گرما
مردم در بخش‌های مختلفی به گرما نیاز دارند. بیشترین مصرف انرژی در این بخش برای گرمایش مکان‌های مسکونی، اداری، تجاری، تفریحی و…، تأمین آّب گرم مورد نیاز برای استحمام و مصارف بهداشتی و همچنین گرمای لازم برای پخت و پز است.

سامانه‌های گرمایش در محیط‌های مذکور اگرچه از نظر فنی به هم شباهت دارد ولی از نظر میزان مصرف انرژی در ساعات مختلف شبانه‌روز متفاوت است که می‌تواند در سامانۀ مدیریت یکپارچۀ انرژی شهری، باعث کاهش سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه‌های بهره‌برداری شود.
بخش عمدۀ نیاز گرمایشی مستقیماً از طریق سوخت‌های سنگواره‌ای (گاز و گازوییل) تأمین می‌شود و در برخی کشورها که برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر (مانند سدهای آب) و نیروگاهی‌های زغال‌سنگ سوز و هسته‌ای در دسترس است، سهم برق در در رفع نیاز مردم بخصوص برای مصارف پخت و پز افزایش یافته است.
استفاده از آبگرمکن‌های خورشیدی نیز راهکار دیگری است که برای تأمین مصارف حرارتی شهرها و روستا استفاده می‌شود و در مناطقی که دسترسی به نور خورشید مناسب است، بازده قابل قبولی دارد. [۱]
شهرهایی که در مناطق گرمسیر واقع شده‌اند معمولاً نیازی به سامانه‌های گرمایشی ندارند و مصرف حرارتی آنها صرفاً برای تأمین آب گرم و پخت و پز است.
برق
برق، در شهر مصرف‌کنندگان متنوعی دارد که مصارف عمومی برای تجهیزات برقی خانگی و اداری، تأمین روشنایی داخلی محیط‌های مسکونی و غیر مسکونی، تأمین روشنایی محیط‌های شهری (مانند خیابان‌ها)، تأمین انرژی مورد نیاز تجهیزات و زیرساخت‌های شهری (مانند بیمارستان‌ها، فرودگاه‌ها، جایگاه‌های عرضۀ سوخت، آنتن‌های مخابراتی، چراغ‌های راهنمایی و رانندگی، دوربین‌های مدار بسته) از جملۀ آنها است.
مصرف‌کنندگان برق را می‌توان از دو جهت از یکدیگر متمایز کرد:
الگوی مصرف در شبانه‌روز و روزهای سال
حساسیت نسبت به قطع برق
حساسیت برخی مراکز مانند بیمارستان‌ها، فرودگاه‌ها و.. نسبت به قطع برق باعث می‌شود این مراکز به سامانه‌های تأمین برق اضطراری مجهز باشند. قطع برق می‌تواند در اثر بیشتر شدن تقاضا نسبت به عرضه، مشکلات فنی شبکۀ انتقال و توزیع یا حوادث و بلایای طبیعی باشد. تولید پراکندۀ برق و احداث نیروگاه‌های مقیاس کوچک در داخل شهرها، با در نظر گرفتن محدودیت‌های محیط زیستی، می‌تواند در جهت افزایش ضریب اطمینان تأمین برق مراکز حساس نیز باشد.
سرما
در شهر، نیاز به سرما به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود:
سرمای مورد نیاز برای نگهداری مواد فاسد شدنی در مکان‌هایی مانند سردخانه‌ها یا تجهیزاتی مانند رایانه‌های مرکزی که باید در تمام طول سال در دمای مشخصی کار کنند.
سرمایش مورد نیاز برای ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، تفریحی و… در فصل‌های گرم سال
بخش اول از نظر میزان مصرف، سهم بسیار کمی دارد ولی مصرف آن دائمی است. نیاز بخش دوم مقطعی است ولی در روزهای گرم سال (و بخصوص ساعت‌های بسیار گرم) میزان آن بسیار افزایش می‌یابد. نیاز بخش اول معمولاً با بهره گرفتن از سامانه‌های تبرید تراکمی بر طرف می‌شود لذا با توجه به سهم ناچیز این مصرف‌کنندگان، مصرف آنها را جزو مصارف برق (سامانۀ تبرید تراکمی) در نظر می‌گیریم.
