一种结合生物质气化的太阳能热系统，用于生产清洁氢气

《Regional Studies in Marine Science》：A Solar Thermal System Integrated with Biomass Gasification for Clean Hydrogen Production

　　伊马德丁·阿卜杜拉|易卜拉欣·丁塞尔
清洁能源研究实验室（CERL），安大略理工大学工程与应用科学学院
地址：2000 Simcoe St N, Oshawa, ON L1G 0C5, 加拿大

**摘要**
本研究介绍了一种集成的太阳能-生物质多联产系统的开发及其热力学评估，该系统能够同时生产电力、热能、冷却水、淡水以及清洁燃料（如氢气和甲烷）。该系统在白天由太阳能热能驱动两阶段布雷顿循环运行，在非太阳能时段则通过燃烧室发电，并结合了有机朗肯循环、氨水吸收式冷却系统和多级闪蒸海水淡化装置。此外，市政污水污泥经过干燥、热解和气化处理后，可生成富含氢气和甲烷的燃料，实现废物转化为能源的优势并减少环境影响。该系统的综合能源效率达到47.03%，能量利用率达到42.43%。该系统可产生3391千瓦的净电力、939千瓦的有用热能、343千瓦的冷却能力以及每天1500立方米的淡水，并同时生成140.74千克的氢气和80.7千克的甲烷作为宝贵的能源载体。

**1. 引言**
清洁和可持续的能源系统被认为是确保能源安全和减少气候变化影响的关键步骤，因为它们能够推动脱碳化的发展，为化石燃料提供可持续替代方案，同时减少碳排放并应对气候变化[1]。包括太阳能、风能、地热能在内的可再生能源在这方面的作用至关重要，每种能源都有其独特的优势和劣势。太阳能和风能在运行过程中产生的温室气体排放较低，有助于降低总体排放并改善空气质量[2]。然而，这些能源的输出具有间歇性，且受天气条件影响，这对电网稳定性和持续供电带来了挑战[3]。由于太阳能和风能的间歇性以及其输出随天气和日光变化，储能技术对于平衡供需和维持电网稳定至关重要。虽然有多种主要的储能技术（从电池到热储能），但氢气也可以作为化学储能介质。绿色氢气通过电解技术制备，该过程将水分解为氢气和氧气而不会产生二氧化碳（CO2），提供了一种可持续的储能方式和清洁燃料[4]。相比之下，化石燃料转化技术（如蒸汽甲烷重整、部分燃烧等高温反应）利用热能和化学过程从化石燃料或水源中提取氢气，但这些技术通常会导致显著的二氧化碳排放，除非采用碳捕获系统[5]。从生物质中生产氢气是一种可持续的方法，旨在将废物转化为清洁燃料。生物质包括农业残留物、林业废弃物、市政固体废弃物和污水污泥等有机物质，可以通过气化和热化学过程转化为氢气[6]。在气化过程中，生物质在氧气、蒸汽或空气中被加热至高温（通常为700-1000°C），有机物质转化为主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳和轻质碳氢化合物组成的混合气体（即合成气）[7]。由于人口增长和气候变化，淡水资源变得日益稀缺，海水淡化成为满足能源和用水需求的重要手段[8]。

当今社会迫切需要有效的废水管理。未经处理的废水管理不当会导致严重的水污染、生态系统破坏和健康风险，从而加剧环境问题[9]。政府和组织正在逐渐将其气候和环境政策中的重点放在可持续废水处理和可再生能源开发上，以解决这些问题。将废物能量转化为能源的方法对于提供废水管理和清洁能生产具有重要意义[10]。厌氧消化、气化和热解等工艺有助于将有机废物和污水污泥转化为沼气、合成气或氢气，减少对废物的依赖[11]。将这些工艺应用于污水处理厂可以提升系统的可持续性并降低温室气体排放（包括二氧化碳[11]。

