南海岛屿气象参数与建筑能耗分析

徐云飞，李琼，孟庆林，赵立华

(华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室， 广州 510640)

中国南海地区的热带海洋性季风气候与大陆存在显著差异，而南海地区在建筑热工设计分区中被归入夏热冬暖地区[1]。对南海气象的研究多集中在气象领域[2-6]，而在岛礁资源开发和旅游发展等领域也只提及整个南海的宏观气候特征[7-8],鲜有对该地区岛屿进行建筑气象分析的研究。对南海岛礁建筑能耗的研究更为匮乏，只能从海南岛[9-10]以及越南[11]、马来西亚[12-14]、新加坡[15-16]等周边国家加以推测。随着近年南海岛礁建设进程的加快，南海岛屿上的房屋建筑和常住人口在不断增长[17-18]。笔者旨在探究南海岛屿建筑气象特征,以及海岛与陆地气候的差异对建筑能耗的影响。

1 岛礁和气象台站基本信息

目前南海岛礁的建筑设计仍参照夏热冬暖地区的设计标准执行，而南海海洋气候与陆地气候存在很大不同，笔者选取两个夏热冬暖地区的典型城市——广州和三亚作为陆地站点，与南海岛礁站点进行气象数据的对比分析。岛礁站点主要包括东沙群岛中的东沙岛，西沙群岛中的永兴岛和珊瑚岛，南沙群岛中的南北子岛、太平岛、南威岛和广雅滩。这些岛屿在所在群岛中具有代表性，其气候特征在很大程度上体现出所在群岛的气候特征。岛屿及数据基本信息如表1所示。

表1 岛屿及数据基本信息Table1 Islands and data information

2 各站点气象要素分析

温度、相对湿度、风速、风向等数据来自美国国家大气与海洋管理局(NOAA)。各台站数据采集的时间间隔以及所用数据年份见表1，其中，时间间隔为3 h的数据采集时刻为北京时间2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00；时间间隔6 h的数据采集时间为北京时间2:00、8:00、14:00、20:00。部分岛屿剔除了数据缺失严重的年份，而以相邻年份代替，所选年份的数据比较完整。由于美国国家大气与海洋管理局(NOAA)缺少南海岛屿的太阳辐射数据，故选取《建筑节能气象参数标准》(JGJ/T 346—2014)[19]中南海岛屿的典型气象年太阳辐射数据进行分析。

2.1 各站点温湿度分析

处理数据时，先将某站一年中每天的数据取平均值，得到全年的日均值，进而求出该站10 a的逐日平均值，再由此得出该站各月气象参数的最高值、平均值及最低值等数据以供分析。各站点月平均温湿度分布如图1所示。

图1 各站点月平均温度和月平均相对湿度分布Fig.1 Monthly mean temperature and monthly mean relative humidity distribution for each station

由图1(a)可知，广州的年平均气温为22.6 ℃；最热月7月平均气温29.2 ℃，最高29.9 ℃；最冷月1月平均气温13.2 ℃，最低10.8 ℃；年平均相对湿度为73.9%。由图1(b) 可知，三亚的年平均气温23.7 ℃左右；最热月6月平均气温27.0 ℃，最高27.6 ℃；最冷月1月平均气温18.9 ℃，最低17.7 ℃；年平均相对湿度85.3%。由图1(c) 可知，东沙岛年平均气温为25.9 ℃；最热月7月平均气温29.6 ℃，最高30.4 ℃；最冷月1月平均气温21 ℃，最低20.1 ℃；年平均相对湿度为85.7%。由图1(d)、(e)可知，西沙群岛年平均气温约为27.4 ℃；最热月6月平均气温30 ℃，最高30.8 ℃；最冷月1月平均气温23.9 ℃，最低23.1 ℃；年平均相对湿度80%左右。由图1(f)～图1(i)可知，南沙群岛年平均气温在28 ℃左右；最热月5月平均气温29.1 ℃，最高29.8 ℃；最冷月1月平均气温26.8 ℃，最低26.2 ℃；年平均相对湿度82%左右。可见，海岛年平均温度比广州高3.3～5.4 ℃，比三亚高2.2～4.3 ℃；最热月平均温度除三亚稍低，广州与各海岛站点较为接近，分布在29～30 ℃之间；海岛最冷月平均温度要比广州高7.8～13.6 ℃，比三亚高2.1～7.9 ℃；年平均相对湿度除广州较低，三亚与各海岛均在80%以上。

各站点年平均温度、气温年较差和年平均相对湿度如图2。海岛年平均温度明显高于陆地站点，其中太平岛比广州高6.0 ℃；相反，海岛的气温年较差远小于陆地站点，其中东沙岛为8.6 ℃，西沙群岛为6.1 ℃，南沙群岛约为2.7 ℃，而三亚为8.1 ℃，广州为16 ℃。

可见，南海岛礁常年处于相对高温高湿状态，其最冷月平均温度远高于10 ℃，最热月平均温度均高于29 ℃，即已超出文献[1]中夏热冬暖地区主要分区指标的范围。

图2 各站点年平均温度、气温年较差和年平均相对湿度对比Fig.2 Annual mean temperature, annual range of temperature and annual mean relative humidity

2.2 各站点风速风向分析

各站点数据不取平均值，均以原始数据统计。各站点风速、风向特征统计如表2所示。各海岛及三亚全年主导风向主要为东北向，夏季主导风向多为西南向，冬季主导风向多为东北向。而广州全年主导风向为北向，夏、冬季主导风向分别为东南、北向。年平均风速及季节风速整体上随纬度的降低而增大，海岛的年平均风速、冬夏季平均风速及冬夏季主导风向风速均明显高于广州，而与三亚差异不大。海岛多属于海洋季风气候，且海拨低、周边空旷，而广州、三亚是城市地貌，山丘、建筑较多，所以海岛上的风速明显高于陆地。

