南海島嶼氣象參數(shù)與建筑能耗分析

徐云飛，李瓊，孟慶林，趙立華

(華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510640)

中國(guó)南海地區(qū)的熱帶海洋性季風(fēng)氣候與大陸存在顯著差異，而南海地區(qū)在建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中被歸入夏熱冬暖地區(qū)[1]。對(duì)南海氣象的研究多集中在氣象領(lǐng)域[2-6]，而在島礁資源開發(fā)和旅游發(fā)展等領(lǐng)域也只提及整個(gè)南海的宏觀氣候特征[7-8],鮮有對(duì)該地區(qū)島嶼進(jìn)行建筑氣象分析的研究。對(duì)南海島礁建筑能耗的研究更為匱乏，只能從海南島[9-10]以及越南[11]、馬來西亞[12-14]、新加坡[15-16]等周邊國(guó)家加以推測(cè)。隨著近年南海島礁建設(shè)進(jìn)程的加快，南海島嶼上的房屋建筑和常住人口在不斷增長(zhǎng)[17-18]。筆者旨在探究南海島嶼建筑氣象特征,以及海島與陸地氣候的差異對(duì)建筑能耗的影響。

1 島礁和氣象臺(tái)站基本信息

目前南海島礁的建筑設(shè)計(jì)仍參照夏熱冬暖地區(qū)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而南海海洋氣候與陸地氣候存在很大不同，筆者選取兩個(gè)夏熱冬暖地區(qū)的典型城市——廣州和三亞作為陸地站點(diǎn)，與南海島礁站點(diǎn)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。島礁站點(diǎn)主要包括東沙群島中的東沙島，西沙群島中的永興島和珊瑚島，南沙群島中的南北子島、太平島、南威島和廣雅灘。這些島嶼在所在群島中具有代表性，其氣候特征在很大程度上體現(xiàn)出所在群島的氣候特征。島嶼及數(shù)據(jù)基本信息如表1所示。

表1 島嶼及數(shù)據(jù)基本信息Table1 Islands and data information

2 各站點(diǎn)氣象要素分析

溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家大氣與海洋管理局(NOAA)。各臺(tái)站數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔以及所用數(shù)據(jù)年份見表1，其中，時(shí)間間隔為3 h的數(shù)據(jù)采集時(shí)刻為北京時(shí)間2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00；時(shí)間間隔6 h的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為北京時(shí)間2:00、8:00、14:00、20:00。部分島嶼剔除了數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重的年份，而以相鄰年份代替，所選年份的數(shù)據(jù)比較完整。由于美國(guó)國(guó)家大氣與海洋管理局(NOAA)缺少南海島嶼的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，故選取《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 346—2014)[19]中南海島嶼的典型氣象年太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 各站點(diǎn)溫濕度分析

處理數(shù)據(jù)時(shí)，先將某站一年中每天的數(shù)據(jù)取平均值，得到全年的日均值，進(jìn)而求出該站10 a的逐日平均值，再由此得出該站各月氣象參數(shù)的最高值、平均值及最低值等數(shù)據(jù)以供分析。各站點(diǎn)月平均溫濕度分布如圖1所示。

圖1 各站點(diǎn)月平均溫度和月平均相對(duì)濕度分布Fig.1 Monthly mean temperature and monthly mean relative humidity distribution for each station

由圖1(a)可知，廣州的年平均氣溫為22.6 ℃；最熱月7月平均氣溫29.2 ℃，最高29.9 ℃；最冷月1月平均氣溫13.2 ℃，最低10.8 ℃；年平均相對(duì)濕度為73.9%。由圖1(b) 可知，三亞的年平均氣溫23.7 ℃左右；最熱月6月平均氣溫27.0 ℃，最高27.6 ℃；最冷月1月平均氣溫18.9 ℃，最低17.7 ℃；年平均相對(duì)濕度85.3%。由圖1(c) 可知，東沙島年平均氣溫為25.9 ℃；最熱月7月平均氣溫29.6 ℃，最高30.4 ℃；最冷月1月平均氣溫21 ℃，最低20.1 ℃；年平均相對(duì)濕度為85.7%。由圖1(d)、(e)可知，西沙群島年平均氣溫約為27.4 ℃；最熱月6月平均氣溫30 ℃，最高30.8 ℃；最冷月1月平均氣溫23.9 ℃，最低23.1 ℃；年平均相對(duì)濕度80%左右。由圖1(f)～圖1(i)可知，南沙群島年平均氣溫在28 ℃左右；最熱月5月平均氣溫29.1 ℃，最高29.8 ℃；最冷月1月平均氣溫26.8 ℃，最低26.2 ℃；年平均相對(duì)濕度82%左右?？梢?，海島年平均溫度比廣州高3.3～5.4 ℃，比三亞高2.2～4.3 ℃；最熱月平均溫度除三亞稍低，廣州與各海島站點(diǎn)較為接近，分布在29～30 ℃之間；海島最冷月平均溫度要比廣州高7.8～13.6 ℃，比三亞高2.1～7.9 ℃；年平均相對(duì)濕度除廣州較低，三亞與各海島均在80%以上。

