ISO 52016-32023 建筑能源性能供暖和制冷、内部温度以及显热和潜热负荷的能源需求第3部分关于自适应建筑围护结构元件的计算程序标准立项发展报告

ISO52016-3:2023建筑能源性能——供暖和制冷、内部温度以及显热和潜热负荷的能源需求——第3部分：关于自适应建筑围护结构元件的计算程序标准立项发展报告EnglishTitleStandardizationDevelopmentReport:ISO52016-3:2023—Energyperformanceofbuildings—Energyneedsforheatingandcooling,internaltemperaturesandsensibleandlatentheatloads—Part3:Calculationproceduresregardingadaptivebuildingenvelopeelements摘要随着全球碳中和目标的深入推进，建筑领域节能减排已成为国际社会关注的焦点。建筑围护结构作为建筑室内环境与室外气候之间的物理界面，其性能直接决定建筑能耗水平。近年来，自适应建筑围护结构元件（如可变透光率的智能玻璃、可调节遮阳装置、相变材料层等）因其能够根据外界气候条件和室内需求动态调节热工性能，被广泛视为下一代高性能建筑的关键技术路径。然而，国际标准体系中针对此类元件的能耗计算程序长期存在空白，导致各国在建筑能效评估中对自适应围护结构的处理方式差异显著，阻碍了技术推广和国际比较。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年9月29日正式发布ISO52016-3:2023标准。本标准属于ISO52016系列标准的第三部分，规定了将自适应建筑围护结构元件纳入建筑供暖制冷能耗、内部温度及显热潜热负荷计算的程序框架。报告系统介绍了该标准的立项背景、技术内容框架、计算程序要点及其与国际通行建筑能耗计算方法（尤其是ISO52016-1）的衔接关系，并展望了其在近零能耗建筑、智能建筑和建筑碳排放核算领域的应用前景。本报告的编制旨在为国内相关标准化工作者、建筑节能技术研究人员及工程设计人员提供参考。关键词：建筑能源性能；自适应围护结构；能耗计算；热负荷；ISO52016系列；建筑节能；计算程序Keywords:Buildingenergyperformance;Adaptivebuildingenvelope;Energycalculation;Thermalload;ISO52016series;Buildingenergyefficiency;Calculationprocedures一、引言1.1标准立项背景建筑部门占全球最终能源消耗的约30%和能源相关二氧化碳排放的约27%。在应对气候变化的全球治理框架下，提高建筑能源性能已成为各国共同的政策优先方向。欧盟《建筑能效指令》（EPBD）及其后续修订版本持续提高了新建建筑和既有建筑改造的能效要求，"近零能耗建筑"（nearlyZero-EnergyBuilding,nZEB）已成为欧盟成员国的强制性建设标准。国际能源署（IEA）亦将建筑围护结构技术创新列为实现建筑深度脱碳的关键路径之一。然而，传统建筑能耗计算方法建立在静态围护结构假设之上，即围护结构的热工参数（传热系数、太阳得热系数、热容量等）在计算周期内视为恒定值。这一假设在常规建筑中基本适用，但面对近年来快速发展的自适应建筑围护结构元件——其热工性能可随环境条件、运行策略或用户需求发生主动或被动变化——传统计算方法已无法准确反映其真实能耗表现。例如，电致变色玻璃的太阳得热系数可在0.09至0.60之间动态调节，传统静态计算方法既无法预测其节能潜力，也无法为其优化控制提供可靠依据。国际标准化组织在建筑能源性能计算领域已建立了一套较为完善的标准体系，其中ISO52016-1:2017规定了建筑供暖和制冷能耗、内部温度及显热和潜热负荷的逐时计算方法，是各国建筑能耗法规和认证体系的重要技术基础。