商業(yè)建筑電能和熱能系統(tǒng)的生命周期評(píng)估

阿亞特·奧斯曼 / 羅伯特·里斯

綜述

在建筑設(shè)計(jì)中，能源使用是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，它關(guān)系到資源的利用以及環(huán)境的質(zhì)量。為了降低建筑的能源使用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，制定相應(yīng)的策略來(lái)降低能耗顯得尤為重要，如改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效照明和對(duì)采光、采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)和選擇，其中一些基本策略涉及到確定哪些是能滿足建筑物能源需求的最經(jīng)濟(jì)最有效的能源。在建筑物內(nèi)，影響能源系統(tǒng)選擇的幾個(gè)重要因素包括能源的類型、系統(tǒng)的電效率和熱效率，熱電聯(lián)供系統(tǒng)中電熱轉(zhuǎn)換比、特定建筑物的負(fù)載需求。其中一種處理該問(wèn)題的方法是利用線性規(guī)劃對(duì)可用選項(xiàng)進(jìn)行建模。

線性規(guī)劃是從一大組可能的數(shù)值中確定一組決策變量值的有效工具，它能根據(jù)線性約束條件，優(yōu)化線性目標(biāo)。從前的大部分工作都集中在降低成本和收入最大化的優(yōu)化操作上。其中有幾項(xiàng)研究解決了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)提高工作效率或降低發(fā)電成本的過(guò)程參數(shù)的影響。

建筑物的能源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的潛在影響可能是全球性的，如溫室氣體，酸雨或煙霧的形成等。

本文將生命周期環(huán)境影響評(píng)估和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合，提出了另一種評(píng)估建筑節(jié)能系統(tǒng)的方法。通過(guò)建立LCA MILP優(yōu)化模型來(lái)確定可選的能源系統(tǒng)中最有效的組合，包括熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。這個(gè)模型還可以對(duì)基于環(huán)境或經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的能源系統(tǒng)流程進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)影響環(huán)境的因素最小時(shí)，從LCA模型中得到的排放因子做為優(yōu)化模型中目標(biāo)函數(shù)決策變量的系數(shù)。根據(jù)選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以確定目標(biāo)函數(shù)，使生命周期排放量、一次能源消費(fèi)或滿足建筑物的能源需求的成本最小化。因此，在評(píng)估目標(biāo)函數(shù)值時(shí)，最佳的操作策略為通過(guò)MILP的解決方案得到?jīng)Q策變量的最優(yōu)值。本文提出了能源系統(tǒng)發(fā)展的LCA模型。

1 目標(biāo)與范圍

這項(xiàng)研究的目標(biāo)是對(duì)商業(yè)建筑中的制冷、制熱系統(tǒng)，照明和設(shè)備用電，生活熱水所選用的能源系統(tǒng)進(jìn)行建模，從而評(píng)估在能源的生產(chǎn)和使用過(guò)程中可能會(huì)對(duì)環(huán)境的生命周期造成的潛在的影響。

本文對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)和備用系統(tǒng)分別進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)系統(tǒng)包括電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通常由燃煤發(fā)電機(jī)組，核電和大型天然氣發(fā)電機(jī)組，以及可再生能源組成；用于房間制熱的為天然氣鍋爐;用于制冷的電動(dòng)制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)。

在本項(xiàng)研究中所包括的備用能源系統(tǒng)，包括不同類型的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以及更高效的NGCC公用事業(yè)規(guī)模電廠。具體來(lái)說(shuō)，研究的范圍包括美國(guó)的平均公用電力發(fā)電組合，NGCC電廠，固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng); MT熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng); ICE熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及鍋爐等。由于建筑物隨著時(shí)間的不斷變化，能源系統(tǒng)有時(shí)可能只需供應(yīng)部分負(fù)荷，因此模擬了在部分負(fù)荷下運(yùn)行的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

2 方法

2.1 系統(tǒng)界限

此項(xiàng)研究遵循ISO守則。LCA模型中的各個(gè)階段包括原材料和能源提取，交通，生產(chǎn)，燃燒/轉(zhuǎn)換以及使用。建立一次原料和二次原料，能源資源，空氣排放等這些系統(tǒng)的LCA模型所需要的數(shù)據(jù)都能從這些系統(tǒng)的生命周期的不同階段得到。

