污水源热泵将成为市政污水处理行业低碳发展主流

　　近日，为加快推进可再生能源高质量发展，相关部门发布了《北京市可再生能源替代行动方案（2023—2025年）》。方案明确指出：要充分利用再生水资源，合理利用污水资源，距离再生水厂5公里范围内的建筑优先利用再生水/污水源热泵供暖。

 

　　无独有偶，除了北京，多地发改委（相关部门）也相继发文：大力推广污水源等热泵技术。如在《上海市促进地热能开发利用的实施意见》、《广东省全面推行清洁生产实施方案（2023-2025年）》、《陕西省关于进一步推进地热能供热技术应用的通知（第97号）》等文件中，均有相关表述。

 

　　国务院发展研究中心资源与环境政策研究所副所长、国家碳达峰碳中和标准化总体组成员常纪文提到，未来，污水源热泵的应用将成为市政污水处理行业的低碳发展主流，除满足自身的能源需求外，还可与厂外实现供热系统联动，扩大输出范围，节能潜力大。

 

　　可见，从政策的推动，到技术的发展，再到行业的响应，污水源热泵这一环保节能技术正在得到越来越多的关注和应用。

 

　　PART 01、什么是污水源热泵？

　　顾名思义，污水源热泵就是以污水为“源体”的热泵。污水源热泵系统从污水中提取和储存能量的冷、热源，借助热泵机组，消耗少量电能，在夏季把室内热量“提取”出来释放到污水中，为室内制冷；在冬季把污水中的低位热能“提取”出来，为建筑物供热。

 

　　1.1、污水源热泵的分类

　　一般来说，根据是否直接从污水中提取热量，可以把污水源热泵分为直接式和间接式，两者主要区别在于是否有中介换热循环。

　　1）直接式污水源热泵系统没有中介换热循环，污水经过简单处理后直接进入热泵机组进行换热，减少了热损失，但污水与热泵机组直接接触极易造成严重的污堵、腐蚀等问题，使系统的性能系数下降。

　　2）间接式污水源热泵系统增加了中介换热循环，污水先与清水进行热交换，清水再进入热泵机组进行换热。中介水循环缓解了热泵机组受损的风险，但过程中的热损失增大，从污水中有效提取的热能减少。

 

　　对于城市污水处理厂，直接式污水源热泵适用于水质较好的二级出水，间接式污水源热泵适用于水质较差的原生污水。

 

　　1.2、污水源热泵的原理

　　污水源热泵系统的核心设备主要包括压缩机、蒸发器、冷凝器，以及一些阀门（膨胀阀、四通换向阀等）和泵送设备等。

 

　　下面就以直接式污水源热泵系统为例，对污水源热泵的运行原理进行简单的介绍。

 

　　在夏季，污水厂二级出水的平均温度为20～24℃，低于环境空气温度，因此可将二级出水作为冷源。污水源热泵系统相当于一个制冷装置。通过转动四通换向阀，改变制冷剂工质的流动方向，液态工质在用户侧的换热器中进行等压蒸发，将用户侧的热量带走，从而实现制冷的效果。工质吸收的热量则在污水侧的换热器中释放至污水处理厂二级出水中。

 

　　在冬季，污水厂二级出水的平均温度为10～15℃，高于环境空气温度，因此可将二级出水作为热源。二级处理出水被泵送入蒸发器中，将蒸发器中的液态制冷剂工质等压蒸发成低压气态工质。在压缩机的作用下，通过消耗电能将低压气态工质等熵压缩成高压气态工质，再将其输送到冷凝器中。高压气态工质在冷凝器中等压冷凝所放出的热量用于向用户侧供暖。冷凝得到的高压液态工质通过膨胀阀形成低压气液混合物，再次进入到蒸发器中循环使用。

 

　　1.3、污水源热泵的优势

　　1）初投资、运行费用低

　　城市污水源热泵初投资和运行费用较低，相较其他系统，污水源热泵系统机房的占地面积仅有50%。

 

　　系统会结合环境气温实现调节的自动化，这样只需要通过网络技术便能够实时监控，节省一部分人力资源方面的投入。

 

　　此外，污水源热泵工作原理较为简单，相关设备具有较强的可靠性，在维护方面无须投入过多资金。

 

　　2）运行状态平稳

　　污水的温度与环境气温相比，一年四季中更容易保持稳定状态，水温只在小范围中变化，因此，应用污水源热泵期间，运行状态具有稳定性特征，能够确保污水源热泵的经济性。

 

　　其他热泵系统在运行期间容易出现各种各样问题，如空气源热泵系统会产生除霜问题，开式水源热泵系统存在水源温度、流量等参数不稳定问题，而污水源热泵运行稳定，通常不会出现问题。

