基于热舒适的西北地区清真寺空间形式分析

赵西平 夏奇龙 马媛 / ZHAO Xiping, XIA Qilong, MA Yuan

基于热舒适的西北地区清真寺空间形式分析

赵西平 夏奇龙 马媛 / ZHAO Xiping, XIA Qilong, MA Yuan

新建清真寺空间体量过大，室内热环境质量差。同时，礼拜活动时人数众多，在有限空间内由于换气量不足导致室内空气品质下降。本文提出以下改善策略：进行合理的整体布局创造适宜的微气候环境，采用被动式太阳能采暖的方法扩大热舒适区域范围，通过提高围护结构保温性能以及间歇性地板辐射采暖方式最终达到适宜的室内热环境，利用风压及热压通风的方法组织自然通风。在冬季，采用热回收系统回收排入空气中的热量以节约能源。

西北地区 清真寺 空间形式 室内环境 热舒适

中国伊斯兰教建筑中最重要的是清真寺建筑，其基本形制和布局原则是随着伊斯兰教的不断传播发展而逐步确定的。由于清真寺的社会职能具有多元化的特点，因而它是由许多功能不同的单体建筑组合在一起所形成的建筑组群。主要包括广大穆斯林进行礼拜和各种宗教活动的礼拜殿、后窑殿（圣龛，为朝拜方向的标志），为礼拜服务的邦克楼（宣礼塔）、水房，传播宗教教义和学问的讲堂，阿訇办公和生活起居的住房，以及碑亭、凉亭、游廊，乃至客舍、杂物间等附属建筑和建筑小品。

1 中国伊斯兰教及其建筑的历史沿革

1.1 中国伊斯兰教发展现状

伊斯兰教自公元610年由穆罕默德在麦加创立后，迅速传播至阿拉伯半岛及亚洲西部地区，并建立了强大的伊斯兰教哈里发国家。不久之后，伊斯兰教传入我国。在我国信仰伊斯兰教的各民族中，回族人数最多，约有700多万，经济文化比较发达，分布于我国各省市，其他民族多聚居在新疆、青海、甘肃等省区内。依据伊斯兰教教义，所有的穆斯林都要信奉真主安拉、做礼拜，随着伊斯兰教的传播，必然会产生伊斯兰教建筑。伊斯兰教建筑既要适应宗教教义所确立的功能，又要与中国传统建筑技术相结合，从而形成了中国伊斯兰教建筑独特的风貌和艺术特色。根据我国伊斯兰教建筑出现和发展的特点，大致可将其分成5个历史时期，分别是伊斯兰建筑的移植时期、形成时期、高潮时期、停滞时期以及复兴选择时期。

1.2 我国清真寺分布状况

从整体来看，目前我国清真寺建设量大，其中重建类型居多，且多数位于老城区。设计容量有增大趋势，并在地域上有显著差别。根据2010年第六次人口普查数据，对穆斯林较多的省份进行了人数和清真寺数量的汇总，可以发现西北地区的清真寺数量巨大（表1），因此，在中国清真寺的研究中，针对西北地区清真寺的研究更具有代表性。

1.3 当前清真寺设计活动状态

由于历史原因，西北地区绝大部分清真寺已被破坏，改革开放后重建的清真寺大多比较简陋，其容量远不能满足坊民人数激增的现状，扩大清真寺的容量已成为当今清真寺设计建造时需要考虑的一个重要问题。随着中国穆斯林参与的国际交流活动逐渐增多，人们慢慢热衷于所谓的“阿拉伯风格”。效仿和攀比的心理导致设计时过分注重建筑的外形，例如作为清真寺建筑的装饰艺术和标志之一的宣礼塔，其建造数量和高度不断刷新纪录，而穆斯林礼拜的热舒适问题往往被忽视了。

2 清真寺的使用特点及存在的问题

2.1 清真寺使用特点

清真寺最基本的功能属性是组织穆斯林进行礼拜活动。我国大部分清真寺还作为穆斯林社区的中心，承担着社会交往和社会服务功能。而西北地区清真寺还兼具培养宗教工作者和向穆斯林大众普及伊斯兰教知识的教育功能，如西宁南关清真寺实行四年制教育，培养了一批批优秀的宗教接班人。总之，中国清真寺的社会职能是多方面的，具体可分为5个主要功能群：礼拜功能、宗教附属及身份象征功能、导向集散功能、社会服务功能和教育办公功能，各功能对应的建筑组成如图1所示。

