在地中海国家，气候变化的影响日益明显，热浪更加频繁，炎热季节延长，冬季缩短，干旱持续[1]。这些变化对传统建筑设计提出了挑战，因为夏季过热问题变得尤为严重，因为热应力的时间和强度都在增加。为了解决这个问题，多项研究表明，基于自然通风策略的被动冷却方法特别适合地中海气候，因为它们有助于保持室内热舒适度，同时大幅减少对高能耗机械冷却系统的依赖[2]，[3]，从而实现更节能的建筑。
为了最大化被动冷却的效率，策略应结合建筑围护结构的高热质量、有效的遮阳措施和充足的自然通风。在这些措施中，浮力驱动的通风起着核心作用，因为它通过排出暖空气来维持室内热舒适度。在地中海气候条件下，夜间通风尤其有效[2]，[4]，[5]。它利用夜间温度下降和烟囱效应，促进空气向上流动，加速白天积累的热量排出，从而缓解第二天的过热问题。
最近的研究[6]表明，与单侧朝南的通风房间（基线配置）相比，南北向的交叉通风实现了最高的节能效果，节能率为65.6%。此外，将风捕集器与单侧配置结合使用，进一步提高了通风效率，通风率提高了56.8%，冷却需求减少了18.7%。因此，这些结果反映了研究中考虑的特定布局和气候条件。类似地，基于CFD的研究表明，集成壁式风捕集器[7]显著增强了多层建筑中的单侧通风效果，改善了所有楼层和风向的气流，同时通过优化的风道设计防止了空气循环。这些发现展示了建筑和混合干预措施在克服单侧通风固有限制方面的潜力，为新建和现有多层建筑提供了实用解决方案。这一问题在地中海气候条件下尤为重要，因为夜间通风具有巨大的潜力[2]，[4]，[8]，[9]，尤其是在晚春和初夏（5月至6月）到初秋（9月）期间[3]。
Santamouris等人[10]报告称，将夜间通风技术应用于住宅建筑可以每年减少约40 kWh/m2的冷却负荷，平均贡献约为12 kWh/m2/年，这突显了其作为有效被动策略在缓解过热和减少冷却负荷方面的潜力。通过促进浮力驱动气流的建筑设计策略，这种效果可以进一步增强，包括引入采光井[11]，[12]和天井[13]，[14]，以及有助于改善自然通风和被动冷却性能的庭院布局[15]，[16]。
在多层建筑中，可以通过垂直通道利用烟囱效应来引导浮力驱动的气流[17]，[18]，从而提高热舒适度并减少对机械冷却系统的依赖[19]。这种建筑配置的有效性很大程度上取决于通道的几何形状和施加的热梯度，因此进行实验和数值研究对于提高建筑性能至关重要[20]。在能够支持多层建筑中浮力驱动通风的各种垂直通道中，楼梯间是一个特别有前景但未得到充分利用的建筑元素。虽然楼梯间主要是为垂直气流设计的，但其连续的垂直几何形状和跨多层的直接连接为作为被动通风路径提供了巨大潜力。当精心集成到建筑设计中时，楼梯间可以促进浮力诱导的气流，为自然通风和被动冷却提供有效解决方案[21]，特别是在交叉通风受限的单侧开口住宅建筑中。此外，楼梯间在低至中层住宅项目中普遍存在，而这些项目通常由于空间或经济限制而无法设置天井或大型中央空旷区域。因此，将其用作通风通道是一种非侵入性、经济且可扩展的策略，适用于新建和改造项目。
尽管烟囱效应已经通过各种建筑元素得到了广泛研究，如天井[13]，[22]，[23]，采光井[11]，[12]，庭院[15]，[16]，垂直通道[18]，[24]，[25]和太阳能烟囱[26]，[27]，但其应用于楼梯间的研究相对较少。
迄今为止，只有少数研究[21]，[28]，[29]，[30]使用实验和数值方法研究了楼梯间的浮力驱动气流，揭示了楼梯间如何作为增强自然通风的垂直通道。在半尺寸楼梯间进行的浮力驱动气流实验[29]（包括封闭和开放配置）表明，开口的大小和位置显著影响气流模式，可能将流动方式从主要循环变为显著的整体流动。这些数据后来被用于验证基于计算机的数值模型[28]。在三层建筑中对浮力驱动楼梯间气流进行的实验和数值研究[30]扩展了之前的工作[21]，结合了示踪气体实验和CFD模拟。结果显示，由于楼梯间的几何形状，水平开口处的气流速度稳定，而每个楼层都表现出强烈的三维流动和多个涡旋，促进了空气均匀性。另一项研究通过将楼梯间重新设计为太阳能烟囱[31]进一步发展了这一概念，CFD模拟强调了几何形状和热边界条件对气流行为的影响，特别是在夏季和夜间条件下的影响。最近基于网络建模和CFD[32]的研究分析了多单元住宅建筑中楼梯间泄漏分布的影响，表明烟囱驱动气流的数量和模式受到建筑围护结构和楼梯间泄漏的显著影响，从而影响室内空气质量、烟雾扩散、能源效率和热舒适度。
虽然之前的研究已经研究了楼梯间的浮力驱动气流，但它们的几何形状已知会对多层建筑中的气流模式、压力分布和温度分层产生显著影响，为本研究提供了坚实的基础。当前工作采用了一种补充视角，探索楼梯间在浮力驱动条件下作为垂直通风路径的潜力。使用了一个1:25的比例缩放模型来系统地比较有无楼梯间与相邻房间之间气流交换的配置。这种受控设置使得可以独立评估楼梯间对整体浮力驱动通风过程的影响。特别关注系统的瞬态热响应，其中提出了空气温度的时间依赖性变化与气流速度相结合，作为量化浮力驱动条件下空气更新效果的绩效指标。因此，本研究旨在评估楼梯间对多层建筑中浮力驱动通风的贡献，提供有关其在自然通风策略中作为重要建筑元素潜力的实验见解。为此，根据浮力驱动通风研究中广泛采用的方法[17]，[23]，[24]，构建了一个带有侧向楼梯间的三层建筑原型比例缩放模型。
与此方法一致，多项研究使用缩放模型在受控条件下研究了浮力驱动的自然通风[17]，[23]，[24]，[33]。这些模型能够可靠地再现实际建筑中观察到的气流和温度分布，同时提供了一种低成本且易于调整的设置，适用于测量和配置调整[20]。它们允许精确分析气流和热分布，这在实际条件下往往由于外部因素不可控而难以实现。通过改变几何形状和热负荷场景，缩放模型有助于模拟通风趋势和评估系统性能。确保速度分布、气流模式和温度场的相似性对于将研究结果推广到实际建筑至关重要。
基于这一实验框架，仔细保持了几何形状、热分布和运动学的相似性，以确保结果与实际建筑的相关性。特别关注了Grashof数的保持[17]，[23]，该数在模型和实际建筑中都控制着使用空气作为工作流体时的浮力驱动流动。
使用比例缩放模型，测试了三种通风情况，以评估楼梯间对浮力驱动自然通风的贡献，重点研究了楼梯间与房间（隔间）的连通性和垂直延伸的效果。每种配置的有效性通过两个互补的关键指标进行评估：基于空气温度时间变化的风空气更新指标，用于衡量模型内的空气更新和混合效率；以及在不同位置测量的气流速度。
