ISO 11855-42021 建筑环境设计.嵌入式辐射供暖和制冷系统.第4部分热主动建筑系统动态供暖和制冷能力的尺寸和计算标准立项发展报告

建筑环境设计嵌入式辐射供暖和制冷系统第4部分：热主动建筑系统动态供暖和制冷能力的尺寸和计算标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:BuildingEnvironmentDesign—EmbeddedRadiantHeatingandCoolingSystems—Part4:DimensioningandCalculationoftheDynamicHeatingandCoolingCapacityofThermoActiveBuildingSystems(TABS)摘要随着全球建筑能耗占比持续攀升与碳中和目标的深入推进，建筑供暖制冷系统的节能设计已成为国际标准化组织（ISO）重点关注的技术领域。嵌入式辐射供暖和制冷系统因其高效、舒适、低碳等优势，在建筑环境设计中得到越来越广泛的应用。其中，热主动建筑系统（ThermoActiveBuildingSystems,TABS）利用建筑围护结构本身的热质量进行热能存储与释放，是实现建筑负荷转移和能源需求侧管理的关键技术路径。然而，TABS的动态热行为涉及复杂的热物理过程，其供暖和制冷能力的准确计算直接关系到系统设计选型、运行策略优化以及室内热环境保障。ISO11855-4:2021作为该系列标准的核心技术文件，为TABS动态供暖和制冷能力的尺寸设计提供了统一的计算方法和评估框架。本报告对该标准的立项背景、技术内容、关键创新点及行业应用价值进行了系统梳理，着重介绍了标准主要起草单位在推动建筑节能标准化方面的技术积累与工作基础，并对该标准在建筑碳中和进程中的未来发展前景进行了展望。报告指出，该标准的发布填补了国际范围内TABS动态热工计算标准的空白，为建筑设计人员、设备制造商和能源服务企业提供了科学、规范的技术依据，对促进建筑领域可再生能源利用和低碳转型具有重要的推动作用。关键词：嵌入式辐射系统；热主动建筑系统；动态负荷计算；供热供冷能力；建筑节能；ISO标准；碳中和Keywords:Embeddedradiantsystems;ThermoActiveBuildingSystems(TABS);Dynamicloadcalculation;Heatingandcoolingcapacity;Buildingenergyefficiency;ISOstandards;Carbonneutrality一、引言1.1研究背景建筑领域是全球能源消耗和碳排放的重要来源。根据国际能源署（IEA）的统计数据，建筑运行阶段的能耗占全球终端能源消费的30%以上，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统约占建筑总能耗的50%左右。在碳达峰、碳中和目标驱动下，提升建筑用能效率、发展低碳供暖制冷技术已成为各国共同关注的重大议题。在众多建筑节能技术中，嵌入式辐射供暖和制冷系统凭借其优越的热舒适性、较高的能源利用效率和良好的可再生能源适配性，正日益受到国际建筑行业的青睐。该系统将盘管或毛细管等换热元件嵌入建筑围护结构（楼板、墙体、天花板等）中，以辐射和对流相结合的方式与室内环境进行热交换。按照其热工特性，嵌入式辐射系统可分为轻型系统（如毛细管席辐射系统）和重型系统（如热主动建筑系统TABS）。其中，TABS利用了建筑混凝土楼板等大热质量构件，通过将水管嵌入结构层中，使建筑本体成为热存储与热释放的载体，进而实现负荷的削峰填谷和时间平移。TABS的设计难点在于其动态热行为的准确描述。与传统对流式空调系统不同，TABS的传热过程受建筑围护结构的热惯性、系统运行策略、室内外热扰动的联合影响，具有较强的非线性和时滞特性。如何在设计阶段准确计算TABS的动态供暖和制冷能力，成为制约该技术推广的关键瓶颈之一。