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本研究提出一种基于折纸原理的可调节通风系统，通过改变结构高度和开口面积来优化自然通风。采用三维CFD模拟和实验验证，结果显示高度增加50%可使通风量提升12.5%，直径扩大则超过40%，为无电网环境提供高效节能方案。
艾哈迈德·F·祖特尔（Ahmad F. Zueter）| 莎迪·卡扎莱（Shadi Khazaaleh）| 艾哈迈德·S·达拉克（Ahmad S. Dalaq）| 穆罕默德·F·达卡克（Mohammed F. Daqaq）
阿布扎比纽约大学机械工程系，阿联酋阿布扎比
摘要
本研究介绍了一种创新的通风系统，该系统借鉴了折纸的原理，利用一种可折叠结构来增强和调节由烟囱效应驱动的自然气流。这种系统具有在地下矿井和建筑物中应用的潜力。所提出的系统通过将可扩展的折纸单元安装在排气管道中，动态调节关键几何参数（即高度和通风面积），从而实现独立于外部风速或太阳条件的浮力驱动通风的主动控制。使用三维计算流体动力学（CFD）模型对这一概念的性能进行了计算评估，该模型研究了可展开烟囱的几何配置如何影响体积流量。此外，还进行了补充实验测试，以验证数值模拟预测的折纸结构中的气流压力损失。结果表明，将烟囱高度提高50%可使通风率提高多达12.5%。当折纸烟囱的直径翻倍时，在相同的高度增加情况下，通风效果提升超过40%。这些发现表明，受折纸启发的结构作为适应性强的可控通风解决方案具有巨大潜力，尤其适用于能源密集型系统和偏远、离网环境。
引言
通风在多个行业中占据了较大的能源消耗比例。例如，在地下采矿作业中，通风可能占总运营能源成本的50%[1]，主要是由于需要持续供应新鲜空气和排除热量。同样，在建筑行业中，供暖、通风和空调（HVAC）系统占全球建筑能源使用的近40%[2]。在偏远地区，由于可靠的电力供应有限且成本高昂，这些能源需求尤为突出。因此，迫切需要不依赖外部电源的被动、可持续的室内通风解决方案。
烟囱效应（也称为烟囱原理）为自然和可持续通风提供了一种解决方案。它是由室内和室外空气之间的温度差异引起的浮力驱动的。例如，在寒冷地区，较温暖且密度较低的室内空气会上升，形成垂直压力梯度，从而通过下部开口吸入冷空气，并通过上部开口排出热空气。由于烟囱效应产生的空气体积流量V ˙ H 、室内外温差ΔT 以及通风口的横截面积A 成正比[3]。
许多研究已经探讨了烟囱效应作为自然通风机制的应用[6],[7],[8]。例如，休斯（Hughes）和阿卜杜勒加尼（AbdulGhani）[9]证明，在特定的气候和建筑条件下，烟囱效应驱动的通风可以满足规定的通风标准。最近的研究将烟囱效应驱动的通风扩展到了地下和封闭环境中。文（Wen）等人[10]回顾并综合了适用于可持续地下空间的被动通风策略，强调了浮力驱动气流路径的作用以及经常需要改进的设计约束。朱（Chu）和苏（Su）[11]通过结合实验和数值模型量化了地下停车场的自然通风情况，表明通风性能对开口和竖井几何形状的配置非常敏感。杨（Yang）等人[12]研究了地下空间中的通风和环境控制挑战（如湿度、热量和空气质量），强调了被动、节能通风解决方案的必要性。这些研究揭示了有效控制和增强这种被动通风策略的持续挑战。
为此，已经开发了几种被动策略来提高自然通风机制的效果。这些策略包括在寒冷气候中使用太阳能墙[13],[14]，以及在炎热气候中使用捕风口[15],[16]。太阳能墙（或称为特龙贝墙）利用狭窄空气腔的太阳能加热来增加温差ΔT ，从而在寒冷气候中提高通风率[17],[18],[19]。另一方面，捕风口旨在捕捉盛行风，并将其引导到较冷的区域（如地下室），然后再输送到生活区。研究表明，捕风口可将通风率提高多达15%[20]，同时显著降低冷却负荷[21],[22]。还提出了结合太阳能墙和捕风口或其他主动、能耗较高的组件的混合系统，以进一步优化室内舒适度[23],[24],[25]。
由于所有先前提出的被动通风方法都依赖于固定的建筑特征[26]，特别是烟囱高度H 和通风口面积A ，因此它们的性能只能通过改变温差ΔT 来调整。因此，这些策略的有效性在很大程度上取决于阳光和风等环境因素，而这些因素可能是间歇性的或不存在的。因此，需要一种能够在不受环境条件影响的情况下提供额外控制级别的被动通风解决方案。一种有前景的方法是开发具有可调节结构的烟囱，从而消除固定烟囱高度H 和通风口面积A 的限制。
