商业建筑电能和热能系统的生命周期评估

阿亚特·奥斯曼 / 罗伯特·里斯

综述

在建筑设计中，能源使用是一个非常重要的问题，它关系到资源的利用以及环境的质量。为了降低建筑的能源使用对环境产生的影响，制定相应的策略来降低能耗显得尤为重要，如改善建筑围护结构，采用高效照明和对采光、采暖、通风和空调(HVAC)系统进行节能设计和选择，其中一些基本策略涉及到确定哪些是能满足建筑物能源需求的最经济最有效的能源。在建筑物内，影响能源系统选择的几个重要因素包括能源的类型、系统的电效率和热效率，热电联供系统中电热转换比、特定建筑物的负载需求。其中一种处理该问题的方法是利用线性规划对可用选项进行建模。

线性规划是从一大组可能的数值中确定一组决策变量值的有效工具，它能根据线性约束条件，优化线性目标。从前的大部分工作都集中在降低成本和收入最大化的优化操作上。其中有几项研究解决了热电联产系统中对提高工作效率或降低发电成本的过程参数的影响。

建筑物的能源系统对环境的潜在影响可能是全球性的，如温室气体，酸雨或烟雾的形成等。

本文将生命周期环境影响评估和运筹学相结合，提出了另一种评估建筑节能系统的方法。通过建立LCA MILP优化模型来确定可选的能源系统中最有效的组合，包括热电联产系统。这个模型还可以对基于环境或经济标准的能源系统流程进行优化。当影响环境的因素最小时，从LCA模型中得到的排放因子做为优化模型中目标函数决策变量的系数。根据选择不同的标准，可以确定目标函数，使生命周期排放量、一次能源消费或满足建筑物的能源需求的成本最小化。因此，在评估目标函数值时，最佳的操作策略为通过MILP的解决方案得到决策变量的最优值。本文提出了能源系统发展的LCA模型。

1 目标与范围

这项研究的目标是对商业建筑中的制冷、制热系统，照明和设备用电，生活热水所选用的能源系统进行建模，从而评估在能源的生产和使用过程中可能会对环境的生命周期造成的潜在的影响。

本文对传统系统和备用系统分别进行了研究。传统系统包括电网发电系统，通常由燃煤发电机组，核电和大型天然气发电机组，以及可再生能源组成；用于房间制热的为天然气锅炉;用于制冷的电动制冷机或吸收式制冷机。

在本项研究中所包括的备用能源系统，包括不同类型的天然气热电联产系统，以及更高效的NGCC公用事业规模电厂。具体来说，研究的范围包括美国的平均公用电力发电组合，NGCC电厂，固体氧化物燃料电池热电联产系统; MT热电联产系统; ICE热电联产系统以及锅炉等。由于建筑物随着时间的不断变化，能源系统有时可能只需供应部分负荷，因此模拟了在部分负荷下运行的热电联产系统。

2 方法

2.1 系统界限

此项研究遵循ISO守则。LCA模型中的各个阶段包括原材料和能源提取，交通，生产，燃烧/转换以及使用。建立一次原料和二次原料，能源资源，空气排放等这些系统的LCA模型所需要的数据都能从这些系统的生命周期的不同阶段得到。

这整个过程可以通过能源的流向连接起来：首先从周围吸取原材料和能源，在过程结束后将材料和能量释放到环境中。在这个系统范围内，整个过程是通过中间产品流动联系在一起的，例如施工所需的辅助材料，运营过程中所需的辅助能源和提供辅助材料/能源所需的传输过程。

2.2 功能块

在这项研究中用来测量能源系统功能输出性能的功能块是指生产1kWh的能量输出。1kWh的电能输出可作为热电联产系统，平均发电组合以及NGCC的功能单元。1kWh的热能输出可以作为燃气发电机的功能单元。

2.3 数据和LCI分析

从文献资料和商用系统(如锅炉和热电联产系统)中得到的数据，可用来定义每个过程模型的参数，如能源效率，尺寸，重量，组合物，排放和其他相关特性。 LCA软件，集成系统的全球性排放模型(GEMIS)，通过定义每个过程的特点和构建产品系统来模拟能源系统。对天然气和其他燃料生产的生命周期清单(LCIS)以及能源系统的建模都进行详细的描述记录。

