能源资源短缺和环境污染是中国城市化进程面临的重大问题，如何借助能源系统的集成和耦合，实现不同能量利用系统之间物质和能量的优化配置，以有效提高能源资源的综合利用效率，同时减少化石燃料利用对环境的负面影响，成为能源领域里的一个重要研究方向。本文依托中美两国四院的国际合作项目“城市化—能源—清洁空气”，总结归纳了能的梯级利用技术在基础理论开拓和技术创新方面的研究进展，介绍了多种温室气体控制技术路线，阐述了适合中国城市化的能源资源与环境相容的技术路线“全国能源网络”。基于能的综合梯级利用原理，提出了输出冷、热、电和水的分布式冷热电联产和海水淡化耦合系统，提出了分布式冷热电联供系统和多效蒸馏海水淡化系统的耦合集成原则，探索不同耦合方式的四联供系统的集成特点。从热力学第二定律角度出发，以(火用)平衡分析为手段，考察了耦合系统的能量利用情况，指出了系统的节能潜力。借助图像(火用)分析，指出了系统性能改善的热力学本质，并初步探索了四联供系统的特性规律。结果表明，新系统相对于无海水淡化的常规冷热电联产系统节能率可提高10个百分点以上。本文提出的四联供新型系统可为中国解决能源和水资源两大问题提供一条新的技术途径。