城市冷热电联供系统对环保与经济的影响研究

工程2（2016）470-480研究环境保护-文章水、空气排放和用于联合冷却、加热和电力系统的空气冷却微型涡轮机的成本影响作者：Jean-Ann Jamesa，b，*，Valerie M.托马斯c，d，阿尔卡潘迪特a，b，多丽e，约翰C.Crittendena，ba美国佐治亚理工学院布鲁克拜尔斯可持续系统研究所，亚特兰大，GA 30332b美国佐治亚理工学院土木与环境工程学院，亚特兰大，GA 30332cH. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta，GA 30332，USAd美国佐治亚理工学院公共政策学院，亚特兰大，GA 30332eCrittenden and Associates，Beijing 100102，ChinaARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年3月23日收到2016年8月5日修订2016年8月16日接受2016年12月16日城 市 化 步 伐 的 加 快 意 味 着 城 市 和 全 球 组 织 正 在 寻 找 提 高 能 源 效 率 和 减 少 排 放 的 方 法 。 冷 热 电 联 产（CCHP）系统通过同时提供用于加热、冷却和电力的能量，具有提高城市或城市区域的能量产生效率的潜力。本研究的目的是估算能源生产用水量、二氧化碳（CO）和NO排放量以及经济效益。2x保留字：热电冷三联供（CCHP）风冷式微型燃气轮机分布式能源生产能源生产用水根据建筑物热（加热和冷却）需求，在各种操作场景下，对亚特兰大大都市地区内的五种通用建筑类型实施CCHP系统的影响。运行冷热电联供系统，以遵循每小时的热需求，减少了大多数建筑类型的二氧化碳排放量，无论是否有净计量。根据天然气价格、净计量的实施以及CCHP系统的成本结构，该系统对所有建筑类型都具有经济效益当存在净计量并且当系统运行以满足最大年热需求时，用于能源生产的水消耗和NOx排放的最大减少发生，尽管这种情况也导致温室气体排放的增加，并且在某些情况下，成本增加。CCHP系统对于中型办公室、大型办公室和多户住宅建筑更经济© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍城市是全球经济活动和能源使用的中心。它们占全球能源使用量的70%以上，约占全球温室气体排放量的50%[1]。此外，世界银行估计，城市占全球国内生产总值（GDP）的80%以上[2]。到2050年，全球三分之二的人口将是城市居民，这一转变促使城市政府寻找减少资源使用和减少环境影响的方法。 城市在持续发展方面面临三大挑战增长：①减少能源需求，②减少水需求，③减少排放。城市公用事业的关键问题之一是能源-水的关系。它需要水来产生能量，需要能量来处理和分配水。传统的能源生产系统通常具有较高的水足迹。冷热电联产（CCHP）系统有可能提高效率，改变能源发电的燃料组合，并减少一次能源使用、水消耗和排放。CCHP系统具有比常规能量产生系统更高的能量效率。与其浪费热量，* 通讯作者。电子邮件地址：jajames@gatech.eduhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.0082095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engJ.A. James等/工程2（2016）470471系统利用燃烧过程中产生的热量来部分（或完全）满足建筑物的加热和冷却要求[4]。传统的建筑物能源系统（图1）由来自中央电网的电力和来自炉子或锅炉的热量组成[5，6]。 典型的冷热电联产系统由微型燃气轮机和吸收式制冷机组成（图1）。①的人。微型涡轮机是系统的发电单元（PGU），并产生电力和热量，而吸收式制冷机能够转换PGU提供的热量，以便在需要时冷却建筑物。热回收装置（HRU）利用PGU提供的废热，并将其用于提供热水和空间供暖。效率的提高转化为二氧化碳（CO2）和NOx排放的减少以及“能源用水”消耗的减少（从这一点出发，因此，CCHP系统的实施可以在城市规模上产生巨大的影响，这是由于提高了能源效率、降低了能源足迹用水、降低了排放和改善了空气质量。CCHP系统的实施尤为重要-目前或可能很快面临水资源短缺问题的城市或城市地区[7]。