1)热电联产技术

(a)固体氧化物燃料电池(SOFC)系统

首先建立大气压力的简单循环热电联产SOFC系统模型，这是热电联产(CHP)应用中的一个新兴的技术。他的优点在于低排放，低噪音，采用模块化设计，在负载范围内效率高。缺点是成本高，燃料需要处理，除非采用纯氢气。天然气燃料管式SOFC系统能输出功率125kW，过程中的热量可以被回收用于热水及负荷采暖。燃料电池的整个LCI模型包括天然气改造过程，SOFC主要燃料的制造，工厂制造流程的平衡，以及SOFC的使用和操作阶段。

在外部蒸汽转换过程中，天然气转化成含有氢和一氧化碳的气体，且伴随着少量的水和二氧化碳。在模型转换过程中燃料输入的转换效率为80%，过程的输入是天然气，直接输出包括转换过程中排放的4.415E-01kg/kWh 的CO2。

固体氧化物燃料电池的制造过程是非常复杂的，因为它是一种新技术，参考文献较少。这些材料，能源需求以及SOFC制造过程的排放量都是从基于SOFC制造阶段研究的LCA中得到的。SOFC的制造过程包括两个部分，即主要燃料的制造以及辅助设施(BOP)的制造。主要燃料部分包括SOFC所需的两个电极，电解质以及之间的连接。辅助设施部分包括处理器、堆叠转换板、空气输送系统、废气和热管理系统、电源管理和控制系统。在制造过程中所使用的电能均来自美国公共电网，生产过程中所需的热量来自于工业燃气锅炉。在使用阶段，操作系统是基于西门子西屋公司的SOFC模块进行建模的，如果按照8 760h/年进行操作，固体氧化物燃料电池单元具有约70 100h的寿命(8年)。表1显示了用于创建7个SOFC的LCA模型的全部和部分负荷电力输出水平的工作特性。

表1 SOFC热电联供系统的运行特性

(b)微型燃气轮机系统

微型燃气发电机的功率为30kW～350kW之间。优点是移动部件数量较少，体积小，重量轻，低排放，不需要冷却，而缺点是成本高，机械效率相对较低，以及只能在温度较低的热电联产中应用。

在本项研究中搭建的发电机系统是由环境技术验证项目(ETV)下温室气体技术中心(GHG中心)检测的热电联产(CHP)系统的微型燃气发电机。微型燃气发电机产生的电能在标准压力和温度下的标称输出功率为60kW。该系统基于天然气，包括一台空气压缩机，换热器，燃烧器，涡轮机，和永磁发电机。

LCI由MT进程的输入(包括每个单位过程建设中采用的天然气管道中的天然气以及辅助材料)，MT热电联产系统的运营阶段以及单位过程的输出(空气排放)组成。这个制造过程能简化成制造MT所需的材料(如冷却系统，水损失等，MT的其他制造工艺都不包括在内)。

制造阶段简化成制造MT所需的12 600 kg/MW钢材，其中不包括制造MT相关联的其他进程。如果按照8 760h/年进行操作，MT单元的寿命约40 300h(4.6年)。

表2表示在最大化的热回收的前提下MT系统操作特性，该表用来建立四个LCA MT的特定部位负荷运行特性。

表2 MT热电联供系统的运行特性

(C)内燃机(ICE)系统

内燃机(ICE)的热电联产系统通常小于5MW。它的优点是负荷灵活且功率高，启动速度快，投资成本相对较低，具有良好的负载能力，低压气体操作。缺点是维护成本高，回收热量的温度较低，限制了热电联产的应用，空气排放相对较高，噪音的频率高，以及即使不使用回收热量也需要冷却系统。

在这项研究中，建立的ICE热电联供系统为150kW，选用的发动机是常用的商用发动机。若按照8 760h/年操作，150kW的ICE模型的寿命为45 000h(5.1年)。

制造过程被简化为制造ICE所需的材料。在这个过程中所使用的材料是27 000 kg/MW钢。表3中给出了150 kW ICE过程的运行特性。这三种催化转换器能减少ICE的排放量，能减少90%氮化合物(NOx)，50%一氧化碳(CO)，50%非甲烷挥发性有机碳(非甲烷挥发性有机化合物)的排放量。

