Jan-Ann Jams*, Valri M. Thomas, Arka Pandit Duo Li, John C. Crittndn

aBrook Byers Institute for Sustainable Systems, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

bSchool of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

cH. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USAdSchool of Public Policy, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

eCrittenden and Associates, Beijing 100102, China

冷熱電聯產系統(tǒng)中氣冷式微型透平機的發(fā)電耗水、空氣污染物排放及成本影響：亞特蘭大地區(qū)案例研究

Jean-Ann Jamesa,b,*, Valerie M. Thomasc,d, Arka Pandita,b, Duo Lie, John C. Crittendena,b

aBrook Byers Institute for Sustainable Systems, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

bSchool of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

cH. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USAdSchool of Public Policy, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA

eCrittenden and Associates, Beijing 100102, China

a r t i c l e i n f o

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Received 23 March 2016

Revised 5 August 2016

Accepted 16 August 2016

Available online 16 December 2016

冷熱電聯產(CCHP)

氣冷式微型透平機

分布式能源發(fā)電

發(fā)電耗水

凈計量

城市化進程的加快意味著城市和國際組織需要去尋找各種能夠提高能源效率和減少空氣中污染物排放的方法。冷熱電聯產(CCHP) 系統(tǒng)可以同時供暖、制冷和發(fā)電，具有提高城市或城市區(qū)域能源發(fā)電效率的潛力。本研究的目的是在滿足建筑熱需求(供熱和制冷)的各種運行條件下，對亞特蘭大大都市區(qū)內的五種常見建筑類型在采用CCHP系統(tǒng)時的發(fā)電耗水、CO2和NOx排放，及其經濟性進行評價。對于大多數采用或不采用凈計量策略的建筑類型來說，以滿足每小時熱需求去運行CCHP系統(tǒng)均可減少CO2的排放量。該系統(tǒng)能否對這些建筑類型產生經濟效益，主要取決于天然氣的價格、凈計量策略的采用和假定的CCHP系統(tǒng)的成本結構。當建筑物采用凈計量策略并且CCHP系統(tǒng)是以滿足建筑物每年的最大熱需求而運行時，CCHP系統(tǒng)的發(fā)電耗水量和NOx的排放量均有最大限度的減少，盡管此時該運行情景會增加溫室氣體排放和發(fā)電成本。CCHP系統(tǒng)對中型辦公樓、大型辦公樓和多戶型住宅建筑更經濟、實用。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

城市是全球經濟活動和能源利用的中心，消耗了全球70 %以上的能源，約占據全球溫室氣體排放的50 % [1]。此外，據世界銀行估計，城市占全球國內生產總值(GDP) 的80 %以上 [2]。到2050年，全球2/3的人口將會成為城市居民，這一轉變將會促使城市政府去尋求各種能夠減少資源利用和降低環(huán)境影響的方法 [3]。人口的持續(xù)增長使城市主要面臨三個挑戰(zhàn)：① 減少能源需求；②減少水資源需求；③降低污染物排放。城市公共事業(yè)設備供應的一個關鍵問題是能量–水的聯結。水被用于生產能量，能量又被用于處理和運輸水。傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)通常具有較高的水足跡。CCHP 系統(tǒng)具有提高能源效率，改變燃料配比，以及減少一次能源使用、發(fā)電耗水和污染物排放的潛力。

CCHP系統(tǒng)比傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)具有更高的能源效率。CCHP系統(tǒng)利用能源在燃燒過程中所產生的熱量去部分地(或完全地)滿足建筑物的供熱和制冷要求，而不是將其浪費掉 [4]。建筑物的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)(圖1)包括來自中央電網的電力和來自爐子或鍋爐的熱量 [5,6]。典型的CCHP系統(tǒng)是由一個微型透平機和一個吸收式制冷機所組成(圖1)。微型透平機是系統(tǒng)用以產生電和熱的發(fā)電機組(PGU)，而吸收式制冷機能夠轉換由PGU提供的熱量，以便其在必要時能冷卻建筑物。熱回收單元(HRU)獲取由PGU提供的廢熱并將其用于水加熱和空間加熱。能源效率的提高意味著CO2、NOx排放的降低和“發(fā)電耗水”的減少(從這一點來看，“發(fā)電耗水”是指用于滿足發(fā)電需求所蒸發(fā)掉的水)。 因此，鑒于能源效率的提高、發(fā)電耗水的降低、排放物的減少以及空氣質量的改善，CCHP系統(tǒng)的應用可在城市范圍內產生巨大的影響。

圖1.傳統(tǒng)的建筑物能源發(fā)電系統(tǒng)與CCHP系統(tǒng)的比較。

CCHP系統(tǒng)的實施對當前或可能很快面臨缺水問題的城市或城市區(qū)域尤為重要 [7]。亞特蘭大就是這樣一個城市區(qū)域。位于佐治亞州的亞特蘭大大都市區(qū)是美國發(fā)展最快的大都市區(qū)之一 [8]。佐治亞州位于美國東南部，主要是副熱帶濕潤氣候，類似于中國東南部城市，如深圳。在佐治亞州，約49 %的用水量被用于熱力發(fā)電[9]。據估計，全州55 %的人口生活在亞特蘭大大都市區(qū)，所以很大一部分的發(fā)電用水可歸因于此[9, 10]。亞特蘭大城市的持續(xù)擴張，以及傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)的低效和損耗，都將繼續(xù)增加人們對能源和水的需求，以及與能源相關的污染物的排放 [11]。CCHP系統(tǒng)的應用可以提高能源發(fā)電系統(tǒng)的效率，從而減少該地區(qū)的發(fā)電耗水及CO2和NOx的排放。分散式供能系統(tǒng)還增加了城市區(qū)域供能系統(tǒng)內的冗余，從而增加了該系統(tǒng)的彈性。

