能源、建筑与气象--新疆气象手册（34）第2篇第9章第2-3节

 2020 02 15

《新疆气象手册》的序，前言 ，提要 ：http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1208089.html

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2 气象与能源

20世纪50年代以来新疆为国家提供了大量的石油、煤碳等能源，其功不可没。可这些能源是不可再生能源，它们数量有限，开采年限就是几十年。由于我国已经遇到能源紧张问题，“可再生能源”的开发是21世纪的重要课题。太阳能、风能、水力发电都是可再生能源，新疆在这几个方面都有优势。本节仅讨论风能和太阳能问题。

2．1 新疆的风能资源和利用

空气流动就具有动能，用风力带动发电机就可以把它转为电能，而电能是便于传送、控制、应用的能源。空气时时在流动，所以风力发电是一种可再生的绿色能源。新疆风力发电起步早，其发电潜力约为2.34×10⁸kW（每年有效风速在5500小时以上），其发展前景十分广阔。

2．1．1 风能密度计算公式

为了计算风蕴藏的能量，先要知道风的垂直截面上的风能功率密度W。而它与风速v（m/s）和空气密度ρ（kg/m³）有下面的关系：

风能功率密度W的单位为W/m²。公式表示W与风速的立方、空气密度成正比。利用当地的风速和空气密度（压力、温度）资料就可以计算单位面积上的风能。

2．1．2 新疆风能的分布

新疆各地的风能功率密度不同，它的分布与风速分布相似，北疆西部、东部和东疆风能资源较为丰富，准噶尔盆地、塔里木盆地腹部较为贫乏；高山、高原地区风能资源较为丰富，中、低山区相对贫乏。

新疆年平均风能功率密度的分布情况是：北疆西北部、西部、东部和南疆孔雀河以东地区＞100W/m²；准噶尔盆地腹部多＜50W/m²；塔里木盆地腹部＜30W/m²；高山、高原地区50～100W/m²，中、低山区＜50W/m² ；阿尔泰山与萨吾尔山之间的额尔齐斯河河谷西部平原地区为150～200W/m² ；准噶尔盆地西部乌日可夏依山与加依尔山之间的谷地以及乌尔禾至克拉玛依一带为150W/m²左右,其中老风口地区冬半年＞300W/m²；巴尔鲁克山与阿拉套山之间的阿拉山口，高达500W/m² ，是全疆风能功率密度最大地区；中天山断裂处的达坂城谷地达360W/m²，为全疆第二；阿尔泰山东端与天山东段之间的三塘湖—淖毛湖戈壁是东西向气流通道，为200～300W/m²；东天山缺口处七角井至十三间房，是南北气流的通道，＞300W/m²；位于库鲁克塔格与阿尔金山之间的罗布泊地区，是“东灌”气流必经之路，＞150W/m²。

2．1．3 新疆风能资源面积和风能资源总储量

开发风能不仅要知道风能功率密度，还要知道具有这个风能的区域的面积有多大。从开发角度考虑只有年平均风能功率密度≥150W/m²的区域才属于风能资源达到技术开发的区域面积。研究表明新疆有9个年平均风功率密度＞150W/m²的区域。年平均风功率密度≥150W/m²的面积为12.6×10⁴km²。≥200W/m²的面积为6.7×10⁴km²，≥300W/m²的面积为2.28×10⁴km²。

 各大风区技术开发量计算面积和风能储量

根据风能资源总储量公式计算结果，新疆风能资源总储量为2.98×10⁸kW, 实际技术开发量是前者乘0.785，为2.34×10⁸kW。

新疆风能资源分区：

按照《全国风能资源评价技术规定》的要求，以年平均风功率密度＞200W/m²、200～150W/m²、150～100W/m²、100～50W/m²、＜50W/m²共5个等级，把新疆划分为风能资源丰富区、次丰富区、可利用区、季节可利用区、贫乏区五个区域。

风能资源丰富区，包括乌鲁木齐达坂城风区、阿拉山口风区、十三间房风区、吐鲁番小草湖风区、额尔齐斯河河谷风区、塔城老风口风区、三塘湖–淖毛湖风区、哈密东南部风区、罗布泊风区。这些风区的中心区年平均风功率密度＞200W/m²，有效风速小时＞5500h。具备建设大型风电场极好的风能资源条件。

风能资源次丰富区主要集中在风能资源丰富区外围，年平均风功率密度150～200W/m²，有效风速小时＞4500小时。基本具备建设大型风电场的风能资源条件。

风能资源可利用区主要在次丰富区外围以及克拉玛依地区，年平均风功率密度100～150W/m²，有效风速小时＞3000小时。具备安装中小型风机的风能资源条件。本区可发展中小规模的风电和独立运行的风电系统等，在额尔齐斯河河谷可实行风水互补发电系统。