为了实现这一目标，我们提出了一种新的力学领域，该领域关注通过结合折纸原理[27],[28],[29]来设计可适应性和可折叠的结构。特别是，一种称为克雷斯林折纸（Kresling pattern）[30],[31],[32]的折纸图案被用来建造高度和横截面积可以通过施加外力来控制的可折叠柱子（烟囱）。图1展示了这种烟囱在完全展开和收缩状态下的情况，表明只需最小的能量输入[33],[34]就可以实现其高度（比较图1（a）和（b））和横截面积（比较图1（c）和（d））的显著变化。这些变化可以用来控制空气体积流量T 下的通风率。
基于折纸的结构在气流和能源管理方面的潜力已在多个应用领域得到探索[35]。在热管理方面，祖特尔（Zueter）等人[36]介绍了能够控制膨胀和收缩的克雷斯林折纸鳍片，以主动调节导热和对流热传递。在医疗保健领域，张（Zhang）等人和金（Kim）等人[37]开发了受折纸启发的便携式通风器，而希瑟林顿（Heatherington）等人[39]提出了用于减少气溶胶传播的折纸鼻罩。在建筑环境中，佩森蒂（Pesenti）等人[40]展示了可展开的克雷斯林结构在遮阳应用中的使用，张（Zhang）等人[41]集成了光热响应的克雷斯林单元用于太阳能调节和遮阳。然而，据作者所知，尚未有人研究使用受折纸启发的形状变化结构来增强被动通风。
以往的研究主要集中在基于折纸的形状变化窗户在气流、遮阳或噪音调节方面的应用，或者通过折纸结构研究空气动力行为的基本特性。在这项研究中，我们提出了一种新型的被动通风增强系统，该系统特别适用于偏远和极端环境。我们的概念通过将克雷斯林可展开机制安装在烟囱或排气管道上，调节有效烟囱高度，从而增加气流。与仅调节或限制气流的传统装置（如阀门）不同，这种设计通过有效延长烟囱高度来提高通风率，而无需外部能量输入，非常适合在离网环境中使用。作为同类研究中的首例，这项工作主要侧重于计算演示和分析，研究了可展开烟囱的几何配置和不同大气条件对完全展开和收缩状态下体积流量的影响。主要目标是评估该概念的可行性，并确定关键设计参数。还进行了补充实验测试，以评估折纸结构内的压力损失。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍了概念方法，并深入探讨了克雷斯林折纸单元的设计。第3节阐述了控制烟囱效应现象的基本物理原理。第4节描述了数学公式，包括计算流体动力学（CFD）建模和实验验证。第5节展示了结果并评估了系统的有效性。最后，第6节提出了结论和未来工作的方向。
部分摘录
概述
本研究介绍了一种利用受折纸结构启发的建筑修改来利用烟囱效应进行被动通风的新概念。具体来说，我们的方法涉及将现有的排气管道或烟囱改造为可适应的克雷斯林折纸单元，这些单元能够同时改变烟囱高度H 和出口通风面积A ，如图2所示。这些结构通过电机施加的外力或扭矩进行垂直驱动
烟囱效应的基本原理
烟囱效应是由室内空间（用下标‘i’表示）和室外空间（用下标‘∞’表示）之间的空气密度差异引起的。这种空气密度差异在室内和室外空间产生了不同的静水压力分布，如图5所示，促进了空气在室内空间的循环。在本节中，我们提出了一个简单的分析模型来理解烟囱效应并预测进入任意空间的质量流量
评估方法
所提出的被动通风概念使用三维（3D）计算模型进行评估，该模型捕捉了烟囱效应的关键特征，即速度分布和通风流量。该模型考虑了折纸结构的复杂几何形状和相关的压力损失，并使用文献中的实验数据对简化案例进行了验证。
图6所示的计算域呈圆柱形，直径为d
结果
在本节中，我们分析了折纸烟囱对通风率的影响。首先，研究了不同折纸配置下的关键几何参数和流动参数的影响。接下来，分析了由折纸烟囱引起的自然通风流场。最后，我们展示了折纸烟囱的垂直扩展和几何优化如何提高通风率。
结论
本研究介绍了一种基于折纸的可展开系统，旨在通过烟囱效应增强和调节被动通风。该方法涉及将克雷斯林折纸扩展装置安装在烟囱或排气管道上，从而被动调节烟囱高度和排气流量这两个控制浮力驱动气流的关键参数。
为了评估系统的性能，开发了计算模型和分析模型，研究了关键设计变量的影响
CRediT作者贡献声明
艾哈迈德·F·祖特尔（Ahmad F. Zueter）： 撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。莎迪·卡扎莱（Shadi Khazaaleh）： 撰写——审阅与编辑、方法论、形式分析。艾哈迈德·S·达拉克（Ahmad S. Dalaq）： 撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、概念化。穆罕默德·F·达卡克（Mohammed F. Daqaq）： 撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。
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报告的工作。
