为确保能源安全并实现节能减排目标,我国将调整能源结构,提高天然气在能源消费中的比例。冷热电联供系统作为新一代建筑能源系统,具有高效、环保和安全性高等优势,已成为实现天然气高效利用、前景广阔的先进技术,受到了众多研究者和决策者的重视;而且它可通过与可再生能源及环境能源互补、蓄能调节等方法进一步提高性能。热泵作为一种高效节能技术,是高效利用可再生能源及维护生态平衡的有效途径,也受到各界的关注。因此,对天然气基冷热电联供与热泵耦合系统进行研究具有重要意义。然而,通过对既有天然气基冷热电联供与热泵耦合系统研究现状剖析,既有耦合系统存在简单并联运行、系统集成度低、烟气热回收效率低、高温热泵COP低等诸多问题,因此本研究预期通过揭示耦合系统集成新机理,提出典型耦合系统,解决上述问题;并以此分析其热力性、影响性和多工况性能,开发多目标优化模型,对典型耦合系统进行设计和运行优化,以实现系统的实际运用。本文的主要研究工作如下:首先,揭示了系统集成应遵循的基本原理,即基于物理能梯级利用原理,合理优化温度势差,进行适度集成。提出中低温烟气余热创新应用方式,实现了换热器换热效率(余热利用效率)和热泵COP的同步提升,为多能源系统集成提供一种新型解决思路。基于提出的烟气余热利用新方式,探讨了天然气基冷热电联供与热泵耦合系统节能潜力,进而揭示了耦合系统集成新机理;并以天然气基热电联供系统和地源热泵为例,构建了典型耦合系统和参比系统,阐述了两系统之间的本质区别。为揭示典型耦合系统性能优劣,引入系统评价准则:热力学第一定律、热力学第二定律和一次能源节约率,并阐述了各评价准则的物理意义及其计算方法。其次,借助流程模拟软件Aspen Plus完成了系统热力学性能计算与优化分析,分析结果表明:典型耦合系统总能系统效率为142.2%,比参比系统提高了3.9个百分点;?效率为22.58%,比参比系统提高了3.7个百分点;典型耦合系统的提出可为可再生能源和环境能源在冷热电联供系统中的应用提供新途径和新方案。运用理论计算和数值模拟相结合的方法,采用“灰箱”模型对典型耦合系统和参比系统进行?特性分析,计算了关键操作部件的?损失及其在两系统之间的差别,以挖掘系统节能本质和关键集成参数,从而得出:热泵出口温度是典型耦合系统的关键集成参数。然后,分析了关键系统集成参数对系统性能的影响,即对热泵出口温度对热泵COP、系统输入输出量、?损失特性和系统效率等参数的影响特性进行了研究,并比较了关键集成参数对典型耦合系统和参比系统性能影响的差异性。研究了典型耦合系统在多工况下的性能特性,即基于“以电定热”和“以热定电”运行模式,对不同负荷状态不同热泵出口温度下典型耦合系统的性能进行分析,主要包括系统装机容量、一次能源消耗以及一次能源节约率等。分析结果可为典型耦合系统的适用性评价以及运行模式和关键集成参数的选择作参考。最后,开发了典型耦合系统多目标优化模型。在建筑动态需求负荷下,通过在Matlab中自编程,运用遗传算法对设备容量、关键集成参数及系统运行进行了优化;并分析了优化变量在一定范围内变化对典型耦合系统运行性能的影响特性,从而验证了遗传算法在典型耦合系统优化中的可靠性。另外,为了研究能源价格波动对典型耦合系统性能的影响特性,分析了系统运行性能对电力和天然气价格变化的敏感性。研究结果可为系统的优化设计和工程应用提供理论支持。