南海島嶼氣象參數與建筑能耗分析

徐云飛，李瓊，孟慶林，趙立華

(華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣州 510640)

中國南海地區的熱帶海洋性季風氣候與大陸存在顯著差異，而南海地區在建筑熱工設計分區中被歸入夏熱冬暖地區[1]。對南海氣象的研究多集中在氣象領域[2-6]，而在島礁資源開發和旅游發展等領域也只提及整個南海的宏觀氣候特征[7-8],鮮有對該地區島嶼進行建筑氣象分析的研究。對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]等周邊國家加以推測。隨著近年南海島礁建設進程的加快，南海島嶼上的房屋建筑和常住人口在不斷增長[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建筑能耗的影響。

1 島礁和氣象臺站基本信息

目前南海島礁的建筑設計仍參照夏熱冬暖地區的設計標準執行，而南海海洋氣候與陸地氣候存在很大不同，筆者選取兩個夏熱冬暖地區的典型城市——廣州和三亞作為陸地站點，與南海島礁站點進行氣象數據的對比分析。島礁站點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出所在群島的氣候特征。島嶼及數據基本信息如表1所示。

表1 島嶼及數據基本信息Table1 Islands and data information

2 各站點氣象要素分析

溫度、相對濕度、風速、風向等數據來自美國國家大氣與海洋管理局(NOAA)。各臺站數據采集的時間間隔以及所用數據年份見表1，其中，時間間隔為3 h的數據采集時刻為北京時間2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00；時間間隔6 h的數據采集時間為北京時間2:00、8:00、14:00、20:00。部分島嶼剔除了數據缺失嚴重的年份，而以相鄰年份代替，所選年份的數據比較完整。由于美國國家大氣與海洋管理局(NOAA)缺少南海島嶼的太陽輻射數據，故選取《建筑節能氣象參數標準》(JGJ/T 346—2014)[19]中南海島嶼的典型氣象年太陽輻射數據進行分析。

2.1 各站點溫濕度分析

處理數據時，先將某站一年中每天的數據取平均值，得到全年的日均值，進而求出該站10 a的逐日平均值，再由此得出該站各月氣象參數的最高值、平均值及最低值等數據以供分析。各站點月平均溫濕度分布如圖1所示。

圖1 各站點月平均溫度和月平均相對濕度分布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 ℃；年平均相對濕度除廣州較低，三亞與各海島均在80%以上。

各站點年平均溫度、氣溫年較差和年平均相對濕度如圖2。海島年平均溫度明顯高于陸地站點，其中太平島比廣州高6.0 ℃；相反，海島的氣溫年較差遠小于陸地站點，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高溫高濕狀態，其最冷月平均溫度遠高于10 ℃，最熱月平均溫度均高于29 ℃，即已超出文獻[1]中夏熱冬暖地區主要分區指標的范圍。

圖2 各站點年平均溫度、氣溫年較差和年平均相對濕度對比Fig.2 Annual mean temperature, annual range of temperature and annual mean relative humidity

2.2 各站點風速風向分析

各站點數據不取平均值，均以原始數據統計。各站點風速、風向特征統計如表2所示。各海島及三亞全年主導風向主要為東北向，夏季主導風向多為西南向，冬季主導風向多為東北向。而廣州全年主導風向為北向，夏、冬季主導風向分別為東南、北向。年平均風速及季節風速整體上隨緯度的降低而增大，海島的年平均風速、冬夏季平均風速及冬夏季主導風向風速均明顯高于廣州，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，所以海島上的風速明顯高于陸地。

表2 各站點風向、風速特征統計表Table 2 Wind direction and wind speed of each station

2.3 各站點太陽輻射強度分布

太陽輻射強度數據取自《建筑節能氣象參數標準》(JGJ/T 346—2014)。此標準中的臺站數量少于前文，但仍在各群島中都有分布，能夠反映出島礁與陸地的差異。各站點在典型氣象年的直射太陽輻射強度占比統計如圖3(a)，統計方法為先計算每小時的直射太陽輻射占總太陽輻射的比例，然后按每十個百分點為一檔統計各檔出現的小時數，按此方法分別對各站點進行統計。借此可查看各站點直射太陽輻射占總太陽輻射的比例分布。各站點總太陽輻射強度分布情況統計如圖3(b)，按每100 W/m2為一檔，分別統計各站點總太陽輻射強度在每一檔出現的小時數。

圖3 各站點全年太陽輻射強度統計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輻射主要占總輻射的40%～70%，其中占總輻射的50%～60%的小時數最多，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%的小時數；而珊瑚島、太平島和永暑礁絕大多數時刻的直射太陽輻射占比超過60%，且多集中在70%～100%，即這些島嶼一年中晴天較多，直射輻射強烈。

廣州、三亞、東沙島和永興島的總太陽輻射多小于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則呈現低輻射少、強輻射多的分布特點，其總太陽輻射強度大于700 W/m2的小時數較多，且700～800 W/m2小時數最多，如圖3(b)，即這些站點白天多數時間太陽輻射強烈。一方面是因為島礁的云量較陸地站點少，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排放、汽車尾氣等污染較為嚴重，大氣中懸浮顆粒物等粉塵較多[20]。

3 各站點建筑能耗分析

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

目前，南海島嶼的建筑設計主要參照夏熱冬暖地區的建筑設計標準，建筑形態多借鑒海南省的建筑形態，故選取海南地區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、海島等不同站點的能耗。其中，對于南海島嶼，氣象參數采用《建筑節能氣象參數標準》中的典型氣象年數據，將其導入DeST氣象參數數據庫進行建筑能耗模擬。

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分別為主要圍護結構構造及熱工參數。

同一居住建筑和辦公建筑在不同的陸地、海島站點的全年累計冷負荷指標如圖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冷負荷指標總體上呈增大趨勢。對于居住建筑，珊瑚島、太平島、永暑礁的建筑能耗已達到廣州的2倍，約是三亞的1.22倍。對于辦公建筑，南沙群島站點的全年累計冷負荷指標也接近廣州的2倍。因此，島礁常年的高溫高濕氣候對建筑能耗影響顯著。

圖4 建筑平面圖Fig.4 Building layouts

圍護結構主要構造傳熱系數/(W·(m2·K)-1)屋面細石混凝土+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;綜合遮陽系數均為0.836.4

表4 辦公建筑模型主要圍護結構構造及熱工參數Table 4 Main envelop enclosure structure and thermal parameters of office building model

圖5 各站點居住建筑和辦公建筑的全年累計冷負荷指標Fig.5 Annual cumulative cooling load index of residential buildings and office buildings of each station

4 結論

通過對南海島嶼的氣象數據分析，發現南海島礁常年處于較高的溫度和相對濕度，且氣溫年較差小，年平均溫度和年平均相對濕度明顯高于陸地。且其最冷月平均溫度遠高于10 ℃，最熱月平均溫度均高于29 ℃，已超出建筑熱工設計分區中夏熱冬暖地區主要分區指標的范圍，即南海地區不適宜歸入夏熱冬暖地區，宜設置新的極端熱濕氣候區，以進行更符合其氣候特點的熱工設計。

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

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，個別島礁建筑能耗達到廣州的2倍。

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