近日，為加快推進可再生能源高質量發展，相關部門發布了《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公里范圍內的建筑優先利用再生水/污水源熱泵供暖。

 

　　無獨有偶，除了北京，多地發改委（相關部門）也相繼發文：大力推廣污水源等熱泵技術。如在《上海市促進地熱能開發利用的實施意見》、《廣東省全面推行清潔生產實施方案（2023-2025年）》、《陜西省關于進一步推進地熱能供熱技術應用的通知（第97號）》等文件中，均有相關表述。

 

　　國務院發展研究中心資源與環境政策研究所副所長、國家碳達峰碳中和標準化總體組成員常紀文提到，未來，污水源熱泵的應用將成為市政污水處理行業的低碳發展主流，除滿足自身的能源需求外，還可與廠外實現供熱系統聯動，擴大輸出范圍，節能潛力大。

 

　　可見，從政策的推動，到技術的發展，再到行業的響應，污水源熱泵這一環保節能技術正在得到越來越多的關注和應用。

 

　　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，為建筑物供熱。

 

　　1.1、污水源熱泵的分類

　　一般來說，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。

　　1）直接式污水源熱泵系統沒有中介換熱循環，污水經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重的污堵、腐蝕等問題，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，污水先與清水進行熱交換，清水再進入熱泵機組進行換熱。中介水循環緩解了熱泵機組受損的風險，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較好的二級出水，間接式污水源熱泵適用于水質較差的原生污水。

 

　　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、蒸發器、冷凝器，以及一些閥門（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制冷裝置。通過轉動四通換向閥，改變制冷劑工質的流動方向，液態工質在用戶側的換熱器中進行等壓蒸發，將用戶側的熱量帶走，從而實現制冷的效果。工質吸收的熱量則在污水側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器中，將蒸發器中的液態制冷劑工質等壓蒸發成低壓氣態工質。在壓縮機的作用下，通過消耗電能將低壓氣態工質等熵壓縮成高壓氣態工質，再將其輸送到冷凝器中。高壓氣態工質在冷凝器中等壓冷凝所放出的熱量用于向用戶側供暖。冷凝得到的高壓液態工質通過膨脹閥形成低壓氣液混合物，再次進入到蒸發器中循環使用。

 

　　1.3、污水源熱泵的優勢

　　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%。

 

　　系統會結合環境氣溫實現調節的自動化，這樣只需要通過網絡技術便能夠實時監控，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單，相關設備具有較強的可靠性，在維護方面無須投入過多資金。

 

　　2）運行狀態平穩

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

 

　　其他熱泵系統在運行期間容易出現各種各樣問題，如空氣源熱泵系統會產生除霜問題，開式水源熱泵系統存在水源溫度、流量等參數不穩定問題，而污水源熱泵運行穩定，通常不會出現問題。

 

　　3）環保效果優良

　　污水源熱泵系統運行時，系統一直保持封閉，不會與其他系統產生直接接觸，這樣污水只是在封閉的容器中實現循環利用，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生的噪聲污染、水污染等問題。

 

　　除此之外，該技術釋放熱量期間，無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生的空氣污染問題。

 

　　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，熱泵循環的蒸發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，冷凝溫度會因此下降，其冷卻效果明顯優于冷卻塔式制冷。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，具有高效節能的優勢。

 

　　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應用有著諸多優勢，但其使用還需注意以下問題:

 

　　1、清污防腐技術

　　盡管二級出水經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，故清潔技術是該系統正常運行的關鍵技術，需要注意堵塞、腐蝕、結垢等方面的問題。

 

　　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℃，能滿足風機盤管用戶或者地熱用戶的要求；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、運行調節與監測調控

　　污水處理廠大規模地應用污水源熱泵系統，需多臺機組同時并聯運行，注意在末端不同負荷條件下機組與各循環水泵的負載負荷及開啟臺數問題。同時，由于很難實現對系統的完全自動控制，需對系統采取自動監測與人工操作相結合的方式。

 

　　4、可靠性問題

　　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題。

 

　　PART 03、國內外污水源熱泵應用發展情況

　　污水源熱泵技術起源于北歐國家，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應用污水源熱泵系統。

 

　　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在瑞典Sala鎮投產，裝機容量為3.3MW，年產熱能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的代表國家。

 

　　日本也是開展污水源熱泵技術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啟用，至今東京大都會區已有11座污水處理廠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的特點和優勢是開發了一系列過濾裝置、流體換向裝置、自動清洗裝置等，使污水換熱器在連續穩定運行中實現自動清洗，減少了換熱管污水側結垢和堵塞的發生，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研究起步晚，2000年在北京高碑店污水處理廠才成功投產我國首個污水源熱泵項目。

 

　　近20年來，我國污水源熱泵技術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，采暖季時間長，供熱市場需求大。

 

　　從取用污水的處理狀態看，國內現有的污水源熱泵系統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，國內污水源熱泵技術的使用率仍處于較低水平。為了提升關技術的研究工作速度，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，為污水源熱泵技術的研究與發展提供了政策支持。

 

　　近年來，我國污水處理廠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，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，利用熱泵技術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，是污水處理廠實現減污降碳協同增效的重要手段之一。