這整個(gè)過(guò)程可以通過(guò)能源的流向連接起來(lái)：首先從周圍吸取原材料和能源，在過(guò)程結(jié)束后將材料和能量釋放到環(huán)境中。在這個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)，整個(gè)過(guò)程是通過(guò)中間產(chǎn)品流動(dòng)聯(lián)系在一起的，例如施工所需的輔助材料，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所需的輔助能源和提供輔助材料/能源所需的傳輸過(guò)程。

2.2 功能塊

在這項(xiàng)研究中用來(lái)測(cè)量能源系統(tǒng)功能輸出性能的功能塊是指生產(chǎn)1kWh的能量輸出。1kWh的電能輸出可作為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，平均發(fā)電組合以及NGCC的功能單元。1kWh的熱能輸出可以作為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的功能單元。

2.3 數(shù)據(jù)和LCI分析

從文獻(xiàn)資料和商用系統(tǒng)(如鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng))中得到的數(shù)據(jù)，可用來(lái)定義每個(gè)過(guò)程模型的參數(shù)，如能源效率，尺寸，重量，組合物，排放和其他相關(guān)特性。 LCA軟件，集成系統(tǒng)的全球性排放模型(GEMIS)，通過(guò)定義每個(gè)過(guò)程的特點(diǎn)和構(gòu)建產(chǎn)品系統(tǒng)來(lái)模擬能源系統(tǒng)。對(duì)天然氣和其他燃料生產(chǎn)的生命周期清單(LCIS)以及能源系統(tǒng)的建模都進(jìn)行詳細(xì)的描述記錄。

1)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

(a)固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)

首先建立大氣壓力的簡(jiǎn)單循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)SOFC系統(tǒng)模型，這是熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)應(yīng)用中的一個(gè)新興的技術(shù)。他的優(yōu)點(diǎn)在于低排放，低噪音，采用模塊化設(shè)計(jì)，在負(fù)載范圍內(nèi)效率高。缺點(diǎn)是成本高，燃料需要處理，除非采用純氫氣。天然氣燃料管式SOFC系統(tǒng)能輸出功率125kW，過(guò)程中的熱量可以被回收用于熱水及負(fù)荷采暖。燃料電池的整個(gè)LCI模型包括天然氣改造過(guò)程，SOFC主要燃料的制造，工廠制造流程的平衡，以及SOFC的使用和操作階段。

在外部蒸汽轉(zhuǎn)換過(guò)程中，天然氣轉(zhuǎn)化成含有氫和一氧化碳的氣體，且伴隨著少量的水和二氧化碳。在模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中燃料輸入的轉(zhuǎn)換效率為80%，過(guò)程的輸入是天然氣，直接輸出包括轉(zhuǎn)換過(guò)程中排放的4.415E-01kg/kWh 的CO2。

固體氧化物燃料電池的制造過(guò)程是非常復(fù)雜的，因?yàn)樗且环N新技術(shù)，參考文獻(xiàn)較少。這些材料，能源需求以及SOFC制造過(guò)程的排放量都是從基于SOFC制造階段研究的LCA中得到的。SOFC的制造過(guò)程包括兩個(gè)部分，即主要燃料的制造以及輔助設(shè)施(BOP)的制造。主要燃料部分包括SOFC所需的兩個(gè)電極，電解質(zhì)以及之間的連接。輔助設(shè)施部分包括處理器、堆疊轉(zhuǎn)換板、空氣輸送系統(tǒng)、廢氣和熱管理系統(tǒng)、電源管理和控制系統(tǒng)。在制造過(guò)程中所使用的電能均來(lái)自美國(guó)公共電網(wǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中所需的熱量來(lái)自于工業(yè)燃?xì)忮仩t。在使用階段，操作系統(tǒng)是基于西門子西屋公司的SOFC模塊進(jìn)行建模的，如果按照8 760h/年進(jìn)行操作，固體氧化物燃料電池單元具有約70 100h的壽命(8年)。表1顯示了用于創(chuàng)建7個(gè)SOFC的LCA模型的全部和部分負(fù)荷電力輸出水平的工作特性。

表1 SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行特性

(b)微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的功率為30kW～350kW之間。優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)部件數(shù)量較少，體積小，重量輕，低排放，不需要冷卻，而缺點(diǎn)是成本高，機(jī)械效率相對(duì)較低，以及只能在溫度較低的熱電聯(lián)產(chǎn)中應(yīng)用。