在清真寺所有功能中，礼拜功能是最为核心的，其他为辅助功能并与之发生联系，庭院与各功能块相连，为交通中转空间，并建立起清真寺内外的联系。除教育办公功能块外，其他功能块公共性都较强，教育功能块在特定时间会具有公共性。

2.2 清真寺整体布局中的问题

2.2.1 礼拜空间在竖向上的设置

礼拜空间属于大型聚会空间，需要在短时间内集散大量人流，原则上最好布置在地面层，不宜设置在二层以上的面层。但是很多案例中礼拜空间完全设置于二层以上面层，其他辅助功能的加入导致了礼拜空间的被迫提高。西北地区清真寺大部分使用者为老年人，无障碍设计应被重点考虑，目前来看此处似乎还是一处盲区。

由于地面热阻大于楼板热阻，因此在采暖或制冷时通过地表散失的能量小于楼板。如果礼拜空间上移，则对礼拜空间单独进行采暖或制冷时，能耗也将相应增加。

2.2.2 礼拜空间的容量不足

由于穆斯林人数的增加，清真寺越来越需要更大的礼拜空间，但由于清真寺整体选址的限制，礼拜空间只能向垂直方向发展，多层、大型礼拜空间势必成为发展趋势。当礼拜空间仍不能满足需要时，庭院和屋顶露台也要设计成适合礼拜的弹性空间。

2.3 穆斯林礼拜热舒适问题

西北地区大多处于寒冷或严寒气候分区，冬季气候寒冷，但是穆斯林在大殿做礼拜时需要光脚跪拜，每天5次的长时间跪拜导致虔诚的穆斯林落下恶疾。而在夏季，我国太阳辐射的特点决定了东西朝向的日晒较强，当礼拜大殿同时容纳大量的穆斯林做礼拜时，在有限的空间范围内，室内空气质量因聚礼人数增多而急剧下降，此时需要良好的通风来改善空气质量。因此，在当前清真寺建筑的研究中，更应着重加强对大殿冬季保温与夏季通风的研究。

清真寺的设计，尤其是礼拜大殿内部的设计，应讲求功能性和设计的节制性，减少繁复的装饰，因为装饰会转移礼拜者的注意力。随着社会的进步与经济的发展，清真寺建筑在满足基本礼拜功能的基础上，应该更加注重人性化的设计，使穆斯林的礼拜环境能够得到更好的改善。

3 清真寺大殿热舒适与空间形式分析

本文主要研究阿拉伯风格清真寺大殿室内的热舒适问题。近二十年来，我国经济飞速发展，穆斯林的生活品质逐渐提高，建设新的清真寺并对一些老旧的清真寺进行扩建成为普遍现象。清真寺礼拜空间的扩大往往会导致大殿热环境质量越来越差，营造一个良好的室内热环境不仅有利于礼拜人员的健康，还能降低清真寺的采暖能耗。

本节以青海省西宁市南关清真寺为例，从围护结构、有组织换气方式等角度，结合清真寺大殿的空间形式与布局，分析影响大殿室内热环境的因素，为建造可持续型、舒适型的清真寺建筑提供设计参考。

图1 清真寺功能群组与建筑组成对应关系

表1 穆斯林及清真寺数量统计

3.1 合理的整体布局创造适宜微气候环境

整体布局主要说明清真寺各功能空间之间的组织关系。首先要明确建筑选址、功能组成及各功能之间的关系；其次，合理的整体布局可以为清真寺创造一个适宜的微气候环境，提高礼拜大殿的热舒适度。

南关清真寺位于青海省西宁市，全省东西长1 200多km，南北宽800多km，总面积69.67万km2，平均海拔高度3 500m。青海省地处青藏高原东北部，地形大势是盆地、高山和河谷相间分布的高原，是“世界屋脊”青藏高原的一部分。

