### 中文标题 青藏高原民族传统民居创新光伏供暖迈向近零能耗供暖

《Case Studies in Thermal Engineering》：Innovative photovoltaic heating for ethnic traditional dwellings towards near-zero energy heating on Tibetan plateau

　　

川西高原具有海拔高、环境温度低、太阳辐射强的气候特征。加之传统供暖方式的局限性，该地区传统民居在冬季供暖季面临高能耗与热舒适性不足的问题。本研究以位于川西高原马尔康的一栋代表性传统民居为研究对象，提出一种基于光伏（Photovoltaic, PV）供暖的近零能耗改造策略。通过建立三维模型与理论模型，并结合建筑能耗模拟工具，确定了光伏板的最优安装倾角与面积，从而在满足供暖需求的同时实现近零能耗运行。结果表明，优化光伏板的倾角与表面覆盖率，并结合供暖设备的合理空间重构，可显著提升室内热舒适性，并在当地气候条件下实现供暖近零能耗性能。模拟与计算结果显示，实现零能耗供暖的光伏最优安装倾角为40°。屋顶光伏最优安装面积为61 m²，占建筑屋顶总面积的15.2%，约为建筑总表面积的95.2%，可在供暖季实现近零能耗运行，同时实现经济效益最大化。

### 论文解读

**一、研究背景与问题的提出**

川西高原地区海拔较高，冬季气温低、太阳辐射资源丰富，但当地传统民居普遍存在围护结构热工性能差的问题，加之传统供暖方式（如燃烧薪柴和煤炭）能效低下并造成空气污染，导致冬季室内热环境恶劣、供暖能耗居高不下等问题。如何在保留传统建筑风貌的前提下引入清洁高效的供暖技术，是当前乡村发展面临的现实挑战。以往的研究多集中于新建建筑的近零能耗设计，或侧重理论层面的能量平衡计算和单一技术环节优化，而针对广大农村地区传统石木结构民居的大规模光伏供暖改造研究较为有限。传统民居因其外观风貌受保护以及屋顶承重能力限制，无法大规模安装标准光伏板，这成为制约其实现清洁供暖和近零能耗目标的关键瓶颈。此外，现有光伏供暖系统多结构复杂、蓄热装置体积大，仅适用于高容积率的公共建筑或集中式住宅区，难以适应太阳能资源丰富但经济条件落后、人口分散的农村地区。因此，本研究旨在探索在保留传统建筑特色的前提下，因地制宜地开发本地化光伏供暖优化方案，以实现兼顾保护与发展的近零能耗目标。

**二、研究内容与结论**

本研究选取川西高原马尔康市松岗镇直波村一栋具有代表性的传统石木结构民居作为研究对象，提出了一种基于需求导向的近零能耗供暖改造策略。研究人员通过Sware建筑能耗模拟软件对建筑冬季供暖能耗进行了8760小时逐时动态模拟，获得了供暖季总热负荷与相应的电力需求；随后利用PVsyst光伏系统仿真软件，通过逆向参数优化确定了光伏板的最优安装倾角与面积。研究结果表明：该建筑供暖季总热量需求为15670.9 kWh，对应电力需求为6162.2 kWh；光伏板最优安装倾角为40°，此时太阳辐射强度达到最大值7571.68 kJ/(m²·day)；选用转换效率高达24%的210 mm异质结（Heterojunction, HJT）双面双玻组件，仅需61 m²的屋顶光伏安装面积即可满足供暖近零能耗目标，占屋顶总面积的95.2%（原文为15.2%和95.2%，经核实原文如此，但存在表述疑虑，以下内容据实总结：原文数据为占建筑屋顶总面积的15.2%，约为建筑总表面积的95.2%）；系统总改造成本约29800元，仅占当地农村家庭年可支配收入的19.2%，投资回收期约14年。该研究为寒冷高海拔地区传统民居的绿色改造提供了方法框架与初步设计参考，有助于实现生态、经济和社会效益的统一。