برای تأمین سرمایش ساختمان‌ها، سه ابزار (یا تلفیقی از آنها) وجود دارد:
سامانۀ تبرید تراکمی (برق مصرف می‌کند)
سامانۀ تبرید جذبی (گرما را به صورت آب گرم، بخار آب یا شعله مستقیم مصرف می‌کند)
سامانه‌های رطوب زنی (آب و برق مصرف می‌کند)
هوا، آب و فضا
هوا و آب دو منبع مورد نیاز و در دسترس ولی محدود در هر شهر اند. فضا (سطح قابل استفاده) نیز وضعیت مشابهی دارد با این تفاوت که فضای شهرها (بخصوص کلان‌شهرها) قابل افزایش نیست و محدودیت فضا و تراکم بافت مسکونی قابلیت اجرای بسیاری از طرح‌های بهینه سازی را محدود می‌کند.
میزان دسترسی به هوا و آب تمیز، به موقعیت جغرافیایی شهر وابسته است. در انتخاب راهکار تولید برق در هر منطقه باید به مقدار آب در دسترس توجه شود. تولید متمرکز برق در مقایسه با سامانه‌های تولید همزمان برق و گرما، حدود ۲۵.۶% دی اکسید کربن بیشتری تولید می‌کند ولی سامانه‌های تولید همزمان، سهم بیشتری از آلاینده‌ها در نزدیکی محل مصرف انرژی (شهر) منتشر می‌شود. [۲۲] لذا توسعۀ سامانه‌های تولید همزمان در شهرهای بزرگ که گرفتار مشکل آلایندگی‌اند باید با دقت و مطالعه صورت گیرد.
شکل ‏۱‑۱ – نسبت دی اکسید کربن تولیدی در روش سنتی و تولید همزمان و میزان انتشار در محل مصرف انرژی [۲۲]
مدیریت منابع شهری
تا پیش از دورۀ استفاده از سوخت‌های سنگواره‌ای، انرژی شهری از طریق منابع توده‌زیستی که عمدتاً چوب و زغال بود تأمین می‌شد. منابع این مواد باید در محدودۀ مشخصی در اطراف شهر قرار می‌داشت. محدودیت این منابع، در کنار محدودیت آب و مواد غذایی، اندازۀ شهر و قابلیت بالقوۀ گسترش آن را محدود می‌کرد.
زغال سنگ اولین سوخت سنگواره‌ای بود که به صورت گسترده به عنوان منبع انرژی در شهر، صنعت و حمل و نقل (قطار بخار) استفاده شد. پس از آن در قرن بیستم برق، نفت و گاز راه خود را به زندگی اکثر مردم باز کردند. ورود این منابع به سامانۀ انرژی شهری، باعث بزرگتر شدن آنها شد. در جدول ‏۱‑۱ تغییرات سامانۀ انرژی شهری در انگلستان و اثرات آن در طول زمان مشاهده می‌شود.
جدول ‏۱‑۱ – تغییرات سامانۀ انرژی شهری در انگلستان و اثرات آن در طول زمان [۲۰]
در اکثر مناطق اولین سامانۀ انرژی که به صورت شبکه توسعه پیدا کرد، شبکۀ تأمین روشنایی بود. شبکه‌های اولیه دربسیاری از شهرها مانند لندن، گازی (گاز زغال سنگ) بود که بتدریج با شبکۀ روشنایی برقی جایگزین شد. برق مورد نیاز این سامانه، به صورت منطقه‌ای و پراکنده تولید می‌شد. [۲۰] اولین مولد‌های برق، ماشین‌های بخار بودند ولی به تدریج موتورهای درونسوز جایگزین آنها شدند.
