多重百叶对绿色建筑双层幕墙自然排烟的影响

《Energy》：Effects of multiple louvers on natural smoke exhaustion of double-skin fa?ades in green buildings

　　

摘要 自然通风双皮层外墙（NVDSFs）已广泛应用于高层建筑，提高能效和消防安全对于NVDSFs的应用至关重要。然而，多种百叶控制机制对NVDSFs自然排烟性能的影响仍属未知。因此，本研究通过实验和理论方法，研究了白天和夜间条件下多种百叶倾角对NVDSFs自然排烟性能的影响。结果表明，控制百叶倾角可以改善NVDSFs的自然排烟性能。与所有百叶固定于90°的配置相比，在最优百叶配置下，白天自然排烟流量提高了18.7%，夜间提高了13.2%。此外，我们发现白天和夜间条件下的最优控制策略有所不同。白天时，内层百叶应进一步打开以促进自然排烟并更好地利用太阳辐射引起的热浮力，而出风百叶应保持适度倾角以减少流阻，同时避免过度热损失。夜间时，排烟更依赖于火灾引起的浮力和出风口阻力，因此较大的出风百叶倾角更为有利。内层上层百叶保持完全打开，而内层下层百叶的影响有限。本研究建立了理论模型来估算白天和夜间条件下的排烟率，平均相对误差仅为9.5%。本研究为NVDSFs的百叶控制和消防安全的最优设计提供了指导。

引言 自然通风双皮层外墙（NVDSFs）作为一种能够降低建筑能耗的被动式外墙技术，受到了越来越多的关注[1]。建筑领域目前是全球最大的能耗部门，约占全球能源消耗的三分之一[2]，[3]。NVDSF是一种由外层和内层玻璃层组成的建筑围护结构，两层玻璃之间隔有空气腔[4]，[5]。通过在两层玻璃之间引入通风空腔，NVDSFs可以利用热驱动的浮力增强自然通风并降低建筑能耗[6]，[7]。研究表明，配备适当控制系统的NVDSFs可实现年均节能20-50%[8]。百叶作为一种经济高效且有效的控制策略，被广泛用于增强NVDSFs的运行灵活性和季节适应性[9]，[10]。因此，NVDSFs因其对能效和 occupant 舒适度的好处而被越来越广泛地采用[11]。除了节能之外，NVDSFs的设计与运行对建筑消防安全也具有重要意义[12]。韩国的统计数据显示，近85%的建筑火灾死亡由有毒烟气吸入引起[13]，[14]。因此，有效控制自然排烟对于确保配备NVDSFs的建筑物的消防安全至关重要[15]。

尽管太阳能驱动的烟囱效应可以改善室内热性能并降低能耗，但现有NVDSFs研究很少涉及其在消防安全中的潜在作用[16]。自然通风和自然排烟都涉及空腔内由浮力驱动的 airflow[17]，[18]，但它们代表两种具有不同目标和控制要求的不同运行模式。在正常通风条件下，太阳辐射加热空腔内的空气并增强热浮力，从而促进自然气流以改善热舒适度并降低制冷需求[19]。在火灾条件下，空腔气流由太阳辐射引起的热浮力和火灾产生的热量共同驱动[20]。系统必须迅速排出高温烟气并维持有效的烟气流动路径朝向出口。在火灾条件下，热烟气在浮力作用下上升并主要积聚在房间的上部[21]。与自然通风相比，自然排烟因此需要在内层玻璃上增加上层百叶，以便积聚的烟气可以进入空腔并通过出口排出[22]。因此，两种条件下的百叶倾角和开启方式有所不同。因此，尽管现有的基于百叶的通风控制系统也可以用于调节自然排烟[23]，但百叶控制机制对NVDSF自然通风的影响不能直接应用于自然排烟。

近期关于DSFs的综述[24]表明，现有研究主要集中在自然通风和热性能分析上，而非消防安全。相比之下，关于NVDSF排烟的研究则少得多，亟需开展。之前的研究[23]表明，在适当的开启条件下，DSF的自然通风系统也可以支持烟气控制。Y?ld?z[25]研究了影响DSF间隙中火灾发展和烟气浓度的建筑设计参数。Chow[26]研究了DSF狭窄空腔内的热量和烟气传播。这些发现表明NVDSFs有潜力同时服务于自然通风和自然排烟[27]。然而，关于同时考虑通风和排烟的NVDSFs最优性能化设计的实验研究仍很缺乏。