建筑业的电力消耗是温室气体排放的主要来源，主要用于供暖、制冷、照明以及家用电器的运行。大部分电力需求依赖于化石燃料的燃烧，这一过程会大幅增加二氧化碳排放并恶化空气质量[12]。为减少建筑环境的影响，建议采用被动式太阳能供暖、改进绝缘材料，并优化暖通空调（HVAC）系统[13]。利用可再生能源（包括储能技术和氢气）驱动的热力循环系统能够提供可靠且可持续的电力供应，特别是在太阳能和风能输出不稳定的情况下[14]。这种多联产集成方案有效解决了清洁能源领域的关键问题，并确保了能源安全。在传统热力发电系统中，大量热能被浪费掉；而在多联产系统中，废热被多次利用[15]。多联产系统可将废热转换为多种形式的能源，从而提高能源和能量利用率[16]。将可再生能源、绿色氢气和废物转化为燃料与化石能源相结合的混合系统相比，能够显著降低温室气体排放[17]。这类系统通过提供多种形式的输出，增强了能源供应的可靠性，确保能源、水、供暖和制冷的稳定供应。在工业领域，这些系统通过利用余热流降低运营成本，提高效率[17]。即使在燃料供应中断或极端天气条件下，这些系统也能保证能源供应的连续性[18]。

大量关于多联产系统的研究显示，将可持续能源与热力循环相结合是一种提高效率和可持续性的可行策略[20-25]。Kilicaslan等人提出了一个混合生物质-太阳能系统，用于满足家庭用电、淡水和供暖需求，能源效率达34.94%[20]；Shahid等人评估了一个集成了太阳能、生物质燃烧和相变材料（PCM）储能的多联产系统，实现了28.0%的能源效率和18.9%的能量利用率[21]；Ayou和Eveloy设计的系统结合了区域制冷、电力生产和液化天然气（LNG）再气化，利用低至中等品质的废热实现了45.5%的能量利用率，每吨LNG节省了135千瓦时的电能，提供了22.1兆瓦的冷却能力和9.4兆瓦的电力，每年减少二氧化碳排放51.5千吨[22]；Rabbani等人研究了可再生能源与燃气轮机和朗肯循环系统的结合，产生了500兆瓦的电力和热水，系统效率达68%[23]；Colakoglu和Durmayaz研究了太阳能塔式多联产系统，结合了布雷顿循环、有机朗肯循环和Goswami循环，实现了51.99%的能源效率和37.99%的能量利用率[24]；Wen和Aziz提出了一个利用太阳能和风能的多功能集成系统，结合氢气和氨气储存，提供了稳定的10兆瓦电力供应，能源效率为50%，能量利用率达73.1%，每年产生994.5吨氢气和7,201吨氨气[25]。现有多联产系统的研究存在一些不足，本研究旨在填补这些空白。

**2. 系统描述**
所提出的系统结合了太阳能热能与先进的热力循环技术，实现了电力、热能、淡化水、氢气和甲烷的同时生产，并通过有效的废热回收提高了整体能源和能量利用率。系统采用了有机朗肯循环（ORC）和氨水吸收式冷却循环来增强发电能力和冷却效果。该系统的设计基于美国内华达州的一个定日镜场，该地区的年平均全球水平辐照度约为226.5千瓦时/平方米，具备较高的太阳能潜力，有利于集中式太阳能发电（CSP）系统的可靠高效运行[26]。此外，还整合了一个基于生物质的能量子系统，通过干燥、热解和气化等热化学过程将市政固体废弃物（尤其是污水污泥）转化为氢气和甲烷等有价值的燃料，促进了环境可持续性和资源回收[26]。图1展示了该集成多联产系统的配置，明确了各子系统之间的能量流动路径和相互作用方式[27]。该系统采用两阶段布雷顿循环，以环境空气作为工作流体，并利用中间冷却器提高压缩效率；在白天，压缩空气经过太阳能加热后用于发电；夜间或太阳能不足时，则使用氢燃料进行运行[28]。该系统有效利用了布雷顿循环产生的废热，用于多种下游活动，如生产饮用水、家庭供暖、冷水储存和市政污水污泥干燥[28]。有机朗肯循环利用布雷顿循环产生的废热，以异丁烷作为工作流体，进一步提高了能源转换效率[29]。该系统还利用ORC产生的冷凝液为氨水制冷系统提供动力，实现了高效的食品冷却[30]。该系统的有效性源于其对吸收循环中废热的战略性再利用[31]。

