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污水源熱泵將成為市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展主流

發(fā)表于: 來(lái)自:制冷網(wǎng)、 環(huán)保水圈
  近日,為加快推進(jìn)可再生能源高質(zhì)量發(fā)展,相關(guān)部門(mén)發(fā)布了《北京市可再生能源替代行動(dòng)方案(2023—2025年)》。方案明確指出:要充分利用再生水資源,合理利用污水資源,距離再生水廠(chǎng)5公里范圍內的建筑優(yōu)先利用再生水/污水源熱泵供暖。
 
  無(wú)獨有偶,除了北京,多地發(fā)改委(相關(guān)部門(mén))也相繼發(fā)文:大力推廣污水源等熱泵技術(shù)。如在《上海市促進(jìn)地熱能開(kāi)發(fā)利用的實(shí)施意見(jiàn)》、《廣東省全面推行清潔生產(chǎn)實(shí)施方案(2023-2025年)》、《陜西省關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)地熱能供熱技術(shù)應用的通知(第97號)》等文件中,均有相關(guān)表述。
 
  國務(wù)院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所副所長(cháng)、國家碳達峰碳中和標準化總體組成員常紀文提到,未來(lái),污水源熱泵的應用將成為市政污水處理行業(yè)的低碳發(fā)展主流,除滿(mǎn)足自身的能源需求外,還可與廠(chǎng)外實(shí)現供熱系統聯(lián)動(dòng),擴大輸出范圍,節能潛力大。
 
  可見(jiàn),從政策的推動(dòng),到技術(shù)的發(fā)展,再到行業(yè)的響應,污水源熱泵這一環(huán)保節能技術(shù)正在得到越來(lái)越多的關(guān)注和應用。
 
  PART 01、什么是污水源熱泵?
  顧名思義,污水源熱泵就是以污水為“源體”的熱泵。污水源熱泵系統從污水中提取和儲存能量的冷、熱源,借助熱泵機組,消耗少量電能,在夏季把室內熱量“提取”出來(lái)釋放到污水中,為室內制冷;在冬季把污水中的低位熱能“提取”出來(lái),為建筑物供熱。
 
  1.1、污水源熱泵的分類(lèi)
  一般來(lái)說(shuō),根據是否直接從污水中提取熱量,可以把污水源熱泵分為直接式和間接式,兩者主要區別在于是否有中介換熱循環(huán)。
  1)直接式污水源熱泵系統沒(méi)有中介換熱循環(huán),污水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后直接進(jìn)入熱泵機組進(jìn)行換熱,減少了熱損失,但污水與熱泵機組直接接觸極易造成嚴重的污堵、腐蝕等問(wèn)題,使系統的性能系數下降。
  2)間接式污水源熱泵系統增加了中介換熱循環(huán),污水先與清水進(jìn)行熱交換,清水再進(jìn)入熱泵機組進(jìn)行換熱。中介水循環(huán)緩解了熱泵機組受損的風(fēng)險,但過(guò)程中的熱損失增大,從污水中有效提取的熱能減少。
 
  對于城市污水處理廠(chǎng),直接式污水源熱泵適用于水質(zhì)較好的二級出水,間接式污水源熱泵適用于水質(zhì)較差的原生污水。
 
  1.2、污水源熱泵的原理
  污水源熱泵系統的核心設備主要包括壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器,以及一些閥門(mén)(膨脹閥、四通換向閥等)和泵送設備等。
 
  下面就以直接式污水源熱泵系統為例,對污水源熱泵的運行原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
 
  在夏季,污水廠(chǎng)二級出水的平均溫度為20~24℃,低于環(huán)境空氣溫度,因此可將二級出水作為冷源。污水源熱泵系統相當于一個(gè)制冷裝置。通過(guò)轉動(dòng)四通換向閥,改變制冷劑工質(zhì)的流動(dòng)方向,液態(tài)工質(zhì)在用戶(hù)側的換熱器中進(jìn)行等壓蒸發(fā),將用戶(hù)側的熱量帶走,從而實(shí)現制冷的效果。工質(zhì)吸收的熱量則在污水側的換熱器中釋放至污水處理廠(chǎng)二級出水中。
 
