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。可見，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)太陽輻射強(qiáng)度分布

太陽輻射強(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)的直射太陽輻射占總太陽輻射的比例，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)直射太陽輻射占總太陽輻射的比例分布。各站點(diǎn)總太陽輻射強(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。

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