**3. 结论**
本研究的主要目标包括：
(i) 开发并热力学评估一种能够生产电力、供暖、冷却、饮用水、氢气和甲烷以及提供废物管理服务的集成住宅多联产系统；
(ii) 以太阳能为主要能源驱动混合动力系统（包括布雷顿循环、有机朗肯循环（ORC）和氨水吸收式冷却循环），实现废热回收并提升系统整体效率；
(iii) 将市政污水污泥转化（干燥-热解-气化）纳入能源平台，生成富含氢气和甲烷的燃料，同时实现城市废物管理与清洁能生产的结合。

本研究的主要创新点包括：
(i) 在太阳能辅助的多联产框架中，将市政污水污泥转化为燃料与热力循环的结合；
(ii) 在单一热级联结构中同时耦合布雷顿循环、有机朗肯循环、氨水吸收式冷却和MSF海水淡化技术；
(iii) 引入顺序废热利用策略，逐步将高级热能用于发电、冷却、水资源生产和燃料加工增值。

该研究的贡献包括：
(i) 对全集成多联产配置的热力学性能评估，实现了从单一能源平台的多重输出服务；
(ii) 包括资本成本估算、运营成本节约和折现回收期分析在内的定量技术经济分析；
(iii) 环境影响评估，显示相对于天然气基础能源供应，该系统可大幅减少二氧化碳排放。开发的集成多联产能源系统的示意图

MSF海水淡化系统采用热过程将海水转化为饮用水。预热的盐水被引入一系列低压腔室中，在那里由于压力降低而快速蒸发。产生的蒸汽在换热管上冷凝生成淡水，而剩余的盐水的浓度逐渐增加。MSF系统具有适应性和高效性，能够处理较大容量的含盐水，适合持续运行以满足需求。然而，它需要大量的能源。这个想法涉及利用压缩机中间冷却器的换热器产生的废热，并将其与废热回收或可再生能源结合，以提高整体效率、可持续性和压缩机性能。

污水处理污泥的初始过程是从市政基础设施排水网络收集废水开始。然后利用布莱顿循环排气和直接太阳能产生的低级废热对污泥进行脱水，以减少水分含量，提高工艺效率，并为其转化做好准备。充分干燥后，材料进行热解，随后在缺氧气氛（550至700°C）中加热，将有机物质热分解为挥发性化学物质和炭残渣。在热解之后，系统将炭和挥发物引入气化阶段，利用空气将生物质转化为合成气，包括氢、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。污水处理污泥的气化产生具有相对较高热值的可燃气体，适用于后续的能量转换（详见参考文献[27]）。

3. 建模与分析
在系统热力学分析和建模以及仿真中，有效地使用了工程方程求解器（EES）和Aspen Plus软件包，这些工具内置了热力学表格，有助于获得概念上正确的解决方案。这样的解决方案需要正确编写质量、能量、熵和?的平衡方程，并根据系统输入和输出正确定义能量和?效率[28]。以下特定假设为分析评估开发的系统提供了基础：
- 所有组件在稳态条件下运行。
- 假设所有气体物质都像理想气体一样行为。
- 忽略了动能和势能及?的变化。
- 压缩机、涡轮机、泵和节流阀过程中发生绝热过程。
- 涡轮机的等熵效率为90%，压缩机的等熵效率为85%，泵的等熵效率为85%。
- 系统组件在运行过程中几乎没有热量损失。
- 参考温度和压力分别为25°C和101.3 kPa。
- 太阳的有效温度为（5778 K）。
- 反应物在反应室内根据化学计量反应完全转化。
- 太阳能系统使用平均太阳辐射强度。
- ORC和吸收循环中的工作流体是纯净的，不会随时间降解或泄漏。
- 氢燃烧以完全反应的形式进行。
- 生物质（污水处理污泥）的原料组成基于报告的最终分析值保持不变。
- 在建模期间，热存储单元的热损失可以忽略不计。
- 辅助电气负荷（控制、泵、储能用压缩机）根据需要占总功率输出的3-5%。

