開(kāi)會(huì)或者瞭望之用。

4 結(jié)論

本文的居住址熱量計(jì)算，是將一個(gè)等式拆分開(kāi)載進(jìn)行計(jì)算，只要大體上可以得到等式兩側(cè)的數(shù)值，就可以進(jìn)行計(jì)算，如果同時(shí)有兩個(gè)以下的未知量，也可以采用引入合理值的方式進(jìn)行推測(cè)，這樣的計(jì)算方式相對(duì)于沒(méi)有梁架結(jié)構(gòu)的房址高度進(jìn)行計(jì)算比較好，其對(duì)房址的復(fù)原工作是一個(gè)較大的幫助。同時(shí)，針對(duì)復(fù)原的房址各個(gè)散熱面的測(cè)量與研究，可以更好地了解古人的房址所達(dá)到的保暖、堅(jiān)固的效果，同時(shí)也可以判斷復(fù)原模型的合理性。

最終得出結(jié)論，在整個(gè)大環(huán)境的條件下，隨著私有制和文化交流，整個(gè)聚落內(nèi)房址也隨之發(fā)展。從當(dāng)時(shí)的小型雙層墻的圓形房址，發(fā)展到帶有院落、單層墻壁的大型圓形房址，每一步發(fā)展都完美地反映了熱力學(xué)的散熱過(guò)程和周?chē)鷼鉁刈兓瘞?lái)的建筑發(fā)展過(guò)程，同時(shí)也兼具時(shí)代發(fā)展的特性。研究早期青銅時(shí)代的房址建設(shè)，可以更好地了解《考工記》中所記載的建筑條例是如何一步步發(fā)展并總結(jié)的，是中華民族建筑史上一塊承上啟下的基石。

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