有鉴于此，国际标准化组织ISOTC205（建筑环境设计委员会）启动了ISO11855系列标准的编制工作，旨在为嵌入式辐射供暖和制冷系统的设计、计算、安装和调试提供系统化的国际标准支撑。1.2标准概况ISO11855-4:2021是ISO11855系列标准的第4部分，全称为《建筑环境设计——嵌入式辐射供暖和制冷系统——第4部分：热主动建筑系统（TABS）动态供暖和制冷能力的尺寸和计算》。该标准由ISO/TC205（建筑环境设计技术委员会）与CEN/TC228（欧洲供暖系统和制冷系统技术委员会）合作制定，替代了先前基于欧洲标准体系的EN15377-3中的相关技术内容，实现了从欧洲标准向国际标准的升级转化。标准于2021年8月正式发布实施，当前状态为现行有效。该标准的核心技术内容聚焦于TABS系统动态供暖和制冷能力的计算方法，包括模型建立、边界条件设定、计算流程及结果验证等方面，为TABS的设计者和工程技术人员提供了统一的技术规范和计算框架。标准的发布填补了TABS动态计算领域国际标准的空白，对于促进TABS技术的规范化应用和国际化推广具有重要意义。1.3报道目的与意义本报告旨在全面介绍ISO11855-4:2021标准的立项背景、技术内容、关键创新点和应用价值，梳理标准主要起草单位的技术积累，分析该标准对建筑节能行业的影响，并展望其未来发展趋势，为相关领域技术人员、标准研究人员和行业决策者提供有价值的参考。二、标准制定背景与需求分析2.1行业发展现状与趋势近年来，全球范围内对建筑供暖制冷系统节能降碳的要求不断提高。欧盟在《欧洲绿色协议》框架下提出到2030年将建筑温室气体排放较1990年水平削减55%的目标；中国也明确提出"2030年碳达峰、2060年碳中和"的战略目标，并发布了《建筑节能与可再生能源利用通用规范》等强制性标准。在此背景下，嵌入式辐射供暖和制冷系统因其可直接利用低温热源（如地源热泵、太阳能集热系统等）和高温冷源（如地下水、辐射冷却等），因而成为建筑可再生能源利用的重要末端形式。TABS系统尤其适用于办公楼、学校、医院等白天使用为主的大型公共建筑。该类建筑的冷热负荷与TABS的蓄放热特性具有天然的时间适配性——建筑结构在夜间电价低谷期蓄冷蓄热，在白天负荷高峰期释放，从而在转移电力负荷、平衡电网供需的同时，有效降低建筑运行能耗和运行费用。此外，TABS与可再生能源系统的结合可以进一步提升建筑的综合能源利用效率。然而，TABS技术的工程应用也面临着显著的技术挑战。一方面，TABS的动态热工特性复杂，涉及周期性非稳态传热、多层结构热耦合、管间距和埋深等多因素交互影响，传统的稳态计算方法无法准确描述其动态供冷供热能力。另一方面，国际上缺乏统一的TABS动态计算标准，各国设计规范差异较大，导致设计结果可比性差，工程质量难以统一保障。这些问题的存在，迫切需要制定国际统一的技术标准。2.2相关标准化情况在ISO11855系列标准发布之前，国际上关于嵌入式辐射供暖制冷系统的标准体系尚不完善。主要相关标准包括：-ISO11855-1:2021：嵌入式辐射供暖和制冷系统的定义、符号和舒适性要求；-ISO11855-2:2021：嵌入式辐射供暖和制冷系统的设计方法；-ISO11855-3:2021：嵌入式辐射供暖和制冷系统的设计验证方法；-ISO11855-4:2021：TABS动态供暖和制冷能力的尺寸和计算；-ISO11855-5:2021：嵌入式辐射供暖和制冷系统的安装与调试；-ISO11855-6:2021：嵌入式辐射供暖和制冷系统的控制。此外，欧洲标准化委员会制定的EN15377系列标准涵盖了嵌入式辐射供暖和制冷系统的设计、计算和安装要求，其中EN15377-3部分涉及水暖地板系统的计算方法。ISO11855-4:2021正是在整合和提升EN15377-3相关技术内容的基础上制定的国际标准，实现了从欧洲区域性标准向全球通用标准的跨越。值得一提的是，我国在嵌入式辐射供暖和制冷系统领域也进行了对标转化和本土化工作。与ISO11855-4对应的国家标准GB/T40442-2021《建筑环境设计嵌入式辐射供暖和制冷系统》系列标准已发布实施，对促进我国该领域技术的规范发展起到了积极作用。