3.1. 热力学分析
用于当前开发的集成系统中每个组件的热力学评估的质量、能量、熵和?平衡方程如表1所示，基于参考文献[28]中概述的具体方法。

表1. 系统内每个组件的质量、能量、熵和?平衡方程

3.2. 太阳能热收集器
布莱顿循环换热器接收的太阳热输入使用平均且均匀的太阳辐照度进行建模，而不是瞬态太阳数据。如图2所示，内华达州的反照镜场具有强烈且稳定的太阳资源，年平均全球水平辐照度为226.5 kWh/m2。

图2. 内华达州反照镜场位置的月度全球水平太阳辐照度分布 数据来自Global Solar Atlas（数据来源[29]）
使用这个平均辐照度值作为每次仿真的边界条件，因为研究的目的是评估多联产系统在稳态运行条件下的热力学设计性能，而不是模拟短期气象变化。太阳接收器吸收的热量计算如下：

3.3. 燃烧室
作为燃料的氢所需的热量及其在1000 K下的产物温度，可以写出一般化学反应：
H2 + 0.5[O2 + 3.76N2] → H2O + 1.88N2
为了确定绝热火焰温度，假设燃烧过程是绝热的，即向周围环境的热传递可以忽略不计。在这种情况下，稳态流动反应系统的第一定律能量平衡简化为反应物的总焓与产物的总焓相等。相应的控制关系可以表示为：

3.4. 多级闪蒸淡化系统
多级闪蒸淡化系统是一种常见的热淡化技术，特别是在有足够海水和热能供应的地区。MSF过程基于闪蒸原理，其中预热的盐水在多个阶段连续降压，导致部分水分蒸发。蒸汽在换热管上冷凝生成蒸馏水（淡水），而剩余的盐水在通过每个阶段时变得越来越浓缩[30]。
本工作将MSF淡化子系统集成到多联产系统中，利用废热并额外产生饮用水，如图3所示。对MSF淡化单元做出以下假设：(i)蒸汽以100°C和101.325 kPa进入第一阶段，入口盐水温度为20°C和101.325 kPa，盐水的盐浓度为35 g/kg。过程开始时，由于压力下降，部分盐水蒸发。产生的蒸汽在传热表面冷凝生成淡水，而剩余的盐水以更高的盐浓度排出。这种蒸汽立即作为后续阶段的加热介质，进一步促进闪蒸和冷凝，从而提高水的回收率。该过程通过一系列步骤进行，直到最终阶段，生成浓盐水和淡水总输出。使用Aspen HYSYS软件模拟该子系统，采用Peng-Robinson Stryjek-Vera热力学性质技术，该技术广泛用于盐水和气液平衡系统。模拟从盐浓度为0.035质量分数的海水开始，最终盐浓度达到0.07，符合MSF性能的典型回收比。从与布莱顿循环废热流相连的HE-1换热器提取的热量用于预热盐水供应，输送速率为2.78 kg/s。三阶段MSF单元生成1.03 kg/s的淡水。

3.5. 污水处理
在Aspen Plus中开发并模拟了一个模型，以评估使用干燥、热解和气化处理污水处理污泥的结果。该方法评估了加热效率、氢和甲烷产量，以及污泥处理集成到完整多联产系统中的效果。图4显示了处理污水处理污泥的方法的示意图，确保了从干燥到热解和气化的操作顺序。污水处理污泥（SS）处理的初始步骤是干燥，这对于在热化学转化前降低高天然水分含量（通常为65-80%）至关重要。干燥使用对流空气加热和太阳能辅助温室系统进行模拟。具体的干燥过程分为六个步骤：准备、分配、通风、太阳能加热、通风和完成。污水处理污泥在对流带式干燥机中处理，将其水分含量从70%降低到低于10%。能耗记录为每千克蒸发水0.83至0.85 kWh，相当于每立方米污泥595 kWh的总干燥能量[31]。结合太阳能辅助干燥显著降低了净能量需求，特别是在太阳辐射高的地区。