风能资源季节可利用区主要分布在昆仑山、天山、阿尔泰山等地山区。年平均风功率密度50～100W/m²，有效风速小时＞2000小时。该区以高山牧区为主，无电网覆盖，无电村居多，可考虑在农牧民集中的村落推广中、小型独立运行的风电系统，或风机、柴油机联合供电，集中解决牧民的生活照明和收听广播、收看电视的用电问题。另外，也可在一部分农牧民中推广使用50～100W微型风力发电机。

风能资源贫乏区主要集中在塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鄯托盆地的腹地和伊犁河谷。年平均风功率密度＜50W/m ²，有效风速小时＜2000小时。

2．1．4 新疆风能的开发

新疆乌鲁木齐达坂城风区是我国风能资源最早开发的地区，到21世纪初它依然是全国规模最大的风能基地，2005年风力发电装机总量为12.16×10⁴kW。我国规划的最大风力发电项目将在吐鲁番兴建。从2006年起，将在吐鲁番小草湖风区建立两座装机容量各为100×10⁴千瓦的风力发电场；在未来5年内将投资15亿元，确保风电装机容量初期达到30×10⁴千瓦。新疆作为我国风力资源最丰富、较早开发风能的地区之一。

2．2 新疆的太阳能资源和利用

太阳能是人类赖以生存的最基本能源。过去在农业活动中，它被固化到农产品（食品、燃料等）中直接为我们利用。我们还有很多的利用太阳能的方式。

2．2．1 太阳能利用的几种主要形式

⑴ 把太阳能直接变成热能

利用太阳辐射能加热集热器获得热能的方法很多，太阳能热水器、太阳灶、太阳能烘干机、太阳能温室、塑料大棚、农田地膜、主动和被动式太阳房都是。太阳辐射能转换成热能的利用效率最高，开发利用相对简便，因而得到较为广泛的应用。

目前，新疆广大农村太阳能温室大棚、地膜覆盖和太阳灶已得到推广，取得了很好经济和环境效益；而城市居民楼上成千上万的太阳能热水器，既提高了生活质量又节约了常规能源，如能解决冬季防冻问题，将会得到更快的发展。另外建筑物采用太阳能采光、采暖与空调（制冷）应有很好前景。

⑵ 太阳能电池发电

它通过半导体材料直接将太阳辐射能转换变成电能，也就是利用某些半导体“光生伏打效应”而制成各种光电池，在加以利用。太阳能电池分为硅、砷化镓和硫化镉几种，以硅太阳能电池吸收太阳能效率最高，应用最广。发明于1954年的太阳能电池，最早应用在人造卫星上，现在已得到广泛的应用。新疆与国外合作，在无常规电源的农牧区实施“阳光工程”，到本世纪初已经使10万余户农牧民解决照明问题用电。尚有20万户生活在无电状态中。一些牧区的电围栏也用上太阳能供电。在北塔山建成国内最大的150kW的太阳能电站，为边防站供电。电信部门几千公里的通讯光缆的中继站、铁路沿线的信号灯，沙漠中石油基地的路灯也都用上太阳能光电池。太阳能电池发电目前的弱点是成本高，每度电4～5元。

2．2．2沙漠温度差发电

新疆有三十多万平方公里的沙漠，那里缺水，但是太阳能丰富。据计算我国40×10⁴km²沙漠面积上每年得到的太阳能是2×10²¹J。它大约折合每年700×10⁸t标准煤。是我国21世纪初煤的年消耗量的40倍。如何利用塔里木盆地的太阳能这笔能源是现实问题。目前的太阳能电池发电的成本高，只能小范围使用。需要探索太阳能发电的新途径。

20世纪开发过利用海水温度差发电技术（用于热带海洋），而暖季太阳光可以使沙漠地面温度与附近空气（或地面以下数米）温度有数十度的温度差，这种巨大的温度差是太阳能的一种表现，恰当利用它也可以开发沙漠温度差发电技术。20世纪80年代德国开发热气流发电技术已经成功，其成本比太阳能电池低很多，而沙漠、荒漠是利用这个技术的理想地区（土地几乎没有成本，而温度差大）。只要把能源政策调整好，阳光下的新疆沙漠就可以变成能源新基地。（张学文）

