双坡光伏建筑一体化建筑横向偏移火灾作用下的顶棚射流温度演变：屋顶光伏及储能系统热保护的预测模型

《Energy》：Ceiling jet temperature evolution under laterally offset fires on double-slope BIPV buildings: Prediction models for thermal protection of rooftop photovoltaic and storage systems

　　

摘要

双坡屋顶广泛应用于节能建筑、建筑光伏一体化（BIPV）系统和遗产建筑中，作为被动节能和可再生能源利用的关键结构形式。然而，此类结构中火灾引起的浮力吊顶射流对人员安全、结构完整性和屋顶能源设施构成严重的热危害，显著削弱了可持续建筑的运行韧性。现有的热预测模型大多针对水平或单倾角吊顶且火源居中的情况开发，无法准确表征双坡场景下侧向偏移火源的非对称温度演化。为弥补这一研究空白，本研究开展了涵盖不同屋顶角度（60°–180°）、热释放速率和侧向火源偏移距离的缩尺火灾实验和大涡模拟（LES）。结果表明，侧向火源偏移显著重塑了吊顶射流热场，并在脊部附近因回流涡旋的作用诱导出明显的局部低温区。通过Romberg积分法修正有效吊顶高度，本研究建立了适用于不对称火源下斜面和脊部方向的统一最高温升预测框架，以及沿脊部方向的指数温度衰减模型。最大预测误差约为20%，所提出模型的相对不确定度范围为4.19%至11.06%。本工作阐明了非对称吊顶射流的热机制，为火灾检测系统优化、结构防火设计和建筑能源设施热保护提供了坚实的理论支持。

引言

双坡屋顶构型在历史建筑和现代大空间低碳建筑中普遍存在。特别是，由于其卓越的自然通风、采光和可再生能源利用性能，这种结构形式已成为被动节能建筑和建筑光伏一体化系统的主流选择。然而，此类吊顶的复杂几何边界对建筑热安全和能源系统韧性构成了严峻挑战。在火灾条件下，浮力驱动的火焰羽流冲击吊顶并转化为吊顶射流，沿结构边界快速输送高温气体和有毒烟气[1], [2]。这一过程不仅对人员安全和结构完整性构成严重威胁，还可能对光伏组件、通风管道和储能设备等屋顶能源设施造成不可逆的损害，导致建筑能源系统级联失效。近年来，建筑光伏一体化（BIPV）系统的火灾热风险和建筑能源一体化系统的火灾韧性受到了全球学术界的广泛关注。现有研究从多个角度系统地揭示了BIPV系统的火灾发生和蔓延机制：对于内生点火隐患，热斑效应和直流电弧等电气故障被确定为核心点火源，而建筑遮挡、受限腔体通风和施工缺陷将进一步加剧光伏组件的热失效风险[3]。对于外部火灾蔓延，屋顶BIPV系统中的水平通道效应以及立面和双层表皮配置中的垂直烟囱效应得到了阐明，腔体几何、通风条件和可燃基材在火焰蔓延中的主导作用得到了系统论证[3], [4]。大规模房间火灾试验证实，BIPV立面在房间火灾熄灭后仍表现出自持燃烧特性，光伏面板的热破裂和脱落将改变房间的稳定通风条件，引发更严重的火焰喷射并增加对周边区域的热通量[5]。对于倾斜光伏阵列，实验研究发现，倾斜表面引起火焰的非对称空气卷吸，显著改变火焰形态、附壁长度和脉动频率；倾斜光伏火灾下游温度和辐射热通量与坡度和纵横比呈显著正相关，且温度沿下游方向呈指数衰减规律[6], [7]。然而，当前BIPV火灾研究主要聚焦于光伏组件本身的燃烧特性、立面火灾蔓延和外部火焰行为，很少有研究关注室内建筑火灾诱发的屋顶能源设备热危害，尤其是倾斜双坡屋顶下吊顶射流温度场的定量预测。因此，准确预测双坡屋顶下吊顶射流的热特性对建筑防火设计、热危害评估和建筑能源系统安全运行具有重要的工程意义。

大量研究表明，边界几何从根本上决定了吊顶射流的热动力学特性。基础性研究最初关注水平无约束配置，其中Alpert [8], [9]率先提出了弱羽流驱动的吊顶射流温度分布模型。随后，Heskestad和Hamada [10]通过引入几何羽流半宽的概念，为强羽流建立了无量纲表达式。随着建筑设计的发展，研究自然延伸到倾斜边界。Kung等[11]和Wan等[12]开展了一系列使用两种庚烷池火的火灾实验，通过比较温度测量方法和视频处理方法确定了火焰前缘的最优特征温度，并建立了吊顶射流的垂直温度分布模型。Yan等[13]利用可调节截面的隧道模型开展了一系列火灾实验，系统研究了隧道宽度对中心线和侧壁火灾的火焰发展和吊顶温度分布的影响。他们发现侧壁火灾表现出更大的火焰延伸，而隧道宽度主要影响衰减区的温升。类似地，Ni等[14]采用CFD模拟将曲率空间内的热场解耦为不同的功能区域，提出了区域预测模型。针对双坡几何形状，Liu等[15]实验量化了屋顶角度的影响，基于自由羽流长度建立了最高温升和衰减模型。