但ISO52016-1明确将其适用范围限定为"热工性能可视为恒定"的围护结构元件，对于自适应元件仅提供了原则性说明而未给出具体计算程序。这一技术空白亟需填补。1.2标准编制目的与意义ISO52016-3:2023的编制目的可归纳为以下几个方面：（1）填补标准空白：为自适应建筑围护结构元件（包括但不限于智能玻璃、可调节遮阳系统、相变材料集成构件、可变热阻元件等）提供标准化的能耗计算程序，弥补ISO52016-1适用范围之外的技术缺口。（2）统一计算方法：建立适用于自适应围护结构元件的计算框架，明确其热工参数动态变化条件下的逐时计算规则，消除各国在自适应元件能效评估中的方法学差异，促进国际比对和经验交流。（3）衔接既有标准体系：确保本标准的计算程序与ISO52016-1的逐时计算方法完全兼容，使用户能够在同一计算环境中对包含自适应元件的建筑进行整体能耗评估。（4）支撑政策实施：为各国建筑能效法规、绿色建筑评价标准和碳排放核算体系提供可操作的技术依据，推动自适应围护结构技术从实验研究走向规模化工程应用。本标准的发布对促进建筑围护结构技术创新、提升建筑能效水平、降低建筑运行碳排放具有重要的基础性支撑作用。二、标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO52016-3:2023||英文名称|Energyperformanceofbuildings—Energyneedsforheatingandcooling,internaltemperaturesandsensibleandlatentheatloads—Part3:Calculationproceduresregardingadaptivebuildingenvelopeelements||中文名称|建筑能源性能——供暖和制冷、内部温度以及显热和潜热负荷的能源需求——第3部分：关于自适应建筑围护结构元件的计算程序||发布机构|国际标准化组织（ISO）||发布日期|2023年9月29日||标准状态|现行||分类号|建筑物绝热||国别|国际组织||语言|英语||ICS分类号|91.120.10（建筑物绝热）|2.2ISO52016系列标准体系ISO52016系列标准是国际标准化组织建筑环境设计技术委员会（ISO/TC163"Thermalperformanceandenergyuseinthebuiltenvironment"）框架下的核心标准系列，共同构成了建筑能源性能计算的完整方法体系。该系列标准的总体结构如下：-ISO52016-1:2017—《建筑能源性能——供暖和制冷、内部温度以及显热和潜热负荷的能源需求——第1部分：计算程序》：该标准规定了建筑供暖和制冷能源需求、室内温度和显热/潜热负荷的逐时计算方法，是整个系列的基础。其计算架构采用小时时间步长的热平衡方法，将建筑划分为若干热区，对每个热区求解热平衡方程。-ISO52017-1:2017—《建筑能源性能——供暖和制冷、内部温度以及显热和潜热负荷的能源需求——第1部分：利用逐时方法对建筑整体性能进行评估》：关注建筑整体的逐时性能评估程序。-ISO52016-3:2023—本报告所介绍的标准，作为第3部分，专门补充了自适应建筑围护结构元件的计算程序，与ISO52016-1形成互补关系。ISO52016系列标准的制定工作由ISO/TC163下属工作组（WG4"Calculationmethodsforenergyperformanceofbuildings"）牵头组织，并联合欧洲标准化委员会（CEN）相关技术委员会共同推进。该系列标准取代了早期的ISO13790:2008等标准，在方法论和适用范围上均有显著拓展。