之前的研究[9]，[28]调查了提高NVDSFs自然通风性能的百叶控制策略，但对其自然排烟效果仍属未知。百叶是NVDSFs中最常用的被动控制策略之一[29]。在实际应用中，可以通过调整百叶倾角来调节气流阻力和自然通风[30]。我们之前的实验研究[9]证实，控制百叶倾角可以提高NVDSFs的能效和自然通风性能。研究发现，最优百叶配置由90°的出风百叶和60°的进风百叶组成，使NVDSF的自然通风流量提高了56.4%。Wang等人[31]报告称，与0°相比，60°百叶倾角可使热量增益降低63%。上述研究表明，有效的百叶倾角控制对于NVDSFs的高效运行至关重要。然而，百叶倾角对NVDSFs自然排烟的影响尚未进行实验检验。这一空白限制了百叶在NVDSFs消防安全方面的最优设计和实际应用。

NVDSFs的自然排烟性能可能在不同环境条件下有所不同，但相应的控制策略仍属未知。之前的研究[32]，[33]表明NVDSFs的运行策略和性能在白天和夜间以及不同环境条件下存在差异。Peng等人[34]为光伏DSFs在不同天气条件下开发了最优运行策略。Lin等人[35]确定了适合夏季白天和夜间运行的新型DSF的基本配置，分别实现了11.9%和5%的节能效果。在我们之前的实验研究[36]中，确定了不同太阳辐射强度下NVDSFs的最优进风口和出风口百叶倾角。由于NVDSFs中的烟气运动主要由空腔内的热浮力驱动，自然排烟性能取决于日周期的热条件。然而，白天和夜间条件下多种百叶倾角对NVDSFs自然排烟性能的影响仍未得到研究。

NVDSFs的理论模型仍然有限，更不用说对公共安全至关重要的自然排烟模型了。现有研究主要集中在NVDSFs的自然通风和传热上。Zhu等人[37]提出了一个数学模型来描述DSFs中的传热。在我们之前的研究[9]中，建立了一个理论模型来估算不同进风口和出风口百叶倾角下NVDSFs的自然气流率。之前的自然排烟模型主要集中在太阳能烟囱上。Cheng等人[38]开发了一个经验模型来预测太阳能烟囱在正常通风和火灾条件下的气流率。Shi等人[21]进一步开发了一个经验模型来预测在排烟场景下通过太阳能烟囱空气入口的气流率。然而，尚未建立能够估算不同百叶倾角下NVDSFs排烟流量的理论或经验模型。

为了解决上述研究空白，本研究通过实验和理论方法研究了白天和夜间条件下多种百叶倾角对NVDSF自然排烟率的影响。确定了白天和夜间条件下排烟的最优百叶配置。据我们所知，这是首次评估多种百叶倾角对NVDSFs自然排烟组合影响的实验研究。建立了理论模型来估算白天和夜间条件下不同百叶倾角下的自然排烟率。基于实验结果，确定了白天和夜间条件下排烟的最优百叶控制策略。本研究为考虑消防安全的NVDSFs最优设计提供了理论和技木基础，以便在实际应用中参考。

实验装置 搭建了一个NVDSF实验装置，由三个部分组成：NVDSF系统、测试房间和太阳辐射模拟器，如图1a所示。整个装置安装在室内以维持稳定的测试条件。人造光源由5×5阵列的碘钨灯组成，提供相对均匀的辐射加热。测量的辐射均匀性在大部分玻璃区域内为±5%以内（四个角落除外），表明了令人满意的……

自然排烟性能 NVDSF内部的温度分布受到火焰辐射和太阳辐射的双重影响。夜间时，NVDSF仅受到火焰辐射，如图4a所示。如图4b所示，夜间横向温度分布的顺序为：外玻璃< /><内玻璃。这些发现表明夜间烟气流动主要由火灾引起的浮力驱动，即由热烟气和火焰加热所致。白天时，……

理论模型建立 本研究中使用以下假设简化了理论模型：（a）将排烟过程视为稳态，并假设所选稳定期间火灾源的烟气生成率保持不变[46]；（b）房间由两层模型表示，上层区域为均匀的烟气层，下层区域为烟气与新鲜空气的均匀混合。假设每层内的温度和密度均匀。在……