亚特兰大就是这样一个城市。亚特兰大大都市区位于佐治亚州，是美国发展最快的大都市区之一[8]。佐治亚州位于美国东南部，主要经历潮湿的亚热带气候，类似于中国东南部城市（如深圳）的气候。在佐治亚州，大约49%的取水量用于热电发电[9]。据估计，该州55%的亚特兰大持续的城市扩张，加上与传统能源发电相关的低效和损失，将继续增加能源和水的需求以及与能源相关的排放[11]。热电冷联产系统的实施可以提高能源生产系统的效率，从而减少该地区CO2和NOx的排放和能源消耗的水具有分散的能量生产系统还增加了区域的能量生产系统内的冗余，从而增加了其弹性。已经有许多关于冷热电联产系统的好处以及降低成本、一次能源消耗和碳排放的最有效方法的研究[12，13]。CCHP系统可以被设计为减少能源应用的一次能源消耗[14-17]、成本[15]和碳足迹[12，18 -20]，或其某种组合。在对CCHP系统的运行进行建模时，广泛使用的两种策略是：“跟随电负载”（FEL）[21]和“跟随热负载”（FTL）。大多数关于使用CCHP系统的研究已经检查了上述各种负载选项如何最佳地优化系统以降低成本、一次能源消耗和碳排放。 以前的研究已经得出结论，在FTL和FEL之间切换的“混合电热”（HET）方法和FTL是减少多余热量和能量的最佳策略[22]。在某些情况下，增加热存储可以降低几个百分点的成本[23]。Han等人。[24]使用多目标优化模型进一步修改了HET方法。Knizley等人[25]将涡轮机的运行分为两个部分：一个部分满足基本负载，另一个部分满足FEL或FTL。Cho等人[26]在不同的情况下，探索了CCHP系统的运行情况，不同的气候条件以及成本和碳减排的权衡。各种建筑类型的电热比（即电能与热能的比例）也决定了热电联产（CHP）系统在优化降低能耗、能源成本和排放方面的有效性[23]。能源管理的效果也会影响整个系统的效率，因此也会影响所需装置的成本和数量[27]。本文的目的是评估亚特兰大地区五种通用建筑类型实施CCHP系统的效率，研究各种FTL选项（例如，每小时、每天、每月和每年）。2. 材料和方法我们的冷热电联供系统由一台风冷微型燃气轮机和一台风冷吸收式制冷机（图1）组成，用于满足建筑物的供热和制冷负荷。为了比较，传统的图1.一、传统的建筑能源供应系统与冷热电联产（CCHP）系统。472J.A. James等/工程2（2016）470能源系统显示在图的顶部。1.一、在冷热电联产系统中，建筑物的热负荷包括空间加热、冷却和热水所需CCHP系统被设计为FTL模型;这种类型的系统已被证明比建筑物的FEL产生的系统具有更低的排放和更低的成本[22，28]。五个方案进行了测试，看看哪一个将最显着减少二氧化碳和氮氧化物排放，水的能源消耗，和成本。每种情况都是微型涡轮机如何运行以满足建筑物的每小时、最大日、最大月和最大年热需求Capstone风冷微型涡轮机被考虑用于该分析，因为它们使用空气冷却而不是水冷却。帽石目前生产30千瓦，65千瓦和200千瓦的空气冷却微型涡轮机。这些涡轮机的组合范围从95千瓦到2兆瓦也进行了评估。这些组合包括不同尺寸的涡轮机，如95千瓦（65千瓦和30千瓦涡轮机的组合）等。使用制造商提供的技术手册[29]确定在不同容量下运行的涡轮机的热输出。在使用多个涡轮机的情况下，假设组合中最大的涡轮机首先斜升，直到其达到100%容量。对于每个后续添加的涡轮机重复该过程，直到满足热需求。给定涡轮机的热输出对应于给定的电输出和燃料输入要求。模拟了涡轮机的运行时间表，以满足所考虑的五种建筑类型的每小时、每日最大、每月最大和每年最大热负荷（详细信息见附录A的补充信息）。在每一种情况下，涡轮机或涡轮机的组合都是能够满足建筑物热负荷的方式因此，无论运行情况如何，对于给定的建筑类型，涡轮机的尺寸保持不变。2.1. 参考建筑和能源供应选项分析中使用了五种建筑类型：三种商业建筑和两种住宅建筑。这三座商业建筑的大小从小（5500英尺2，1英尺2= 0.092903平方米）到大（500000英尺2）不等，两座住宅楼分别是一座单户住宅和一座多户公寓楼。表1 [30，31]包含了一些建筑物单户建筑的热负荷计算表明，单个30 kW涡轮机始终能够涡轮机的最大小时热输出给定的建筑物。其后所有“独户”的用途均亚 特 兰 大 的 建 筑 物 能 源 负 荷 分 布 图 来 自 开 放 能 源 信 息（OpenEI）网站[30]。