经济增长、人口扩张以及对舒适度的提高导致能源消耗不断增加[1]。气候变化和全球能源需求的上升是21世纪最紧迫的挑战之一[2]。预测显示，到2050年，CO2排放量和能源需求将以每年1.8%的速度增长[3]。建筑物占全球能源消耗的40%以上[4]，接近零能耗建筑（NZEBs）旨在通过用可再生能源替代化石燃料来减少能源需求[5]。因此，分析建筑物的能源性能并制定有效的调度策略，以充分利用现有资源和需求，对于实现经济高效和可持续的离网建筑至关重要。
对于农村和离网地区而言，建筑围护结构的热能分析尤为重要，因为这些地区通常采用开放式屋顶和独立住宅建筑。集成相变材料（PCMs）是提高建筑围护结构能源效率的一种策略[6]。PCMs通过相变过程有助于削减峰值负荷和节约能源[7]。
研究表明，墙体材料的放置方式、厚度和类型显著影响PCM的应用效果。Yu等人[8]通过在其屋顶结构中加入两层PCM的TIL（Thermal Insulation Layer），实现了35.4%的供暖和制冷负荷减少。Dardouri等人[9]证明，在单层墙体中集成PCM可减少73.81%的能源消耗，在双层墙体中则可减少76.46%。García-Pérez等人[10]发现，在砌块中集成PCM可使热流减少多达48.7%，在炎热天气中将峰值温度延迟最多3.86小时，并将CO2排放量减少56.4%。Arici等人[11]表明，当PCM的熔点（MT）在墙体内部为17°C、外部为25°C时，可减少17.2%的能源消耗。Kalbasi等人[12]确定，当PCM的熔点与舒适设定点相等时，结合隔热层使用，可将能源需求降低约24%。尽管这些研究为减少能源需求提供了宝贵见解，但它们主要关注需求方面，未考虑墙体或屋顶改造的经济可行性。
对十种使用PCMs和TIL的屋顶配置进行的数值和实验分析显示，在炎热干燥的气候条件下，能源消耗和碳排放显著减少。嵌入了熔点为29°C的PCM的屋顶相比传统屋顶，每年可节省11.89美元/平方米的能源成本，碳排放最多可减少215.32-275.37千克/千瓦时[13]。Zhang等人[14]探讨了在由光伏（PV）和电池储能供电的NZEB中结合PCM与电加热系统的方案。他们的结果表明，利用PCM进行峰值负荷转移可将峰值电力需求减少5-10%。此外，这种方法通过降低光伏安装所需的容量，使整个能源系统的投资成本节省了15%以上。Li等人[15]证明，通过优化建筑设计、光伏容量、PCM和负荷灵活性，可以显著改善光伏发电与建筑需求之间的匹配。在广州，PCM层厚度可减少50.4%；在上海则可减少62.8%，从而实现90%的NZEB目标。此外，优化设计还使广州的光伏容量减少了23%。
先前的研究尚未探讨在NZEB屋顶上同时集成PV阴影和PCMs，或基于这种组合方法优化混合可再生能源系统（HRES）以高效满足能源需求的问题。
在建筑物中优化和离网调度可再生能源可以通过提供可靠、环保和可持续的电力供应来增强能源安全，特别是在农村地区。目前，可再生能源已占全球电力的30%以上，预计到2030年这一比例将超过45%。尽管伊朗在可再生能源方面具有巨大潜力，但其利用程度仍然有限。在人口稀少的城市周边地区，部署离网HRES通常比扩展电网更为可行，因为独立发电更具成本效益[15]。这种方法还可以防止组件过度配置，降低成本[16]，确保以具有竞争力的价格提供稳定的电力供应，并通过减少对化石燃料的依赖来降低CO2排放。
多项研究使用软件工具进行能源分析以优化HRES。Zahedi等人[16]使用DesignBuilder估算了加拿大寒冷气候下13户家庭的能源需求，并优化了混合光伏-电池-电网系统。他们的结果显示，该混合系统能够满足居民的热能和电能需求，能源平准化成本在0.3至0.6美元/千瓦时之间。Imran Khan等人[18]分析了气候变化对卡塔尔别墅屋顶光伏优化的影响。他们的模拟显示，到2100年电力消耗将增加22%，夏季峰值需求增加26%。尽管如此，该系统在八年内仍具有经济可行性。Mokhtara等人[19]利用粒子群优化算法优化了阿尔及利亚干旱气候下独立住宅单元的电力供应。他们的研究发现，集成光伏、风力涡轮机、电池和柴油发电机可使能源成本降至0.21-0.23美元/千瓦时，可再生能源占比超过60%。
如文献综述所示，关于在建筑物中结合应用PCM和PV系统的几个方面尚未得到充分研究。特别是，以往的研究对以下方面关注不足：（1）独立建筑物中不同天花板位置和厚度下PCM放置的系统性评估；（2）将屋顶PV系统与PCM增强天花板集成后的技术经济影响；（3）PV引起的阴影对PCM增强NZEB的热性能和能源性能的年度技术经济影响。虽然这些方面已经单独进行了部分研究，但尚未在统一的技术经济框架内进行全面比较评估。因此，本研究提供了PCM配置和可再生能源系统设计的综合分析，为可持续建筑应用提供了实用的技术经济可行性解决方案。
虽然现有研究已经探讨了住宅建筑的能源成本与热能和电能需求之间的关系，但关于将屋顶PV系统与PCM增强屋顶集成以减少能源需求和提高温暖气候地区建筑效率的潜力仍需进一步探索。此外，也缺乏这种方法与传统屋顶解决方案之间的全面技术经济比较。本研究探讨了提高建筑能源效率如何影响温暖气候下HRES的最佳规模和性能。提出了一种方法，通过增强屋顶级别的PCM集成和部署混合屋顶PV-燃料发电机-电池系统来实现离网可持续建筑。使用三十个建筑能源模型（BEMs）在有无屋顶PV阴影效果的两种情景下评估能源节省情况。所得的热能和制冷需求数据用于优化能源成本，确定可再生能源的贡献，并计算HRES的总能源生成需求。本研究的主要进展如下：
•分析了市面上可购买的PCM层对独立建筑HVAC系统能源需求的影响，考虑了屋顶结构内不同厚度和放置位置。
•分析了集成PCM的独立建筑在有无屋顶PV阴影效应的情况下的太阳辐射对热需求的影响。
•对温暖和热带气候下的离网可持续建筑的电力供应进行了技术经济优化，考虑了基于PCM利用的修改后的需求。根据最终能源成本、账单节省、CO2排放减少量和可再生能源贡献程度评估了分析场景的有效性。