实施与应用 本研究首次通过实验证明，控制百叶倾角可以改善实际nvdsfs的自然排烟性能。与所有百叶固定于90°的配置相比，当多种百叶设置为最优倾角时，白天nvdsf自然排烟流量提高了18.7%，夜间提高了13.2%。排烟流量由有效开口面积、流量系数、……

结论 本研究通过实验和理论方法研究了白天和夜间条件下多种百叶倾角对自然通风双皮层外墙（nvdsfs）自然排烟率的影响。分别确定了白天和夜间条件下自然排烟的最优百叶配置。我们的结果表明，控制百叶倾角可以改善nvdsfs的自然排烟性能。

credit作者贡献声明 long shi：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。wengui li：撰写–审阅与编辑。lin huang：撰写–审阅与编辑。qichang dong：撰写–审阅与编辑、方法论。xiaoqing zhao：撰写–初稿、软件、方法论、正式分析

数据可用性 数据可从通讯作者处合理索取。

利益冲突声明 ? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢 本工作得到国家重点研发计划（编号：2024yfc3014702）的支持。

xiaoqing zhao|qichang dong|lin huang|wengui li|long shi 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥，230026，中华人民共和国 理论模型建立 本研究中使用以下假设简化了理论模型：（a）将排烟过程视为稳态，并假设所选稳定期间火灾源的烟气生成率保持不变[46]；（b）房间由两层模型表示，上层区域为均匀的烟气层，下层区域为烟气与新鲜空气的均匀混合。假设每层内的温度和密度均匀。在…… 实施与应用 本研究首次通过实验证明，控制百叶倾角可以改善实际nvdsfs的自然排烟性能。与所有百叶固定于90°的配置相比，当多种百叶设置为最优倾角时，白天nvdsf自然排烟流量提高了18.7%，夜间提高了13.2%。排烟流量由有效开口面积、流量系数、…… 结论 本研究通过实验和理论方法研究了白天和夜间条件下多种百叶倾角对自然通风双皮层外墙（nvdsfs）自然排烟率的影响。分别确定了白天和夜间条件下自然排烟的最优百叶配置。我们的结果表明，控制百叶倾角可以改善nvdsfs的自然排烟性能。 credit作者贡献声明 long shi：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。wengui li：撰写–审阅与编辑。lin huang：撰写–审阅与编辑。qichang dong：撰写–审阅与编辑、方法论。xiaoqing zhao：撰写–初稿、软件、方法论、正式分析 数据可用性 数据可从通讯作者处合理索取。 利益冲突声明 ? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。 致谢 本工作得到国家重点研发计划（编号：2024yfc3014702）的支持。 xiaoqing zhao|qichang dong|lin huang|wengui li|long shi>
理论模型建立 本研究中使用以下假设简化了理论模型：（a）将排烟过程视为稳态，并假设所选稳定期间火灾源的烟气生成率保持不变[46]；（b）房间由两层模型表示，上层区域为均匀的烟气层，下层区域为烟气与新鲜空气的均匀混合。假设每层内的温度和密度均匀。在……

实施与应用 本研究首次通过实验证明，控制百叶倾角可以改善实际nvdsfs的自然排烟性能。与所有百叶固定于90°的配置相比，当多种百叶设置为最优倾角时，白天nvdsf自然排烟流量提高了18.7%，夜间提高了13.2%。排烟流量由有效开口面积、流量系数、……

结论 本研究通过实验和理论方法研究了白天和夜间条件下多种百叶倾角对自然通风双皮层外墙（nvdsfs）自然排烟率的影响。分别确定了白天和夜间条件下自然排烟的最优百叶配置。我们的结果表明，控制百叶倾角可以改善nvdsfs的自然排烟性能。

credit作者贡献声明 long shi：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。wengui li：撰写–审阅与编辑。lin huang：撰写–审阅与编辑。qichang dong：撰写–审阅与编辑、方法论。xiaoqing zhao：撰写–初稿、软件、方法论、正式分析

数据可用性 数据可从通讯作者处合理索取。

利益冲突声明 ? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢 本工作得到国家重点研发计划（编号：2024yfc3014702）的支持。

xiaoqing zhao|qichang dong|lin huang|wengui li|long shi 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥，230026，中华人民共和国>