各站點(diǎn)年平均溫度、氣溫年較差和年平均相對(duì)濕度如圖2。海島年平均溫度明顯高于陸地站點(diǎn)，其中太平島比廣州高6.0 ℃；相反，海島的氣溫年較差遠(yuǎn)小于陸地站點(diǎn)，其中東沙島為8.6 ℃，西沙群島為6.1 ℃，南沙群島約為2.7 ℃，而三亞為8.1 ℃，廣州為16 ℃。

可見，南海島礁常年處于相對(duì)高溫高濕狀態(tài)，其最冷月平均溫度遠(yuǎn)高于10 ℃，最熱月平均溫度均高于29 ℃，即已超出文獻(xiàn)[1]中夏熱冬暖地區(qū)主要分區(qū)指標(biāo)的范圍。

圖2 各站點(diǎn)年平均溫度、氣溫年較差和年平均相對(duì)濕度對(duì)比Fig.2 Annual mean temperature, annual range of temperature and annual mean relative humidity

2.2 各站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向分析

各站點(diǎn)數(shù)據(jù)不取平均值，均以原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。各站點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向特征統(tǒng)計(jì)如表2所示。各海島及三亞全年主導(dǎo)風(fēng)向主要為東北向，夏季主導(dǎo)風(fēng)向多為西南向，冬季主導(dǎo)風(fēng)向多為東北向。而廣州全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸毕颍?、冬季主?dǎo)風(fēng)向分別為東南、北向。年平均風(fēng)速及季節(jié)風(fēng)速整體上隨緯度的降低而增大，海島的年平均風(fēng)速、冬夏季平均風(fēng)速及冬夏季主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速均明顯高于廣州，而與三亞差異不大。海島多屬于海洋季風(fēng)氣候，且海撥低、周邊空曠，而廣州、三亞是城市地貌，山丘、建筑較多，所以海島上的風(fēng)速明顯高于陸地。

表2 各站點(diǎn)風(fēng)向、風(fēng)速特征統(tǒng)計(jì)表Table 2 Wind direction and wind speed of each station

2.3 各站點(diǎn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)取自《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 346—2014)。此標(biāo)準(zhǔn)中的臺(tái)站數(shù)量少于前文，但仍在各群島中都有分布，能夠反映出島礁與陸地的差異。各站點(diǎn)在典型氣象年的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度占比統(tǒng)計(jì)如圖3(a)，統(tǒng)計(jì)方法為先計(jì)算每小時(shí)的直射太陽(yáng)輻射占總太陽(yáng)輻射的比例，然后按每十個(gè)百分點(diǎn)為一檔統(tǒng)計(jì)各檔出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)，按此方法分別對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。借此可查看各站點(diǎn)直射太陽(yáng)輻射占總太陽(yáng)輻射的比例分布。各站點(diǎn)總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布情況統(tǒng)計(jì)如圖3(b)，按每100 W/m2為一檔，分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在每一檔出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。

圖3 各站點(diǎn)全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Fig.3 Annual solar radiation intensity statistics of each station

廣州、三亞、東沙島和永興島的直射太陽(yáng)輻射主要占總輻射的40%～70%，其中占總輻射的50%～60%的小時(shí)數(shù)最多，廣州和三亞在1 700 h以上，東沙島和永興島在2 500 h以上，其次是占總輻射的60%～70%的小時(shí)數(shù)；而珊瑚島、太平島和永暑礁絕大多數(shù)時(shí)刻的直射太陽(yáng)輻射占比超過60%，且多集中在70%～100%，即這些島嶼一年中晴天較多，直射輻射強(qiáng)烈。

廣州、三亞、東沙島和永興島的總太陽(yáng)輻射多小于700 W/m2，即主要分布在0～700 W/m2，除三亞外極少有大于700 W/m2；而由珊瑚島往南的站點(diǎn)則呈現(xiàn)低輻射少、強(qiáng)輻射多的分布特點(diǎn)，其總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于700 W/m2的小時(shí)數(shù)較多，且700～800 W/m2小時(shí)數(shù)最多，如圖3(b)，即這些站點(diǎn)白天多數(shù)時(shí)間太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈。一方面是因?yàn)閸u礁的云量較陸地站點(diǎn)少，島礁年平均云量為5～6成，而廣州、三亞則為7成；另一方面城市的工業(yè)排放、汽車尾氣等污染較為嚴(yán)重，大氣中懸浮顆粒物等粉塵較多[20]。