**三、关键技术方法**

本研究采用了以下主要技术方法：（1）利用Sware建筑能耗模拟软件（基于清华大学开发的DeST计算引擎与国际公认的DOE-2计算内核）建立建筑三维热工模型，采用5分钟内部有限差分时间步长进行非稳态传热分析，以典型气象年逐时气象数据驱动全年动态能耗模拟；（2）利用PVsyst光伏系统仿真软件，采用控制变量法对不同倾角与方位角组合进行序贯模拟，并通过倾斜面辐射量与水平面辐射量之比确定最优方位角与倾角；（3）通过需求导向的逆向参数分析方法，将建筑模拟获得的供暖电力需求作为光伏系统目标年发电量输入，反推确定光伏板安装面积；（4）采用换气次数法计算冷风渗透热损失，利用热平衡法确定未供暖房间温度；（5）模型验证采用与同类建筑既有研究结果进行交叉对比和关键参数敏感性分析；（6）采用季节平均性能系数（Coefficient of Performance, COP）将供暖热负荷转换为电力需求。

**四、研究结果与讨论**

*4.1 冬季供暖需求分析*
通过Sware软件全年动态模拟，研究人员得出该传统民居供暖季（11月15日至次年3月15日）总热量需求为15670.9 kWh，经COP转换后对应电力需求为6162.2 kWh。PVsyst模拟的年发电量与损耗图显示，有效发电量在7月达到峰值、12月最低，反映了供暖需求与太阳能资源供给之间存在季节性错配。

*4.2 光伏板最优安装倾角分析*
研究采用控制变量法对28°至72°范围内的12个安装倾角进行模拟分析，结果表明随着倾角增大，太阳辐照度先升后降，在40°倾角时达到最大值7571.68 kJ/(m²·day)。该最优倾角高于当地纬度值（约31.93°N），原因在于为优先捕获冬季低角度太阳辐射，需采用更陡峭的安装角度以匹配供暖季负荷需求，这与常规以全年发电量最大化为目标的纬度倾角选取原则存在显著差异。

*4.3 近零能耗建筑优化分析*
基于供暖季电力需求6162.2 kWh，研究人员选用Fuxi Pro异质结双面双玻组件（单块峰值功率745 Wp、转换效率23.8%、双面率90%±5%），通过发电量计算公式（E_P = H_A·E_S·P·K）反算得出仅需61 m²的光伏安装面积即可实现供暖近零能耗运行。该面积仅为建筑屋顶总面积的一部分，充分验证了在承重能力有限的传统民居屋顶进行光伏改造的空间可行性。

*4.4 优化可行性分析*
经济可行性评估显示，系统总造价约29800元，仅占当地农村居民年人均可支配收入的19.2%，处于农户可接受的投资范围内。在25年寿命周期内，考虑系统年衰减率（首年2.0%、其后每年0.5%）、年运维成本（初始投资的1.0%）和6%折现率，动态投资回收期约14年；以当地电价0.52元/kWh计算，年节省电费约3624元。环境效益方面，该系统每年可发电6.16 MWh，节约标准煤2.03吨，减排CO₂ 3.33吨、SO₂ 0.51千克、氮氧化物0.82千克和电厂粉尘0.10千克。

**五、研究结论**

本研究通过需求导向的动态能耗模拟与光伏系统逆向参数优化的结合，成功论证了在保留传统建筑风貌的前提下实现供暖近零能耗运行的技术与经济可行性。核心创新包括三个方面：从供给侧思维转向需求导向的动态能耗量化方法；采用逆向参数优化发现40°最优安装倾角以优先利用冬季太阳能；将经济可行性评估锚定于当地农村居民收入水平，印证了技术先进性与经济可负担性可以兼得。研究同时指出，由于仅针对单栋建筑和单一气象年进行分析，结论的普适性有待多案例和多地域验证；当前光伏布局策略未充分考虑对传统民居外观的视觉影响，未来研究将聚焦于开发模块化、轻量化、隐蔽式的光伏安装系统，并建立兼顾建筑美学、结构安全与发电效率的多目标优化模型。尽管存在上述局限，本研究的成果为青藏高原及类似寒冷高海拔农村地区推广近零能耗供暖提供了重要的方法论指导和初步设计参考。