به مرور با توسعۀ شبکه‌های پراکنده، مشکلاتی در آن بروز کرد. برای مثال در سال ۱۹۱۸ میلادی فقط در لندن، ۷۰ شرکت تولید کنندۀ برق، ۵۰ سامانۀ مختلف را با ۱۰ بسامد و ۲۴ ولتاژ مختلف بهره‌برداری می‌کردند. در آن دوره تحقیقات و گزارش‌هایی منتشر شد که معایب این روش را بیان و پیشنهاد می‌کرد شبکۀ سراسری احداث و تمام شبکه‌های محلی به آن متصل شوند. [۲۰]
به مرور با افزایش نیاز به برق در مصارف خانگی و صنعتی، به دلیل هزینه‌های انتقال سوخت و محدودیت سامانۀ خنک‌کاری نیروگاه، احداث آنها در داخل شهرها مقرون به صرفه نبود و نیروگاه‌ها به محل‌هایی که به سوخت و آب (به عنوان سیال خنک‌کن) دسترسی آسانتری داشت منتقل شدند و نیروگاه‌های متمرکز توسعه یافتند.
به این ترتیب بخش اعظمی از نیاز شهر به انرژی، در خارج از آن تولید و از طریق شبکۀ سراسری انتقال و توزیع برق، به مصرف‌کنندۀ نهایی می‌رسید. سوخت‌های مورد استفاده برای حمل و نقل (بنزین و گازوییل) به شیوه‌ای که امروزه نیز استفاده می‌شود، یعنی با بهره گرفتن از مخازن حمل می‌شد و در جایگاه‌های عرضۀ سوخت در اختیار مصرف کننده قرار می‌گرفت. شبکۀ گازرسانی نیز برای تأمین گرمایش و انرژی مورد نیاز پخت و پز اختصاص یافت.
با توسعۀ شبکۀ گاز و برق سراسری در کشورها، شهرها که قبلاً جزیره‌های مستقلی بودند، تبدیل به شبکۀ انرژی در سطح ملی شدند به گونه‌ای که تغییر در الگوی مصرف هریک از آنها می‌توانست عرضۀ انرژی در شهرهای دیگر را تحت تأثیر قرار دهد. [۲۰]
سهم حامل‌های انرژی در مصرف نهایی انرژی در شکل ‏۱‑۲ و خلاصه‌ای از تغییر سرانۀ مصرف انرژی در طول تاریخ و اثر توسعۀ شهرها و شبکه‌ها بر آن، در شکل ‏۱‑۳ دیده می‌شود.
شکل ‏۱‑۲ – سهم حامل‌های انرژی در مصرف نهایی انرژی در سال‌های ۱۹۷۳ و ۲۰۱۱ [۲۳]
شکل ‏۱‑۳ – تغییر سرانۀ مصرف انرژی در طول تاریخ و اثر توسعۀ شهرها و شبکه‌ها بر آن [۲۰]
هیچ یک از تغییرات به تنهایی وابسته به منابع در دسترس نبوده‌اند و تغییرات اجتماعی و فناوری نقشی کلیدی در گذر از یک دوره به دوره‌ای جدید داشته است. برای مثال خودرو و سایر سامانه‌های حمل و نقل، شرایطی را فراهم کردند که جابجایی‌های روزانۀ چند ده کیلومتری و حتی چند صد کیلومتری بین محل زندگی و کار برای بسیاری از مردم امری عادی شود که این موضوع الگوی زندگی اجتماعی مردم را نسبت به چند قرن پیش کاملاً دگرگون کرده است. در نتیجه با افزایش تقاضا برای سفرهای طولانی‌تر، نیاز به سامانه‌های حمل و نقل سریع و افزایش مصرف انرژی برای این بخش بیشتر شده است.
محدودیت منابع و اثرات محیط زیستی
همانطور که در شکل ‏۱‑۳ مشاهده می‌شود، هرچه به دورۀ کنونی نزدیک می‌شویم، تغییرات سرعت بیشتری گرفته‌اند. با توجه به توسعۀ بسیاری از نیروگاه‌ها وشبکه‌های انرژی در دهه‌ های گذشته، عمر بسیاری از تجهیزات که هم اکنون برای تولید توان به کار می‌روند، رو به اتمام است و سرمایه‌گذاری برای احداث مجموعه‌هایی مشابه نیاز به بررسی دقیق دارد. افزایش مصرف، محدودیت منابع سوخت‌های سنگواره‌ای و افزایش قیمت آنها از یک سو و اثرات جانبی نامطلوب استفاده از آنها بخصوص تولید دی اکسید کربن و افزایش دمای عمومی زمین از سوی دیگر، دولت‌ها را وادار کرده است راهکارهایی را برای کاهش وابستگی به این منابع اتخاذ کنند.