3.6. 气化系统
在Aspen Plus中对气化阶段进行建模，以表示高温热化学转化热解后的污水处理污泥为富氢合成气。气化定义为仅涉及 oxidation 和 reduction 反应的过程。气化通常在700°C至1000°C的温度范围内进行，其中剩余的炭与控制量的气化剂（包括蒸汽、氧气和二氧化碳）反应。该过程使用化学计量（RStoic）和平衡（RGibbs）反应器的组合进行建模，以确保准确表示反应动力学和热力学平衡合成气[33]。
控制污水处理污泥气化的主要反应如下：
(4) 水蒸气气化反应：C + H2O → CO + H2
(5) Boudouard反应：C + CO2 → 2CO
(6) 氢气化：C + H2 → CH4
(7) 部分氧化：C + 0.5O2 → CO
这些反应同时发生，决定了生成合成气的最终组成。水-气转换反应在富含蒸汽的条件下尤为重要[33]。
污水处理污泥的整体气化过程可以概括为：
(8) 污水处理污泥 + 气化剂 → CO(g) + H2(g) + CO2 (g) + CH4(g) + 轻质烃 + 硫化物（H2S, NH3）

3.7. 整体系统效率
使用能量和?效率定义评估所提出的集成多联产系统的整体性能，运行周期为24小时，包括14小时的太阳能辅助运行和热能存储（系统中直接使用8小时太阳能和热能存储充电6小时）以及10小时的生物质/氢支持的布莱顿循环运行。
集成系统的整体能量效率基于每日总输出和输入定义，即总有用能量输出与总外部能量输入的比率。其表示如下：
Etotal表示一天内提供给集成系统的总能量。以下是经过整理后的文本：

(10) Esolar的计算方法如下：
(11) 如前所述， 是平均太阳辐射强度，值为226.5千瓦/平方米。t是有效日照小时数，此处为8小时。
(12) 生物质量的计算方法如下：
(13) 是生物质输入速率， 是生物质的热值，为14.56兆焦耳/千克。tb是生物质驱动运行周期。
(14) 整个系统的总熵效率定义如下：
(15) 其中 是系统的网络输出（千瓦）， 代表相应的质量流量（千克/秒）， 是比熵（千瓦焦耳/千克）， 代表来自热交换器2的热传递率， 代表来自冷凝器的热传递率， 代表吸收器的热传递率， 代表来自蒸发器的热传递率。
(16) 其中 是高压布雷顿涡轮的工作输出， 是低压布雷顿循环涡轮的工作输出。
(17) 总熵输入（Extotan输入）可以表示为：
(18) 太阳能熵输入可以定义如下：
(19) 生物质量的计算方法如下：
(20) 结果与讨论
(21) 该系统的热力学分析是为城市发展中的住宅区设计的。通过求解表1中显示的能量平衡方程，利用工程方程求解器（EES）和AspenPlus软件包获得的热力学状态参数，通过进行一些参数研究来分析某些变量的影响，如涡轮入口温度、参考温度和压缩比等。
(22) 图5展示了涡轮入口温度在940°C至1000°C范围内，能量效率与熵效率的变化情况。结果表明，随着温度的升高，两种效率均下降，熵效率的下降更为明显。能量效率从940°C时的49.3%降至1000°C时的48.58%，下降了1.58个百分点，表明在较高温度下增加的热输入并未完全转化为有用的能量输出。相比之下，熵效率显著下降，从41.65%降至40.01%，下降了3.93个百分点，这突显了系统中不可逆过程的影响加剧。这种行为主要是由于在较高操作条件下温度梯度增大，加剧了熵的产生和熵的破坏，尤其是在燃烧室和热交换过程中。

