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

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StandardizationDevelopmentReport:Energyperformanceofbuildings—Energyneedsforheatingandcooling,internaltemperaturesandsensibleandlatentheatloads—Part3:Calculationproceduresregardingadaptivebuildingenvelopeelements摘要随着全球建筑行业对能源效率与碳中和目标的日益重视，建筑围护结构的动态热行为模拟已成为降低建筑能耗的关键技术路径。传统静态围护结构计算模型难以准确描述相变材料、可变热阻构件、可控通风层等自适应建筑围护结构元件（adaptivebuildingenvelopeelements）的热物理行为，导致建筑能耗评估结果与实际运行数据之间存在显著偏差。为应对这一技术挑战，国际标准化组织（ISO）于2023年9月29日正式发布了ISO52016-3:2023标准，该标准作为ISO52016系列标准的重要组成部分，规定了自适应建筑围护结构元件的计算程序和方法体系。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术框架、核心计算方法及行业应用价值，分析了其在建筑能耗动态模拟领域的创新性贡献，探讨了标准实施的可行路径与推广前景。报告指出，ISO52016-3:2023的发布填补了国际标准化体系中自适应建筑围护结构计算方法的空白，对推动高性能建筑围护结构技术发展、促进建筑领域碳达峰与碳中和目标的实现具有重要的技术支撑和指导意义。关键词：建筑能源性能；自适应围护结构；计算程序；ISO52016-3；建筑能耗模拟；热负荷计算Keywords:Buildingenergyperformance;Adaptivebuildingenvelope;Calculationprocedures;ISO52016-3;Buildingenergysimulation;Thermalloadcalculation一、引言1.1研究背景与意义建筑行业的能源消耗占全球终端能源消费总量的30%以上，其碳排放量约占全球与能源相关的二氧化碳排放总量的27%。在"双碳"目标驱动下，提高建筑能源性能已成为全球应对气候变化的核心议题之一。建筑围护结构作为建筑室内外环境的分隔界面，对供暖、制冷能耗及室内热舒适性起着决定性作用。近年来，随着材料科学和控制技术的快速发展，以相变材料（PhaseChangeMaterials,PCM）墙体、可变热阻围护结构、可控自然通风通道、电致变色窗等为代表的自适应建筑围护结构元件逐渐从实验室走向工程应用。此类元件能够根据室外气象条件、室内热扰动态变化以及运行控制策略主动调节自身热工性能，显著降低建筑运行能耗。然而，传统的建筑能耗计算方法，如ISO52016-1所规定的简化月（季）动态计算法和逐时动态计算法，均假定建筑围护结构的热物理性质恒定不变，无法刻画自适应围护结构元件的动态热行为特征。这一技术空白严重制约了高性能自适应围护结构技术的标准化评估与推广应用。因此，亟需建立一套能够准确描述自适应构件动态热特性的计算程序和方法体系。1.2标准立项的必要性在ISO52016-3:2023发布之前，国际上缺乏针对自适应建筑围护结构元件计算方法的统一标准。各研究机构和企业不得不采用自建模型或商业软件进行定制化计算，造成以下突出问题：不同计算模型之间结果差异大，尤其是边界条件设置、材料物性参数处理和动态控制策略建模方式的不同，导致同类围护结构方案的性能评估可能出现成倍偏差；计算结果缺乏横向可比性，不同设计工具和方法得出的节能率数据难以相互校核，使得政府节能审查、绿色建筑认证和碳排放核算工作面临技术障碍；由于模型算法和参数设定方法未经过标准化的验证与校准，自适应围护结构方案的节能收益被高估或低估的现象时有发生，影响了市场信心和技术推广。为此，ISO/TC163（建筑环境热性能与能源利用技术委员会）联合ISO/TC205（建筑环境设计技术委员会）经过多年预研，从立项评估、方法研究、模型验证直至最终出版，经历了完整的标准制定流程，最终于2023年发布了ISO52016-3:2023标准，旨在构建面向自适应围护结构元件的统一计算范式。1.3标准的定位与适用范围ISO52016-3:2023是ISO52016系列标准（《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》）的第3部分，是对第1部分（ISO52016-1:2017）中建筑围护结构计算方法的扩展和补充。其中ISO52016-1规定了建筑供暖和制冷能源需求计算的基本方法和程序，ISO52016-2则聚焦于特定类型的建筑系统。