  在冬季,污水廠(chǎng)二級出水的平均溫度為10~15℃,高于環(huán)境空氣溫度,因此可將二級出水作為熱源。二級處理出水被泵送入蒸發(fā)器中,將蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑工質(zhì)等壓蒸發(fā)成低壓氣態(tài)工質(zhì)。在壓縮機的作用下,通過(guò)消耗電能將低壓氣態(tài)工質(zhì)等熵壓縮成高壓氣態(tài)工質(zhì),再將其輸送到冷凝器中。高壓氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器中等壓冷凝所放出的熱量用于向用戶(hù)側供暖。冷凝得到的高壓液態(tài)工質(zhì)通過(guò)膨脹閥形成低壓氣液混合物,再次進(jìn)入到蒸發(fā)器中循環(huán)使用。
 
  1.3、污水源熱泵的優(yōu)勢
  1)初投資、運行費用低
  城市污水源熱泵初投資和運行費用較低,相較其他系統,污水源熱泵系統機房的占地面積僅有50%。
 
  系統會(huì )結合環(huán)境氣溫實(shí)現調節的自動(dòng)化,這樣只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)便能夠實(shí)時(shí)監控,節省一部分人力資源方面的投入。
 
  此外,污水源熱泵工作原理較為簡(jiǎn)單,相關(guān)設備具有較強的可靠性,在維護方面無(wú)須投入過(guò)多資金。
 
  2)運行狀態(tài)平穩
  污水的溫度與環(huán)境氣溫相比,一年四季中更容易保持穩定狀態(tài),水溫只在小范圍中變化,因此,應用污水源熱泵期間,運行狀態(tài)具有穩定性特征,能夠確保污水源熱泵的經(jīng)濟性。
 
  其他熱泵系統在運行期間容易出現各種各樣問(wèn)題,如空氣源熱泵系統會(huì )產(chǎn)生除霜問(wèn)題,開(kāi)式水源熱泵系統存在水源溫度、流量等參數不穩定問(wèn)題,而污水源熱泵運行穩定,通常不會(huì )出現問(wèn)題。
 
  3)環(huán)保效果優(yōu)良
  污水源熱泵系統運行時(shí),系統一直保持封閉,不會(huì )與其他系統產(chǎn)生直接接觸,這樣污水只是在封閉的容器中實(shí)現循環(huán)利用,避免污水污染其他設備以及城市水源。
 
  污水源熱泵系統在發(fā)揮降溫功能期間,無(wú)需使用冷卻水塔,這樣就會(huì )防止污水源熱泵使用期間冷卻水塔產(chǎn)生的噪聲污染、水污染等問(wèn)題。
 
  除此之外,該技術(shù)釋放熱量期間,無(wú)須使用燃料能源以及鍋爐房等傳統供熱設備,這樣能夠防止由于燃燒能源而產(chǎn)生的空氣污染問(wèn)題。
 
  4)高效節能
  在寒冷的冬季,污水的溫度要高于室內氣溫,因此,熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度和能效比都有所上升。夏季污水的溫度要低于室內氣溫,冷凝溫度會(huì )因此下降,其冷卻效果明顯優(yōu)于冷卻塔式制冷。供暖供冷過(guò)程中所獲得的熱能或冷能大概是投入電能的5倍,具有高效節能的優(yōu)勢。
 
  PART 02、應用污水源熱泵要注意什么?
  從上文不難看出,污水源熱泵在污水處理廠(chǎng)應用有著(zhù)諸多優(yōu)勢,但其使用還需注意以下問(wèn)題:
 
  1、清污防腐技術(shù)
  盡管二級出水經(jīng)過(guò)多級過(guò)濾以及生化處理,但是還會(huì )含有少量固體懸浮物和各種雜質(zhì),故清潔技術(shù)是該系統正常運行的關(guān)鍵技術(shù),需要注意堵塞、腐蝕、結垢等方面的問(wèn)題。
 