有關CCHP系統(tǒng)的優(yōu)點、降低成本最有效的方法，以及一次能源消耗和碳排放的研究有很多 [12, 13]。人們設計CCHP系統(tǒng)的目的是為了減少一次能源的消耗[14–17]、降低成本 [15]和能源利用的碳足跡 [12,18–20]，或以上幾種情況的組合。在模擬CCHP系統(tǒng)運行時被廣泛使用的兩種策略是：“滿足電負荷”(FEL) [21]和“滿足熱負荷”(FTL)。大多數關于CCHP系統(tǒng)使用的研究已經調查了上述各負荷條件下如何最佳地優(yōu)化系統(tǒng)以降低成本、一次能源消耗和碳排放。先前的研究已經總結出在FTL和FEL之間切換的“電熱混合”法(HET)與FTL是減少多余熱量和電能的最佳策略 [22]。在某些情況下，增加熱量儲存可以將成本降低幾個百分點 [23]。Han等[24]進一步使用多目標優(yōu)化模型修改了HET法。Knizley等[25]將透平機的運行分為兩部分：一部分用來滿足基本負荷，另一部分用來滿足FEL或FTL。

Cho等[26]探討了CCHP系統(tǒng)在不同氣候條件下的運行情況以及成本和碳減排之間的權衡。各種建筑類型的電熱比(即電能與熱能之間的比)還決定了熱電聯產(CHP)系統(tǒng)在降低能源消耗、能源成本和污染物排放方面的優(yōu)化效率 [23]。能源管理的效果還會影響整個系統(tǒng)的效率，進而影響所需成本和發(fā)電機組數量 [27]。本文的目的是評估亞特蘭大地區(qū)五種常見建筑類型在采用CCHP系統(tǒng)時的效果，從而了解發(fā)電耗水、NOx和CO2排放，以及成本是如何受到各種FTL選項(如每小時、每日、每月和每年)影響的。

2. 材料與方法

我們采用的CCHP系統(tǒng)是由一個氣冷式微型透平機和一個氣冷型吸收式制冷機所組成(圖1)，用以滿足建筑物的供熱和制冷負荷。為了便于比較，圖1的上部表示傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)。在CCHP系統(tǒng)中，建筑物的熱負荷由空間供熱、制冷和熱水所需的能量總和組成。該CCHP系統(tǒng)被設計為FTL模型，這種類型的CCHP系統(tǒng)已被證明比同一建筑物的FEL模型具有更低的污染物排放和成本 [22, 28]。本研究共測試了五種運行情景，以確定哪種情景最能顯著地降低CO2和NOx的排放、發(fā)電耗水和成本。每種運行情景都因微型透平機的運行目的（滿足建筑物每小時最大、每日最大、每月最大和每年最大熱需求）而不同。

凱普斯通氣冷式微型透平機采用空氣進行冷卻而不是水，故本文采用該機型進行分析。美國凱普斯通公司目前生產了30 kW、65 kW和200 kW級的氣冷式微型透平機。本文還對這些功率范圍從95 kW到2 MW的透平機組合進行了評估，這些組合由不同功率的透平機組成，例如，95 kW級透平機是由65 kW和30 kW級透平機組合而成。使用制造商提供的技術手冊，可以確定不同負載量下運行的透平機的熱輸出 [29]。在使用多個透平機的情況下，假設先將組合中功率最大的透平機的負載量加載至最大，然后對后續(xù)添加的每個透平機重復該過程，直到滿足熱需求。給定的透平機的熱輸出對應于給定的電量輸出和燃料輸入需求。模擬透平機的運行時間表，以滿足所考慮的五種建筑類型的每小時最大、每日最大、每月最大和每年最大熱負荷(補充信息詳見附錄A)。

在每種情況下，透平機或透平機組合總是能夠滿足建筑物的熱負荷。因此，對于給定的建筑類型，無論運行情景如何，透平機的功率仍保持不變。

2.1. 參考建筑和能源供應選擇

該分析采用了五種建筑類型：三個商業(yè)建筑和兩個住宅建筑。三個商業(yè)建筑中，面積最小的為5500 ft2(1 ft2= 0.092 903 m2），最大的為500 000 ft2。兩個住宅建筑分別是一個單戶型住宅建筑和一個多戶型住宅建筑。表1 [30,31]包含了建筑物的一些特性、規(guī)格，以及用于傳統(tǒng)供熱和制冷的設備。單戶型住宅建筑的熱負荷對于功率最小的透平機(30 kW)來說仍然太低。計算表明，功率為30 kW的單個透平機總能滿足五個單戶型住宅建筑的熱需求，該數據是通過將透平機的每小時最大熱輸出除以給定建筑物的每小時最大熱輸出而得到的。之后本文中出現的所有“單戶型”指的是五個單戶型住宅建筑。