本标准的适用范围覆盖以下关键技术对象：-含相变材料层或元件的围护结构构件-可变热阻围护结构（如可控气隙层、开关式保温系统）-可控自然通风围护结构空气间层-其他具有自适应热性能特征的结构化或非结构化围护元件该标准特别规定了在建筑逐时能源需求计算中，如何纳入上述自适应元件的动态热物理响应过程，包括相变潜热效应、可变传热系数、可调通风流量等因素，为建筑能耗模拟软件开发商、围护结构设计单位、产品认证机构和科研院校提供了统一的技术准则。二、标准技术架构与核心内容2.1标准框架结构ISO52016-3:2023的技术框架采用模块化结构设计，充分考虑了与ISO52000系列标准框架的一致性，共分为以下主要内容：-第1章：范围-第2章：规范性引用文件-第3章：术语、定义和符号-第4章：自适应围护结构元件的分类与描述方法-第5章：输入数据要求与气象边界条件处理-第6章：热物理参数计算模型-第7章：数值求解程序与算法-第8章：控制策略的建模方法-第9章：结果输出与验证要求-附录A至附录E：计算示例、数据查询表、模型验证基准案例等2.2核心计算方法该标准的核心技术贡献在于提出了三种不同层级、精度递增的自适应围护结构计算模型，覆盖了从工程简化设计到高精度模拟验证的完整应用场景：简化等效参数模型：基于等效热阻（R值）和等效热容（C值）的动态修正方法，通过经验修正系数将自适应元件的动态热性能转化为等价的静态参数。该模型适用于初步方案比选和快速评估，计算成本低，易于在常规能耗模拟软件中实现。标准规定了修正系数的确定方法及适用范围限制，并对等效热阻的时间变化率和热容的动态特征给出了具体处理规则。有限差分数值模型：将围护结构构件离散为多层节点系统，采用有限差分法求解一维瞬态热传导方程和热湿耦合方程。对于含相变材料的构件，标准引入了焓法（enthalpymethod）求解相变区域的温度-焓关系曲线，有效解决了固液相变界面的移动边界问题。对于含空气间层的自适应构件，标准规定了间层内对流换热的计算关联式及不同通风模式下的热平衡方程。状态空间模型：基于现代控制理论的状态空间描述方法，将自适应围护结构元件的热动力学行为表示为状态方程和输出方程，便于与时域控制算法（如模型预测控制MPC）相结合，适用于建筑能源管理系统（BEMS）的在线优化计算。该模型已被国际建筑能耗模拟领域的同类软件广泛采用，并在最新研究中验证了其参数提取方法与本标准框架的兼容性。2.3相变材料计算方法的标准化相变材料是当前应用最广泛的一种自适应围护结构功能材料，其利用材料在相变过程中吸收或释放大量潜热的特点来调节围护结构的蓄热特性。标准对相变材料计算方法的标准化做出了系统性的规定：-相变焓-温度曲线的标准化描述：规定采用差示扫描量热法（DSC）测试获得的温度-焓关系的标准化处理程序，包括升温与降温过程中的过冷滞后效应修正-等效热容法：将相变潜热等效为温度区间内的附加显热容，并给出了按描述样条曲线（B-spline）拟合实验数据的具体数学表达式及参数取值范围-有效热容区间确定准则：根据不同相变材料的相变温度范围和建筑运行工况，制定了确定等效热容温度区间的选择规则，以保证数值计算的收敛性和精度-多次相变循环后的性能衰减模型：针对部分有机相变材料在反复热循环后相变焓降低的现象，给出了考虑长期热老化的修正模型框架三、标准的创新性贡献与技术特点3.1填补国际标准空白ISO52016-3:2023是全球首个专门针对自适应建筑围护结构元件计算程序制定的国际标准，具有开创性的技术引领价值。在标准发布之前，建筑能耗计算领域一直在缺乏统一基准的环境下处理此类自适应围护结构问题，发达国家之间的相关技术争议也不断增加。该标准的出版为统一国际做法建立了基础性技术平台。3.2多层级模型体系的建立标准建立了从简化模型到精细化数值模型的多层级计算方法体系，充分体现了"适用性原则"（principleofappropriateness）——即根据计算目的、数据可得性和精度要求选择合适的模型层级。这一思路与美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在建筑能耗模拟领域推荐的分级模拟策略高度一致，也与欧洲标准化组织CEN/TC89在建筑能源性能计算方法领域的"整体框架-详细计算-简化计算"三级架构保持协调。3.3与ISO52016系列标准的兼容与衔接ISO52016-3:2023在设计之初就充分考虑了与ISO52016-1:2017以及ISO52016-2的兼容性。标准中规定的输入参数、边界条件定义及输出结果格式均沿用了ISO52016系列统一的框架结构，便于在既有建筑能源性能计算工作流程中无缝集成。标准同时补充说明了与ISO52017-1（建筑hourly使用条件下的动态热负荷计算）和ISO13790（建筑供暖能耗计算方法，已由ISO52016-1替代）之间的衔接关系。四、标准制定参与机构与主要单位ISO52016-3:2023由国际标准化组织下设的建筑环境热性能与能源利用技术委员会（ISO/TC163）主导制定，并与建筑环境设计技术委员会（ISO/TC205）建立了联合工作组机制。在制定过程中，来自全球20余个国家的专家参与了标准草案的起草、讨论与评审工作，形成了广泛的国际共识。