2.3标准制定的必要性制定ISO11855-4:2021的必要性主要体现在以下几个方面：第一，填补标准空白。TABS系统的动态热工计算涉及多学科交叉知识，此前国际上缺乏可操作性的统一计算方法。各设计单位通常基于经验公式或专有软件进行计算，结果差异较大。制定统一的国际标准，有助于规范行业行为、提高设计质量。第二，适应技术发展需求。随着低能耗建筑、零能耗建筑和产能建筑的不断发展，TABS技术作为高能效供暖制冷末端的需求日益增强，亟需一套科学完善的动态计算标准与之配套。第三，促进国际贸易与工程合作。嵌入式辐射供暖和制冷系统的设计、设备供应和施工安装往往涉及跨国合作，统一的技术标准有助于消除贸易壁垒，促进技术交流与工程协作。第四，服务碳中和战略。准确的TABS动态性能计算是优化系统设计、充分发挥其蓄能调峰功能的前提，对于建筑领域节能降碳具有直接的支撑作用。三、标准的主要内容与技术要点3.1标准适用范围与基本框架ISO11855-4:2021适用于嵌入建筑结构中的水基TABS系统的动态供暖和制冷能力的计算，具体适用范围包括：-供暖/制冷介质为水或水溶液混合物；-换热管嵌入建筑结构层（通常为混凝土楼板或墙体）中；-系统运行模式涵盖间歇运行和连续运行；-计算方法适用于稳态周期条件下的动态热行为分析。标准不适用于轻质辐射供暖制冷系统（如金属板辐射系统、毛细管席系统）的动态计算，此类系统的计算遵循ISO11855-3的规定。同时，该标准不涉及系统的控制策略优化问题，相关内容在ISO11855-6中另行规定。标准的基本框架包括以下几个主要章节：术语和定义、符号和单位、计算方法总体要求、计算模型、输入数据和边界条件、计算步骤、结果验证和文件化要求等。3.2核心计算方法概述ISO11855-4:2021的核心内容是规定TABS系统动态供暖和制冷能力的计算方法。该方法基于湿热传递理论，将TABS系统的物理模型简化为多层板状结构，通过求解多层结构中的非稳态导热方程获得系统在不同激励条件下的动态热响应特性。标准的计算方法采用传递函数法（TransferFunctionMethod）或与之等效的频率响应法，将TABS的动态热行为描述为系统输入（如供水温度、室内温度、太阳辐射）与输出（如表面热流密度、室内热环境参数）之间的关系。该方法通过对系统进行周期稳态条件下的频域分析，以状态空间模型描述各层材料的热物性参数与几何参数对动态响应的影响。具体计算流程包括：确定系统几何参数（管间距、管道埋深、管径、楼板厚度等），确定材料热物性参数（导热系数、比热容、密度等），确定边界条件（室内空气温度、供水温度及其波动规律），进行频域变换与传递函数求解，最终获得系统的动态供暖/供冷能力、表面温度分布和热流密度等关键输出参数。3.3关键技术参数与指标标准明确规定了一系列关键技术参数和指标，为TABS的设计和计算提供了重要参考。主要参数包括：-热流密度（HeatFlux）：单位面积TABS表面所能提供或释放的热量，是反映系统供暖/供冷能力的核心指标；-供回水平均温度（MeanWaterTemperature）：系统供暖或供冷时供水和回水的算术平均温度，直接影响系统热输出和热舒适性；-表面温度（SurfaceTemperature）：TABS结构表面的温度值，需要满足室内热舒适性标准的限值要求（如ISO7730）；-热响应时间（TimeConstant）：描述系统达到稳态输出所需的时间，是表征TABS热惯性的重要动态参数；-运行模式参数：包括连续运行和间歇运行条件下的系统供水温度曲线、运行时间和周期性边界条件。3.4标准的创新性与特色相较于传统的稳态计算方法，ISO11855-4:2021在技术方法上具有以下几方面的创新性和特色：（1）全频域动态响应描述。标准给出的计算方法可以在频域范围内全面描述TABS系统对不同频率热扰动的响应特征，真实反映系统在非稳态条件下的热行为，克服了传统稳态方法在描述蓄放热过程中的局限性。（2）多工况适用性。