چکیدهحدود دو سوم انرژی جهان در شهرها مصرف می‌شود. در کنار راهکارهای متعددی که برای کاهش تقاضای انرژی ارائه شده است، برخی فناوری و پژوهش‌ها نیز در راستای بهینه‌سازی عرضۀ انرژی بوده‌اند. فناوری تولید همزمان برق و حرارت، جزو فناوری‌هایی است که در چند دهۀ گذشته بسیار توسعه یافته است. مدیریت سامانۀ انرژی شهری در بخش عرضه با استفاده از این فناوری، مسائل و پیچیدگی‌های متعددی دارد که مانع عملیاتی شدن در شهر‌های بزرگ شده است. در این پایان نامه پس از بررسی شهر و منابع مورد نیاز آن، مسائل فنی و نقاط قوت و ضعف فناوری تولید همزمان بررسی گردیده است. الگوی توسعه داده شده با هدف بیشینه‌کردن استفاده از انرژی سوخت برای برای پنج صحنۀ مختلف شبیه سازی شد. در صحنۀ اصلی حدود 24% در هزینه‌های سوخت و در مجموع 20% صرفه جویی نسبت به صحنۀ کنونی به وجود آمده است. بر پایۀ نتایج شبیه سازی، متوسط گرمای تولیدی در واحدهای تولید همزمان، حدود 429 مگاوات است. کل انرژی گرمایی تولیدی در این واحد‌ها در طول سال حدود 3.75 میلیون مگاوات ساعت خواهد بود. با فرض فروش این منبع به قیمت تمام شدۀ آّب گرم برای مصرف‌کنندۀ خانگی، سالانه حدود 163 میلیون دلار درآمد از محل صرفه جویی انرژی حاصل خواهد شد که بازگشت سرمایه گذاری حدود 240 میلیون دلاری برای نصب نیروگاه‌های تولید همزمان است. بازگشت سرمایۀ این طرح، طی کمتر از دو سال (حدود 1.5 سال) و با فرض افزایش نیافتن قیمت حامل های انرژی، بازگشت این سرمایه گذاری برای دورۀ سه ساله در حدود 46% خواهد بود.کلمات کلیدی: تولید همزمان برق و حرارت، شبکۀ انرژی شهری، تحلیل اقتصادی، بهینه‌سازی عرضۀ انرژی فهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول. 11 مقدمه و کلیات تحقیق 11.1 مقدمه. 21.2 شهر. 21.2.1 منابع مورد نیاز شهر. 21.2.2 مدیریت منابع شهری.. 51.2.3 محدودیت منابع و اثرات محیط زیستی.. 81.3 فناوری‌های تولید همزمان برق و گرما81.3.1 مبانی ترمودینامیکی.. 91.4 سامانه‌های تولید همزمان. 17فصل دوم. 202 ادبیات و پیشینۀ تحقیق.. 202.1 مقدمه. 212.2 شبیه سازی سامانه‌های انرژی.. 212.3 شبیه سازی سامانۀ انرژی شهر. 24فصل سوم. 263 روش تحقیق 263.1 مقدمه. 273.2 روابط و معادلات... 273.3 تابع هدف 313.3.1 نرم افزار. 333.3.2 انتخاب ابزارهای تولید توان. 333.3.3 اجزای سامانۀ تولید همزمان برق و حرارت... 49فصل چهارم. 524 محاسبات و یافته‌ها تحقیق.. 524.1 مقدمه. 534.2 فرضیات الگو. 534.2.1 حل و نتایج.. 59فصل پنجم. 715 نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها715.1.1 تحلیل و نتیجه گیری اقتصادی.. 735.2 پیشنهاد‌های برای ادامۀ کار. 74منابع و مراجع.. 76Abstract79 فهرست جداولجدول 1‑1 – تغییرات سامانۀ انرژی شهری در انگلستان و اثرات آن در طول زمان [20]6جدول 3‑1 - میزان آلاینده‌های تولیدی (غیر از SOx) در واحدهای مختلف (قسمت در میلیون)[8]47جدول 3‑2 – شاخص‌های عملکردی و هزینه‌ای مولدهای قدرت [3]50جدول 4‑1- نحوۀ شماره گذاری مناطق شهر. 53جدول 4‑2- جمعیت و تعداد خانوار استان و شهر تهران در سال 1388 [16]53جدول 4‑3 - توزیع جمعیت در هریک از مناطق شهر فرضی.. 54جدول 4‑4 - مصرف نهایی گاز طبیعی در بخش‌های مختلف به تفکیک استان و نوع مصرف در سال 1388 [17]54جدول 4‑5 – تعداد و انواع مشترکین برق استان تهران [18]55جدول 4‑6 - مقدار فروش برق بر حسب نوع مصرف در استان تهران [18] (مگاوات ساعت). 55جدول 4‑7 – سرانۀ مصرف گاز و برق در شهر فرضی (kW per capita). 56جدول 4‑8 – دوره‌های زمانی و مدت زمان هریک از آنها57جدول 4‑9 – میانگین سالانۀ تقاضای گرما، برق و گاز طبیعی هر یک مناطق (MW). 