2.3标准的适用范围与界限ISO52016-3:2023明确规定了以下适用范围：适用对象：-热工性能在计算周期内可能发生可量化变化的自适应建筑围护结构元件；-包括（但不限于）可变透光率/太阳得热系数的智能玻璃窗、可调节外遮阳装置、集成相变材料的建筑构件、可变热阻的保温系统（如可变发射率表面、气凝胶动态隔热层等）；-由建筑能源管理系统（BEMS）或用户操作控制的主动式自适应元件，以及由环境参数（温度、太阳辐射等）驱动的被动式自适应元件。不适用对象：-热工性能在计算周期内保持恒定的传统围护结构元件（此类情况适用ISO52016-1）；-涉及建筑内部发热设备、暖通空调系统能效计算的程序（此类内容在其他ISO标准中规定，如ISO52017系列）；-建筑围护结构元件的结构力学性能和耐久性设计。关键术语界定：-自适应建筑围护结构元件（adaptivebuildingenvelopeelement）：一种建筑围护结构组成部件，其热物理性能（包括但不限于传热系数、太阳得热系数、透光率、热容量等）能够随时间发生可逆变化，变化可由环境刺激、控制信号或用户操作触发。-控制策略（controlstrategy）：决定自适应围护结构元件在给定条件下状态切换规则的一组逻辑关系或算法。-等效稳态热工参数：在给定的时间步长内，将自适应元件的动态热行为等效为恒定热工参数进行描述的处理方式。三、标准核心内容与技术框架3.1总体计算框架ISO52016-3:2023采用与ISO52016-1一致的逐时计算框架，在此基础上引入自适应元件状态变量的动态处理机制。标准的总体技术路线可概括为"状态识别—参数更新—热平衡求解—结果输出"四步循环计算架构：-状态识别：在每个计算时间步长内，依据外部气候条件（室外温度、太阳总辐射、风速等）、内部环境参数（室内温度、湿度）及控制策略，判定各自适应元件当前所处的工作状态（如遮阳装置的收拢/展开档位、智能玻璃的着色等级、相变材料的相态等）。-参数更新：根据识别出的元件状态，查取对应的热工参数取值（传热系数、太阳得热系数等），更新该时间步长内围护结构的热工计算参数。-热平衡求解：将更新后的参数代入ISO52016-1规定的热平衡方程组，求解该时间步长的供暖/制冷负荷及室内温度。-结果输出与循环：记录该时间步长计算结果后进入下一时间步长，重复上述过程直至完成整个计算周期。3.2自适应元件的分类与建模方法标准将自适应建筑围护结构元件按其热工参数随时间变化的特征划分为以下类型，并分别规定了对应的建模方法：（a）太阳辐射控制型元件：此类元件的核心功能在于动态调节进入室内的太阳辐射量，其关键热工参数为太阳得热系数（g值）和可见光透射率。典型的元件包括电致变色玻璃、气致变色玻璃、热致变色玻璃及可调式外遮阳百叶等。建模要点在于建立太阳得热系数关于控制信号（电压、温度等）和太阳入射角度的函数关系，并在逐时计算中动态更新相关参数。（b）热传导控制型元件：此类元件通过动态改变自身传热系数（U值）来调节围护结构的隔热性能。典型实例包括可变热阻墙体（如采用气凝胶颗粒动态填充的透明隔热层）、可切换真空玻璃等。建模时需建立传热系数与元件状态参数之间的定量映射关系。（c）热容量调节型元件：此类元件利用相变材料（PCM）等介质的储热/放热特性，在时间维度上平移和削减热负荷峰值。标准要求对此类元件采用有效热容量法或焓法进行逐时模拟，正确处理相变过程的非线性热行为。（d）复合型元件：同时具备上述两类以上调节功能的围护结构系统（如集成了相变材料与可变遮阳的复合墙体），需将各子系统模型耦合求解。3.3控制策略的数学表达标准对自适应元件的控制策略提出了规范化的表达要求。控制策略被定义为将输入变量（室外温度、室内温度、太阳辐射强度、电价信号、用户偏好等）映射为元件目标状态的逻辑函数。标准要求：-控制策略应以明确的逻辑表达式或查找表形式给出，不得使用模糊描述；-控制策略中涉及的设定值（如室内温度阈值、辐射强度阈值）应在输入参数中明确赋值；-对于存在时间滞后或速率限制的元件，控制策略应考虑其动态响应特性。