在本項(xiàng)研究中搭建的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是由環(huán)境技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目(ETV)下溫室氣體技術(shù)中心(GHG中心)檢測(cè)的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)的微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下的標(biāo)稱輸出功率為60kW。該系統(tǒng)基于天然氣，包括一臺(tái)空氣壓縮機(jī)，換熱器，燃燒器，渦輪機(jī)，和永磁發(fā)電機(jī)。

LCI由MT進(jìn)程的輸入(包括每個(gè)單位過(guò)程建設(shè)中采用的天然氣管道中的天然氣以及輔助材料)，MT熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)階段以及單位過(guò)程的輸出(空氣排放)組成。這個(gè)制造過(guò)程能簡(jiǎn)化成制造MT所需的材料(如冷卻系統(tǒng)，水損失等，MT的其他制造工藝都不包括在內(nèi))。

制造階段簡(jiǎn)化成制造MT所需的12 600 kg/MW鋼材，其中不包括制造MT相關(guān)聯(lián)的其他進(jìn)程。如果按照8 760h/年進(jìn)行操作，MT單元的壽命約40 300h(4.6年)。

表2表示在最大化的熱回收的前提下MT系統(tǒng)操作特性，該表用來(lái)建立四個(gè)LCA MT的特定部位負(fù)荷運(yùn)行特性。

表2 MT熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行特性

(C)內(nèi)燃機(jī)(ICE)系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)(ICE)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)通常小于5MW。它的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷靈活且功率高，啟動(dòng)速度快，投資成本相對(duì)較低，具有良好的負(fù)載能力，低壓氣體操作。缺點(diǎn)是維護(hù)成本高，回收熱量的溫度較低，限制了熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用，空氣排放相對(duì)較高，噪音的頻率高，以及即使不使用回收熱量也需要冷卻系統(tǒng)。

在這項(xiàng)研究中，建立的ICE熱電聯(lián)供系統(tǒng)為150kW，選用的發(fā)動(dòng)機(jī)是常用的商用發(fā)動(dòng)機(jī)。若按照8 760h/年操作，150kW的ICE模型的壽命為45 000h(5.1年)。

制造過(guò)程被簡(jiǎn)化為制造ICE所需的材料。在這個(gè)過(guò)程中所使用的材料是27 000 kg/MW鋼。表3中給出了150 kW ICE過(guò)程的運(yùn)行特性。這三種催化轉(zhuǎn)換器能減少ICE的排放量，能減少90%氮化合物(NOx)，50%一氧化碳(CO)，50%非甲烷揮發(fā)性有機(jī)碳(非甲烷揮發(fā)性有機(jī)化合物)的排放量。

表3 ICE熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行特性

2)基于電網(wǎng)的能源系統(tǒng)

(a)美國(guó)平均電網(wǎng)

美國(guó)的發(fā)電組合由53%的煤，17%的天然氣，17%的核，9%的水，2%的油，2%的廢物， 0.4%的地?zé)岷?.15%的風(fēng)組成。假定在這個(gè)過(guò)程中平均有6.5%的網(wǎng)損。 GEMIS數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)為這些電廠創(chuàng)建模型以及創(chuàng)建平均混合發(fā)電過(guò)程?；谌剂陷斎氲牡蜔嶂?，平均混合發(fā)電的電能轉(zhuǎn)換效率大約為32%。

(b)NGCC 電網(wǎng)

一個(gè)500 MW的天然氣燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電廠(NGCC)中燃料的電熱轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到49%，這是在建模時(shí)可以采用的最為有效的發(fā)電技術(shù)。從天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評(píng)估研究中發(fā)現(xiàn)，建立NGCC過(guò)程模型需要一些假設(shè)和規(guī)范。這個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，一個(gè)三壓熱回收蒸汽發(fā)生器，和一個(gè)冷凝再熱汽輪機(jī)。

天然氣被送入的氣體渦輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。汽輪機(jī)的余熱通過(guò)熱回收蒸汽機(jī)回收，熱回收蒸汽機(jī)用來(lái)提供蒸汽機(jī)所需要的蒸汽，反過(guò)來(lái)也驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。在這樣的系統(tǒng)中，通常三分之二的電能是由燃汽發(fā)電機(jī)提供，三分之一由蒸汽發(fā)電機(jī)提供。

500MW的NGCC過(guò)程建模的生命周期為262 800h(30年)，操作時(shí)間為8 760h/年。用于建立NGCC過(guò)程的LCI的排放原因可以參考EPA AP-42。