尽管现有研究在揭示吊顶射流的几何边界效应方面取得了重要进展，但大多数模型都是为一般建筑防火而开发的，很少考虑BIPV建筑中屋顶光伏组件和储能单元的热保护需求。特别是，针对侧向偏移火源下双坡屋顶非对称温度场的定量预测框架仍然缺失，这无法为屋顶能源设备的热损伤评估、布局优化和防火设计提供定量温度边界条件，限制了建筑能源一体化系统火灾韧性的提升。虽然上述文献强调了几何约束对吊顶射流的深远影响，但这些建立的模型主要依赖于理想化的对称假设——即火源与屋顶的几何中心线（脊部）完美对齐。因此，对于侧向火源偏移条件下的吊顶射流热演化仍存在关键的理解缺失。空气卷吸作为羽流扩展和温度衰减的主导机制，对空间边界条件高度敏感。类似的对羽流卷吸和热特性的约束效应在池火系统中已得到广泛验证，其中侧壁限制显著改变了火焰特性和羽流温度分布[16], [17], [18]。在侧向偏移火源情景下，双侧倾斜坡面施加的非对称约束[14], [19]从根本上破坏了卷吸动力学的对称性。这种非对称性诱发了复杂的空气动力学行为，如脊部与坡面之间角落区域强烈的回流涡旋[20]，而不平衡的浮力分量进一步扭曲了沿脊部方向的射流扩展。这些几何限制大幅改变了火焰的对流传热，导致传统对称模型无法捕捉的高度非均匀温度分布。因此，亟待解决的科学问题是：如何定量解耦非对称边界约束和不同屋顶角度耦合的空气动力学效应，从而建立双坡屋顶下吊顶射流高度非均匀温度分布（最高温升和空间衰减）的通用预测框架。

为弥补这些关键空白，本研究构建了缩尺双坡吊顶实验模型，系统研究了不同侧向火源位置下沿脊部和倾斜坡面的最高温升和热衰减规律。互补的大涡模拟（LES）用于可视化复杂的空气动力学行为，揭示了非对称边界约束独特地诱发了脊部附近的回流涡旋和局部低温区。通过评估现有对称模型的局限性，本研究利用Romberg积分量化截断的自由羽流体积，解析修正有效吊顶高度（Hef）。基于这一新颖的几何修正，严格建立了最高温升的统一预测模型。此外，还建立了脊部方向的指数温度衰减模型，最大预测误差约为20%，所提出模型的相对不确定度范围为4.19%至11.06%。最终，这些稳健的预测框架为优化复杂双坡建筑中性能化火灾检测系统和结构安全设计提供了关键的理论基础。此外，还建立了脊部方向的指数温度衰减模型，该模型整合了屋顶角度和侧向偏移的耦合效应。最终，这些预测框架为优化复杂双坡可持续建筑中性能化火灾检测系统、结构安全设计和屋顶能源设施热保护提供了关键的理论基础。

分节摘要

实验

图1展示了双坡吊顶的实验装置。双坡吊顶结构采用1 m × 1.5 m的防火板建造，剩余区域为开放空间。吊顶角度可调节并用防火水泥密封。实验中测试的吊顶角度为180°、150°、120°、90°和60°，涵盖了目前双坡屋顶常用的角度范围[21]。使用直径为14 cm的圆形燃烧器作为火源。

双坡屋顶射流最高温升与预测模型

图4展示了在典型条件（吊顶高度为0.2 m）下，不同屋顶角度和不同偏移距离条件下吊顶最高温升随热释放速率的变化规律。可以看出：1) 对于相同的屋顶角度和侧向位置，倾斜屋顶的最高温升随HRR的增加而增大；2) 当火源位于屋顶中心时，对于较小的屋顶角度（60°），最高……

结论

本研究系统研究了不同侧向火源位置下双坡屋顶下吊顶射流的热演化，旨在为低碳建筑的消防安全设计和能源系统保护提供理论支持。通过缩尺实验、数值模拟和理论推导，量化了侧向偏移、屋顶角度、热释放速率和吊顶高度对温度分布特性的耦合效应。

CRediT作者贡献声明

Chunxiang Liu：写作——审阅与编辑，原创手稿撰写，验证。Zhipeng Lin：原创手稿撰写，方法论，形式化分析。Ping Huang：监督指导。Chuchu Xu：软件，数据整理。Longxing Yu：写作——审阅与编辑，监督指导。Moyun Liu：监督指导。

未引用参考文献

[46][36a]

利益冲突声明

作者声明不存在已知的经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52506131, 52574232）、福建省科技计划引导项目（2025N0056）和福建省科技项目（2024H0041）的资助。

Chunxiang Liu | Zhipeng Lin | Chuchu Xu | Ping Huang | Moyun Liu | Longxing Yu
福州大学环境与安全教育学院，福州 350108，中国