亞特蘭大的建筑能量負荷曲線是從開放能源信息(OpenEI)網站 [30]獲得的。能源需求是利用美國能源部商業(yè)參考建筑模型的EnergyPlus模擬產生的，該模型使用了亞特蘭大地區(qū)典型氣象年TMY3的氣象檔案 [32]。典型氣象年氣象檔案用于描述一年中各月最能代表近30年月平均值的一個典型氣象年 [33]。

我們確定了建筑物對傳統(tǒng)能源系統(tǒng)及為滿足建筑能量需求而使用OpenEI數據集的CCHP系統(tǒng)的供暖、制冷和電力需求。使用傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)和使用CCHP系統(tǒng)的小型辦公樓的建筑能量需求和能量輸入需求分別如圖2所示。當使用傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)時，建筑物的電力和熱能需求分別由式(1)和式(2)計算。對于傳統(tǒng)發(fā)電能源系統(tǒng)來說，建筑物的電力需求必須完全由電網來滿足。使用傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)的建筑物所需的年能量輸入可分別用式(1)、式(2)中的電、熱負荷除以相應的電網效率和加熱設備效率來確定。將采用傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)的建筑物的年度熱能和電能輸入加在一起，以確定建筑物所需的總能量輸入。傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)運行時的能量供應如圖2(b)所示。

表1 參考建筑與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的特性 [30]

圖2. 基于亞特蘭大地區(qū)TMY3氣象檔案的小型辦公樓的能量需求。(a)小型辦公樓的能量需求；(b)使用傳統(tǒng)發(fā)電和配電系統(tǒng)的小型辦公樓的能量輸入需求；(c)使用以滿足每小時熱需求而運行的CCHP系統(tǒng)的小型辦公樓的能量輸入需求。

建筑物對CCHP系統(tǒng)的電力和熱能需求由式(3)和式(4)確定。建筑物對CCHP系統(tǒng)的電力需求指的是插頭負載[式(3)]。CCHP系統(tǒng)的熱負荷是空間加熱、熱水以及吸收式制冷機用于空間冷卻所需的熱能的總和。吸收式制冷機能夠將熱能轉換成冷能。吸收式制冷機所需的熱能可通過空調與吸收式制冷機的性能系數(COP)的比值來確定。假定空調機組正在用電并且其COP為3.8，這與比值為13的最小允許季節(jié)能效比相對應。我們假定商用單效吸收式制冷機的COP為0.68 [34]。我們還假定CCHP系統(tǒng)具有一個氣冷型雙效吸收式制冷機，其COP為1.42，與參考文獻 [35–38]中所得數據類似。年能量輸入是指電網所需的能量輸入和CCHP系統(tǒng)所需的能量輸入。CCHP系統(tǒng)需要輸入的能量由制造商的技術文件確定，該技術文件提供了在給定容量下運行的透平機的燃料要求。需要從電網獲得的電能是通過用建筑物的電力需求減去由透平機產生的電能來確定的[式(5)]。需要從電網系統(tǒng)獲得的能量輸入是通過用來自電網的電力除以電網發(fā)電和配電系統(tǒng)的效率來確定的。小型辦公樓CCHP系統(tǒng)運行所需的能量如圖2(c)所示。

2.2. CCHP系統(tǒng)的運行

采用以下五種發(fā)電情景對建筑物進行評估：①非CCHP系統(tǒng)；②透平機以滿足每小時熱需求而運行；③透平機以滿足每日最大熱需求而運行；④透平機以滿足每月最大熱需求而運行；以及⑤透平機以滿足全年度最大熱需求而運行。采用CCHP系統(tǒng)的每小時的熱負荷可通過修改OpenEI數據集來計算，從而把用于空間冷卻(通過吸收式制冷機)的熱量包括在熱需求[式(4)]中。情景③～⑤的輸入數據是通過改變式(4)中建筑物每小時的熱負荷得到的，用以表示每日、每月、每年的最大熱需求。建筑物每日的最大熱需求可通過在每小時熱數據集中尋找每天的最大熱需求來確定，并將其設置為建筑物當天的熱需求。對于給定的月份和年份，以類似的方式可確定該月和該年的最大熱需求。附錄A描述了相較于建筑物的熱需求，透平機的運行情況和運行計劃，對每種建筑類型和運行情景下的透平機的發(fā)電耗水、CO2排放、NOx排放和系統(tǒng)成本進行了估計。模擬透平機以提升或降低出力水平來滿足具有CCHP系統(tǒng)的四種運行情景下的熱需求。透平機的尺寸可通過以能夠滿足建筑物所需的最大熱負荷的最小尺寸來選擇。由于微型透平機就能滿足所有熱負荷，因此如果使用了CCHP系統(tǒng)，則不需要鍋爐或爐子。所有運行情景所需的能量均來自電網，但是所需的能量大小將取決于透平機的運行情況。每個建筑物的吸收式制冷機的尺寸是按照建筑物的制冷要求來設計的。