3)燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t模型的輸出為1MW，生命周期為20年，工作時(shí)間為4 000h/年。

基于燃料輸入(LHV)的熱轉(zhuǎn)換效率為88.7%，鍋爐的燃燒廢氣排放可以參考EPA的AP-42。

2.4 假設(shè)和限制性

在建立LCA模型時(shí)的假設(shè)包括：

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱能和電能的轉(zhuǎn)換是可以實(shí)現(xiàn)的，且所產(chǎn)生的能量質(zhì)量可用;

該技術(shù)是按照文獻(xiàn)的指示執(zhí)行的；

關(guān)于地域和時(shí)間的范圍，這項(xiàng)研究對(duì)美國(guó)熱電聯(lián)系統(tǒng)目前以及未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了評(píng)估，以及在美國(guó)目前平均電力生產(chǎn)的基礎(chǔ)上建立平均發(fā)電組合模型，通過(guò)轉(zhuǎn)換效率可以看出除了被捕捉到的部分，在熱電聯(lián)供過(guò)程中認(rèn)為沒有熱量或電能損失。

這項(xiàng)LCA研究其中一個(gè)局限性是采用的環(huán)境影響指標(biāo)，并不能代表全面的環(huán)境影響分析，但能代表這一類潛在的環(huán)境影響，代表一個(gè)全球性影響的類別，包括全球變暖潛能值GWP，當(dāng)?shù)赜绊慣OPP，地區(qū)影響如AP，以及從地方到區(qū)域和全球的影響如PE。這些影響分類代表了被廣泛應(yīng)用的環(huán)境參數(shù)，可以用于分析比較過(guò)去和未來(lái)的研究。如果這項(xiàng)研究在實(shí)際的環(huán)境中完成，那么全面的環(huán)境影響分析可能更有價(jià)值。

2.5 影響類別

LCA的影響評(píng)估步驟是評(píng)估采用生命周期清單分析結(jié)果的產(chǎn)品系統(tǒng)的潛在環(huán)境影響的大小和意義。LCA研究認(rèn)為用來(lái)量化對(duì)于產(chǎn)品庫(kù)存量的潛在貢獻(xiàn)的影響類別包括PE,GWP,AP和TOPP。

3 結(jié)束語(yǔ)

生命周期評(píng)價(jià)用來(lái)評(píng)估能夠滿足建筑能源需求的能源系統(tǒng)生命周期的排放因子。

當(dāng)滿足一定的電量需求時(shí)，熱電聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生可用的熱能使他們能很好地替代傳統(tǒng)的系統(tǒng)。

對(duì)結(jié)果分析表明，電熱生產(chǎn)比對(duì)生命周期一次能源消耗因素有直接的影響。電熱生產(chǎn)比高的能源系統(tǒng)(如固體氧化物燃料電池)，它的一次能源消耗因素少。

在全球增溫的趨勢(shì)下，生命周期全球增溫潛在值可以從能源系統(tǒng)中得到。能源系統(tǒng)不僅取決于系統(tǒng)的能效，而且和影響全球變暖的原始?xì)怏w的排放有關(guān)。例如，盡管固體氧化物型燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有較高的電效率，由于在天然氣重整過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，所以具有相對(duì)較高的全球變暖潛能值因素。另一方面，其他能源系統(tǒng)的全球變暖潛能值影響使用階段的氣體排放量。

在評(píng)估生命周期酸化和對(duì)流層臭氧電位時(shí)，能源的類型以及能源系統(tǒng)的燃燒特性是影響酸化電位值的主要因素。例如，電網(wǎng)的高酸化和對(duì)流層臭氧的影響，主要是因?yàn)榈趸锖投趸虻呐欧?，這些排放量大部分來(lái)自煤電廠的電力生產(chǎn)。另一方面，由于天然氣聯(lián)合循環(huán)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)都是由天然氣驅(qū)動(dòng)的，這些系統(tǒng)中的燃燒特性能影響酸化電位和對(duì)流層臭氧的潛在值。例如，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)較高的酸化電位是由于所述內(nèi)燃機(jī)使用階段產(chǎn)生的高氮氧化物，而微型燃?xì)廨啓C(jī)和固體氧化物型燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)具有相對(duì)低的酸化潛在因素，因?yàn)樗麄兣欧诺牡趸锏?，其中大部分排放氣體是前期過(guò)程中產(chǎn)生的。

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