(23) 尽管提高涡轮入口温度可以增加可用能量并支持更高的工作潜力，但其中大部分额外输入因热力学损失而耗散，未能得到有效利用。因此，能量效率和熵效率均有所下降，其中熵效率对这些损失的敏感度更高。
(24) 图6显示了系统输出（包括电力、热量和冷却）随涡轮入口温度在900°C至1000°C范围内的变化情况。结果显示，所有输出参数均随温度升高而呈现明显且一致的上升趋势。电力输出从900°C的1584千瓦增加到1000°C的2384千瓦，增加了800千瓦（50.5%），表明在较高温度下能量转换能力得到增强。同样，有用热量输出从6.105千瓦增加到105.4千瓦，显示出由于高温下热回收效率提高而带来的显著增长。冷却输出也从4.475千瓦增加到77.29千瓦，反映了高温下热能可用性的提高所带来的冷却子系统性能提升。
(25) 然而，这种有用的输出增加伴随着熵破坏率的增加，从1620千瓦增加到1795千瓦，增加了175千瓦（10.8%）。这表明尽管较高的涡轮入口温度提高了总体能量输出，但也加剧了系统内部的不可逆过程。熵破坏的增加主要归因于较大的温度梯度、更高的燃烧不可逆性和热交换过程中的熵生成增加。
(26) 图7展示了能量效率与参考温度在5°C至35°C范围内的变化情况。结果表明，能量效率在整个参考温度范围内保持恒定，为48.58%，表明系统的第一定律性能不受环境参考状态变化的影响。相比之下，熵效率呈现出逐渐下降的趋势，从5°C的40.50%降至35°C的39.76%，下降了约0.74个百分点。这种下降归因于熵分析依赖于参考环境的选择。
(27) 随着参考温度的升高，热量和功相互作用中的熵含量减少，导致计算出的熵效率降低。这一现象突显了第二定律性能对参考条件选择的敏感性。较高的参考温度降低了系统的最大理论工作潜力，从而增加了相对熵破坏并降低了熵效率。总体而言，结果强调在优化涡轮入口温度以实现性能提升和热力学效率的同时，必须仔细评估熵效率，以减少不可逆效应的影响。
(28) 图8展示了能量效率与压缩比在5至30范围内的变化情况。结果表明，两种效率均随压缩比的增加而提高，表明系统性能整体得到改善。能量效率从压缩比为5时的34.26%显著增加到压缩比为30时的47.03%，增加了约12.77个百分点，表明随着压缩过程变得更有效，输入能量向有用输出的转换效率得到提高。
(29) 同样，熵效率从33.20%增加到42.43%，提高了9.23个百分点，表明系统中可用能量的利用率提高，相对熵损失减少。这种改善主要归因于较高压缩比下实现的更高压力和温度，从而提高了燃烧效率并增加了有用功的提取潜力。观察到的趋势表明，增加压缩比可以通过改善热力学条件来提高第一定律和第二定律的性能。然而，随着压缩比的进一步增加，改进速率逐渐减弱，表明接近最佳运行范围时进一步提高的效益可能有限。总体而言，结果强调了压缩比在提高系统效率中的关键作用，并强调了选择最佳值以平衡性能增益和系统限制的重要性。
(30) 图9展示了全年太阳能集热器产生的热能输出与太阳辐射量的月度变化情况。结果表明，在太阳辐射较强的月份（通常是夏季），由于太阳辐射强度增加和日光时间延长，热能输出达到最大值。相反，在冬季月份，太阳辐射减少导致热能产出明显下降。

(31) 这种行为主要受太阳集热器性能对入射辐射依赖性的影响，较高的辐射增强了有用的热量获取和整体集热器效率。此外，环境温度和太阳角度的季节性变化影响了有效吸收和热损失，进一步影响了输出。结果证实，太阳集热器对气候条件非常敏感，其性能随太阳可用性的季节性模式变化而变化。与以往专注于部分集成的研究（例如，电力-氢能、电力-冷却或氢-氨系统）不同，本研究有一个明确的目标：开发一个住宅规模的热自给多能源生成平台，该平台在一个统一的框架内同时集成太阳能、氢能、污泥废物转化为燃料、电力生成、供热、冷却、饮用水生产和热能储存。这一目标通过表3中的比较得到了进一步证实。虽然已有文献中存在单独的子系统（布雷顿循环、ORC、吸收式制冷、气化），但比较清楚地表明，之前的研究从未同时集成市政污泥热解/气化生产氢气和甲烷、太阳能辅助的布雷顿循环与氢气备用、ORC和氨-水吸收循环用于多级废热级联以及淡水生产和热能储存。如表3所示，先前报告的能量效率通常在28-66%之间，而熵效率在18.95-9.5%之间，具体取决于系统配置。当前系统实现了48.58%的能量效率和40.01%的熵效率，同时提供了更广泛的输出（电力、供热、冷却、饮用水、氢气、甲烷和储存）。