通过查阅资料可知，西宁市冬季最冷月平均相对湿度为48%，夏季最热月平均相对湿度为65%，年平均气温6.5℃，年平均最高气温13℃，年平均最低气温0℃。历史最高气温出现在2000年，为37℃；历史最低气温出现在1954年，为-27℃。年平均降雨量为382mm。结合图2所示的逐月平均温度，可以总结出青海地区的主要气候特征：气温低、积温少、日照多、辐射强烈。冬季干冷漫长，夏季降雨少而集中。年辐射绝对值超过418.68kJ，属于太阳能采暖节能气候区划所划定的气候最佳区域。

从青海省西宁市南关清真寺整体布局可以看出（图3），清真寺院落主要由礼拜大殿单体建筑与辅助用房组成。礼拜大殿为3层建筑，主要承担礼拜功能。辅助用房包括水房、学房等。根据伊斯兰教教义的要求，全世界穆斯林礼拜时均应面向麦加的克尔白天房，而麦加位于我国西方，所以清真寺礼拜殿的朝向大致朝西。南关清真寺位于马路东侧，故设计时需要首先考虑穆斯林进行礼拜时的行走路线问题。从西宁市风向玫瑰图可以看出，当地主导风向为东南风和西北风，南关清真寺周围的建筑也基本沿东南－西北的方向布置，该布局方式可以使清真寺处于最佳的通风朝向，有利于组织自然风进行通风换热。礼拜大殿是最重要的单体建筑，整个基地范围内没有高大建筑的遮挡，这给礼拜大殿冬季太阳能的利用带来更多的可能性。与此同时，应该重视通过建筑物周围的绿化来缓解夏季西晒带来的过热问题。合理安排建筑物周围的绿化，不仅对降低周围空气温度和日照辐射的影响有显著作用，还能改善房屋的通风状况，成片绿化起阻挡或导流作用，可改变房屋周围和内部的气流流场。水池、喷泉等既是景观小品，也能对场地的微气候环境起重要调节作用，由于水的比热容大，因此可以通过蒸发吸收大量的太阳辐射热量，且能调节空气的湿度。

一般而言，可以根据气候常识和对当地微气候的了解，推断出微气候对该地某一特定建筑物的影响，从而通过改变建筑的空间形态，利用微气候创造有利的室内热环境。微气候通过建筑物的开口与室内相通，或者通过建筑外壳进行热量传递，从而对室内热环境产生影响，室内热环境可视为室外环境的延续。因此，微气候对室内热环境的影响具有直接的作用。

3.2 礼拜殿空间形式分析

礼拜殿是清真寺最重要的建筑空间，整座寺院围绕其进行规划布局。清真寺作为礼拜活动的物质载体，主要在礼拜殿开展礼拜活动。构成清真寺大殿的内在要素如结构、组织和存在方式，外在表象如体形、轮廓、色彩等，以及穆斯林对这些外部表象的感知都会对清真寺礼拜殿的空间形式产生影响。

图2 青海省西宁市逐月平均温度

图3 青海西宁市南关清真寺整体布局

3.2.1 平面形式

根据南关清真寺的一层平面（图4），可以看出礼拜大殿属于大开间，室内宽敞高大，一层大殿与穹顶相通。礼拜殿最主要的功能是为穆斯林提供礼拜空间，伊斯兰教的礼拜仪式很简单，站立、鞠躬、叩首，地面只需要铺设地毯或地席即可。礼拜时众多穆斯林站成一排排的班次，为了方便班次站齐，地毯通常做成长条状。一排排横线条的地毯使礼拜空间更具有纵深感，增强了大殿的线性空间效果。地毯的使用还大大降低了人体与地面之间的换热速度，提升穆斯林在礼拜时的舒适度。一些其他组成部分也会对礼拜殿的空间形式产生影响。灯具的使用产生的光线效果，可以对大殿空间形式起画龙点睛的作用，通过改善灯具布置方式，可以增强空间的线性或集中式效果。静房的布置位置，以及书架、座钟等都会对空间形式产生一定的影响，这些都是在设计中应该注意的问题。