57جدول 4‑10 – فرضیات فناوری تولید منبع.. 58جدول 4‑11 – بازده فناوری‌های تولید منبع.. 58جدول 4‑12 – قیمت فرض شده برای سوخت (سال 2012) [19]59جدول 4‑13- تعداد تجهیزات نصب شده در هر منطقه در صحنۀ اصلی.. 60جدول 4‑14– متوسط مصرف و تولیدِ منابعِ تجهیزاتِ تولید در طول سال (صحنۀ اصلی). 61جدول 4‑15– متوسط نرخ برگذاری تجهیزات تولید در طول سال (صحنۀ اصلی). 62جدول 4‑16– متوسط خالص انتقال منابع در طول سال (صحنۀ اصلی). 62جدول 4‑17 – هزینه و ترازنامۀ متوسط واردات، تقاضا، تولید، مصرف و انتقال منابع شهر در دورۀ یک ساله، در صحنۀ اصلی 63جدول 4‑18 - تعداد تجهیزات نصب شده در هر منطقه در صحنۀ دیگ بخار کوچک... 63جدول 4‑19 – هزینه و ترازنامۀ متوسط واردات، تقاضا، تولید، مصرف و انتقال منابع شهر در دورۀ یک ساله، در صحنۀ دیگ بخار کوچک... 65جدول 4‑20– چیدمان تجهیزات تولید منابع در صحنۀ مولدهای کوچک... 65جدول 4‑21 – هزینه و ترازنامۀ متوسط واردات، تقاضا، تولید، مصرف و انتقال منابع شهر در دورۀ یک ساله، در صحنۀ مولدهای کوچک... 67جدول 4‑22 - چیدمان تجهیزات تولید منابع در صحنۀ آرمانی.. 67جدول 4‑23 – هزینه و ترازنامۀ متوسط واردات، تقاضا، تولید، مصرف و انتقال منابع شهر در دورۀ یک ساله، در صحنۀ آرمانی.. 68جدول 4‑24 - چیدمان تجهیزات تولید منابع در صحنۀ کنونی.. 69جدول 4‑25 – هزینه و ترازنامۀ متوسط واردات، تقاضا، تولید، مصرف و انتقال منابع شهر در دورۀ یک ساله، در صحنۀ کنونی 70جدول 5‑1 – میزان صرفه جویی در هزینه‌ها در هریک از صحنه‌ها نسبت به صحنۀ کنونی.. 72جدول 5‑2 – بهای تمام شدۀ آب گرم مصرفی ساختمان در روش سنتی.. 74 فهرست شکل‌ها و نمودارهاشکل 1‑1 – نسبت دی اکسید کربن تولیدی در روش سنتی و تولید همزمان و میزان انتشار در محل مصرف انرژی [22]5شکل 1‑2 – سهم حامل‌های انرژی در مصرف نهایی انرژی در سال‌های 1973 و 2011 [23]7شکل 1‑3 – تغییر سرانۀ مصرف انرژی در طول تاریخ و اثر توسعۀ شهرها و شبکه‌ها بر آن [20]7شکل 1‑4 - چرخۀ نظری اتو [26]10شکل 1‑5 - چرخۀ نظری دیزل [26]11شکل 1‑6 - چرخۀ برایتون در نمودارهای انتروپی – دما و فشار – حجم مخصوص [26]13شکل 1‑7 - چرخۀ باز (شکل سمت راست) و بستۀ (شکل سمت چپ) توربین گاز[26]13شکل 1‑8 – تأثیر فشار محیط و ارتفاع بر عملکرد توربین گازV94.2 [5]14شکل 1‑9 - تأثیر دمای محیط بر عملکرد توربین گاز V94.2 [5]15شکل 1‑10 - چرخۀ نظری رانکین در نمودار انتروپی- دما [26]16شکل 1‑11 ترازنامه حرارتی سامانۀ تولید همزمان برق و گرما برای تولید آب گرم مصارف حرارتی مسکونی [3]18شکل 1‑12 - مجموعۀ تولید همزمان برق و گرما برای تولید آب گرم مصارف حرارتی مسکونی [3]18شکل 2‑1- نمونه‌ای از تعریف قطب انرژی [4]24شکل 2‑2 - برنامه و اهداف کلی طرح سامانۀ انرژی شهری شرکت بی پی و امپریال کالج لندن [30]24شکل 3‑1 - رابطۀ بازده و توان مکانیکی موتور گازسوز د87 [9]29شکل 3‑2- سازوکار چهار میلهای لنگ و لغزنده [5]34شکل 3‑3 - توربین بخار ساخت شرکت زیمنس [6]40شکل 3‑4 - طرحوارۀ چگالندۀ هوا خنک [5]41شکل 3‑5 - طرحوارۀ برج خنک‌کن خشک [5]41شکل 3‑6 - توربین گاز 340 مگاواتی زیمنس (SGT5-8000H) و اجزای اصلی آن [6]43شکل 3‑7 - طرحوارۀ چرخۀ ترکیبی [6]45شکل 3‑8 - مراحل چرخۀ موتور استرلینگ نوع الف... 49شکل 3‑9 - مراحل چرخۀ موتور استرلینگ نوع ب... 49شکل 4‑1 – روند افزایش تعداد مشترگان و میزان فروش برق از سال 1375 تا 1388 در استان تهران [18]56شکل 4‑2 - سهم هریک از متغییرهای تصیم بر هزینه در صحنۀ اصلی.. 61شکل 4‑3 - سهم هریک از متغییرهای تصیم بر هزینه در صحنۀ دیگ بخار کوچک... 65شکل 4‑4 - سهم هریک از متغییرهای تصیم بر هزینه در صحنۀ مولدهای کوچک... 66شکل 4‑5 - سهم هریک از متغییرهای تصیم بر هزینه در صحنۀ آرمانی.. 69شکل 4‑6 - سهم هریک از متغییرهای تصیم بر هزینه در صحنۀ کنونی.. 70شکل 5‑1 – مقایسۀ جزییات هزینه ها در هریک از صحنه‌ها72شکل 5‑2 - تعداد تجهیزات نصب شده در هر صحنه. 73