3 各站點(diǎn)建筑能耗分析

室外氣象參數(shù)是建筑能耗的決定性因素之一，同類建筑在不同氣候區(qū)建筑能耗的高低一定程度上反映了區(qū)域的氣候差異，而氣候差異通過氣象參數(shù)體現(xiàn)。南海島嶼的各氣象參數(shù)與夏熱冬暖地區(qū)的陸地站點(diǎn)有較大的差異，這些差異對(duì)建筑能耗存在影響。

目前，南海島嶼的建筑設(shè)計(jì)主要參照夏熱冬暖地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建筑形態(tài)多借鑒海南省的建筑形態(tài)，故選取海南地區(qū)的典型居住建筑和辦公建筑模型[8-9]，分別使用DeST-h、DeST-c模擬比較居住建筑和辦公建筑在陸地、海島等不同站點(diǎn)的能耗。其中，對(duì)于南海島嶼，氣象參數(shù)采用《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的典型氣象年數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入DeST氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建筑能耗模擬。

居住建筑模型[8]層高3 m，共8層，總建筑面積1 381 m2。辦公建筑模型[9]層高3.4 m，共5層，總建筑面積1 741 m2。建筑平面圖如圖4所示，表3、表4分別為主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)。

同一居住建筑和辦公建筑在不同的陸地、海島站點(diǎn)的全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)如圖5所示。由圖5可見，隨著緯度的降低，居住建筑和辦公建筑的全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)總體上呈增大趨勢(shì)。對(duì)于居住建筑，珊瑚島、太平島、永暑礁的建筑能耗已達(dá)到廣州的2倍，約是三亞的1.22倍。對(duì)于辦公建筑，南沙群島站點(diǎn)的全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)也接近廣州的2倍。因此，島礁常年的高溫高濕氣候?qū)ㄖ芎挠绊戯@著。

圖4 建筑平面圖Fig.4 Building layouts

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)造傳熱系數(shù)/(W·(m2·K)-1)屋面細(xì)石混凝土+水泥砂漿+聚氨酯防水涂料+膨脹珍珠巖+鋼筋混凝土1.66外墻水泥砂漿+加氣混凝土砌塊+水泥砂漿1.26外窗普通鋁合金窗加單片普通玻璃;窗墻比:東0.02,西0.02,南0.32,北0.32;綜合遮陽(yáng)系數(shù)均為0.836.4

表4 辦公建筑模型主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)Table 4 Main envelop enclosure structure and thermal parameters of office building model

圖5 各站點(diǎn)居住建筑和辦公建筑的全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)Fig.5 Annual cumulative cooling load index of residential buildings and office buildings of each station

4 結(jié)論

通過對(duì)南海島嶼的氣象數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)南海島礁常年處于較高的溫度和相對(duì)濕度，且氣溫年較差小，年平均溫度和年平均相對(duì)濕度明顯高于陸地。且其最冷月平均溫度遠(yuǎn)高于10 ℃，最熱月平均溫度均高于29 ℃，已超出建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中夏熱冬暖地區(qū)主要分區(qū)指標(biāo)的范圍，即南海地區(qū)不適宜歸入夏熱冬暖地區(qū)，宜設(shè)置新的極端熱濕氣候區(qū)，以進(jìn)行更符合其氣候特點(diǎn)的熱工設(shè)計(jì)。

島礁年平均風(fēng)速隨緯度降低而增大，且大于陸地年平均風(fēng)速。陸地太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度多集中在0～400 W/m2的范圍，而南沙島礁的強(qiáng)輻射較多，多分布在400～800 W/m2的范圍內(nèi)。越往南的島礁，太陽(yáng)直射輻射越強(qiáng)。

無論是居住建筑還是辦公建筑，島礁建筑能耗都明顯高于陸地，個(gè)別島礁建筑能耗達(dá)到廣州的2倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50176—2016[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

Code for thermal design of civil building: GB 50176-2016 [S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2016. (in Chinese)

[2] 柳艷菊，閻俊岳，宋艷玲.近50年南海西沙地區(qū)的氣候變化特征研究[J].地理科學(xué)，2008,28(6)：804-808.