3.2.2 礼拜殿三要件

礼拜殿三要件是指“基布拉墙”、“米哈拉布”、“敏拜尔”。“基布拉墙”是礼拜时叩拜的方向，“伊玛目”率众礼拜时面向“基布拉墙”；“米哈拉布”意为凹壁，也称为圣龛，设在礼拜大殿后墙正中处，是大殿里最为圣洁的地方，也是清真寺内最精致华美、富丽堂皇的地方，是整个礼拜空间的视觉中心；“敏拜尔”为阿拉伯语音译，意为讲台、讲坛，指设在清真寺礼拜大殿内的宣讲台。

“基布拉墙”、“米哈拉布”、“敏拜尔”作为礼拜大殿最重要的三要素，其位置关系对礼拜活动的进行具有重要的影响（图5），同时也对空间形式产生着影响。

图4 青海省西宁市南关清真寺一层平面

图5 青海西宁市礼拜殿三要件布置方式

通常情况下，分离型空间关系的宣讲台有两种布置方式，一种布置在窑殿内；一种布置在窑殿外。共融型空间关系的宣讲台有3种布置方式，一种是紧贴基布拉墙，靠近米哈拉布；一种是与米哈拉布结合设置；另一种是设在大殿靠中央的位置，以便伊玛目宣讲时位于大殿后部的人也能听到，还可以增加礼拜空间的集中性趋势。

3.2.3 穹顶

穹顶因其大体量产生有力的视觉效果，成为清真寺重要的造型要件和表达伊斯兰身份特征的重要外部要件。穹顶常作为空间构图的视觉中心，并且用以营造集中式的空间形态。通常穹顶位于礼拜大殿顶部，参与空间塑形，也有不少穹顶，虽置于礼拜殿顶部，但是并不反映内部空间形态（图6）。由于技术和经济的原因，建筑无法修建大跨度的穹顶，加上对大容量礼拜殿的追求，致使穹顶直径过小，无法将内部空间有效地集中起来，只能形成线性的空间形态。另一方面，穹顶的存在导致礼拜大殿的内部空间更加高大，使得原本寒冷的冬季室内热环境变得更加严峻。因此，对利用穹顶的高大结构引入冬季日照以及组织夏季自然通风做进一步的深化研究十分有必要。

3.3 礼拜殿使用的特殊性

人们在清真寺大殿内的礼拜时间以及当地的生活特点，使得他们的热舒适状态具有独特性。首先，清真寺使用时间比较特殊，虽然全天开放，但集中使用时段为每天5次礼拜的时间，早晨、中午礼拜时间短，下午、晚上礼拜时间长。其次，从清真寺使用人群的年龄来看，青少年和老年人比例较大。青少年是在清真寺学习、生活的学生，衣食住行都在清真寺，清真寺相当于一座学校，培养着一代又一代优秀的穆斯林青年。老年人由于没有工作时间限制，经常全天在清真寺内诵读古兰经。另外，不同时间不同年龄段的人对室内热感觉的差异较大，尤其是在冬季，年轻人觉得室内温度稍微有点凉，老人就会觉得冷。礼拜期间所有人员的活动范围在大殿内，其中一部分老人在礼拜结束后依旧盘腿坐在大殿内诵读古兰经，在寒冷的冬季，人们在大殿内的逗留时间会相对缩短。

3.4 礼拜殿热环境被动式改善策略

3.4.1 被动式太阳能采暖

由于清真寺的用途、外观、朝向都有特殊规定，被动式太阳能设计不仅应符合其外观形式，还要能达到节能且改善大殿室内热环境的目的。被动式太阳能采暖分为直接受益式、特朗勃墙式和附加阳光间式，它们的共同点是最大限度地将太阳辐射引入并储存在围护结构中。影响太阳能建筑效率的关键气候因素是室外的温度和太阳辐射量，另外还有建筑自身的设计因素，包括窗墙比、围护结构保温性能和太阳能采暖率。该策略在一定程度上扩大了室内热舒适区范围，降低了过渡季节采暖设备的能耗，减少了建筑运行的能源消耗，起到节约能源的作用。