能源需求是由美国能源部商业参考建筑模型的EnergyPlus模拟生成的，该模拟使用了亚特兰大地区典型气象年3（TMY3）天气文件[32]。TMY天气文件用于描述典型气象月，最接近地代表30年期间的平均气象月（TMY）[33]。我们使用OpenEI建筑物能源需求数据集确定了传统能源系统和CCHP系统的建筑物供热、制冷和电能需求。图2中示出了使用传统和CCHP系统的小型办公楼的建筑物能量需求和输入能量需求。当使用传统的能源系统时，建筑物的电能和热能需求使用方程计算。(1)和等式(2)，分别。对于传统的能源系统，建筑物的电力需求必须完全由电网来满足。使用传统能源系统的建筑物每年所需的能量输入是通过将电负荷除以等式（1）来确定的。(1)由电网的效率和除以热负荷方程。(2)加热设备的效率。然后将使用传统能源系统的建筑物的年热能和电能输入加在一起，以确定建筑物所需的总能量输入。常规操作的能源供应如图所示。2（b）.电力需求常规=E插头负载+E空间冷却（1）热需求常规=加热空间+加热热水（2）冷热电联供系统的建筑物的电能和热能的需求，确定使用方程。(3)和等式（四）、CCHP系统的建筑物电力需求是插头负载（公式10）。（3））。CCHP系统的热负荷是空间加热、热水和用于空间冷却的吸收式制冷机所需的热能所需吸收式制冷机能够将热能转换成冷能。吸收式制冷机所需的热能由空调器和吸收式制冷机的性能系数（COP）之比确定据推测，空调电需求CCHP=E插头负载（3）热需求CCHP=供暖空间+供暖热水以满足五栋独栋建筑的热需求。这是通过除以最大小时热输出+（COP空调/COP吸收式制冷机）×E空间冷却（四）表1参考建筑物和传统能源系统的特征[30]。建筑类型面积（平方英尺）地板供暖设备（费用[31]）冷却设备（费用[31]）年建筑用电量（kW·h·a年建筑热需求（kW·h·a涡轮尺寸（kW）大型办公室500 000 12锅炉（9.85英尺冷水机组，水冷-多区（9.85英尺-26 963 487419 3462 000培养基室536283锅炉（17.45英尺包装DX-多区（17.45英尺-2728 54718 019325小办公室5 5001Furnace（$9.25 ft包装DX-单区（9.25英尺-268 1717 44730多户住宅337404Furnace（$6.39 ft包装DX分离系统-单区（6.39英尺-2258 790107 79595独栋2 5461熔炉（$6975）单包装（$6975）12 74010 34230（5住宅建筑物）冷却+插头负载。J.A. James等/工程2（2016）470473图二. 基于亚特兰大地区TMY3天气文件的小型办公楼的能源需求。(a)小型办公楼的能源需求;（b）使用传统能源生产和分配系统的小型办公楼的输入能源需求;（c）为满足每小时热需求而运行的冷热电联供系统的小型办公楼的输入能源需求。这些机组使用电力，COP为3.8，这相当于允许的最低季节能效比13。 我们假设市售单效吸收式制冷机的COP为0.68[34]。我们还考虑了具有理论风冷双效吸收式制冷机，COP为1.42，与文献[35年能量输入是将从电网需要的能量输入和CCHP系统需要的能量输入。CCHP系统所需的输入能量是使用制造商的技术文件确定的，这些文件提供了在给定容量下运行的涡轮机的涡轮机燃料要求。电网所需的电能是建筑物的发电量需求减去涡轮机产生的电力（等式10）。（5））。电网系统所需的能量输入是电网所需的电力除以电网发电和配电系统的效率。一座小型办公楼的冷热电联供运行所需的能量如图所示。2（c）.电网需求CCHP=电力需求CCHP–2.2. 冷热电联产系统运行对建筑物的五种替代能源发电方案进行了评估：①无热电联产，②涡轮机运行以满足每小时的热需求，③涡轮机运行以满足最大日需求，涡轮机运行以满足最大月需求，涡轮机运行以全年最大热需求。使用CCHP系统的每小时热负荷通过修改OpenEI数据集计算，使得产生空间冷却（通过吸收式制冷机）所需的热量包括在热需求中（等式10）（4））。情景③-情景Ⅱ的输入数据（4）表示最大日需求、最大月需求和最大年需求。最大日热需求通过在每小时热数据集中找到每天的最大热需求并将其设置为大楼当天。每月和每年的最高需求量是以类似方式确定的。