基于物联网的“人在回路”多控制策略（MPC），用于实现响应式建筑环境控制，并已在生活实验室中得到应用

《Journal of Building Engineering》：IoT-enabled Occupant-in-the-loop MPC for responsive built environment control and its implementation in a living lab

双开口与火源的空间配置对室内热释放分布及温度升高的影响研究，通过理论分析与数值模拟发现，开口间的对流导致室内热释放率持续低于总热释放率，空间布局显著影响热释放分布，并建立了结合总热释放率和空间特征的室内热释放模型及温度场预测模型。

　　

何明明|高子赫|秦荣水|丁超

安徽建筑大学安全科学与工程学院，中国合肥230601

摘要

本文通过理论分析和数值模拟，研究了双开口与火源之间的空间配置对全尺寸隔间火灾中热量释放分布和温度升高的影响。窗户和火源各有三种可能的位置，而门则有两种位置，研究对象是一个边长为3.2米的立方体隔间模型。火源的总热量释放率范围为3000至6000千瓦。研究结果表明，即使在通风良好的情况下，两个开口之间的对流作用也会使室内热量释放率低于总热量释放率。总体而言，随着总热量释放率的增加，室内热量释放率也会升高，但室内发生的燃烧比例会降低。开口与火源之间的相对位置变化显著影响了热量释放的空间分布。基于对各种测试配置下热量释放空间分布的分析，本文建立了一个室内热量释放率模型，该模型同时考虑了总热量释放率和隔间的空间布局特征。在所有测试配置中，温度升高与室内热量释放率之间存在强相关性。通过将室内热量释放率模型与量纲分析相结合，本文构建了一个隔间温度升高模型，该模型考虑了火源和双开口的相对位置。

引言

隔间火灾是建筑火灾研究中的一个经典问题。当房间发生火灾时，由于室内外压力差的作用，会在开口处形成气流。在开口处存在一个称为中性面的关键高度平面，在该平面上压力差消失，将上方的流出气流与下方的流入气流分开[1]。新鲜空气从中性面下方进入隔间参与燃烧，而热烟则从中性面上方流出。随着火灾的发展，通过开口进入的空气不足以维持燃烧，导致高温可燃气体在隔间内积聚。当气体温度和浓度达到临界阈值时，可能会发生闪燃[2]。此时，火焰会超出初始燃烧区域，导致所有暴露的燃料表面同时着火。这会导致热量释放率和温度迅速上升，使火灾从通风良好的状态转变为通风不良的状态[3]、[4]、[5]、[6]，在这种状态下，燃烧速率受进入空气的质量流量控制。闪燃发生后，可燃气体通过开口喷出，形成火焰羽流，沿建筑物外墙蔓延。

早期的研究主要集中在单开口场景。川越等人[1]进行了一系列缩比实验，发现 在通风不良的情况下，隔间内的燃烧速率由开口尺寸决定。他们引入了关键参数通风系数（$$），其中$$和$$分别代表开口的面积和高度），并建立了其与燃料燃烧速率的数学关系。在单开口隔间火灾中，通风受限条件下的热量释放率的理论上限为1500 $$[3]，[7]，这是火焰从开口外部喷射的临界热量释放率[8]。Tewarson[9]、Kim等人[10]和Takeda等人[11]在缩比实验中使用了不同的燃料，进一步确定了四个燃烧阶段：不可持续燃烧、稳定燃烧、振荡燃烧后的熄灭以及振荡后的稳定燃烧。McCaffrey等人[12]分析了通风不良隔间火灾中的热量平衡，将开口处的热量散失与通风系数相关联，基于能量守恒原理建立了温度升高模型。随后，学者们进一步研究了开口位置变化的影响。卢等人[13]在不同开口高度下进行了缩比实验，他们的结果表明，随着开口高度的升高，隔间内的气流结构发生了显著变化，导致热量释放率和温度最初升高随后降低，并使得间歇性火焰喷射的临界热量释放率降低。除了开口的影响外，王等人[14]还通过缩比实验研究了火源位置的影响。他们提出了一个新的位置系数来量化燃烧器位置对天花板温度的影响，并建立了一个改进的预测公式，以更准确地预测各种火源位置的情况。