(32) 此外，如表4所示，已发布的成本数据和排放因子清楚地表明，太阳能/生物质驱动的布雷顿-ORC系统相比化石燃料系统具有显著的环境优势，且资本成本不会大幅增加。对于1000千瓦级别的工厂，太阳能/生物质布雷顿循环与ORC的报告资本成本在1500-2500美元/千瓦之间，与化石燃料布雷顿系统相当。然而，关键区别在于排放：可再生配置的排放仅为0.02-0.08千克二氧化碳/千瓦时，而化石燃料布雷顿循环的排放为0.45-0.95千克二氧化碳/千瓦时。这表明可再生路径的主要优势在于碳强度的显著降低，而非成本增加。

(33) 表4还强调了热驱动子系统在提高系统级可持续性方面的作用。氨-水吸收冷却系统（150千瓦规模）运行时不产生直接二氧化碳排放，因为它由回收的热能而非电力或燃烧提供动力。同样，MSF海水淡化装置具有较大的淡水生产能力（文献中为2220立方米/小时），也是热驱动的，因此也几乎没有直接排放。这些子系统表明，级联废热可以实现冷却和水的生产，而无需额外消耗燃料，从而显著提高了整体系统效率并降低了环境影响。生物质/污泥转化子系统进一步增强了环境效益。文献数据显示，污泥转化为能源的路径可以通过替代化石燃料和减少填埋场甲烷排放来实现净减排。因此，废物转化为燃料的道路不仅促进了燃料多样化和资源回收，还有助于碳减排和循环经济的整合。
(34) 当这些基于文献的参数应用于所提出的多能源生成输出（3391千瓦电力、939千瓦供热、150千瓦冷却以及每天1500立方米的淡水，再加上氢气和甲烷）时，集成的太阳能-生物质配置的运行排放量远低于基于天然气的替代方案。鉴于化石燃料的排放因子接近0.5-1千克二氧化碳/千瓦时，可再生能源系统能够实现超过65-70%的二氧化碳减排。

(35) 进行了技术经济评估，以美国内华达州作为参考地点，并使用了表4中总结的基于文献的单位资本支出（CAPEX）值和排放因子。此外，还使用了内华达州的电网特性来基准测试“照常运行”情况。内华达州的电力概况报告显示，电网的平均二氧化碳强度为631磅二氧化碳每兆瓦时（0.286千克二氧化碳每千瓦时），平均零售电价为11.47美分每千瓦时[35]。根据系统输出的数据，包括3391千瓦的电力、939千瓦时的供暖、343千瓦时的制冷以及每天1500立方米的淡水需求，可以从传统公用事业公司购买相同服务的基准成本可以如下估算：电网提供的电力每年费用为375万美元（3391千瓦 × 0.1147美元/千瓦时 × 8760小时）。由传统蒸气压缩式制冷机（COP = 3.5）提供的制冷设备每小时耗电42.9千瓦时，年费用为4000美元。使用天然气锅炉提供的供暖服务，按照内华达州的典型收费标准（0.04-0.07美元/千瓦时），每年费用为33万至58万美元（939千瓦时）。假设水价为0.5-1.2美元/立方米，每天生产1500立方米的淡水每年将增加28万至66万美元的成本。因此，传统公用事业服务的总基准成本估计为每年450万至580万美元。

所提出的多联产系统主要以太阳能驱动，并利用废热进行循环利用，因此运营成本仅限于运营维护（O&M）、辅助能源和维护费用。这些费用保守地估计为资本支出的2.5%，即每年18万至28万美元，远低于传统公用事业的费用。该系统的初始资本投资为1102万美元。

