英语原文共 13 页

辐射天花板加热冷却系统:性能、热舒适性和能源消耗的实验模拟研究

摘要

众所周知，在欧洲北部，水顶板系统主要用于供冷。然而，和辐射地板一样，该系统可以用于冬季供暖和夏季制冷。为了更好地了解这些设备的能源性能，法国Gaz de研究中心资助了一项时长在两冬一夏的测试活动。本实验是在我们位于法国西部雷恩的实验室进行的。试验室内安装了水顶板系统和监测数据采集系统。研究的顶棚系统由铜管与刚性铝扩散翅片组成。所采用的材料具有良好的导热性，天花板辐射板的作用速度快。本文利用仿真程序TRNSYS建立了仿真模型，对实验研究结果进行了代码验证。

关键词:辐射顶棚;加热和冷却系统;热舒适;仿真模型;能源消耗

介绍

顶棚水板是一种新型设备，主要用于办公建筑的降温。这一设备在斯堪的纳维亚国家，瑞士和德国十分受欢迎，但在法国却不太使用。天花板面板是经典空调系统的替代品，能够改善热舒适性。和辐射地板一样，该系统可用于冬季供暖和夏季制冷。为了更好地了解这些设备的能源性能，法国Gaz de研究中心资助了一项时长为两冬一夏的测试活动。本实验是在我们法国西部雷恩实验室进行的。

研究的目标:

• 评价在加热和冷却模式下的状况；
• 研究热舒适；
• 开发和验证仿真模型的水顶板面板；
• 根据加热和冷却负荷、气候条件定义这个系统的热限制。

天花板辐射板冷却系统

2.1天花板冷却系统的类型

我们可以区分两种主要类型的顶板水冷却系统，其中的传热没有通风系统。

顶板冷却系统，与采暖地板类似。聚乙烯管嵌在石板上。热绝缘体放置在顶部的管网，以便向下传热。它的成本较低，但由于较高的热惯性，很难在一个相对湿度迅速增加的房间里控制冷凝的风险。另一种技术，使用平行的内径约为2.5毫米的聚乙烯毛细管。将它们覆盖在天花板或墙上。这一技术成本低，热惯量小，但毛细管有密封的危险。

安装在假天花板上的金属顶板水板系统。它们由带有扩散翅片的钢管或铜管制成。所使用的材料具有良好的导热性，降低了水容，整体呈现出较低的热惯性。涂漆板做成的翅片可以夹在管子上。在这种情况下，薄板不是很坚硬，被用作装饰元素。另一种技术使用的是刚性铝翅片，其中设置了一个铜管。翅片没有连接，管道顶部的玻璃棉绝缘体改善了房间的声学效果。其他变体要么由毛细管网格构成，直接铺设在涂漆板上，要么由两块波纹铝或不锈钢板(滚键式)制成[1]。对于最后两个系统，模块也可以被合并到假天花板中。

2.2 天花板辐射板:优点和限制

天花板的水板具有提供加热和冷却的优点，由于辐射传热和风速的限制，提高了热舒适性。与传统空调系统相反，天花板上的水板不会导致疾病传播。在不需要大风量的情况下，水合冷却系统是一种有效的传热方式。冷却天花板可以补充置换通风系统。

模块的尺寸通常与支架的标准尺寸相对应，便于安装。其他模块可以根据房间的需要进行调整，同时也要考虑到灯光。

在控制水温，平均温度接近16摄氏度的情况下，可以避免任何冷凝风险。如果没有额外的空气处理系统(冷却和除湿)，该空调系统制冷能力有限，热负荷低，适用于建筑物(办公大楼、医院、住宅等)。

实验装置

测试室和天花板

测试室位于雷恩的T5实验室内。该测试室的表面积约为14平方米，具有低热惯性和朝西的双层玻璃窗。四个装有刚性分离翼片的天花板水板安装在假天花板上，只占可用面积的63%。最初，这种类型的设备不包括背面绝缘体。房子位于同一层，为了减少通过平屋顶的热量损失，我们在大部分测试中都在天花板的水板背面放置了7厘米厚的绝缘体，如图1所示。这些面板的水容量为2 l/m²，质量约为15 kg/m²(图2)。