其中，德国标准化学会（DIN）下属的德国建筑技术标准化委员会（NABau）承担了标准制定的骨干技术支撑工作。德国作为建筑节能技术领先国家，拥有深厚的围护结构热工计算研究积累。早在2000年代初，德国就开始关注含相变材料的建筑构件在欧洲标准中的计算处理方法，特别是在欧盟建筑能源性能指令（EPBD）框架下的各成员国计算方法的协调过程中积累了丰富的经验。此外，标准制定过程中还得到了以下重要技术组织的参与支持：美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在动态围护结构建模方面的研究成果为状态空间模型的建立提供了有益参考；日本建筑学会（AIJ）在相变材料建筑构件实测方面的数据积累对标准中材料参数不确定性分析章节的形成起到了重要支撑作用；中国建筑科学研究院、清华大学等国内科研机构也积极参与了标准草案的评议工作，结合中国不同气候区建筑围护结构的技术特征提出了建设性意见。这些国际协作机制保证了标准的全球适用性和技术合理性。五、标准的应用价值与推广前景5.1对建筑能耗评估科学性的提升ISO52016-3:2023的发布实施，将显著提升建筑能耗评估的科学性和准确性。对应用自适应围护结构元件的建筑项目，设计单位可依据标准规定的计算程序获得可靠的供暖和制冷能源需求数据，为建筑节能设计优化、能源系统容量选型和碳排放核算提供扎实的技术依据。5.2支撑绿色建筑认证与碳排放交易在绿色建筑认证领域，中国绿色建筑评价标准、LEED（能源与环境设计先锋）、BREEAM（英国建筑研究院环境评估方法）等国内外绿色建筑评价体系均对建筑能耗模拟结果的可靠性和可溯源性提出了明确要求，尤其关注高性能外围护结构的动态特性对全年能耗评价指标的实质影响。ISO52016-3:2023的实施为设计单位向认证机构提供基于统一方法论的能耗评估报告创造了条件，有助于提高绿色建筑认证的技术公信力。在碳排放权交易市场方面，统一的围护结构热工计算方法也是建筑碳排放基准线设定和减排量核查的重要技术基础。5.3推动自适应围护结构技术创新标准的发布为自适应围护结构产品的性能评价提供了规范化基准。生产企业可以依据标准中规定的测试和计算方法，对其产品的节能效果进行标准化评估和横向对比，为产品市场推广和工程应用提供基于共识的技术数据支撑。同时，标准明确的计算框架也为新型自适应围护结构产品的研发指明了性能优化方向，有利于引导行业向高效、可靠、可量化评估的方向发展，对于产学研协同创新具有积极的推动作用，将对建筑节能技术与产业的整体水平提升产生深远影响。5.4促进国际标准与我国标准化体系的对接我国作为全球最大的建筑市场，正加快推动建筑领域碳达峰行动方案的实施。在这一进程中，积极对接和应用ISO52016系列国际标准，有助于我国建筑节能标准体系与国际通行技术规则衔接，服务于建筑节能技术装备"走出去"和绿色"一带一路"建设的需要。近年来，我国已完成ISO52016-1的等同采用工作（GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》相关条款参考了该系列标准的方法框架），预计ISO52016-3:2023也将加速我国标准化技术组织推动其采纳和转化工作。六、结论ISO52016-3:2023的发布是建筑能源性能标准化领域的一项重要里程碑事件。该标准以系统性、创新性的技术方案解决了自适应建筑围护结构元件热工计算的标准化难题，为建筑能耗动态模拟提供了从简化到精细的完整计算方法体系。标准的实施将有效推动高性能自适应围护结构技术的规范化应用，提升建筑能源性能评估的科学性和可比性，为全球建筑行业实现节能减排目标提供有力的标准化技术支撑。展望未来，随着人工智能、物联网等新一代信息技术与建筑物理领域的深度融合，自适应建筑围护结构将向智能化、集成化方向持续发展。ISO52016-3:2023所建立的计算框架为未来的技术拓展预留了充分的扩展空间——其模块化的结构设计使得后续纳入新的自适应元件类型（如智能玻璃、可变发射率表面、仿生自适应构件等）成为可能。同时，随着越来越多的国家将其采纳为国家标准或在技术法规中引用，该标准在全球范围内的应用广度和深度将持续提升。建议我国相关标准化技术组织加快推进ISO52016-3:2023的等同采用工作，同步开展与我国建筑气候分区、材料产业基础及工程实践相适应的配套技术文件和算例验证研究，为我国建筑节能标准化工作提供更加坚实的技术支撑。参考文献[1]ISO52016-3:2023,Energyperformanceofbuildings—Energyneedsforheatingandcooling,internaltemperaturesandsensibleandlatentheatloads—Part3:Calculationproceduresregardingadaptivebuildingenvelopeelements[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ISO52016-1:2017,Energyperformanceofbuildings—Energyneedsforheatingandcoolin