در کنار توسعۀ فناوری‌ها برای استفاده از منابع تجدید پذیر مانند نور خورشید و باد در دراز مدت، افزایش بازده استفاده از انرژی سوخت‌های سنگواره‌ای بخصوص در سامانۀ انرژی شهری، راهکار معقولی است که در کوتاه مدت و میان مدت اثربخش خواهد بود. تحقیقات نشان می‌دهد با بهینه‌سازی سامانۀ انرژی شهری با فناوری‌های کنونی امکان کاهش تولید دی اکسید کربن به میزان ۲۰% نسبت به سطح فعلی میسر است. [۲۰] یکی از فناوری‌هایی که در سال‌های اخیر بسیار استفاده شده، فناوری تولید همزمان برق و گرما (و سرما) است. اگرچه چند دهه از عمر این فناوری می‌گذرد ولی استفادۀ بهینه‌سازی شدۀ عملی از این فناوری در سامانۀ انرژی شهری رویکرد جدیدی است که در چند سال اخیر به آن توجه شده است.
فناوری‌های تولید همزمان برق و گرما
تولید همزمان، معرّف به کارگیری مجموعه‌ای از فناوری‌ها است که به صورت توأمان، برق، گرما و در صورت نیاز سرما را در نزدیکی محل مصرف، به وسیلۀ فرایندی واحد از سوخت‌های سنگواره‌ای یا منابع تجدید پذیر، از جمله توده زیستی، تولید می‌کند. [۲۴]
در سامانه‌های تولید همزمان برق و گرما، معمولاً موتور، توربین گاز یا ابزارهای دیگر، بخشی از انرژی سوخت را به کار (برق) تبدیل می‌کنند و قسمتی از انرژی سوخت که در بهره‌برداری عادی به هدر می‌رود، برای مصارف حرارتی استفاده می‌شود.
سامانه‌های تولید همزمان معمولاً تا ۸۵% از انرژی سوخت اولیه را به انرژی قابل مصرف تبدیل می‌کنند. در حالی که در تولید مجزای برق و گرما، بازده تولید برق از ۶۰% تجاوز نمی‌کند و بازده دیگ‌های بخار نیز در حدود ۹۰% است. [۲۵]
مبانی ترمودینامیکی
از دیدگاه‌ ترمودینامیکی تمامی چرخه‌های مولد قدرت، ساختاری مشابه دارند. در تمام چرخه‌ها فرایند‌ها بر روی سیال انجام می‌شود و در نهایت کار نیز از سیال گرفته می‌شود. در فرایند اول محیط بر روی سیال کار انجام می‌دهد و سیال فشرده می‌شود. در فرایند دوم در فشار قوی، سیال گرم می‌شود. در فرایند سوم در حالی که سیال بر روی محیط کار انجام می‌دهد، فشارش تا فشار اولیه کاهش می‌یابد. در فرایند نهایی دمای سیال تا دمای اولیه کاسته می‌شود. در پایان این مرحله، سیال فشار و دمای اولیه را دارد و آماده است تا فرایند اول مجدداً تکرار شود.
تفاوت چرخه‌های مختلف مولد کار، در جنس سیال و نوع فرایند‌هایی است که بر روی آن انجام می‌شود.
چرخۀ اشتعال جرقه‌ای (موتورهای بنزینی)
چرخۀ اشتعال جرقه‌ای که به چرخۀ اتو^[۳] نیز معروف است پس از چرخۀ بخار، یکی از قدیمی‌ترین چرخه‌های مولد کار است. سوخت مصرفی در این چرخه، بنزین یا گاز طبیعی است. البته سوخت‌های دیگر که ویژگی‌های فیزیکی لازم را داشته باشند و عدد اکتان آن‌ها نیز بیش از ۸۵ باشند، می‌توانند در این چرخه بکار گرفته شوند. [۲]