2.3. 發(fā)電耗水和排放

使用2012年和2013年的數據獲得的亞特蘭大組合發(fā)電的平均每千瓦時CO2和NOx的排放量見表2 [39–45]。隨著新的發(fā)電廠逐步取代舊的、低效率的發(fā)電廠，CO2和NOx的排放量有望得到改善。Choi和Thomas [46]的計算表明，佐治亞州的每千瓦時溫室氣體排放量將隨著新核電廠的建成和燃煤發(fā)電廠的退役而逐漸減少。本研究比較了CCHP系統(tǒng)發(fā)電與當前亞特蘭大組合發(fā)電所產生的污染物排放量。爐子和微型透平機所產生的排放量由制造商提供的數據計算所得 [39, 40, 47]。在電力生產中用于制冷的水包括被抽出并隨后返回到水箱中的水(如在直通式冷卻系統(tǒng)中)和被蒸發(fā)的水(如在蒸發(fā)冷卻中)。使用佐治亞州電網的平均發(fā)電耗水系數1.65 gal·(kW·h)–1可計算得到發(fā)電耗水量(蒸發(fā)損失)。采用二次分析對比了CCHP系統(tǒng)的運行情景和需要由聯合循環(huán)天然氣廠[平均發(fā)電耗水系數為0.2 gal·(kW·h)–1]來滿足對電網的能量需求的情景 [48]，這可能是更加典型的邊際消費。式(6)和式(7)分別表示CCHP系統(tǒng)與非CCHP系統(tǒng)運行情景下的各類排放因子。

2.4. 成本估算

由電網和爐子提供所需能量的非CCHP系統(tǒng)運行情景的成本是使用佐治亞州電力價格[49]及佐治亞州住宅和商業(yè)客戶的天然氣價格計算所得的(表3) [42, 50–52]。使用參考文獻中給出的數據范圍估算出CCHP系統(tǒng)的運行成本，同時使用美國RSMeans公司的數據集 [31, 53]估計出爐子的成本及加熱、通風和空調 (HVAC)系統(tǒng)的成本。這里可能有一些安裝成本超過了這些費用，在進行單項工程評估時應該考慮這一點。CCHP系統(tǒng)設備的建設成本按年度成本攤銷，折現率為5 %，系統(tǒng)壽命為10年 [29](詳見附錄B的補充信息)。HVAC系統(tǒng)的年度成本是由類似的折現率和15年的系統(tǒng)壽命確定的(具體細節(jié)見附錄B)。使用參考文獻中提供的數據范圍及預估的使用壽命估計出吸收式制冷機的建設成本 [52]。采用為微型透平機和吸收式制冷機提供的最小和最大成本范

圍分別計算CCHP系統(tǒng)的兩種建設成本。將每個系統(tǒng)的年度燃料成本和年度建設成本相加[式(8)和式(9)]，可估計出每種運行情景下每個建筑物每年的總成本。將公共事業(yè)設備的建設成本包含在按千瓦時計價的發(fā)電費用中。假定各運行情景下的建筑物是新的，因此，只對傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)成本與CCHP系統(tǒng)成本進行了比較。在CCHP系統(tǒng)使用的天然氣價格與公共事業(yè)設備所支付的價格相當的前提下，二次成本分析還比較了此時各個CCHP系統(tǒng)的成本。

2.5. 凈計量

本文評估了在五個運行情景中采用凈計量策略對系統(tǒng)的影響。凈計量反映了向電網銷售多余電力的能力。佐治亞州的凈計量策略將住宅和非住宅部分的系統(tǒng)容量分別限制為10 kW和100 kW，且當前沒有把CHP系統(tǒng)當作一項合格的技術 [54]。本研究中，我們假設佐治亞州的凈計量策略與紐約的類似，其包含了技術組合中最大系統(tǒng)容量為2 MW的CHP系統(tǒng) [54]。對于采用凈計量策略的運行情景來說，用來回售給電網的電力是通過尋求CCHP系統(tǒng)產生的電力與建筑物的電力之間的差異來確定的。在任何給定的時間內，每當透平機產生的電力超過建筑物所需電力時就會有多余的電力產生。在CCHP系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電耗水量可通過使用表2列出的估計值來計算。如前所述，微型透平機是經空氣冷卻的，因此它不會消耗水。當我們假設實施凈計量策略時，電網發(fā)電耗水量就會因CCHP系統(tǒng)提供的一部分電力而減少。

表2 CO2和NOx排放量以及發(fā)電耗水系數

表3 CCHP系統(tǒng)的組件和燃料成本

3. 結果與討論

不管運行策略如何，具有單效吸收式制冷機的CCHP系統(tǒng)都不能減少主能量輸入。雙效吸收式制冷機在工業(yè)生產中較為常見，其COP為1.42 [35–38]；但它們不是氣冷系統(tǒng)。生產廠家認為，空氣制冷型雙效吸收式制冷機是有可能實現的，但是目前基于客戶需求來說其成本過高。因此，我們考慮了采用雙效吸收式制冷機(最小COP為1.42)對CCHP系統(tǒng)能量輸入的影響。在這種情況下，以滿足每小時熱負荷而運行的CCHP系統(tǒng)(具有雙效吸收式制冷機)將多戶型住宅、中型辦公樓和大型辦公樓建筑所需輸入的能量分別減少3 %、12 %和20 %， 具體可從圖3(b)所示的每種建筑類型的前兩組條形圖的比較中看出。此外，當使用CCHP時，在能量輸入需求方面存在權衡：每單位能量輸入就需要產生更多的電力，同時建筑物從電網獲得的電力就更少。這種權衡如圖3(b)中所示的中型辦公建筑和大型辦公建筑的能量輸入情況。