一个关键观察结果是，累积折现现金流在第三年从零线以上开始，第一个正值出现在第三年。这表明在该州的能源价格条件下，系统的折现回收期为2.5至3年。回收期过后，该项目将产生持续的经济效益，在第10.42年时累计折现利润超过2100万美元。

**环境影响评估**
在基准情景下，内华达州电网提供的3391千瓦时/小时的电力（排放因子为0.286千克二氧化碳/千瓦时）会产生970千克二氧化碳/小时。传统蒸气压缩系统提供的制冷设备每小时耗电42.9千瓦时（COP = 3.5），从而增加12千克二氧化碳/小时；而使用电驱动反渗透（RO）技术生产淡水（62.5立方米/小时 × 3.5千瓦时/立方米 = 219千瓦时/小时）会产生63千克二氧化碳/小时。综上所述，电力、制冷和淡水服务的总二氧化碳排放量为1045千克/小时。相比之下，所提出的系统通过太阳能驱动的循环系统提供电力，通过热驱动的吸收过程实现制冷，并通过废热淡化技术生产淡水，这些服务的直接运营排放量为0千克二氧化碳/小时。

供暖相关的排放量需要单独报告，因为它们取决于锅炉效率和燃料的性质。使用天然气锅炉满足939千瓦时的供暖需求（排放因子为0.18-0.20千克二氧化碳/千瓦时），在基准情况下每小时会产生169-188千克二氧化碳；而所提出的系统则通过回收废热提供供暖，同样实现0千克二氧化碳/小时的排放。进一步比较显示，化石燃料的布雷顿/联合循环发电厂（Brayton/CCPP）的排放强度为0.45-0.95千克二氧化碳/千瓦时，它们在产生2393千瓦电力时会产生1526-3221千克二氧化碳；而太阳能/生物质辅助系统仅产生68-271千克二氧化碳/小时。这些关键结果清楚地表明了所提多联产系统的显著环境优势。在基于传统公用事业的运行模式下，电力、制冷和淡水生产本身每小时排放1045千克二氧化碳；如果包括天然气供暖，总排放量会上升至1215-1233千克二氧化碳/小时。相比之下，所提出的系统在运行过程中没有直接二氧化碳排放——电力由太阳能驱动，制冷和淡化过程依赖热能，供暖通过废热回收实现。与化石燃料的布雷顿发电相比，该系统实现了82-98%的电力相关排放减少；总体运营排放量相比天然气供电方式减少了90%以上。

**结论**
本研究评估了一种结合了太阳能和氢动力布雷顿循环、有机 Rankine 循环（ORC）、氨水冷却、市政污泥处理以及海水淡化技术的住宅综合能源系统。主要研究结果如下：
- 系统性能方面，该系统的整体能源效率和能量效率分别为47.03%和42.43%。总资本投资为713万至1102万美元，太阳能驱动系统的年运营成本控制在18万至28万美元之间，每年节省超过400万美元，折现回收期为三年。
- 在运营排放方面，排放量从基准情况下的1215-1233千克二氧化碳/小时降至0千克二氧化碳/小时，实现了82-98%的电力相关排放减少和超过90%的总排放量减少。
- 关于本研究的局限性，需要注意的是，系统运行基于年平均太阳辐射强度的假设，而实际太阳辐射强度存在波动。设计中考虑了储能选项以平衡供需矛盾。在对集成系统的热力学分析和评估中也做了一些假设，以满足平衡方程的要求。还需要考虑系统中每个组件的具体损失和不可逆性。
- 在成本评估方面，由于该系统是概念性的，因此做了一些假设。
- 最后，有必要通过开展能源经济分析（将能量和能量损失与成本参数联系起来）、生命周期评估（研究整个系统及其组件的整个生命周期以获得真实的环境影响评估），以及多目标优化研究（确定最佳设计和运行条件以及能量、能量效率、成本和环境性能输出），进一步研究该系统。

**作者贡献声明**
Imadeldinn Abdallah：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、调查、数据分析、数据整理。
Ibrahim Dincer：撰写审查与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论指导、概念构思。