附录A描述了涡轮机的运行方式，并与建筑物和运行计划的要求进行了比较对于每种建筑类型和方案，水的能源消耗，二氧化碳排放量，氮氧化物排放量和系统成本进行了估计。对涡轮机进行建模，使其能够斜升和斜降，以满足包括CCHP系统在内的四种情况所需的需求曲线。根据能够满足建筑物所需最大热负荷的最小尺寸涡轮机选择涡轮机尺寸。由于微型涡轮机满足整个热负荷，如果使用CCHP系统，所有情况都需要电网提供能量，但数量将取决于涡轮机的运行方式。每个建筑物的吸收式制冷机的大小满足建筑物的冷却需求。2.3. 能源用水和排放表2 [39-45]使用2012年和2013年的数据显示了亚特兰大发电组合每千瓦时的平均CO2和NOx排放量随着新的发电设施取代旧的、效率较低的工厂，这些排放量预计会发生变化。Choi和Thomas[46]计算出，随着新核电站的建成和燃煤电厂的计划退役，格鲁吉亚每千瓦时的温室气体排放量将随着时间的推移而下降。在本研究中，CCHP排放量与当前亚特兰大能源发电组合的排放量一致。使用制造商提供的数据计算了熔炉和微型燃气轮机的排放量[39，40，47]。在电力生产中用于冷却的水包括被抽取并随后返回到分水区的水（例如，在直流冷却系统中）和被蒸发（例如，在蒸发冷却中）。发电用水量（蒸发损失）使用佐治亚州电网的平均消耗系数计算：1.65 gal·（kW·h）二次分析比较了CCHP方案与联合循环天然气发电厂使用0.2 gal·（kW·h）-1的系数满足电网所需能量的表2排放量和水的能源消耗因素。CO2e排放量（kg·（kW·h）NOx排放量（g·（kW·h）能耗用水（加仑·（千瓦·小时）微型涡轮机0.768[39]0.290[三十九]-常规电网0.570[41]0.408[49]1.65[43]炉0.2270.425[40]-CCNG工厂0.5150.300[四十四]0.20[45]CCNG：联合循环天然气。474J.A. James等/工程2（2016）470这可能是更典型的边际消费。当量（6）Eq.（7）显示包括在有CCHP与没有CCHP的SCE-NARIOS的排放中的因子对该系统的政策进行了评估。净计量是将产生的多余电力出售给电网的能力。佐治亚州的净计量政策将系统容量限制在10 kW，常规排放网=排放网格+排放炉（六）100千瓦，分别用于住宅和非住宅部门，目前不包括热电联产系统作为一个合格的技术，排放CCHP净=排放网格+排放涡轮（7）2.4. 费用估计数无冷热电联产方案的成本，其中所有的能源来自电网和熔炉，使用格鲁吉亚电力价格[49]和格鲁吉亚住宅和商业客户的天然气价格计算（表3）[42，50使用文献中给出的范围估计CCHP系统的成 本 ， 使 用 RSMeans 数 据 集 估 计 炉 子 和 供 暖 、 通 风 和 空 调（HVAC）系统的成本[31，53]。可能会有超出这些值的投资成本，这应在单个项目评估中予以考虑。CCHP设备的资本成本使用5%的贴现率和10年的系统寿命摊销为年度成本[29]（详细信息见附录B的补充信息每年的HVAC系统成本是使用类似的贴现率和15年的系统寿命来确定的（详情见附录B）。吸收式制冷机的资本成本使用文献中提供的数值范围和20年的估计寿命进行估算[52]。使用微型燃气轮机和吸收式制冷机的最低和最高成本范围计算了CCHP系统的两项资本成本每种情景下每栋建筑每年的总成本通过将每种系统的年燃料成本和年资本成本相加来估算（公式10）。（8）Eq.（9））。公用事业发生的资本成本计入为发电支付的每千瓦时价格假设场景中的建筑物将是新的，因此成本将传统技术与CCHP系统进行比较。第二次成本分析还比较了冷热电联供系统的成本，前提是该系统使用的天然气价格与公用事业支付的价格相似。传统净成本=（用电量×P耗）+（天然气用量×P耗）+PAC每年+P炉每年（8）CCHP成本=（用电量×发电量）+（天然气用电量×天然气发电量）+P涡轮机每年+P冷却器每年（9）2.5. 净计量在这五种方案中，表3冷热电联产系统组件和燃料的成本成本类型费用说明费用范围（美元）微型涡轮资本（美元·千瓦700O M（$·（kW·h）0.005吸收式制冷机资本（美元·千瓦140O M（$·（kW·a）4.5天然气住宅（$·（kW·h）0.049815[42]商业（$·（kW·h）0.032[42]公用事业（$·（kW·h）0.015[42]电网电力住宅（$·（kW·h）0.1255[50]商业（$·（kW·h）0.1044[50]O M：操作和维护。