  2、與末端系統的匹配
  直接式污水源熱泵系統一般在冬季提供熱水溫度為40~45℃,能滿(mǎn)足風(fēng)機盤(pán)管用戶(hù)或者地熱用戶(hù)的要求;而散熱器用戶(hù)進(jìn)水溫度一般在70℃以上,熱泵的出水溫度不能滿(mǎn)足其要求。
 
  3、運行調節與監測調控
  污水處理廠(chǎng)大規模地應用污水源熱泵系統,需多臺機組同時(shí)并聯(lián)運行,注意在末端不同負荷條件下機組與各循環(huán)水泵的負載負荷及開(kāi)啟臺數問(wèn)題。同時(shí),由于很難實(shí)現對系統的完全自動(dòng)控制,需對系統采取自動(dòng)監測與人工操作相結合的方式。
 
  4、可靠性問(wèn)題
  如果污水源熱泵系統應用于大面積區域的供暖或供冷,應考慮是否需要設置蓄熱、蓄冷池,或者在冬季設置備用鍋爐的問(wèn)題。
 
  PART 03、國內外污水源熱泵應用發(fā)展情況
  污水源熱泵技術(shù)起源于北歐國家,主要利用城市污水滿(mǎn)足居民的供熱需求,隨后瑞典、挪威等國家開(kāi)始陸續應用污水源熱泵系統。
 
  1981年,世界上首個(gè)取用污水廠(chǎng)二級出水的直接式污水源熱泵系統在瑞典Sala鎮投產(chǎn),裝機容量為3.3MW,年產(chǎn)熱能25.6GWh,COP均值為2.6。值得一提的是,瑞典已成為目前應用污水源熱泵技術(shù)的代表國家。
 
  日本也是開(kāi)展污水源熱泵技術(shù)研究和應用較早的國家之一。日本首套污水熱能回收系統于1987年在東京落合污水處理廠(chǎng)啟用,至今東京大都會(huì )區已有11座污水處理廠(chǎng)建有污水源熱泵系統。
 
  與北歐國家相比,日本污水源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢是開(kāi)發(fā)了一系列過(guò)濾裝置、流體換向裝置、自動(dòng)清洗裝置等,使污水換熱器在連續穩定運行中實(shí)現自動(dòng)清洗,減少了換熱管污水側結垢和堵塞的發(fā)生,極大地提高了污水源熱泵的換熱效率和整體性能。
 
  相對來(lái)看,我國污水源熱泵技術(shù)研究起步晚,2000年在北京高碑店污水處理廠(chǎng)才成功投產(chǎn)我國首個(gè)污水源熱泵項目。
 
  近20年來(lái),我國污水源熱泵技術(shù)的應用主要集中在北方地區,在南方地區的應用相對較少。這主要是因為我國北方地區冬季寒冷,采暖季時(shí)間長(cháng),供熱市場(chǎng)需求大。
 
  從取用污水的處理狀態(tài)看,國內現有的污水源熱泵系統多以城市污水處理廠(chǎng)二級出水作為熱源。哈爾濱、承德、南昌的污水源熱泵工程以原生污水為熱源;無(wú)錫太湖新城污水處理廠(chǎng)以一級出水為熱泵熱源;青島、沈陽(yáng)、天津、秦皇島等地污水處理廠(chǎng)以二級出水為熱泵熱源。
 
  需要特別指出的是,國內污水源熱泵技術(shù)的使用率仍處于較低水平。為了提升關(guān)技術(shù)的研究工作速度,我國還先后出臺了《城市污水回用設計規范》、《城市污水再生利用標準》等規定,為污水源熱泵技術(shù)的研究與發(fā)展提供了政策支持。
 
  近年來(lái),我國污水處理廠(chǎng)的排放標準不斷提高,而達成高排放標準往往是以高能耗投入為代價(jià),這使污水處理廠(chǎng)的碳排放量不容忽視。
 
  面向碳達峰、碳中和目標,利用熱泵技術(shù)對污水中所蘊含的熱能進(jìn)行回收利用,可有效降低燃料、電力等能源的消耗,在節省運行成本的同時(shí)大幅減少溫室氣體排放,是污水處理廠(chǎng)實(shí)現減污降碳協(xié)同增效的重要手段之一。

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