标准计算方法涵盖了间歇运行、连续运行、变供水温度等多种典型工况，适用于不同气候区、不同建筑类型和不同使用模式下的TABS设计计算。（3）标准化参数输入框架。标准提供了统一化的参数输入框架和数据整理方法，使不同设计人员采用同一平台进行系统设计，保证了计算结果的科学性和可比性。（4）集成舒适性评估。标准将热舒适性作为计算结果的校核条件之一，确保TABS系统的供冷供热能力设计不仅满足负荷需求，也满足室内热环境质量要求。四、主要起草单位与工作基础4.1国际标准化组织建筑环境设计技术委员会（ISO/TC205）ISO/TC205是负责建筑环境设计领域国际标准制定的技术委员会，其秘书处设于美国国家标准协会（ANSI）。TC205的工作范围涵盖建筑室内环境设计、建筑能源性能、通风空调系统和建筑自动化控制等领域的标准化工作。该委员会致力于为全球建筑行业提供统一的建筑环境设计方法和技术指标，以促进建筑能效提升、室内环境改善和可持续发展。ISO/TC205的组织架构中设有多个工作组（WorkingGroup），其中负责辐射供暖和制冷系统标准制定的是WG8（嵌入式辐射供暖制冷系统工作组）。ISO11855-4:2021正是在该工作组的统筹协调下完成的。WG8汇集了来自全球多个国家的专家学者，包括建筑物理学研究人员、暖通空调工程师、建筑设计师和标准化专家，在嵌入式辐射供暖制冷系统领域具有深厚的理论基础和丰富的工程经验。4.2主要参与单位的贡献在ISO11855-4的制定过程中，多个国家的标准化机构和研究机构发挥了重要作用。其中，德国标准化学会（DIN）、欧洲标准化委员会（CEN/TC228）的专家团队在标准技术内容的起草中提供了核心支持，德国在建筑热工和辐射供冷供暖领域具有长期的研究积累。此外，来自北欧国家（瑞典、芬兰等）的专家在TABS系统工程应用方面提供了丰富的实践经验，为标准的实用性提升做出了重要贡献。中国在ISO11855系列标准的制定中也积极参与。中国建筑科学研究院有限公司作为全国暖通空调及净化设备标准化技术委员会（SAC/TC143）的依托单位，深度参与了ISO11855系列国际标准的制修订工作，并结合中国建筑特点和工程实践经验，在中国标准GB/T40442-2021中对ISO11855-4相关技术内容进行了本土化调整和补充，为促进该标准在中国的推广应用做出了积极贡献。五、标准实施与应用前景5.1标准的技术经济效益分析ISO11855-4:2021的实施将对建筑节能产业产生显著的技术经济效益。从技术角度分析，该标准提供了统一的TABS动态设计计算方法，有助于提高设计精度，避免因计算偏差导致的系统过设计或欠设计问题。精准的设计计算可以在满足室内热舒适要求的前提下，优化系统配置，降低初投资和运行能耗。从经济角度分析，TABS系统在正确的设计条件下，可比传统空调系统减少约20%~40%的风机能耗，并通过夜间蓄能运行实现显著的电费节省。以一座1万平方米的办公楼为例，采用TABS系统后，每年可节约空调运行费用约20万~50万元人民币。该标准为这些经济效益的实现提供了技术保障。从环境角度分析，TABS系统与可再生能源（地源热泵、太阳能等）的高效结合能力，使其成为建筑脱碳的重要技术路径。标准的推广应用将促进TABS技术的普及，进而助力建筑领域的节能减排和碳中和目标的实现。5.2标准在行业中的应用ISO11855-4:2021在建筑行业中的应用范围广泛，主要面向以下用户群体：-建筑设计院和工程咨询公司：用于TABS系统的方案设计、动态负荷计算和系统选型；-暖通空调设备制造商：用于设备性能匹配和产品开发指导；-能源服务公司：用于建筑能源审计、系统改造优化和性能评估；-高校和科研机构：用于建筑热工领域的教学和科学研究；-标准化和认证机构：用于标准转化、产品认证和行业监管。5.3标准推广中面临的挑战尽管ISO11855-4:2021具有重要的技术价值，但在推广过程中仍面临一些挑战：第一，技术门槛较高。TABS动态计算方法涉及传热学、建筑物理和数值分析等多学科知识，对使用者的专业素养要求较高，需要开展针对性的技术培训和知识普及。第二，缺