ogy[54].在本研究中，我们假设佐治亚州的净计量政策与纽约相似，纽约在技术组合中包括热电联产系统，并且最大系统容量为2MW[54]。对于采用净计量的情况，可售回电网的电力是通过找到冷热电联供系统产生的电力与建筑物的电力需求之间的差异来确定的当在任何给定的时间，涡轮机产生的电力超过建筑物所需的电力时，就会产生多余的电力。使用表2中列出的估计值计算了CCHP系统和传统系统在能源生产期间消耗的水。如前所述，微型涡轮机是空气冷却的，因此不消耗任何水。据推测，当实施净计量策略时，由于一部分电力将由CCHP系统提供，因此电网产生的能量所消耗的水被3. 结果和讨论CCHP系统采用单效吸收式制冷机，无论采用何种运行策略，都不能减少一次能源的输入。双效制冷机在工业中很常见，COP为1.42[35-38] ;然而，它们不是风冷系统。根据制造商的说法，风冷双效吸收式制冷机是可能的，但根据客户的需求，目前成本因此，我们考虑了双效制冷机（最小COP为1.42）对系统输入能量在这种情况下，运行以满足每小时热负荷的CCHP系统（具有双效制冷机）将使多户、中型办公室和大型办公室建筑物所需的输入能量的量分别减少3%、12%和20%，如图3（b）中每种建筑物类型的前两个条的比较所示。此外，当使用CCHP时，在输入能量需求中存在折衷：每单位能量输入产生更多的电力，并且建筑物需要来自电网的更少的电力。这种权衡在图1中的中型和大型办公楼中显示。3（b）款。然而，对于较小的建筑物，CCHP系统可以增加输入能量的使用甚至与双效吸收式制冷机。对于小型办公楼，当使用双效吸收式制冷机时，峰值热能需求约为最大涡轮机热能输出的35%因此，为了最大限度地发挥效益，我们假设两个小型办公楼将能够在一个冷热电联供系统上运行，假设使用双效吸收式制冷机。在这种情况下，如图3（b）所示，在具有冷热电联供系统的小型办公楼的情况下，总能耗增加了53%，该冷热电联供系统具有双效吸收式制冷机，该双效吸收式制冷机正在运行以满足每小时的建筑热需求。所有其他操作策略将进一步增加输入能源使用。类似地，当运行具有双效制冷机的CCHP系统以满足每小时的热需求时，单户建筑群的输入能量增加20%。在这些情况下，即使CCHP系统以最低容量运行，它仍然产生比建筑物所需更多的热能。图图4示出了即使在最低容量下操作涡轮机也产生比两个小型办公楼的热需求所需的更多的热能。相比之下，J.A. James等/工程2（2016）470475当使用单效或双效吸收式制冷机时，中型办公楼的热能生产要小得多（附录A，图A1）。CCHP系统的效率增加不足以抵消当系统过度产生热能时所需的过量输入能量。3.1. 能源和在所有情况下，对于所有建筑类型，与集中式系统相比，电网所需的电力显著减少。要求涡轮机以更高的输出持续运行的操作场景减少了建筑物对电网的依赖，因为涡轮机产生更多的电力。这是因为涡轮机能够满足建筑物的大部分或全部电力需求。所产生的多余电量可以出售给电网。图5显示了中型办公楼在所有运行情景（FTL）下（有和没有净计量）的能源生产用水量，假设：①佐治亚州电力生产的平均用水需求，②所有电网能源都是使用联合循环天然气发电厂满足的。在最大月热需求和最大年热需求运行工况下，能源用水需求降至零这一结果是预期的，因为CCHP在产生更多电力的同时产生多余的热量，转化为不需要从电网中获得能量。没有电网电力的消耗意味着没有水的能源消耗。所有其他建筑物（表4）。所有建筑物和采用冷热电联供系统的方案的能耗用水量低于中央电网方案，并且在所有情况下，当冷热电联供系统运行以满足最大月或最大年热需求时，能耗用水量为零（参见补充信息，附录C，图10）。C1（a）和（b）的细节）。3.2. 排减量当一座中型办公楼采用单效制冷机的冷热电联供系统以满足建筑物每小时的热需求时，二氧化碳排放量的最大减少量为3%（表4）。所有其他运行方案的CO2排放量均高于无冷热电联供方案，如图所示。6（a）. 如果运行CCHP系统以满足每小时的热需求，则单户、多户和小型办公楼的二氧化碳排放量会减少（表4;另见补充信息，附录D，图D1）。我们发现，大型办公楼的二氧化碳排放量增加了13%（表4）。然而，如果CCHP系统具有双效吸收式制冷机，则当CCHP系统运行以满足小时热需求时，中型办公建筑的CO2排放量对于一个中型的办公楼，该系统可以运行，以满足日常需求，仍然有较低的CO2排放量比无冷热电联供方案。