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研究作者及机构

本研究的主要作者包括Haonan Xie、Hui Hwang Goh、Dongdong Zhang等，他们分别来自广西大学、南开大学、厦门大学、纽卡斯尔大学、马来西亚沙巴大学等机构。该研究于2024年4月27日发表在期刊Applied Energy上，论文标题为《Eco-energetical analysis of circular economy and community-based virtual power plants (CE-CVPP): A systems engineering-engaged life cycle assessment (SE-LCA) method for sustainable renewable energy development》。

学术背景

本研究的主要科学领域为可再生能源开发与可持续发展，特别是在社区虚拟电厂（Community-based Virtual Power Plant, CVPP）与循环经济（Circular Economy, CE）的结合方面。随着全球能源需求复杂性的增加以及气候变化、自然灾害等问题的加剧，传统的能源系统面临严峻挑战。尽管已有大量研究关注可再生能源和先进技术（如人工智能、云计算等），但仍存在对现场条件分析不足、可持续发展证据缺乏以及系统性方法论不完善等问题。本研究旨在通过整合社区参与和循环经济原则，提出一种新型的可再生能源发展模式——循环经济与社区虚拟电厂（CE-CVPP），以促进可持续发展并推动能源系统的韧性进步。

研究流程

本研究分为以下几个主要步骤：

1. 目标与范围定义
   研究首先明确了CE-CVPP模型的目标，包括社区可再生能源供应、能源需求管理以及社区参与管理。研究以哈尔滨一家医院为例，构建了一个商业社区模型，用于能源和环境分析。研究范围涵盖了太阳能、生物质能和地热能等可再生能源的利用，并通过系统工程的框架进行全生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）。

2. 系统建模与描述
   研究提出了一个基于系统工程的全生命周期评估方法（SE-LCA），并将其应用于CE-CVPP系统。该系统的核心是通过太阳能、生物质能和地热能的结合，满足建筑的电力、供热和制冷需求。系统的主要组件包括有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）、太阳能辅助气化系统、地源热泵（Geothermal Source Heat Pump, GSHP）等。

3. 生命周期清单分析
   研究对系统的全生命周期进行了详细的清单分析，涵盖了原材料获取、设备制造、系统建设、系统运行以及材料回收等五个阶段。清单分析中考虑了钢材、铜、铝等原材料的消耗，以及二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放。

4. 影响评估
   研究从能源、环境和经济三个角度对系统进行了评估。能源效率、全生命周期一次能源节约率（Full-Lifecycle Primary Energy Saving Ratio, FL-PESR）、全生命周期大气污染物减排率（Full-Lifecycle Atmospheric Pollutants Emission Reduction Ratio, FL-APERR）以及全生命周期年度总成本节约率（Full-Lifecycle Annual Total Cost Saving Ratio, FL-ATCSR）是主要的评估指标。

5. 案例分析与优化
   研究以哈尔滨一家医院为例，对CE-CVPP系统进行了案例研究。通过模拟和优化，研究得出了系统的能源效率、污染物减排率以及成本节约率等关键数据。

主要结果

1. 能源效率
   研究结果显示，CE-CVPP系统的能源效率显著高于传统系统。系统的全生命周期一次能源节约率达到了67.21%，表明该系统在能源利用方面具有显著优势。

2. 环境效益
   系统在全生命周期内对大气污染物的减排效果显著，其中二氧化碳当量（CO2-eq.）减排率为74.85%，二氧化硫当量（SO2-eq.）减排率为53.50%，PM2.5当量（PM2.5-eq.）减排率为51.69%。这些结果表明，CE-CVPP系统在减少温室气体排放和改善空气质量方面具有重要作用。

3. 经济效益
   研究显示，CE-CVPP系统的全生命周期年度总成本节约率为54.21%。尽管系统在设备投资和维护成本上高于传统系统，但其在运行成本和环境税方面的节约显著。

结论

本研究通过整合社区参与和循环经济原则，提出了一种新型的可再生能源发展模式——CE-CVPP，并通过系统工程和全生命周期评估方法对其进行了系统性研究。研究结果表明，CE-CVPP系统在能源效率、环境效益和经济效益方面均优于传统能源系统，具有显著的可持续发展潜力。该研究不仅为能源和电力行业提供了新的理论和方法，还为全球碳中和目标的实现提供了重要的技术支撑。

研究亮点

1. 创新性模型
   CE-CVPP模型首次将社区参与和循环经济原则整合到可再生能源系统中，为可持续发展提供了新的思路。

2. 系统性方法
   研究提出的SE-LCA方法结合了系统工程和全生命周期评估，增强了研究的科学性和系统性。

3. 多维度评估
   研究从能源、环境和经济三个维度对系统进行了全面评估，为可再生能源系统的优化提供了全面的数据支持。

其他有价值的内容

研究还探讨了CE-CVPP系统在不同社区类型（如城市居民社区、农村居民社区、商业中心社区和工业企业社区）中的应用潜力，为未来的研究提供了方向。此外，研究还提出了基于社区资源条件和能源需求的个性化系统设计建议，进一步增强了该模型的实用性和可推广性。

本研究通过创新的理论和方法，为可再生能源的可持续发展提供了重要的理论和实践支持，具有广泛的学术和应用价值。