然而，對于較小的建筑物來說，即使CCHP系統(tǒng)具有雙效吸收式制冷機，該系統(tǒng)也會增加對輸入能量的使用。對于小型辦公樓來說，當使用雙效吸收式制冷機時，其峰值熱能需求約為透平機最大熱能輸出的35 %。因此，為了使效益最大化，我們假設CCHP 系統(tǒng)使用了雙效吸收式制冷機，同時，兩個小型辦公樓建筑能夠在一個CCHP系統(tǒng)上運行。在這種情況下，具有CCHP系統(tǒng)的小型辦公樓的總能量消耗增加了53 %，該CCHP系統(tǒng)具有以滿足每小時熱需求而運行的雙效吸收式制冷機，如圖3(b)所示。所有其他運行策略也進一步增加了對輸入能量的使用。同樣，當使用具有雙效吸收式制冷機的CCHP系統(tǒng)來滿足每小時熱需求時，單戶型綜合建筑的輸入能量將增加20 %。在這些情況下，即使CCHP系統(tǒng)以其最低容量運行，但是它仍然會產生比建筑物所需的更多的熱能。如圖4所示，即使在最低容量下運行透平機，CCHP系統(tǒng)也能產生比兩個小型辦公樓建筑所需的更多的熱能。相比之下，當使用單效或雙效吸收式制冷機(附錄A，圖A1)時，中型辦公樓的多余熱能要少得多。CCHP系統(tǒng)所提高的效益不足以抵消當系統(tǒng)過度產熱時所需額外輸入的能量。

3.1. 節(jié)能與降低發(fā)電耗水

在所有運行情景下，所有建筑類型從電網獲取的電力相較于集中式系統(tǒng)來說均顯著減少。在這些情景下，透平機需要不斷地運行去產生更多的電力，從而減少建筑物對電網的依賴性。這是因為透平機能夠滿足大多數或全部建筑的電力需求，而且過剩的電力可以出售給電網。

圖5顯示了在采用和不采用凈計量策略的所有運行情景(FTL，遵循熱負荷)下中型辦公樓的發(fā)電耗水情況，此時假定：①佐治亞州的平均發(fā)電用水需求，以及②采用聯合循環(huán)天然氣工廠滿足所有電網能源需求。發(fā)電耗水在以滿足每月最大熱需求和每年最大熱需求的運行情景下降為零。這個結果與預期的結果一致，因為CCHP系統(tǒng)在產生更多電力的同時也產生了多余的熱量，這樣就不需要再從電網獲取能量。沒有電網電力的消耗，意味著沒有發(fā)電耗水。所有其他建筑物的發(fā)電耗水都相似(表4)。在具有CCHP系統(tǒng)的情景下，所有建筑物的發(fā)電耗水量均少于中央電網情景下的發(fā)電耗水量，并且當CCHP系統(tǒng)以滿足每月最大或每年最大熱需求運行時，建筑物的發(fā)電耗水量為零[詳見補充信息，附錄C，圖C1(a)和(b)]。

圖3. 所有運行情景下各類建筑的能量輸入。(a)當使用COP為0.68的單效吸收式制冷機時所需輸入的能量；(b)當使用COP為1.42的雙效吸收式制冷機時所需輸入的能量。

3.2. 減排量

當使用具有單效吸收式制冷機的CCHP系統(tǒng)來滿足建筑物的每小時熱需求時，中型辦公樓的CO2排放量最大縮減3 % (表4)。如圖6(a)所示，所有其他運行情景的CO2排放量均高于非CCHP系統(tǒng)運行情景下的CO2排放量。如果CCHP系統(tǒng)是以滿足每小時的熱需求而運行(表4；并參見補充信息，附錄D，圖D1)，那么單戶型住宅建筑、多戶型住宅建筑和小型辦公樓的CO2排放量都會減少；而大型辦公樓的CO2排放量卻增加了13 % (表4)。

負排放量是由電網發(fā)電抵消的排放量，因其在一年中產生了更少的電量。

圖4. 當使用具有雙效吸收式制冷機的CCHP系統(tǒng)時，兩個小型辦公樓的熱需求以及CCHP系統(tǒng)中的微型透平機的熱輸出。(a)小型辦公樓的每小時熱需求；(b)以滿足小型辦公樓每小時熱輸出而運行的30 kW透平機的熱輸出。

圖5. 比較佐治亞州電網與聯合循環(huán)天然氣電廠兩種發(fā)電耗水系數下的中型辦公樓的發(fā)電耗水量。(a)具有CCHP系統(tǒng)但不采用凈計量策略的中型辦公樓的發(fā)電耗水量；(b)具有CCHP系統(tǒng)和采用凈計量策略的中型辦公樓的發(fā)電耗水量。負發(fā)電耗水量是由電網發(fā)電抵消的耗水量，因為其產生了更少的電力。(注：圖中“hourly”一詞是指滿足每小時熱需求，“daily”“monthly”和“yearly”分別是指滿足每日、每月或每年最大熱需求。下同。 )