（桑修诚）

3 建筑与气象

新疆从前大量的民房是厚实的土坯房。它可以应付小雨，几年重新上一次房泥，但是遇到30mm以上的暴雨，一些土坯房会漏雨甚至倒塌。阿勒泰气候很冷，那里接近1m厚的土墙在冬季比较保温。而吐鲁番的厚土墙夏天有隔热作用。

新疆的现代建筑也要结合这里的气候做合理设计。它涉及的一般问题有采光、采暖期、风对建筑的压力、雪对建筑的压力、冻土深度等。

3．1 散射照度和计算

采光情况是每个建筑物的重要气象因素。我国采光标准仅考虑太阳的散射光当中的人眼可以感受的散射照度E_S 。散射照度是同一时段的散射辐射D与散射辐射光当量K_D的乘积即：

E_D=D·K_D

由于具有辐射观测资料的地方比较少，很多地点要根据少数地点的辐射资料与一般气象资料建立经验性的回归方程，再把各地的一般气象资料代入推算出散射辐射光当量K_D 。

K_D=b₀+b₁N+b₂e+b₃T_s  

式中N：测点地理纬度；e：月或年平均水汽压(hPa)；T_s：月或年平均总云量(成)。

 1月、7月和年的日散射光当量回归系数

通过上表可得出1、7月年的K_D值。据计算1月全疆K_D为110.5～115.4Lux/Wm^-2；7月K_D为106.8～111.2Lux/Wm^-2，7月略小于1月光当量值。

 新疆一些主要城镇的K_D值(Lux／Wm⁻²)

上表显示新疆各地差别不大，表明新疆各地可用同一的辐射光当量值。

3．2 房屋合理间距和可照时间

随着城市高楼的增加，两棟建筑间的距离大小就涉及到房屋采光的多少。我国规定建筑屋最低层的房子在光线最少的冬至这一天要有1小时或者以上的日光。据此，可以反计算出前后两建筑物的距离S和前棟建筑高度H的比例L在冬至日的比值L₀应当是多少。而各个建筑之间的L的值不能小于L₀ 。

对于不同地区的建筑，L₀的数值只与当地的纬度有关。纬度高的地方L₀大，即越是北方，两建筑的间隔要越大。

新疆不同地方的间距系数值见下表：

 不同纬度、日照标准及墙面方位的间距系数 L₀

3．3 墙面可能日照时数

墙面受太阳照射时间长短随纬度和季节而不同。且南北轴向对称。北半球各地均以南面的日照为最多，而东、西墙受到的日照时间为南北墙日照数之和的一半。而东墙在上午，西墙在下午，北墙附近整个冬半年无日照。在春、秋分，各地日照时数变化一致，即北墙为0，东、西墙各6小时，南墙为12小时。

3．4 墙面可能接受的直接辐射能

墙面可能直接辐射是晴空全天接受的太阳能总量，用S_β表示，对墙面，即α=90°，有：  

p为气候学透射系数，纬度、季节、大气功透明度有关，一般p=0.7 。S_β0为墙面天文直接辐射日总量，即大气完全透明时日射总量。它由下式给出：

式中I₀是太阳常数的值1368W/m²，τ是1天的长度，取24×60×60秒，r是以太阳地球平均距离为单位的相对日地距离。ω₁和ω₂为墙面日出、日落时角，β为墙面的方位角，φ、δ分别为当地纬度和当时太阳的位置（赤纬）。

由上式推出南、东(西)、北墙的天文直接辐射式，

南墙：

夏半年：ω=ω_s=cos⁻¹[ctgφtgδ]，冬半年ω=ω₀=cos⁻¹[−tgφ·tgδ]，ω₀和−ω₀为水平面日落时角和日出时角，ωs和−ω为墙面日落、日出时角，则有：

东西墙：

北墙：

 根据公式计算的各墙面可能达到直接辐射日总量(MJ/m²)

3．5 采暖期平均温度

工业和企业采暖通风、空气调节设计规范规定，日平均温度≤5℃天数起迄期间作为采暖期，期内的平均气温称采暖期平均温度，此温度值作为计算采暖期燃料耗量依据。一些发达国家对于采暖期长短并无明确规定和限制，只要室内自然状况下，达到既定的温度时，即驱动采暖或空气调节系统运作，有的国家规定了统计采暖室外临界温度，但标准较宽，如俄罗斯以日平均温度稳定低于8℃天数，作为采暖总日数。

我国采用日平均温度稳定5℃作为采暖临界温度，但这一指标，对宾馆、医院、幼儿园、老年公寓是偏低了。乌鲁木齐采暖期规定10月15日为采暖开始至翌年4月15日为终止期，相当于日平均气温低于8℃日期。库尔勒等地11月15日开始采暖，翌年3月15日结束。

