商業建筑電能和熱能系統的生命周期評估

阿亞特·奧斯曼 / 羅伯特·里斯

綜述

在建筑設計中，能源使用是一個非常重要的問題，它關系到資源的利用以及環境的質量。為了降低建筑的能源使用對環境產生的影響，制定相應的策略來降低能耗顯得尤為重要，如改善建筑圍護結構，采用高效照明和對采光、采暖、通風和空調(HVAC)系統進行節能設計和選擇，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濟最有效的能源。在建筑物內，影響能源系統選擇的幾個重要因素包括能源的類型、系統的電效率和熱效率，熱電聯供系統中電熱轉換比、特定建筑物的負載需求。其中一種處理該問題的方法是利用線性規劃對可用選項進行建模。

線性規劃是從一大組可能的數值中確定一組決策變量值的有效工具，它能根據線性約束條件，優化線性目標。從前的大部分工作都集中在降低成本和收入最大化的優化操作上。其中有幾項研究解決了熱電聯產系統中對提高工作效率或降低發電成本的過程參數的影響。

建筑物的能源系統對環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。

本文將生命周期環境影響評估和運籌學相結合，提出了另一種評估建筑節能系統的方法。通過建立LCA MILP優化模型來確定可選的能源系統中最有效的組合，包括熱電聯產系統。這個模型還可以對基于環境或經濟標準的能源系統流程進行優化。當影響環境的因素最小時，從LCA模型中得到的排放因子做為優化模型中目標函數決策變量的系數。根據選擇不同的標準，可以確定目標函數，使生命周期排放量、一次能源消費或滿足建筑物的能源需求的成本最小化。因此，在評估目標函數值時，最佳的操作策略為通過MILP的解決方案得到決策變量的最優值。本文提出了能源系統發展的LCA模型。

1 目標與范圍

這項研究的目標是對商業建筑中的制冷、制熱系統，照明和設備用電，生活熱水所選用的能源系統進行建模，從而評估在能源的生產和使用過程中可能會對環境的生命周期造成的潛在的影響。

本文對傳統系統和備用系統分別進行了研究。傳統系統包括電網發電系統，通常由燃煤發電機組，核電和大型天然氣發電機組，以及可再生能源組成；用于房間制熱的為天然氣鍋爐;用于制冷的電動制冷機或吸收式制冷機。

在本項研究中所包括的備用能源系統，包括不同類型的天然氣熱電聯產系統，以及更高效的NGCC公用事業規模電廠。具體來說，研究的范圍包括美國的平均公用電力發電組合，NGCC電廠，固體氧化物燃料電池熱電聯產系統; MT熱電聯產系統; ICE熱電聯產系統以及鍋爐等。由于建筑物隨著時間的不斷變化，能源系統有時可能只需供應部分負荷，因此模擬了在部分負荷下運行的熱電聯產系統。

2 方法

2.1 系統界限

此項研究遵循ISO守則。LCA模型中的各個階段包括原材料和能源提取，交通，生產，燃燒/轉換以及使用。建立一次原料和二次原料，能源資源，空氣排放等這些系統的LCA模型所需要的數據都能從這些系統的生命周期的不同階段得到。

這整個過程可以通過能源的流向連接起來：首先從周圍吸取原材料和能源，在過程結束后將材料和能量釋放到環境中。在這個系統范圍內，整個過程是通過中間產品流動聯系在一起的，例如施工所需的輔助材料，運營過程中所需的輔助能源和提供輔助材料/能源所需的傳輸過程。

2.2 功能塊

在這項研究中用來測量能源系統功能輸出性能的功能塊是指生產1kWh的能量輸出。1kWh的電能輸出可作為熱電聯產系統，平均發電組合以及NGCC的功能單元。1kWh的熱能輸出可以作為燃氣發電機的功能單元。

2.3 數據和LCI分析

從文獻資料和商用系統(如鍋爐和熱電聯產系統)中得到的數據，可用來定義每個過程模型的參數，如能源效率，尺寸，重量，組合物，排放和其他相關特性。 LCA軟件，集成系統的全球性排放模型(GEMIS)，通過定義每個過程的特點和構建產品系統來模擬能源系統。對天然氣和其他燃料生產的生命周期清單(LCIS)以及能源系統的建模都進行詳細的描述記錄。