3.4.2 自然通风

利用室内外气流的交换，可以降低室温并排除湿气，保证房间拥有正常气候条件与新鲜洁净的空气。同时房间有一定的空气流动，可以加强人体的对流和蒸发散热，提高人体热舒适感，改善人们的工作和生活条件。进入建筑物的空气由两部分组成：一是通过门、窗等构件周围缝隙渗透的气流；二是来自通风孔口的气流，这些气流是由于风压作用或室内外气温差产生的热力作用（烟囱效应）造成的。

在寒冷的冬季，为保证室内的空气品质，不能仅靠从门窗缝隙渗透进入的冷风来增加新风量，这种随机的冷风渗透不但达不到改善室内空气品质的目的，还会由于加热冷风和热空气从门窗缝隙排出而浪费大量的能量，冷风渗透还会带给人们不舒适感。清真寺大殿南北两侧应设多个通风口，建筑中有新风进入必有等量的室内空气排出，相对于新风来说，这些排出的空气中含有热量，为了节省能源，有必要对这部分热量进行回收。为此，采用转轮式全热交换器或热管式热交换器这两种热回收系统，在改善大殿室内空气品质的同时回收排出空气中的热量，达到节约能源的目的；或者在通风口加设散热式供暖装置，对通风口的空气进行加热。

新建清真寺大都具有高耸的穹顶，因此，可通过穹顶开窗的方式组织夏季风压通风，缓解人体不舒适感（图7）。自然通风作为被动式降温方法，优越性十分显著。普遍认为自然通风可以有效改善夏季室内热舒适性，保证充足的新鲜空气和良好的室内空气品质，有效地减少建筑综合症的发生，满足人们亲近自然的心理要求。另一方面，自然通风能够降低人们对空调的依赖，从而节约能源。

要做到完全的自然通风几乎是不可能的，因此在清真寺建筑设计中要综合使用各种手段，充分利用自然风的同时，还需配置机械通风作为辅助手段。

图6 青海西宁市南关南关清真寺穹顶

3.5 礼拜殿热环境主动式改善策略

3.5.1 外墙保温改造

图7 青海省西宁市南关清真寺气候适应性分析

图8 外墙保温构造

对于地处严寒地区的青海而言，根据我国《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）的规定，其建筑热工设计要求必须充分满足冬季保温的需求，一般可不考虑夏季防热。对于青海省西宁市南关清真寺外墙的改造，在外墙各层材料的热工参数基础上（表2），计算其改造前后外墙热工性能的变化（图8）。

由表2可知，原外墙传热系数为0.302W/（m2·K），满足《公共建筑节能设计标准青海省实施细则》（DB63/617-2007）中的规定。但现场实测发现，冬季最冷月礼拜殿温度常在16℃以下，且室内温度波动较大，因此，建议新建清真寺外墙在采取外保温的同时，在夹心层设置相变材料。改造后的外墙传热系数依然满足标准中的规定，且大大提高了围护结构的热惰性指标，有利于将室内温度保持在舒适范围之内。

3.5.2 外窗节能改造

在外围护结构传热损失的热量中，外窗流失的热量占25%左右，通过对南关清真寺的调研发现，其外窗形式为铝合金中空玻璃窗，经过计算得出其窗墙比接近0.4，因此提出对外窗的保温性能进行改造的策略。对于外窗来说，其热工性能主要由窗框型材、玻璃类型和气密性决定，外窗整体传热系数可按式1进行计算。

式中：KF为窗框部分的传热系数，W/（m2·K）；KG为玻璃部分的传热系数，W/（m2·K）；η为窗框面积占整窗面积百分比。

窗框与玻璃的材质不同对窗户整体的传热系数影响较大，为减少热量从窗口散失，可用断热铝合金Low-E玻璃窗代替原来的铝合金中空玻璃窗（图9）。

根据改造前后外窗传热系数（表3），可发现改造前的外窗构造为铝合金窗框、普通中空玻璃；改造后的外窗构造为断热铝合金窗框、Low-E （9CEB23-30F+9A+6C）玻璃。传热系数由原来的3.43W/（m2·K）降低为1.96 W/（m2·K），保温性能大大提高，有效地提高了室内温度，改善了室内热环境。