 

　　3）环保效果优良

　　污水源热泵系统运行时，系统一直保持封闭，不会与其他系统产生直接接触，这样污水只是在封闭的容器中实现循环利用，避免污水污染其他设备以及城市水源。

 

　　污水源热泵系统在发挥降温功能期间，无需使用冷却水塔，这样就会防止污水源热泵使用期间冷却水塔产生的噪声污染、水污染等问题。

 

　　除此之外，该技术释放热量期间，无须使用燃料能源以及锅炉房等传统供热设备，这样能够防止由于燃烧能源而产生的空气污染问题。

 

　　4）高效节能

　　在寒冷的冬季，污水的温度要高于室内气温，因此，热泵循环的蒸发温度和能效比都有所上升。夏季污水的温度要低于室内气温，冷凝温度会因此下降，其冷却效果明显优于冷却塔式制冷。供暖供冷过程中所获得的热能或冷能大概是投入电能的5倍，具有高效节能的优势。

 

　　PART 02、应用污水源热泵要注意什么？

　　从上文不难看出，污水源热泵在污水处理厂应用有着诸多优势，但其使用还需注意以下问题:

 

　　1、清污防腐技术

　　尽管二级出水经过多级过滤以及生化处理，但是还会含有少量固体悬浮物和各种杂质，故清洁技术是该系统正常运行的关键技术，需要注意堵塞、腐蚀、结垢等方面的问题。

 

　　2、与末端系统的匹配

　　直接式污水源热泵系统一般在冬季提供热水温度为40～45℃，能满足风机盘管用户或者地热用户的要求；而散热器用户进水温度一般在70℃以上，热泵的出水温度不能满足其要求。

 

　　3、运行调节与监测调控

　　污水处理厂大规模地应用污水源热泵系统，需多台机组同时并联运行，注意在末端不同负荷条件下机组与各循环水泵的负载负荷及开启台数问题。同时，由于很难实现对系统的完全自动控制，需对系统采取自动监测与人工操作相结合的方式。

 

　　4、可靠性问题

　　如果污水源热泵系统应用于大面积区域的供暖或供冷，应考虑是否需要设置蓄热、蓄冷池，或者在冬季设置备用锅炉的问题。

 

　　PART 03、国内外污水源热泵应用发展情况

　　污水源热泵技术起源于北欧国家，主要利用城市污水满足居民的供热需求，随后瑞典、挪威等国家开始陆续应用污水源热泵系统。

 

　　1981年，世界上首个取用污水厂二级出水的直接式污水源热泵系统在瑞典Sala镇投产，装机容量为3.3MW，年产热能25.6GWh，COP均值为2.6。值得一提的是，瑞典已成为目前应用污水源热泵技术的代表国家。

 

　　日本也是开展污水源热泵技术研究和应用较早的国家之一。日本首套污水热能回收系统于1987年在东京落合污水处理厂启用，至今东京大都会区已有11座污水处理厂建有污水源热泵系统。

 

　　与北欧国家相比，日本污水源热泵技术的特点和优势是开发了一系列过滤装置、流体换向装置、自动清洗装置等，使污水换热器在连续稳定运行中实现自动清洗，减少了换热管污水侧结垢和堵塞的发生，极大地提高了污水源热泵的换热效率和整体性能。

 

　　相对来看，我国污水源热泵技术研究起步晚，2000年在北京高碑店污水处理厂才成功投产我国首个污水源热泵项目。

 

　　近20年来，我国污水源热泵技术的应用主要集中在北方地区，在南方地区的应用相对较少。这主要是因为我国北方地区冬季寒冷，采暖季时间长，供热市场需求大。

 

　　从取用污水的处理状态看，国内现有的污水源热泵系统多以城市污水处理厂二级出水作为热源。哈尔滨、承德、南昌的污水源热泵工程以原生污水为热源；无锡太湖新城污水处理厂以一级出水为热泵热源；青岛、沈阳、天津、秦皇岛等地污水处理厂以二级出水为热泵热源。

 

　　需要特别指出的是，国内污水源热泵技术的使用率仍处于较低水平。为了提升关技术的研究工作速度，我国还先后出台了《城市污水回用设计规范》、《城市污水再生利用标准》等规定，为污水源热泵技术的研究与发展提供了政策支持。

 

　　近年来，我国污水处理厂的排放标准不断提高，而达成高排放标准往往是以高能耗投入为代价，这使污水处理厂的碳排放量不容忽视。

 

　　面向碳达峰、碳中和目标，利用热泵技术对污水中所蕴含的热能进行回收利用，可有效降低燃料、电力等能源的消耗，在节省运行成本的同时大幅减少温室气体排放，是污水处理厂实现减污降碳协同增效的重要手段之一。