表3 ICE热电联供系统的运行特性

2)基于电网的能源系统

(a)美国平均电网

美国的发电组合由53%的煤，17%的天然气，17%的核，9%的水，2%的油，2%的废物， 0.4%的地热和0.15%的风组成。假定在这个过程中平均有6.5%的网损。 GEMIS数据库用来为这些电厂创建模型以及创建平均混合发电过程。基于燃料输入的低热值，平均混合发电的电能转换效率大约为32%。

(b)NGCC 电网

一个500 MW的天然气燃气联合循环电厂(NGCC)中燃料的电热转换效率能达到49%，这是在建模时可以采用的最为有效的发电技术。从天然气联合循环发电系统的生命周期评估研究中发现，建立NGCC过程模型需要一些假设和规范。这个电网结构包括两个燃气发电机，一个三压热回收蒸汽发生器，和一个冷凝再热汽轮机。

天然气被送入的气体涡轮机来驱动发电机。汽轮机的余热通过热回收蒸汽机回收，热回收蒸汽机用来提供蒸汽机所需要的蒸汽，反过来也驱动发电机。在这样的系统中，通常三分之二的电能是由燃汽发电机提供，三分之一由蒸汽发电机提供。

500MW的NGCC过程建模的生命周期为262 800h(30年)，操作时间为8 760h/年。用于建立NGCC过程的LCI的排放原因可以参考EPA AP-42。

3)燃气锅炉

燃气锅炉模型的输出为1MW，生命周期为20年，工作时间为4 000h/年。

基于燃料输入(LHV)的热转换效率为88.7%，锅炉的燃烧废气排放可以参考EPA的AP-42。

2.4 假设和限制性

在建立LCA模型时的假设包括：

热电联产系统的热能和电能的转换是可以实现的，且所产生的能量质量可用;

该技术是按照文献的指示执行的；

关于地域和时间的范围，这项研究对美国热电联系统目前以及未来的发展进行了评估，以及在美国目前平均电力生产的基础上建立平均发电组合模型，通过转换效率可以看出除了被捕捉到的部分，在热电联供过程中认为没有热量或电能损失。

这项LCA研究其中一个局限性是采用的环境影响指标，并不能代表全面的环境影响分析，但能代表这一类潜在的环境影响，代表一个全球性影响的类别，包括全球变暖潜能值GWP，当地影响TOPP，地区影响如AP，以及从地方到区域和全球的影响如PE。这些影响分类代表了被广泛应用的环境参数，可以用于分析比较过去和未来的研究。如果这项研究在实际的环境中完成，那么全面的环境影响分析可能更有价值。

2.5 影响类别

LCA的影响评估步骤是评估采用生命周期清单分析结果的产品系统的潜在环境影响的大小和意义。LCA研究认为用来量化对于产品库存量的潜在贡献的影响类别包括PE,GWP,AP和TOPP。

3 结束语

生命周期评价用来评估能够满足建筑能源需求的能源系统生命周期的排放因子。

当满足一定的电量需求时，热电联系统产生可用的热能使他们能很好地替代传统的系统。

对结果分析表明，电热生产比对生命周期一次能源消耗因素有直接的影响。电热生产比高的能源系统(如固体氧化物燃料电池)，它的一次能源消耗因素少。

在全球增温的趋势下，生命周期全球增温潜在值可以从能源系统中得到。能源系统不仅取决于系统的能效，而且和影响全球变暖的原始气体的排放有关。例如，尽管固体氧化物型燃料电池热电联供系统与其他系统相比具有较高的电效率，由于在天然气重整过程中会产生大量二氧化碳，所以具有相对较高的全球变暖潜能值因素。另一方面，其他能源系统的全球变暖潜能值影响使用阶段的气体排放量。

在评估生命周期酸化和对流层臭氧电位时，能源的类型以及能源系统的燃烧特性是影响酸化电位值的主要因素。例如，电网的高酸化和对流层臭氧的影响，主要是因为氮氧化物和二氧化硫的排放，这些排放量大部分来自煤电厂的电力生产。另一方面，由于天然气联合循环和热电联产系统都是由天然气驱动的，这些系统中的燃烧特性能影响酸化电位和对流层臭氧的潜在值。例如，内燃发动机的热电联供系统相对较高的酸化电位是由于所述内燃机使用阶段产生的高氮氧化物，而微型燃气轮机和固体氧化物型燃料电池热电联供系统具有相对低的酸化潜在因素，因为他们排放的氮氧化物低，其中大部分排放气体是前期过程中产生的。

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