然而，如果系统以最大月需求或最大年需求操作，则来自CCHP系统的排放大于来自常规系统的排放，因为太多的热量被消耗。图3.第三章。在所有场景中为所有建筑类型输入能量。（a）使用COP为0.68的单效吸收式制冷机时所需的输入能量;（b）使用COP为1.42的双效吸收式制冷机时所需的输入能量图四、 两栋小型办公楼采用双效吸收式制冷机的冷热电联供系统时的热需求，以及冷热电联供系统中微型燃气轮机的热输出。（a）小型办公楼每小时的热需求;（b）30千瓦涡轮机的热输出，以匹配小型办公楼每小时的热输出476J.A. James等/工程2（2016）470图五. 一座中型办公楼的能耗用水，比较乔治亚州电网的能耗系数和联合循环天然气厂的能耗系数。(a)采用冷热电联供系统且无净计量的中型办公楼能耗用水;（b）采用冷热电联供系统且有净计量的中型办公楼能耗用水。负水能源消耗是指电网减少的水消耗，因为它产生的电力较少。(Note：在这些数字中，术语表4当使用单效吸收式制冷机时，所有建筑物和所有运行方案的能源用水、CO2排放和NOx排放的百分比变化，与无CCHP方案相比。建筑类型能耗用水二氧化碳排放氮氧化物排放见图6。中型办公楼在不同冷热电联供模式下运行的年排放量。(a)一座中型办公楼使用单效吸收式制冷机时的CO2排放量（COP：0.68）;（b）一座中型办公楼使用双效吸收式制冷机时的CO2排放量（COP：1.42）;（c）一座中型办公楼使用单效吸收式制冷机时的NOx排放量（COP：0.68）;（d）一座中型办公楼使用双效吸收式制冷机时的NOx排放量（COP：1.42）。负排放是指减少的排放，因为一年中电网发电量减少。(Note：在这些数字中，术语小时每日每月每年小时每日每月每年小时每日每月每年小办公室-62%-90%百分之九十九百分百-3%+53%+134%+278%-54%-68%-63%-42%培养基室-45%-56%-77%百分百-3%+12%+55%+165%-45%-51%-62%-65%大型办公-80%百分之九十九百分百百分百+13%+82%+129%+160%-68%-73%-67%-63%多户住宅-57%-78%-98%百分百-9%+34%+95%+95%-63%-70%-74%-62%J.A. James等/工程2（2016）470477浪费当系统运行以满足每小时的热需求时，所有建筑物的CO2排放量最低D2（a），详见附件）。单户建筑的减排量最高，为38%，而小型办公室、大型办公室和多户建筑的减排量分别为12%、28%和29%。采用单效吸收式制冷机的中型办公楼在所有冷热电联供系统运行情景下的NOx然而，最大的减少是68%，并且发生在系统运行以满足最大日需求时，如图所示。6（c）. 类似地，尽管当使用CCHP系统时，所有建筑物的NOx排放量都减少了，但NOx减少的最佳情况取决于建筑物类型和运行情况（表4）。与中型办公楼相比，多户式和大型办公楼在满足月热和日热需求的情况下，NOx减排潜力分别为74%和73%如果系统运行满足日常热需求，小型办公楼最多可减少68%当CCHP系统运行以满足每小时的需求时，单户建筑物的NOx最大不同建筑物可实现的最大NOx减排量的差异可归因于浪费的热能和来自电网的减少的能量需求之间的权衡。双效冷却器也将减少所有的NOx排放中型办公楼的所有运营策略。当系统运行以满足最大年热需求时，减少量最大。然而，当使用双效制冷机时，还原潜力不如单效制冷机大，如图6（c）和（d）所示。这是由于当使用单效热需求的增加意味着需要更大的涡轮机-单效和双效系统分别为325 kW和130 kW。更大的微型涡轮机和更高的热需求导致更多的电力生产，从而减少对电网的电力需求。减少电网电力减少了整体NOx排放。3.3. 成本当冷热电联供系统满足建筑物每小时的热需求时，中型办公楼是最经济的;该建筑物每年可减少14%的成本（图7）。对于所有其他业务战略，成本高于无冷热电联供方案的成本。如果收取的天然气价格与公用事业面临的价格相当，则在所有运营策略中，成本将低于无CCHP策略。最大的减少约为50%，如果系统运行以满足每小时的热需求（图7）。当考虑公用事业定价的天然气时，小时热需求运行策略对于除小型办公楼外的所有建筑物具有最低的成本，如图所示。8（a）和（b）。图 8和图E1（附录E，补充信息），显示所有建筑类型和运行方案的潜在成本降低，假设CCHP系统的最大和最小成本。