3．6 风压荷载

在城镇里有时可以看到被大风刮到的广告牌，它提示建筑物的设计必须考虑风的压力（荷载）问题。《建筑荷载规范》中，就有各地的风压荷载标准。这个标准制定于1954年，并且经过三次修改，使风压取值更加合理化。现在《建筑荷载规范》中采取的风压值，是根据风压公式和各种数据计算、研究出来，后经建筑部的修正、审定作为各地区风的荷载规范数值。

风作用在单位面积建筑物的力称为风压。风压w与风速v和空气密度ρ有关。

风压公式：

风压w的单位是kN/m²，空气密度ρ的单位是kg/m³，：风速v的单位是m/s；g是重力加速度它约等于9.8m/s²。一般把ρ/2g的值称为风压系数，它在海平面附近大约等于1/16。新疆多数地区的海拔高于海平面，其空气密度比较小。计算出来的风压系数自然比海平面的系数小（见下表）。

新疆部分城镇的一般风压系数（ρ/2g）表（kgs²/m⁴）

在建筑上，公式里的风速应当取当地的最大风速计算，而这个风速应当是在空旷平坦地面上，离地10m高，若干年（如30年，50年，100年，视该建筑物的重要性而定）才遇上一次（称为30年、50年、100年一遇）的自记风速仪10分钟平均最大风速值。如果建筑物很高，还需要按照风随高度的一般规律再做修订（加大）。这个数值是在15年以上的当地的风的观测数据基础上经过一系列的专门计算而得到的。

对于一般建筑，可以参考建筑部门的荷载规范查出风荷载值。

3．7 雪压荷载

新疆很多地区冬季积雪比较多，雪对建筑物也形成压力。计算雪的对建筑物形成的荷载也是建筑气候的一个环节。

单位面积的雪所形成的压力公式：

S₀=Hρ

H是积雪深度(m)，ρ积雪密度(kg/m²)，S₀ ：雪压(kN/m²)

多年来气象部门一直进行各地的积雪深度观测，具有丰富的资料。早年气象部门也有各地的积雪密度观测数据，1960年以后取消了积雪密度观测，2004年新疆气象部门自己针对遥（感）测积雪等方面的需要，又在新疆部分积雪出现多的地区恢复了积雪密度观测。

建筑上需要的积雪深度和积雪密度是多年一遇的最大值。它需要进行专门的计算分析才可以得到。建筑规范里也有我国各地的雪荷载标准供一般建筑设计使用。

3．8 冻土与地基基础

新疆冬季土壤会冻结，它对建筑物、水管、油管、气管等设施就有影响。水管埋浅了会冻裂，而建筑物的基础如果在冻土上，也会因为土壤的冻涨威胁建筑物的安全。所以修的建筑物自然要事先避免冻土对它的影响。妥当的办法是建筑物的地基在冻土层以下，但是又不宜很深而加大成本。建筑上为此要计算一个重要数据，它就是当地的“最小埋深，D_min”。其具体计算公式是

D_min=Z₀m_t－H_d

这里Z₀是标准冻深（m），m_t是采暖期内对冻深的影响系数，采暖建筑物m_t=0.7～0.8，不取暖建筑物m=1.1；H_d是地基底下允许残面的冻土层厚度（m），H_d大小与冻土深度Z₀有关，在弱冻土和冻胀土计算式分别为：H_d=0.17Z₀+0.26和H_d=0.15Z₀

标准冻深应当是气象站测量到的多年冻土深度的最大值（或者多年一遇的计算推算值），很多地方没有这个资料，这就需要估算：

⑴ 当地仅有气温和积雪资料则：

南疆：

北疆：

Z₀ ：平均最大冻土深度(cm)；：月平均负温总和（将一年平均气温中负温求和，要取正值），H_mx ：冬季平均积雪深度（cm，取法为前一年11月至翌年2月雪深的平均值）。

⑵ 若无任何气象观测资料：

Z₀=-419.86+0.016H+9.9N+9.1P+15.55W

Z₀：平均最大冻土深度；H：海拔高度(m)；N：纬度；P是土质类型，取自地表土层，按下表中类型把数值代入，

土质类型P取表值表

公式中的W是地下水位，依下表取值代入，

地下水位W取值表

公式体现出① 海拔高度每增加100m，冻土层加厚1.6cm；② 纬度每增加1度，冻土层加厚9.9cm；③ 土质类型变化1个等级冻土厚度变化9.1cm。