3.4与ISO52016-1的衔接标准明确规定了与ISO52016-1的衔接方式。当建筑中同时包含传统围护结构元件和自适应元件时，计算程序采用"分区处理、统一求解"的策略：在建立建筑热平衡模型时将自适应元件作为独立的计算节点处理，其动态热工参数由ISO52016-3规定的程序确定后，嵌入ISO52016-1的总体计算流程中。标准同时给出了对于自适应元件面积占围护结构总面积比例较小时采用简化处理方法的适用条件，以保证计算效率。3.5验证与不确定性处理标准设置了专门的附录，规定了自适应元件计算程序的验证测试案例和允许误差范围。验证方式包括：-理论验证：将计算结果与解析解或精确数值解进行比对；-实验室验证：参照标准化的热箱实验数据进行比对测试；-交叉验证：与其他国际公认的能耗模拟软件（如EnergyPlus等）的计算结果进行交叉校核。标准允许的计算结果不确定度范围根据验证类型和参数类别的不同而有差异，温度偏差不超过±0.5°C，年供暖/制冷负荷偏差不超过±10%。四、国际影响与应用前景4.1在建筑节能标准体系中的位置ISO52016-3:2023的发布完善了ISO在建筑能源性能计算领域的标准覆盖版图。此标准与ISO52016-1共同构成了涵盖静态与自适应围护结构元件的完整逐时能耗计算工具链，为各国制定建筑节能设计标准、既有建筑改造评估标准和建筑碳排放核算方法提供了统一的方法学基础。在欧盟层面，该标准已纳入欧盟标准化委员会（CEN）的标准采纳工作计划，预计将作为欧盟建筑能效指令各成员国计算方法的技术支撑文件被引用。在中国，国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021）和《近零能耗建筑技术标准》（GB/T51350-2019）均对高性能围护结构提出了明确要求，ISO52016-3的发布为我国相关标准的修订和新型围护结构技术的能效评估提供了重要的国际参照。4.2支撑建筑行业低碳转型自适应围护结构技术被国际能源署（IEA）列为"高效建筑围护结构"领域的关键新兴技术之一。相关研究数据显示，在典型办公建筑中采用智能调光窗户和自动遮阳系统可降低供暖制冷总能耗约15%~30%（视气候区和控制策略而定），而集成相变材料的轻质围护结构可将室内峰值温度降低2~4°C并显著削减空调高峰负荷。ISO52016-3为此类技术的节能效益提供了可量化、可比较的标准化评估工具，对于推动技术创新和市场推广具有重要意义。在建筑碳排放核算方面，随着越来越多的国家和地区将建筑运行碳排放纳入碳交易体系或碳税征收范围，精确计算含自适应围护结构建筑的能耗和碳排放量具有直接的经济价值。ISO52016-3提供的标准计算程序为碳排放基线的确定提供了可复现的国际统一方法。4.3促进智能建筑与需求响应自适应围护结构是建筑从"被动耗能体"向"主动响应体"转变的关键技术载体，也是智能建筑和建筑与电网互动（Building-to-Grid,B2G）的重要物理基础。通过动态调节围护结构热工性能，建筑可以在电力系统负荷高峰期减少空调电力需求，或在电力供应充裕期利用围护结构的蓄热能力进行预冷/预热。ISO52016-3对控制策略的规范化表达要求，为分离围护结构本体的热物理性能与运行控制逻辑、评估不同控制算法下建筑能耗表现提供了标准化的仿真实验平台。五、主要参与单位介绍ISO52016-3:2023标准的制定由国际标准化组织建筑环境热性能与能源利用技术委员会（ISO/TC163）主持，并由其下属工作组WG4具体负责技术内容的起草与协调。以下做简要介绍：ISO/TC163（Thermalperformanceandenergyuseinthebuiltenvironment）是ISO框架下负责建筑环境热工与能源利用领域标准制定的技术委员会。其主要职能范围涵盖建筑材料和建筑构件的热性能测试方法、建筑围护结构热工设计方法、建筑整体能源性能