如果我们假设最大系统成本，当系统运行以满足每小时热需求时，中型办公楼、大型办公楼和多户建筑的成本会降低（分别为14%、6%和9%）（附录E，图E1）。小型办公建筑和单户住宅建筑是冷热电联供的两种建筑类型见图7。在各种容量下运行的CCHP系统的实施成本，有和没有净计量，并将住宅和商业天然气定价率与中型办公楼的公用事业定价率进行比较。(Note：在这些数字中，术语无论系统如何运行，系统都比没有系统更昂贵。如果我们假设最低系统成本，如表3所示，中型办公室、大型办公室和多户建筑的能源成本降低，但降幅更大：分别为29%、20%和22%。如果我们假设使用公用事业定价的天然气，当假设系统成本最低时，在每小时热需求策略下运行的所有建筑物的成本低于无CCHP方案的成本（图8）。在假定最高系统费用的情况下，除小型办公楼外，所有建筑物的费用也将较低燃料成本是决定CCHP系统是否具有经济效益的主要因素例如，在中型办公楼的情况下（图7），当天然气的价格与公用事业的价格相似时，所有方案的成本都降低了23%这一发现还意味着CCHP系统的成本可能会受到天然气成本的极大影响，较低的天然气价格使得CCHP系统在所有操作条件下都更经济可行3.4. 净计量净计量可以显著减少能源消耗用水、二氧化碳排放、氮氧化物排放以及所有建筑物和冷热电联供系统的所有运行方案的在净计量政策下，运行CCHP系统以满足年度热需求提供了最大的减少如图5（b）和图6（c）所示，中型办公楼的能源用水和NOx排放量。减少CO2排放的最佳运行策略仍然是运行该系统以满足中型办公楼的每小时热需求，这将产生15%的减少（表5）。然而，冷热电联供系统的中型办公楼可以运行，以满足最大的年需求，并仍然产生1%的二氧化碳排放量比无冷热电联供方案。运行系统以满足每小时的热需求是所有建筑物减少CO2排放的最佳运行策略（表5）。与无净计量的情况不同，其他操作策略也可以减少二 氧 化 碳排放。单户住宅、多户住宅、大型办公室和小型办公室建筑在运行CCHP系统以满足建筑物每小时的热需求时，二氧化碳排放量也减少最多（分别为36%、21%、21%和4%）（表5）。所有的建筑类型都有最高的水减少，478J.A. James等/工程2（2016）470当冷热电联供系统运行以满足最大年需求时的能耗和NOx排放量（参见附录C补充信息，图C1（c）和（d），更多信息见附录在某些运行环境中，用于能源消耗和NOx排放的水大于100%，因为在全年中，CCHP系统产生的电力超过建筑物所需的电力（表5）。在有效的净计量下，这些多余的电力被卖回电网，抵消了一部分电网电力。减少电网电力的生产减少了能源消耗和NOx排放的水，这些减少完全归因于一个建筑物的需求。水的能源和氮氧化物的减少潜力是更大的单效吸收式制冷机比因为CCHP系统产生更多的电力该系统产生更多的热量，因为必须产生更多的热能以满足建筑物的热需求。当采用净计量政策时，用于所有建筑类型（单户住宅建筑除外）和所有运行场景的CCHP系统的成本都有所降低（附录E，图E1）。这意味着CCHP系统可以以更高的容量运行，同时仍然具有比无CCHP场景更低的年成本。在单户建筑的情况下，如果系统运行以满足每小时的热负荷，则实施CCHP系统将使成本增加47%增加系统的运行能力会进一步增加成本，最高可达见图8。CCHP系统的每平方英尺成本估计与所有五种建筑类型的无CCHP情景中的能源成本相比。(a)无净计量的最大CCHP系统成本估计;（b）有净计量的最小CCHP系统成本估计;（c）无净计量的最大CCHP系统成本估计，并假设天然气价格等于公用事业支付的费用;（d）有净计量的最小CCHP系统成本估计，并假设天然气价格等于公用事业支付的费用。表5当采用净计量政策和使用单效吸收式制冷机时，与无CCHP方案相比，所有建筑物和所有运行方案的能耗用水量、CO2排放量和NOx排放量的百分比变化。能源消耗用水二氧化碳排放氮氧化物排放建筑类型小时每日每月每年小时每日每月每年小时每日每月每年小办公室-46%-66%-115%-217%-4%+3%+19%+53%-45%-60%-96%-170%培养基室-74%-144%-219%-340%-15%-1%+15%+40%-66%-121%-180%-276%大型办公-115%-199%-246%-276%-21%-16%-13%-12%-101%-168%-205%-229%多户住宅-72%-130%-205%-304%-21%-11%+3%+21%-73%-107%-149%-205%单户住宅-84%-146%-278%-450%-36%-20%+15%+60%-72%-81%-102%-129%J.A. James等/工程2（2016）470479无冷热电联产方案。