双层幕墙（DSF）由外层幕墙、空气腔体和内层幕墙组成，根据其热通道的布置方式，通常被分为箱型、竖井型、走廊型和整体型四种配置[1,2]。与单层玻璃系统相比，DSF可以显著减少太阳引起的热量吸收[3,4]并提高室内环境质量。随着中国提出到2025年所有新建城市建筑都要符合绿色建筑标准，以及建筑行业到2030年实现碳排放峰值的目标[5]，DSF在办公楼中的应用日益增多，这得益于其在日光利用、声学隔热、自然通风和能源效率方面的优势[6,7]。然而，虽然太阳能驱动的烟囱效应有助于改善室内热性能并减少机械冷却需求，但也可能为火灾和烟雾的蔓延创造垂直路径[8]。这种通风增强与消防安全之间的固有矛盾是本研究的中心动机，本研究旨在通过自然通风和火灾引起的烟雾行为的综合分析来确定最佳的DSF设计参数。
图1
尽管对DSF的研究可以追溯到20世纪20年代，但实际应用直到20世纪80年代末才因全球能源危机和减排压力而加速。建筑物理模拟工具（如CFD、EnergyPlus）和幕墙材料的快速发展，使DSF从概念设计发展成为广泛应用的建筑系统，其性能主要受腔体内的空气动力学和热力学耦合的影响。
以通风为重点的研究全面探讨了分隔类型、腔体几何形状和开口配置的作用。分隔结构决定了气流模式和浮力驱动的效率；例如，竖井-箱型DSF受风压的影响较大，这有助于在炎热潮湿的气候中减少过热现象，但在冬季会削弱热缓冲效果[9,10]。在多层DSF中，低风速的冬季条件下，热压驱动的通风占主导地位[11, [12], [13]，而在炎热-夏季-寒冷-冬季的地区通常需要混合模式策略来应对季节性变化[14, [15], [16]]。腔体宽度是另一个关键因素：狭窄的腔体（≤0.6米）可以增强气流并限制潮湿气候下的玻璃温度上升，而较宽的腔体（0.7-1.2米）可以在干燥环境中改善热量散发[17, [18], [19], [20]]。尽管ASHRAE 189.1建议腔体宽度≤0.6米以防止边界层分离[21]，但最佳设计必须考虑气候适应性。开口大小也显著影响通风效果，开口宽度增加到0.6米时可以提升气流速度和通风率，超过这个范围后温度变化趋于平稳[22, [23], [24]]。较高的腔体高度可以增强浮力驱动的通风，但过高的高度可能会引入性能衰减，并需要额外的热储存元件[25,26]。对于用于超高层建筑（>200米）的DSF，风洞验证压力分布是必不可少的，这强调了联合优化开口大小和腔体高度的必要性[24,27,28]。
相比之下，与火灾相关的研究主要集中在腔体引起的烟囱效应、热诱导的玻璃破裂和支持结构变形的风险上[29, [30], [31], [32], [33]]。腔体宽度影响烟雾在玻璃表面的附着，从而影响玻璃温度和失效风险[34, [35], [36], [37]]。虽然较宽的腔体可以降低整体烟雾温度，但并不能显著限制烟雾蔓延的速度[31,37]。玻璃破裂的时间与火灾的热释放率（HRR）及其距离密切相关[38]。开口布局也通过伯努利效应控制烟雾的移动：底部进气/顶部出气的配置会产生强烈的烟囱效应和高效的烟雾排出，而每层独立的开口会增加湍流并降低排出效果；分阶段进气-顶部-出气的设计可以减轻涡流损失[39]。提高进气口高度带来的改进在接近1.5米时达到一个阈值，超过这个高度后，腔体高度和HRR成为主要决定因素[40,41]。防火檐口通过中断垂直蔓延和改变气流轨迹进一步有助于烟雾控制，建议最小宽度≥800毫米[42]。调整檐口角度（15°–30°）可以进一步降低内层玻璃温度[43]，尽管最佳性能取决于腔体的长宽比[44]。
尽管关于DSF通风和火灾行为的研究很多，但大多数现有研究都是单方面优化的——通风研究侧重于热性能和能源效率[45]，而与火灾相关的研究则集中在结构安全和防火设计上。同时考虑通风和烟雾行为的综合研究仍然有限。为了弥合这一差距，本研究进行了自然通风和火灾引起的烟雾蔓延的耦合模拟，系统地变化关键设计参数（包括腔体高度、腔体宽度、通风口高度和防火檐口宽度），以找到在不影响消防安全的情况下增强通风的参数组合。这一综合框架为DSF设计提供了科学依据，同时考虑了能源效率、居住者舒适度和防火保护。
本文的其余部分结构如下：第2节描述了研究方法和模拟设置；第3节展示了在不同设计参数下的通风和烟雾控制性能；第4节整合了两个数据集并确定了最佳参数组合；第5节讨论了局限性和未来研究方向；第6节总结了主要结论。
