近日，為加快推進可再生能源高質(zhì)量發(fā)展，相關(guān)部門發(fā)布了《北京市可再生能源替代行動方案（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5公里范圍內(nèi)的建筑優(yōu)先利用再生水/污水源熱泵供暖。

 

　　無獨有偶，除了北京，多地發(fā)改委（相關(guān)部門）也相繼發(fā)文：大力推廣污水源等熱泵技術(shù)。如在《上海市促進地?zé)崮荛_發(fā)利用的實施意見》、《廣東省全面推行清潔生產(chǎn)實施方案（2023-2025年）》、《陜西省關(guān)于進一步推進地?zé)崮芄峒夹g(shù)應(yīng)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、國家碳達峰碳中和標(biāo)準(zhǔn)化總體組成員常紀(jì)文提到，未來，污水源熱泵的應(yīng)用將成為市政污水處理行業(yè)的低碳發(fā)展主流，除滿足自身的能源需求外，還可與廠外實現(xiàn)供熱系統(tǒng)聯(lián)動，擴大輸出范圍，節(jié)能潛力大。

 

　　可見，從政策的推動，到技術(shù)的發(fā)展，再到行業(yè)的響應(yīng)，污水源熱泵這一環(huán)保節(jié)能技術(shù)正在得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)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(tǒng)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(nèi)熱量“提取”出來釋放到污水中，為室內(nèi)制冷；在冬季把污水中的低位熱能“提取”出來，為建筑物供熱。

 

　　1.1、污水源熱泵的分類

　　一般來說，根據(jù)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(qū)別在于是否有中介換熱循環(huán)。

　　1）直接式污水源熱泵系統(tǒng)沒有中介換熱循環(huán)，污水經(jīng)過簡單處理后直接進入熱泵機組進行換熱，減少了熱損失，但污水與熱泵機組直接接觸極易造成嚴(yán)重的污堵、腐蝕等問題，使系統(tǒng)的性能系數(shù)下降。

　　2）間接式污水源熱泵系統(tǒng)增加了中介換熱循環(huán)，污水先與清水進行熱交換，清水再進入熱泵機組進行換熱。中介水循環(huán)緩解了熱泵機組受損的風(fēng)險，但過程中的熱損失增大，從污水中有效提取的熱能減少。

 

　　對于城市污水處理廠，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(tǒng)的核心設(shè)備主要包括壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器，以及一些閥門（膨脹閥、四通換向閥等）和泵送設(shè)備等。

 

　　下面就以直接式污水源熱泵系統(tǒng)為例，對污水源熱泵的運行原理進行簡單的介紹。

 

　　在夏季，污水廠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(tǒng)相當(dāng)于一個制冷裝置。通過轉(zhuǎn)動四通換向閥，改變制冷劑工質(zhì)的流動方向，液態(tài)工質(zhì)在用戶側(cè)的換熱器中進行等壓蒸發(fā)，將用戶側(cè)的熱量帶走，從而實現(xiàn)制冷的效果。工質(zhì)吸收的熱量則在污水側(cè)的換熱器中釋放至污水處理廠二級出水中。

 

　　在冬季，污水廠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側(cè)供暖。冷凝得到的高壓液態(tài)工質(zhì)通過膨脹閥形成低壓氣液混合物，再次進入到蒸發(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(tǒng)，污水源熱泵系統(tǒng)機房的占地面積僅有50%。

 

　　系統(tǒng)會結(jié)合環(huán)境氣溫實現(xiàn)調(diào)節(jié)的自動化，這樣只需要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)便能夠?qū)崟r監(jiān)控，節(jié)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單，相關(guān)設(shè)備具有較強的可靠性，在維護方面無須投入過多資金。

 

　　2）運行狀態(tài)平穩(wěn)

　　污水的溫度與環(huán)境氣溫相比，一年四季中更容易保持穩(wěn)定狀態(tài)，水溫只在小范圍中變化，因此，應(yīng)用污水源熱泵期間，運行狀態(tài)具有穩(wěn)定性特征，能夠確保污水源熱泵的經(jīng)濟性。

 

　　其他熱泵系統(tǒng)在運行期間容易出現(xiàn)各種各樣問題，如空氣源熱泵系統(tǒng)會產(chǎn)生除霜問題，開式水源熱泵系統(tǒng)存在水源溫度、流量等參數(shù)不穩(wěn)定問題，而污水源熱泵運行穩(wěn)定，通常不會出現(xiàn)問題。

 

　　3）環(huán)保效果優(yōu)良

　　污水源熱泵系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)一直保持封閉，不會與其他系統(tǒng)產(chǎn)生直接接觸，這樣污水只是在封閉的容器中實現(xiàn)循環(huán)利用，避免污水污染其他設(shè)備以及城市水源。