表4 當使用單效吸收式制冷機時，與非CCHP系統(tǒng)運行情景相比，所有建筑物和所有運行情景下的發(fā)電耗水量、CO2排放量和NOx排放量的變化

圖6. 不同的CCHP系統(tǒng)運行情景下的中型辦公樓的年度排放量。(a)使用單效吸收式制冷機時中型辦公樓的CO2排放量(COP為0.68)；(b)使用雙效吸收式制冷機時中型辦公樓的CO2排放量(COP為1.42)；(c)使用單效吸收式制冷機時中型辦公樓的NOx排放量(COP為0.68)；(d)使用雙效吸收式制冷機時中型辦公樓的NOx排放量(COP為1.42)。

然而，如果CCHP系統(tǒng)具有雙效吸收式制冷機，則當其以滿足每小時熱需求運行時，中型辦公樓的CO2排放量可以減少20 %。對于中型辦公樓來說，該系統(tǒng)可以以滿足每日熱需求來運行，并且仍然比非CCHP系統(tǒng)運行情景下的CO2排放量要低。然而，如果系統(tǒng)是以滿足每月最大熱需求或每年最大熱需求而運行，則CCHP系統(tǒng)的CO2排放量將高于傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)的CO2排放量，原因是CCHP系統(tǒng)浪費了太多的熱量。當系統(tǒng)以滿足每小時熱需求運行時，所有建筑物的CO2排放量均達到最低值[詳見附錄D，圖D2(a)]。單戶型住宅建筑CO2排放量減少得最多，為38 %，而小型辦公室、大型辦公樓和多戶型住宅建筑的CO2排放量分別減少了12 %、28 %和29 %。

對中型辦公樓而言，使用單效吸收式制冷機的CCHP系統(tǒng)在所有運行情景下的NOx排放量都會減少。然而，當系統(tǒng)以滿足最大日需求運行時，NOx排放量減少最多，為68 %，如圖6(c)所示。類似地，盡管使用CCHP系統(tǒng)能使所有建筑物的NOx排放量減少，但NOx減排的最佳情形取決于建筑物類型和系統(tǒng)運行情況(表4)。與中型辦公樓相比，如果系統(tǒng)是以滿足每月和每日熱需求而運行，那么多戶型住宅建筑和大型辦公樓均具有較高的NOx減排潛力，其NOx排放量分別減少74 %和73 %。如果系統(tǒng)是以滿足每日熱需求而運行，那么小型辦公樓則具有最大的NOx減排量，其NOx排放量減少68 %。當CCHP系統(tǒng)以滿足每小時熱需求運行時，單戶型住宅建筑具有最大的NOx減排量，其NOx排放量減少65 %；當系統(tǒng)以滿足每年最大熱需求運行時，單戶型住宅建筑又是唯一一類NOx排放量高于非CCHP系統(tǒng)運行情景下的建筑物類型。不同建筑物在可實現的最大NOx減排量方面的差異歸因于浪費的熱能和減少的電網能量需求之間的權衡。

對中型辦公樓而言，在所有運行策略下，雙效吸收式制冷機將會降低所有NOx的排放。當系統(tǒng)以滿足建筑物每年的最大熱需求運行時，NOx減排量最大。但是，當使用雙效吸收式制冷機時，NOx減排潛力不如單效吸收式制冷機，如圖6(c)和(d)所示。這一結果歸因于如下事實：當使用單效吸收式制冷機時，每小時的熱需求比使用雙效吸收式制冷機時要高。熱需求的增加意味著需要容量更大的透平機——單效吸收式制冷機和雙效吸收式制冷機分別需要功率為325 kW和130 kW的透平機。更大的微型透平機和更高的熱需求會導致產生更多的電力，從而減少了對電網的電力需求。對電網電力需求的減少有助于降低NOx的總排放。

3.3. 成本

當CCHP系統(tǒng)以滿足建筑物每小時熱需求運行時，中型辦公樓是最經濟的; 這類型建筑物的年成本降低了14 % (圖7)。對于其他所有的運行策略來說，CCHP系統(tǒng)的運行成本均高于非CCHP系統(tǒng)。如果所收取的天然氣價格與公共事業(yè)設備價格相當，那么CCHP系統(tǒng)運行的成本將低于非CCHP系統(tǒng)。如果CCHP系統(tǒng)是以滿足每小時熱需求而運行，那么成本約減少50 %，此時的成本減少量最大(圖7)。當把與公共事業(yè)設備價格相當的天然氣價格考慮在內，以滿足每小時熱需求而運行的這一策略將會使除小型辦公樓之外的所有建筑物均具有最小的成本，如圖8(a)和(b)所示。

圖8和圖E1(附錄E，補充信息)在假定CCHP系統(tǒng)的最大和最小發(fā)電成本的情況下，顯示了所有建筑類型和運行情景下的成本削減。如果我們假定了系統(tǒng)的最大發(fā)電成本，則當系統(tǒng)以滿足每小時熱需求運行時，中型辦公樓、大型辦公樓和多戶型住宅建筑的發(fā)電成本均降低(分別降低了14 %、6 %和9 %) (附錄E，圖E1)。對小型辦公樓和單戶型住宅建筑這兩種建筑類型來說，不論系統(tǒng)如何運行，CCHP系統(tǒng)總會比非CCHP系統(tǒng)的發(fā)電成本要高。如果我們假定了系統(tǒng)的最低發(fā)電成本，如表3所示，中型辦公樓、大型辦公樓和多戶型住宅建筑的發(fā)電成本均會有較大程度的降低：分別為29 %、20 %和22 %。