表2 各站点风向、风速特征统计表Table 2 Wind direction and wind speed of each station

2.3 各站点太阳辐射强度分布

太阳辐射强度数据取自《建筑节能气象参数标准》(JGJ/T 346—2014)。此标准中的台站数量少于前文，但仍在各群岛中都有分布，能够反映出岛礁与陆地的差异。各站点在典型气象年的直射太阳辐射强度占比统计如图3(a)，统计方法为先计算每小时的直射太阳辐射占总太阳辐射的比例，然后按每十个百分点为一档统计各档出现的小时数，按此方法分别对各站点进行统计。借此可查看各站点直射太阳辐射占总太阳辐射的比例分布。各站点总太阳辐射强度分布情况统计如图3(b)，按每100 W/m2为一档，分别统计各站点总太阳辐射强度在每一档出现的小时数。

图3 各站点全年太阳辐射强度统计Fig.3 Annual solar radiation intensity statistics of each station

广州、三亚、东沙岛和永兴岛的直射太阳辐射主要占总辐射的40%～70%，其中占总辐射的50%～60%的小时数最多，广州和三亚在1 700 h以上，东沙岛和永兴岛在2 500 h以上，其次是占总辐射的60%～70%的小时数；而珊瑚岛、太平岛和永暑礁绝大多数时刻的直射太阳辐射占比超过60%，且多集中在70%～100%，即这些岛屿一年中晴天较多，直射辐射强烈。

广州、三亚、东沙岛和永兴岛的总太阳辐射多小于700 W/m2，即主要分布在0～700 W/m2，除三亚外极少有大于700 W/m2；而由珊瑚岛往南的站点则呈现低辐射少、强辐射多的分布特点，其总太阳辐射强度大于700 W/m2的小时数较多，且700～800 W/m2小时数最多，如图3(b)，即这些站点白天多数时间太阳辐射强烈。一方面是因为岛礁的云量较陆地站点少，岛礁年平均云量为5～6成，而广州、三亚则为7成；另一方面城市的工业排放、汽车尾气等污染较为严重，大气中悬浮颗粒物等粉尘较多[20]。

3 各站点建筑能耗分析

室外气象参数是建筑能耗的决定性因素之一，同类建筑在不同气候区建筑能耗的高低一定程度上反映了区域的气候差异，而气候差异通过气象参数体现。南海岛屿的各气象参数与夏热冬暖地区的陆地站点有较大的差异，这些差异对建筑能耗存在影响。

目前，南海岛屿的建筑设计主要参照夏热冬暖地区的建筑设计标准，建筑形态多借鉴海南省的建筑形态，故选取海南地区的典型居住建筑和办公建筑模型[8-9]，分别使用DeST-h、DeST-c模拟比较居住建筑和办公建筑在陆地、海岛等不同站点的能耗。其中，对于南海岛屿，气象参数采用《建筑节能气象参数标准》中的典型气象年数据，将其导入DeST气象参数数据库进行建筑能耗模拟。

居住建筑模型[8]层高3 m，共8层，总建筑面积1 381 m2。办公建筑模型[9]层高3.4 m，共5层，总建筑面积1 741 m2。建筑平面图如图4所示，表3、表4分别为主要围护结构构造及热工参数。

同一居住建筑和办公建筑在不同的陆地、海岛站点的全年累计冷负荷指标如图5所示。由图5可见，随着纬度的降低，居住建筑和办公建筑的全年累计冷负荷指标总体上呈增大趋势。对于居住建筑，珊瑚岛、太平岛、永暑礁的建筑能耗已达到广州的2倍，约是三亚的1.22倍。对于办公建筑，南沙群岛站点的全年累计冷负荷指标也接近广州的2倍。因此，岛礁常年的高温高湿气候对建筑能耗影响显著。

图4 建筑平面图Fig.4 Building layouts

围护结构主要构造传热系数/(W·(m2·K)-1)屋面细石混凝土+水泥砂浆+聚氨酯防水涂料+膨胀珍珠岩+钢筋混凝土1.66外墙水泥砂浆+加气混凝土砌块+水泥砂浆1.26外窗普通铝合金窗加单片普通玻璃;窗墙比:东0.02,西0.02,南0.32,北0.32;综合遮阳系数均为0.836.4

表4 办公建筑模型主要围护结构构造及热工参数Table 4 Main envelop enclosure structure and thermal parameters of office building model

图5 各站点居住建筑和办公建筑的全年累计冷负荷指标Fig.5 Annual cumulative cooling load index of residential buildings and office buildings of each station

4 结论

通过对南海岛屿的气象数据分析，发现南海岛礁常年处于较高的温度和相对湿度，且气温年较差小，年平均温度和年平均相对湿度明显高于陆地。且其最冷月平均温度远高于10 ℃，最热月平均温度均高于29 ℃，已超出建筑热工设计分区中夏热冬暖地区主要分区指标的范围，即南海地区不适宜归入夏热冬暖地区，宜设置新的极端热湿气候区，以进行更符合其气候特点的热工设计。

岛礁年平均风速随纬度降低而增大，且大于陆地年平均风速。陆地太阳直射辐射强度多集中在0～400 W/m2的范围，而南沙岛礁的强辐射较多，多分布在400～800 W/m2的范围内。越往南的岛礁，太阳直射辐射越强。

无论是居住建筑还是办公建筑，岛礁建筑能耗都明显高于陆地，个别岛礁建筑能耗达到广州的2倍。

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