 

　　污水源熱泵系統(tǒng)在發(fā)揮降溫功能期間，無需使用冷卻水塔，這樣就會防止污水源熱泵使用期間冷卻水塔產(chǎn)生的噪聲污染、水污染等問題。

 

　　除此之外，該技術(shù)釋放熱量期間，無須使用燃料能源以及鍋爐房等傳統(tǒng)供熱設(shè)備，這樣能夠防止由于燃燒能源而產(chǎn)生的空氣污染問題。

 

　　4）高效節(jié)能

　　在寒冷的冬季，污水的溫度要高于室內(nèi)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(nèi)氣溫，冷凝溫度會因此下降，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(jié)能的優(yōu)勢。

 

　　PART 02、應(yīng)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應(yīng)用有著諸多優(yōu)勢，但其使用還需注意以下問題:

 

　　1、清污防腐技術(shù)

　　盡管二級出水經(jīng)過多級過濾以及生化處理，但是還會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(tǒng)正常運行的關(guān)鍵技術(shù)，需要注意堵塞、腐蝕、結(jié)垢等方面的問題。

 

　　2、與末端系統(tǒng)的匹配

　　直接式污水源熱泵系統(tǒng)一般在冬季提供熱水溫度為40～45℃，能滿足風(fēng)機盤管用戶或者地?zé)嵊脩舻囊?；而散熱器用戶進水溫度一般在70℃以上，熱泵的出水溫度不能滿足其要求。

 

　　3、運行調(diào)節(jié)與監(jiān)測調(diào)控

　　污水處理廠大規(guī)模地應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)，需多臺機組同時并聯(lián)運行，注意在末端不同負(fù)荷條件下機組與各循環(huán)水泵的負(fù)載負(fù)荷及開啟臺數(shù)問題。同時，由于很難實現(xiàn)對系統(tǒng)的完全自動控制，需對系統(tǒng)采取自動監(jiān)測與人工操作相結(jié)合的方式。

 

　　4、可靠性問題

　　如果污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于大面積區(qū)域的供暖或供冷，應(yīng)考慮是否需要設(shè)置蓄熱、蓄冷池，或者在冬季設(shè)置備用鍋爐的問題。

 

　　PART 03、國內(nèi)外污水源熱泵應(yīng)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足居民的供熱需求，隨后瑞典、挪威等國家開始陸續(xù)應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)。

 

　　1981年，世界上首個取用污水廠二級出水的直接式污水源熱泵系統(tǒng)在瑞典Sala鎮(zhèn)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(yīng)用污水源熱泵技術(shù)的代表國家。

 

　　日本也是開展污水源熱泵技術(shù)研究和應(yīng)用較早的國家之一。日本首套污水熱能回收系統(tǒng)于1987年在東京落合污水處理廠啟用，至今東京大都會區(qū)已有11座污水處理廠建有污水源熱泵系統(tǒng)。

 

　　與北歐國家相比，日本污水源熱泵技術(shù)的特點和優(yōu)勢是開發(fā)了一系列過濾裝置、流體換向裝置、自動清洗裝置等，使污水換熱器在連續(xù)穩(wěn)定運行中實現(xiàn)自動清洗，減少了換熱管污水側(cè)結(jié)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才成功投產(chǎn)我國首個污水源熱泵項目。

 

　　近20年來，我國污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用主要集中在北方地區(qū)，在南方地區(qū)的應(yīng)用相對較少。這主要是因為我國北方地區(qū)冬季寒冷，采暖季時間長，供熱市場需求大。

 

　　從取用污水的處理狀態(tài)看，國內(nèi)現(xiàn)有的污水源熱泵系統(tǒng)多以城市污水處理廠二級出水作為熱源。哈爾濱、承德、南昌的污水源熱泵工程以原生污水為熱源；無錫太湖新城污水處理廠以一級出水為熱泵熱源；青島、沈陽、天津、秦皇島等地污水處理廠以二級出水為熱泵熱源。

 

　　需要特別指出的是，國內(nèi)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(shè)計規(guī)范》、《城市污水再生利用標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)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，我國污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，而達成高排放標(biāo)準(zhǔn)往往是以高能耗投入為代價，這使污水處理廠的碳排放量不容忽視。

 

　　面向碳達峰、碳中和目標(biāo)，利用熱泵技術(shù)對污水中所蘊含的熱能進行回收利用，可有效降低燃料、電力等能源的消耗，在節(jié)省運行成本的同時大幅減少溫室氣體排放，是污水處理廠實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效的重要手段之一。