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。