圖7. 采用和不采用凈計量策略下的各種容量的CCHP系統(tǒng)的運行成本，并將住宅和商業(yè)天然氣的定價利率與中型辦公樓的公共事業(yè)設備的定價利率進行比較。

圖8. 與非CCHP系統(tǒng)運行情景下的能源成本相比，所有五種建筑類型的CCHP系統(tǒng)的每平方英尺成本估算。(a)不采用凈計量策略的CCHP系統(tǒng)的最大成本估算；(b)采用凈計量策略的CCHP系統(tǒng)的最小成本估算；(c)假定天然氣價格等于公共事業(yè)設備價格時，無凈計量策略的CCHP系統(tǒng)的最大成本估算；(d)假定天然氣價格等于公共事業(yè)設備價格時，有凈計量策略的CCHP系統(tǒng)的最小成本估算。

假設我們使用的天然氣價格與公共事業(yè)設備價格相當，則在假定系統(tǒng)發(fā)電成本最小時，系統(tǒng)以滿足每小時熱需求運行下的所有建筑物的發(fā)電成本均低于非CCHP系統(tǒng)運行情景下的發(fā)電成本(圖8)。當假定系統(tǒng)發(fā)電成本最大時，除了小型辦公樓以外的所有建筑物的發(fā)電成本也將較低。燃料成本是決定CCHP系統(tǒng)是否經濟實惠的主要因素。例如，就中型辦公樓(圖7)而言，當天然氣價格和公用事業(yè)設備價格相當時，所有運行情景下的發(fā)電成本均可降低23 %～45 %。這一發(fā)現還意味著，天然氣成本會在很大程度上影響CCHP系統(tǒng)的發(fā)電成本，較低的天然氣價格使得CCHP系統(tǒng)在所有運行情景下都更經濟和可行。

3.4. 凈計量策略的影響

凈計量策略可顯著降低發(fā)電耗水量、CO2的排放量和NOx的排放量，以及所有采用CCHP系統(tǒng)及各種運行情景下的建筑物的發(fā)電成本。在凈計量策略下，運行CCHP系統(tǒng)是為了滿足每年的熱需求，從而使中型辦公樓的發(fā)電耗水量和NOx排放量降到最低，如圖5(b)和圖6(c)所示。減少CO2排放量的最佳運行策略仍然是以滿足中型辦公樓每小時的熱需求來運行CCHP系統(tǒng)，這種策略可使CO2排放量減少15 %(表5)。然而，當中型辦公樓的CCHP系統(tǒng)以滿足每年最大熱需求運行時，其產生的CO2排放量仍然比非CCHP系統(tǒng)少1 %。系統(tǒng)以滿足每小時的熱需求而運行是所有建筑物類型降低CO2排放量的最佳運行策略(表5)。與不采用凈計量策略的情況不同，其他運行策略也會降低CO2排放量。當CCHP系統(tǒng)以滿足每小時的熱需求運行時，單戶型住宅建筑、多戶型住宅建筑、大型辦公樓和小型辦公樓的CO2排放量也有最大限度的減少(分別減少了36 %、21 %、21 %和 4 %)(表5)。

當CCHP系統(tǒng)以滿足每年最大熱需求運行時，所有建筑物的發(fā)電耗水量和NOx排放量都有最大限度的降低[見補充信息，附錄C，圖C1(c)、(d)和附錄 F，圖F1(b)]。在某些運行情景下，發(fā)電耗水量和NOx排放量減少的百分比大于100 %，這是因為在全年中，CCHP系統(tǒng)產生了比建筑物所需的更多的電力(表5)。當采用凈計量策略時，這些多余的電力被回售給電網，抵消了部分電網電力。被抵消掉了的電網電力降低了發(fā)電耗水量和NOx的排放量，減少的部分完全是為了滿足建筑物的熱需求。與單效吸收式制冷機相比，雙效吸收式制冷機的發(fā)電耗水量和NOx排放量的減少潛力更大，因為CCHP系統(tǒng)產生了更多電力。該系統(tǒng)之所以產生了更多的電力，是因為其必須產生更多的熱能以滿足建筑物的熱需求。