1)熱電聯產技術

(a)固體氧化物燃料電池(SOFC)系統

首先建立大氣壓力的簡單循環熱電聯產SOFC系統模型，這是熱電聯產(CHP)應用中的一個新興的技術。他的優點在于低排放，低噪音，采用模塊化設計，在負載范圍內效率高。缺點是成本高，燃料需要處理，除非采用純氫氣。天然氣燃料管式SOFC系統能輸出功率125kW，過程中的熱量可以被回收用于熱水及負荷采暖。燃料電池的整個LCI模型包括天然氣改造過程，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。

在外部蒸汽轉換過程中，天然氣轉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。在模型轉換過程中燃料輸入的轉換效率為80%，過程的輸入是天然氣，直接輸出包括轉換過程中排放的4.415E-01kg/kWh 的CO2。

固體氧化物燃料電池的制造過程是非常復雜的，因為它是一種新技術，參考文獻較少。這些材料，能源需求以及SOFC制造過程的排放量都是從基于SOFC制造階段研究的LCA中得到的。SOFC的制造過程包括兩個部分，即主要燃料的制造以及輔助設施(BOP)的制造。主要燃料部分包括SOFC所需的兩個電極，電解質以及之間的連接。輔助設施部分包括處理器、堆疊轉換板、空氣輸送系統、廢氣和熱管理系統、電源管理和控制系統。在制造過程中所使用的電能均來自美國公共電網，生產過程中所需的熱量來自于工業燃氣鍋爐。在使用階段，操作系統是基于西門子西屋公司的SOFC模塊進行建模的，如果按照8 760h/年進行操作，固體氧化物燃料電池單元具有約70 100h的壽命(8年)。表1顯示了用于創建7個SOFC的LCA模型的全部和部分負荷電力輸出水平的工作特性。

表1 SOFC熱電聯供系統的運行特性

(b)微型燃氣輪機系統

微型燃氣發電機的功率為30kW～350kW之間。優點是移動部件數量較少，體積小，重量輕，低排放，不需要冷卻，而缺點是成本高，機械效率相對較低，以及只能在溫度較低的熱電聯產中應用。

在本項研究中搭建的發電機系統是由環境技術驗證項目(ETV)下溫室氣體技術中心(GHG中心)檢測的熱電聯產(CHP)系統的微型燃氣發電機。微型燃氣發電機產生的電能在標準壓力和溫度下的標稱輸出功率為60kW。該系統基于天然氣，包括一臺空氣壓縮機，換熱器，燃燒器，渦輪機，和永磁發電機。

LCI由MT進程的輸入(包括每個單位過程建設中采用的天然氣管道中的天然氣以及輔助材料)，MT熱電聯產系統的運營階段以及單位過程的輸出(空氣排放)組成。這個制造過程能簡化成制造MT所需的材料(如冷卻系統，水損失等，MT的其他制造工藝都不包括在內)。

制造階段簡化成制造MT所需的12 600 kg/MW鋼材，其中不包括制造MT相關聯的其他進程。如果按照8 760h/年進行操作，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系統操作特性，該表用來建立四個LCA MT的特定部位負荷運行特性。

表2 MT熱電聯供系統的運行特性

(C)內燃機(ICE)系統

內燃機(ICE)的熱電聯產系統通常小于5MW。它的優點是負荷靈活且功率高，啟動速度快，投資成本相對較低，具有良好的負載能力，低壓氣體操作。缺點是維護成本高，回收熱量的溫度較低，限制了熱電聯產的應用，空氣排放相對較高，噪音的頻率高，以及即使不使用回收熱量也需要冷卻系統。

在這項研究中，建立的ICE熱電聯供系統為150kW，選用的發動機是常用的商用發動機。若按照8 760h/年操作，150kW的ICE模型的壽命為45 000h(5.1年)。