LIU Y J, YAN J Y, SONG Y L. Features of climate change over the Xisha Island over the South China Sea in recent 50 years [J]. Scientia Geographica Sinica, 2008, 28(6): 804-808. (in Chinese)

[3] 文日鳳，張祥玉.南海南部海區(qū)氣候要素的變化和分布特征[J].海洋預(yù)報(bào)，2001，18(1)：48-58.

WEN R F, ZHANG X Y. Variation distribution features of climate elements on the southern sea area of South China Sea [J].Marine Forecasts, 2001, 18(1): 48-58. (in Chinese)

[4] 王靜，李靖，李榮波，等.近10年南海海表風(fēng)場(chǎng)季節(jié)特征統(tǒng)計(jì)[J].科技資訊，2014(3)：197-200.

WANG J, LI J,LI R B, et al. Seasonal characteristics analysis of the sea surface wind field in the South China Sea [J].Science & Technology Information, 2014(3): 197-200. (in Chinese)

[5] DING Y H. Seasonal march of the East Asian summer mon-soon [J]. East Asian Mons, 2004(2):3-53.

[6] DING Y H, Chan J C L. The East Asian summer mon-soon: An overview [J]. Meteorology and Atmospheric Physics, 2005,89(1-4): 117-142.

[7] 陳韶陽(yáng).南沙群島價(jià)值分類評(píng)價(jià)和開發(fā)策略研究[D].山東 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011: 35-37.

CHEN S Y. Research on classified value evaluation and development strategy of Nansha Islands [D]. Qingdao, Shandong: Ocean University of China, 2011: 35-37. (in Chinese)

[8] 袁正榮.三沙市區(qū)域旅游發(fā)展條件分析及其戰(zhàn)略選擇[D].?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2014: 16-17.

YUAN Z R. The conditions analysis and strategic choice of regional tourism development of Sansha [D]. Haikou: Hainan University, 2014:16-17. (in Chinese)

[9] 費(fèi)良旭.海南地區(qū)既有建筑節(jié)能改造技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014:31-33.

FEI L X. Research on technologies of energy efficiency retrofit for existing buildings in Hainan [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014: 31-33.(in Chinese)

[10] 蔣超.海南省建筑隔熱和遮陽(yáng)構(gòu)造技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué), 2014: 55-58.

JIANG C. Research on technologies of heat insulation and shading structures for buildings in Hainan Province [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014:55-58.(in Chinese)

[11] NGUYEN H T, GRAY M. A review on green building in Vietnam [J]. Procedia Engineering, 2016, 142: 314-321.

[12] PERVEZ H S, NURSYARIZAL B M. Building energy for sustainable development in Malaysia:A review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 75: 1392-1403.

[13] SAIDUR R. Energy consumption, energy savings, and emission analysis in Malaysian office buildings [J]. Energy Policy, 2009, 37: 4104-4113.

[14] LAU A K K, SALLEH E, et al. Potential of shading devices and glazing configurations on cooling energy savings for high-rise office buildings in hot-humid climates: The case of Malaysia [J]. International Journal of Sustainable Built Environment, 2016, 5(2): 387-399.

[15] LIU Y Z,STOUFFS R, TABLADA A, et al. Comparing micro-scale weather data to building energy consumption in Singapore [J]. Energy and Buildings,2016,152:1-16.

[16] DEB C, EANG L S, YANG J, et al. Forecasting energy consumption of institutional buildings in Singapore [J]. Procedia Engineering, 2015, 121: 1734-1740.

[17] 廖民生.中國(guó)南海部分島礁上建設(shè)度假酒店的對(duì)策研究[J].海南熱帶海洋學(xué)院學(xué)報(bào)，2017(1)：1-4.

LIAO M S. Construction of resort hotels on islands and reefs of the South China Sea [J]. Journal of Hainan Tropical Ocean University,2017(1): 1-4.(in Chinese)

[18] 周桂銀.中國(guó)南沙島礁建設(shè)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)博弈[J].世界經(jīng)濟(jì)與政治論壇，2017(4)：48-63.

ZHOU G Y. Strategies and tactics of Nansha Island Reef construction in China [J]. Forum of World Economics & Politics, 2017(4): 48-63. (in Chinese)

[19] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn): JGJ/T 346—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Standard for weather data of building energy efficiency: JGJ/T 346-2014 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.(in Chinese)

[20] 韓永忠.城市空氣污染及對(duì)策[J].四川環(huán)境，2001,20(1)：58-61.

HAN Y Z. Air pollution and countermeasures in city [J].Sichuan Environment, 2001, 20(1): 58-61. (in Chinese)