當采用凈計量策略時(附錄E，圖E1)，所有建筑類型(單戶型住宅建筑物除外)和所有運行情景下的CCHP系統(tǒng)的成本均會降低。這意味著CCHP系統(tǒng)能以更高容量運行，同時仍然具有比非CCHP系統(tǒng)情景更低的年度成本。對單戶型住宅建筑而言，如果系統(tǒng)是以滿足每小時熱需求而運行，則CCHP系統(tǒng)的使用將使成本增加47 %。增加系統(tǒng)的運行容量進一步增加了成本——相當于非CCHP系統(tǒng)運行情景下的四倍。當采用CCHP系統(tǒng)的最大成本且系統(tǒng)運行是用來滿足每小時熱需求時，中型辦公樓、大型辦公樓和多戶型住宅建筑的年成本可分別降低19 %、6 %和12 % (附錄E，圖E1)。當采用系統(tǒng)最低年成本并且系統(tǒng)運行是用來滿足每小時熱需求時，中型辦公樓、大型辦公樓、小型辦公樓和多戶型住宅建筑物的成本分別降低了34 %、20 %、9 %和25 %。對這些建筑物而言，當CCHP系統(tǒng)以滿足建筑物的每小時熱需求運行 (附錄E，圖E1)時可最大限度地降低成本。小型辦公樓的經濟可行性的程度取決于假定的成本結構。如果建筑物使用的天然氣成本與公用事業(yè)設備的成本相同，則與非CCHP系統(tǒng)相比，采用CCHP系統(tǒng)的建筑物的年度成本可減少18 %～50 %。對中型辦公樓和單戶型住宅建筑而言，采用凈計量策略和采用與公用事業(yè)設備所支付價格相當的天然氣價格會使系統(tǒng)成本出現負增加，如圖8(c)和(d)所示。這意味著該系統(tǒng)不但可以讓業(yè)主不花錢而且還能賺錢。

表5 當有凈計量策略并使用單效吸收式制冷機時，與非CCHP系統(tǒng)運行情景相比，所有建筑物和所有運行情景下的發(fā)電耗水量、CO2排放量和NOx排放量的變化

4. 結論

CCHP系統(tǒng)可以非常有效地減少亞特蘭大地區(qū)的發(fā)電耗水量、 NOx和CO2排放量，以及發(fā)電成本，具體取決于：①系統(tǒng)的運行策略；②是否采用凈計量策略；③天然氣的價格。對于單戶型住宅建筑、多戶型住宅建筑、中型辦公樓和小型辦公樓這類建筑物而言，當CCHP系統(tǒng)以滿足每小時熱需求運行時，CO2排放量較低。如果有凈計量策略，所有建筑物的CO2排放量都會降低，最低排放量歸因于以滿足每小時熱需求而運行的這一策略。采用凈計量策略意味著，與非CCHP系統(tǒng)運行情景相比，CCHP系統(tǒng)還可以在其他運行策略下運行，同時仍可以減少CO2的排放量。當CCHP系統(tǒng)在較高容量下運行時，所有建筑類型的發(fā)電耗水量都會減少。這是因為由CCHP系統(tǒng)產生的多余能量被傳送至電網，使得電網產生較少的電力，從而避免了所有建筑物的發(fā)電耗水。因此，增加透平機的運行容量可以不斷地減少發(fā)電耗水。當使用CCHP系統(tǒng)時，NOx的排放量也會減少，但是最佳運行策略會隨著建筑物類型的不同而不同。當采用凈計量策略時，CCHP系統(tǒng)在以滿足每年最大熱需求而運行時的NOx排放量總是最低的，因為該系統(tǒng)產生了比建筑物所需的更多的電力，從而減少了電網的NOx的排放量。從成本角度來看，最佳運行策略取決于所使用的成本結構、凈計量策略和天然氣價格。隨著天然氣價格的下降，這些系統(tǒng)將變得更加經濟和實用。

致謝

本工作得到了布魯克·拜爾斯可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)研究所、佐治亞州研究聯盟高塔講席的部分支持，獲得了美國國家科學基金會研究與創(chuàng)新前沿辦公室(EFRI)的支持(083604,1441208)。

Compliance with ethics guidelines

Jean–Ann James，Valerie M. Thomas，Arka Pandit， Duo Li, and John C. Crittenden declare that they have no conflict of interest orfinancial conflicts to disclose.

縮寫

CCHP 冷熱電聯產

CHP 熱電聯產

COP 性能系數

CostCCHPnet電網所需的年度電力成本、微型透平機運行的燃料成本和CCHP系統(tǒng)債務清償業(yè)務成本的總和

Costconventionalnet電網所需的年度電力成本，鍋爐/爐子的燃料成本和加熱冷卻系統(tǒng)的債務清償業(yè)務成本的總和

Eplugload插頭負載所需的電力

Espacecooling空間冷卻所需的電力

EmissionsCCHPnetCCHP系統(tǒng)的凈排放

Emissionsconventionalnet傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)的凈排放

Emissionsfurnace鍋爐/爐子產熱時的排放

Emissionsgrid電網電力生產時的排放

Emissionsturbine微型透平機電力生產時的排放

FEL 滿足電負荷

FTL 滿足熱負荷

Heatinghotwater熱水所需的熱能

Heatingspace空間加熱所需的熱能

HET 混合電熱

HRU 熱回收裝置

HVAC 供熱、通風及空調系統(tǒng)

OpenEI 開放能源信息

PGU 發(fā)電機組

TMY 典型氣象年

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* Corresponding author.

E-mail address: jajames@gatech.edu

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(4): 470—480

Jean-Ann James, Valerie M. Thomas, Arka Pandit, Duo Li, John C. Crittenden. Water, Air Emissions, and Cost Impacts of Air-Cooled Microturbines for Combined Cooling, Heating, and Power Systems: A Case Study in the Atlanta Region. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.008