滚动快门盒子

绝缘体

绝缘体

平屋顶

水顶板面板

非散热片

图1 实验室和水顶板面板

滚动快门盒子

水顶板面板

图2 水面板散热翅片（单位：mm）

水力和控制系统

冷热水的生产是由一个由天然气驱动的两个子系统组成的系统：一个用于生产冷气的氨水吸收装置和用于热水的废气热交换器。

阀门的开启取决于室内空气温度与设定温度的差值(T1-T1_sp)。这一设备同时控制冷却，但由露点限制器控制，以防止露水在天花板上凝结。

天花板面板单元

图三 液压回路

表现

4.1 实验室传感器

试验室内的80个传感器(温度传感器、流量计hellip;hellip;)已连接到一个数据采集系统。监测设备可对下列数据组显示一份永久性报告:

• 室内和室外气候情况;
• 热舒适参数值;
• 液压元件的热特性;
• 换热器两侧提供加热和冷却速率。
• 在每次试验(4 ~ 6天)中，除室外气候条件外，工况均为恒定:
• 百叶窗关闭或打开;
• 有或没有内热增益;
• 单向阀控制或全开。

4.2 冷却表现

冷却性能冷却时，控制水温(最小值接近16℃)，防止任何结露风险。面板提供的冷却速度相当低，30-60 W/m²不等。在内部增益高的情况下，天花板的水面板不会保持设定值温度。但它形成了一个冷却试验室。需要注意的是，吸热包括2/3辐射和1/3对流。

图4显示了从上午9.30开始室内和室外温度的变化，天花板上的水板提供冷却。测试室和相邻的参考室之间有6℃的温差，参考室朝西。在此测试期间，进水和出水换热器初侧温度分别为9℃和14℃，顶板表面温度为19℃，吸冷量约为50W/m²。

图4 此测试中六月份室内外温度

4.3.加热性能

加热时总换热量在40~80 W/m²之间变化，由80%的辐射和20%的自然对流组成。图5显示一天内天花板表面温度及室内空气温度随室内增益(办公大楼)由上午8时至下午6时的变化。

早上6点以后，天花板由于热惯量低，室内空气温度升高，表面温度迅速升高。设定温度为20℃时，3路阀于上午8点前缓慢关闭。这些内部收益大约500瓦(一人，一台PC)使室内温度从上午8点再次升高。在这些测试中，百叶窗从早上8点开放到晚上7点，室外温度保持上下4℃的水平。

温度（℃）

图5 冷却实验中六月份室内外温度

时间（h）

4.4 室内空气温度分布和热舒适性

有了天花板上的水板，冷却时的热舒适标准比加热时更容易达到。表1显示了ISO 7730[3]的推荐限值。在冷却过程中，垂直温度不对称不超过10℃，为了防止冷凝风险，天花板表面温度变化范围为17 ~ 19℃，垂直不对称的值不超过10℃[9]。在加热方面，推荐的因素更加困难。

ISO7730的推荐因素

为了研究热舒适性，我们进行了两次加热试验: 平均天花板表面温度分别为25.9 ℃(试验1)和35.7 ℃(试验2)。我们可以看到在图6中，温度在1.80 m-2.50 m之间急剧下降。

我们使用了由CSTB[4]开发的GRES测试协议来测试配备了该天花板加热板的房间的热舒适性。本研究适用于冬季气候条件下供暖的房间，以及久坐不动(11.2符合)和穿保暖衣服(11.2 clo)的住户。

舒适度是通过计算不满意的人的百分比(PPD)，使用5个标准进行评估：

·标准G或人的整体感觉。PPD的计算值是以Fanger模型为基础[5]；

·标准R_h或水平温度不对称；

·准则R_V或垂直温度不对称；

·标准E或足部与头部温差的函数；

·标准S或地板表面温差函数[6]。

对于每一个标准，PPD不超过10%，那么室温被认为是舒适的。

用GRES协议对内部温度的两个设定点进行了热舒适性的研究：一方面是20℃的设定点，代表正常的使用条件(测试1)，另一方面是23℃的测试值(测试2)。在这两次测试中，天花板的平均温度分别为25.9℃和35.7℃，平均风速约为0.05 m/s。表2显示了每个标准、在职人员和两个设定点级别的不满意百分比。

表2 GRES协议，对于每一个坐着的人每个标准的PPD

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