在上述关于单开口隔间火灾的研究中，开口是隔间内部与外部之间质量和能量交换的关键通道，对火灾的发展有着深远的影响。然而，在实际场景中，房间通常具有多个开口，设计师通常会根据建筑限制和环境条件调整开口的大小、数量和位置，以优化通风和自然采光[15]、[16]。尽管如此，为了简化研究，现有关于双开口隔间火灾的研究主要集中在对称配置上，即火源和开口都位于隔间的中间位置，如图1(a)所示。

高等人[17]结合理论分析和缩比实验，研究了相同高度的双对称开口的流入和流出速率。他们发现双开口配置加速了热烟的流出，从而提高了中性面的高度，并基于质量守恒原理推导出了其解析表达式。考虑到强制对流效应，Himoto等人[18]、[19]和Huang等人[20]分析了在不同气流速度下的羽流几何形状和燃烧强度的变化，并建立了相应的预测模型。由于房间开口的尺寸和高度往往不同，开口之间（如门和窗户）会存在高度差异，形成高低开口配置。李等人[21]指出，在具有两个不同高度开口的火灾房间中，开口之间的压力差驱动了气流模式，新鲜空气从下方门进入，火焰羽流从上方窗户排出。浮力火焰羽流增强了隔间的通风效果。Takeda[22]通过缩比实验表明，高低开口之间的自然对流直接影响了隔间内的气流，导致中性面升高，以及固体燃烧速率、质量损失率和闪燃时间的显著差异，与单开口配置相比有所不同。Ji等人[23]发现，在通风良好的情况下，高低开口之间的自然对流会导致房间内的可燃气体从高开口处溢出。这种外部燃烧现象的形成机制与单开口场景下的情况有显著不同。

先前的研究表明，双开口隔间火灾中的燃烧行为和烟雾流动特性与单开口场景有很大差异。此外，双开口的位置和尺寸变化会进一步影响隔间内的气流，导致不同的火灾演变模式。大多数现有研究都是基于对称性的假设，两个开口都位于隔间的中间位置，如图1(a)所示。然而，在实际建筑结构中，双开口的空间排列往往更为复杂。开口可能偏离中间平面并在水平方向上错开[24]、[25]、[26]，如图1(b)所示。此外，火源位置通常是随机的。这些因素直接影响内部与外部之间的气体交换路径、浮力驱动流场的结构以及室内温度升高，最终导致火灾发展的差异。

因此，本研究在多种双开口和火源配置下进行了隔间火灾模拟，探讨了开口和火源的位置变化如何通过对流机制影响热量释放分布和温度升高。研究结果旨在为火灾预防和控制设计、通风和烟雾排放策略的优化以及建筑物内的疏散路线规划提供理论支持和技术指导。

数值建模

本研究采用了Fire Dynamics Simulator (FDS) 6.7.9版本进行全尺寸隔间火灾模拟。FDS是由美国国家标准与技术研究院（NIST）的建筑与火灾研究实验室开发的计算流体动力学（CFD）模型[27]。多年来，FDS已成为建筑消防安全研究领域中广泛使用的工具，其预测能力和准确性已在多项研究中得到验证[28]、[29]、[30]

室内热量释放率

图6展示了在不同双开口配置和火源位置下室内热量释放率（$$）的演变情况。图中的黑色虚线表示基于双开口等效开口公式计算得出的值，其数学表达式为：$$

随着总热量释放率（$$）的增加，室内热量释放率（$$）最初上升，然后逐渐稳定。值得注意的是，$$的值始终低于计算值

结论

本研究利用FDS模拟研究了双开口与火源之间的空间配置对全尺寸隔间火灾中热量释放分布和温度升高的影响。主要研究结果总结如下：

1)

两个开口之间的对流作用使得室内热量释放率（$$）低于总热量释放率（$$），即使在通风良好的情况下也是如此。这一现象清楚地表明了

CRediT作者贡献声明

何明明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，验证，软件使用，数据管理，概念构思。高子赫：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，正式分析。秦荣水：验证，软件使用，方法论，数据管理。丁超：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52476097和52576144）、安徽省高校自然科学研究项目-优秀青年（编号：2022AH030037）、安徽省高校优秀青年人才支持计划（编号：gxyqZD2022058）以及安徽建筑大学（资助编号：2025QDHZ01）的支持。本文中的数值计算是在合肥高级计算中心完成的。