当使用CCHP系统的最大成本并且系统的运行满足每小时的热需求时，中型办公室、大型办公室和多户建筑的年成本可以分别降低19%、6%和12%（附录E，图E1）。使用最低年成本和操作系统，以满足每小时的热需求，减少成本的中型办公室，大型办公室，小型办公室，和多户建筑物的34%，20%，9%和25%，分别。对于这些建筑物，当冷热电联供系统运行以满足建筑物每小时的热需求时，成本降低最大（附录E，图10）。E1）。小型办公楼的经济可行性如果建筑物中使用的天然气的成本与公用事业支付的成本相同，则与无CCHP成本相比，每年的成本可以降低到18%- 在中型办公室和单户建筑物的情况下，净计量和公用事业定价的天然气导致负系统成本，如图所示。8（c）和（d）。这意味着该系统可以为业主赚钱，而不是花费他们的钱。4. 结论CCHP系统在降低亚特兰大市的能源消耗、NOx和CO2排放以及能源生产成本方面非常有效，这取决于：①系统的运行策略，②是否有净计量政策，③天然气的成本对于单户、多户、中型和小型办公建筑，当运行冷热电联供系统以满足每小时的热需求时，CO2排放量较低如果采用净计量政策，所有建筑物的二氧化碳排放量都较低净计量方案意味着CCHP系统可以在其他运行策略下运行，同时与无CCHP方案相比仍能减少CO2排放当冷热电联产系统以更高的容量运行时，所有建筑类型的能源产生用水量都会减少这是因为CCHP系统产生的多余能量被发送到电网，因此能源电网需要产生更少的电力，从而避免了所有建筑物用于发电的水消耗。因此，增加涡轮机的运行容量当使用CCHP系统时，NOx排放也会减少，但最佳操作策略因建筑类型而异当采用净计量政策时，当CCHP系统运行以满足最大年热需求时，NOx排放量始终最低，因为系统产生的电力超过建筑物的因此能够减少电网的排放。从成本角度来看，最佳运营策略取决于所使用的成本结构、净计量和天然气价格。随着天然气价格的下降，这些系统变得更加经济。确认这项工作得到了布鲁克拜尔斯可持续系统研究所、海托华主席、格鲁吉亚研究联盟和美国国家科学基金会研究与创新新兴前沿项目（EFRI）的资助（083604，1441208）的部分支持遵守道德操守准则放大图片作者：Jean-Ann James.托马斯、阿尔卡·潘迪特、多丽和John C. Crittenden声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。命名法冷热电联产COP性能CCHP成本：每年从电网获得的电力、运行微型涡轮机所需的燃料以及CCHP系统的还本付息成本的净总和成本：电网所需电力、熔炉/锅炉燃料以及供暖和制冷系统的还本付息的年度成本的常规净E满足随插电负荷所需的随插电负荷电力E空间冷却所需的空间冷却电力排放CCHP净CCHP系统的净排放传统能源发电系统的传统净排放量排放物熔炉/锅炉发热产生的熔炉排放物电网发电产生的电网排放物发电产生的涡轮机微型燃气轮机FEL跟随电负载FTL跟随热负载采暖热水所需热能采暖热水所需热能采暖空间HET混合电热HRU热回收装置HVAC供暖、通风和空调OpenEI开放式能源信息PGU发电机组TMY典型气象年补充资料http://engineering.org.cn/EN/10.1016/J.ENG.2016.04.008搜索A到F引用[1] 联合国环境规划署。城市区域能源：释放能源效率和可再生能源的全部潜力。巴黎：联合国环境规划署，2014年。[2] 联合国环境规划署。资源节约型城市全球倡议。巴黎：联合国环境规划署; 2012年。[3] 联合国经济和社会事务部人口司。《世界城市化前景：2014年修订本》，重点介绍。纽约：联合国; 2014年。[4] [10]杨文，王文，王文.热电联产技术目录华盛顿特区：美国环境保护署，热电联产伙伴关系，美国能源部; 2015年。[5] 邓建，王仁忠，韩国勇.冷热电三联供系统的热激活冷却技术综述。Prog EnergCombust 2011;37（2）：172-203.[6] 贝茨湾冷、热、电、通风联合系统集成[学位论文]。匹兹堡：卡内基梅隆大学;2009年。[7] Mo