3.5.3 地板辐射采暖改造策略

在改善清真寺礼拜殿热环境的主动式方法中，供暖系统的使用是一个重要的策略。由于改造前采用的是单一的地板辐射方式，青海省西宁市南关清真寺在供暖时间段内室温上升缓慢，且常低于16℃，不能满足大多数人的热舒适要求。通过地板辐射采暖系统自身的改善可以提高室内热舒适度。

图9 断热桥铝合金窗截面构造

表2 外墙各层材料热工参数

表3 不同类型窗户的K值

对于地板辐射供暖而言，当盘管内水流量和供水温差一定时，可通过减小盘管直径、增大盘管排布密度的方法提高室内的热均匀性。当盘管直径与密度一定时，可提高盘管内水流速度、增加盘管内热源与室内的热辐射交换，提高室内热舒适度。

3.5.4 屋面节能策略

屋面是建筑围护结构中的重要部分，是建筑节能需要处理的重要对象。目前常用的屋面保温材料有水泥蛙石、矿棉岩棉等非憎水性材料。这类保温材料吸湿后导热系数增大，通常通过在保温层上面做防水层的方法来解决这个问题。但此做法容易产生施工中一些不可抗因素导致的保温层含湿量过大问题，致使水分无法排出，可采用倒置屋面的做法解决（图10）。

与普通保温屋面相比，倒置式屋面主要有如下优点：构造简化，避免热应力、紫外线以及其他因素对防水层的破坏；憎水性保温材料能使其具有长期稳定的保温隔热性能与抗压强度，持久性与建筑物的寿命等同；施工快捷简便，维护方便简单；采用高效保温材料，符合建筑节能技术发展方向。

图10 倒置屋面构造方法示例

4 结语

建筑空间的首要功能是满足人的生产和生活需要，其活力体现在人的活动上，所以应分析人的心理特征，关怀人的心理感受，使之适应人的需求。建筑空间形式需要具有清晰的空间层次结构，为人们提供清晰的可解读性，发挥有序组织活动的能力，并使人们得到感官愉悦。另一方面，改善室内热环境是一个复杂的过程，存在诸多影响室内热环境的因素。在改善室内热环境时，还应该研究不同的空间组合设计对室内热环境造成的影响，为今后的新建清真寺提供设计的依据，也是今后研究的方向之一。

[1] 马媛. 青海地区清真寺大殿热环境改善研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2016.

[2] 邱玉兰, 于振生. 中国伊斯兰教建筑[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1992.

[3] 孙慧颖. 当代甘宁青地区清真寺设计研究[D]. 南京: 东南大学, 2010.

[4] 伍颖明. 建筑空间形式的秩序建构初探[D]. 重庆: 重庆大学, 2005.

[5] 燕宁娜. 宁夏清真寺建筑研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2006.

[6] 张顺尧. 甘肃伊斯兰教建筑的演变——尊重多元文化 传承建筑传统[D]. 上海: 同济大学, 2007.

[7] 张文亚. 新疆维吾尔伊斯兰教寺院建筑的研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2003.

[8] 中国建筑工业出版社. 伊斯兰教建筑——穆斯林礼拜清真寺[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

2016-08-08

ANALYSIS ON THERMAL COMFORTBASED SPATIAL FORMS OF MOSQUE BUILDINGS IN NORTHWEST CHINA

The newly-built mosque has a large space with a poor indoor thermal environment. At the same time there are a lot of people in the main hall while prayer services thus indoor air quality deteriorates with limited air exchange. This paper put forward the following improvement strategy: Create a suitable micro-climate environment with a reasonable overall layout, expand the scope of thermal comfort zone by using passive solar heating methods, achieve comfortable indoor thermal environment through improved building envelope thermal insulation properties and the method of intermittent radiant floor heating, realize natural ventilation by wind pressure and thermal pressure. In the winter, the heat recovery system is used to recycle the heat from the discharged air to save energy.

Northwest China, Mosque, Space Form, Indoor Environment, Thermal Comfort

“十二五”国家科技支撑计划项目（编号：2014BAL06B04）。

赵西平，西安建筑科技大学建筑学院教授夏奇龙，西安建筑科技大学建筑学院

马媛，西安建筑科技大学建筑学院