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

表3 ICE熱電聯供系統的運行特性

2)基于電網的能源系統

(a)美國平均電網

美國的發電組合由53%的煤，17%的天然氣，17%的核，9%的水，2%的油，2%的廢物， 0.4%的地熱和0.15%的風組成。假定在這個過程中平均有6.5%的網損。 GEMIS數據庫用來為這些電廠創建模型以及創建平均混合發電過程。基于燃料輸入的低熱值，平均混合發電的電能轉換效率大約為32%。

(b)NGCC 電網

一個500 MW的天然氣燃氣聯合循環電廠(NGCC)中燃料的電熱轉換效率能達到49%，這是在建模時可以采用的最為有效的發電技術。從天然氣聯合循環發電系統的生命周期評估研究中發現，建立NGCC過程模型需要一些假設和規范。這個電網結構包括兩個燃氣發電機，一個三壓熱回收蒸汽發生器，和一個冷凝再熱汽輪機。

天然氣被送入的氣體渦輪機來驅動發電機。汽輪機的余熱通過熱回收蒸汽機回收，熱回收蒸汽機用來提供蒸汽機所需要的蒸汽，反過來也驅動發電機。在這樣的系統中，通常三分之二的電能是由燃汽發電機提供，三分之一由蒸汽發電機提供。

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

3)燃氣鍋爐

燃氣鍋爐模型的輸出為1MW，生命周期為20年，工作時間為4 000h/年。

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

2.4 假設和限制性

在建立LCA模型時的假設包括：

熱電聯產系統的熱能和電能的轉換是可以實現的，且所產生的能量質量可用;

該技術是按照文獻的指示執行的；

關于地域和時間的范圍，這項研究對美國熱電聯系統目前以及未來的發展進行了評估，以及在美國目前平均電力生產的基礎上建立平均發電組合模型，通過轉換效率可以看出除了被捕捉到的部分，在熱電聯供過程中認為沒有熱量或電能損失。

這項LCA研究其中一個局限性是采用的環境影響指標，并不能代表全面的環境影響分析，但能代表這一類潛在的環境影響，代表一個全球性影響的類別，包括全球變暖潛能值GWP，當地影響TOPP，地區影響如AP，以及從地方到區域和全球的影響如PE。這些影響分類代表了被廣泛應用的環境參數，可以用于分析比較過去和未來的研究。如果這項研究在實際的環境中完成，那么全面的環境影響分析可能更有價值。

2.5 影響類別

LCA的影響評估步驟是評估采用生命周期清單分析結果的產品系統的潛在環境影響的大小和意義。LCA研究認為用來量化對于產品庫存量的潛在貢獻的影響類別包括PE,GWP,AP和TOPP。

3 結束語

生命周期評價用來評估能夠滿足建筑能源需求的能源系統生命周期的排放因子。

當滿足一定的電量需求時，熱電聯系統產生可用的熱能使他們能很好地替代傳統的系統。

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

在全球增溫的趨勢下，生命周期全球增溫潛在值可以從能源系統中得到。能源系統不僅取決于系統的能效，而且和影響全球變暖的原始氣體的排放有關。例如，盡管固體氧化物型燃料電池熱電聯供系統與其他系統相比具有較高的電效率，由于在天然氣重整過程中會產生大量二氧化碳，所以具有相對較高的全球變暖潛能值因素。另一方面，其他能源系統的全球變暖潛能值影響使用階段的氣體排放量。

在評估生命周期酸化和對流層臭氧電位時，能源的類型以及能源系統的燃燒特性是影響酸化電位值的主要因素。例如，電網的高酸化和對流層臭氧的影響，主要是因為氮氧化物和二氧化硫的排放，這些排放量大部分來自煤電廠的電力生產。另一方面，由于天然氣聯合循環和熱電聯產系統都是由天然氣驅動的，這些系統中的燃燒特性能影響酸化電位和對流層臭氧的潛在值。例如，內燃發動機的熱電聯供系統相對較高的酸化電位是由于所述內燃機使用階段產生的高氮氧化物，而微型燃氣輪機和固體氧化物型燃料電池熱電聯供系統具有相對低的酸化潛在因素，因為他們排放的氮氧化物低，其中大部分排放氣體是前期過程中產生的。

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