污水源熱泵火了！各地政府瘋狂“推廣”，它在污水廠中有什么作用？
時(shi)間(jian)：2023-07-21 09:45:19 來源：創始人
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近(jin)日，為加(jia)快推進可再(zai)生能(neng)源高質量發展，相(xiang)關部門發布(bu)了《北京市可再(zai)生能(neng)源替代行動方案（2023—2025年）》。方案明確指(zhi)出：
“要充分利用再生水(shui)資(zi)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......到2025年，全市新增再生水源熱(re)泵供熱(re)面(mian)積(ji)200萬平方米。”
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。
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。
那么，污(wu)水源熱泵到底是什么？北方的小伙伴一定知道，但南方的小伙伴可能聽都沒聽過。
顧名思義，污水源熱泵就是以污水為“源體”的熱泵。那么，熱泵又是什么呢？
熱泵是一種節能裝置(zhi)，可(ke)以把達不到可(ke)以直接利(li)用的(de)(de)(de)能量轉換為可(ke)以直接利(li)用的(de)(de)(de)高位熱能，進而(er)達到節約(yue)電(dian)、天燃氣、石油的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。其實，可以把污水源熱泵系統看作一個空調系統。從污水中提(ti)取(qu)和儲存能量(liang)的(de)冷、熱(re)源，借助(zhu)熱(re)泵機組(zu)，消耗少(shao)量(liang)電能，在夏季把室內熱量“提取”出來釋放到污水中，為(wei)室(shi)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。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(jie)式和間接(jie)式，兩者主要(yao)區別在于是(shi)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(wu)水處理廠(chang)，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。污水源熱泵系統的核心設(she)備主(zhu)要包括壓縮機、 蒸發器、冷(leng)凝器，以及一些閥門（膨脹閥、四通換向(xiang)閥等） 和泵送設(she)備等。下面，老吳就以直接式污水源(yuan)熱(re)泵(beng)系統(tong)為例，對污水源(yuan)熱(re)泵(beng)的運行原理進行簡(jian)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(wu)水(shui)源熱(re)(re)泵系統相(xiang)當于一個制冷(leng)裝置。通過轉動(dong)四通換向閥，改變(bian)制冷(leng)劑工(gong)質的(de)流動(dong)方向，液態(tai)工(gong)質在用戶(hu)側(ce)的(de)換熱(re)(re)器(qi)中(zhong)進行等壓(ya)蒸發，將用戶(hu)側(ce)的(de)熱(re)(re)量帶走，從而實現(xian)制冷(leng)的(de)效果。工(gong)質吸(xi)收(shou)的(de)熱(re)(re)量則在污(wu)水(shui)側(ce)的(de)換熱(re)(re)器(qi)中(zhong)釋放(fang)至污(wu)水(shui)處理廠二級出水(shui)中(zhong)。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(shui)被泵送入蒸(zheng)發(fa)器中(zhong)，將(jiang)蒸(zheng)發(fa)器中(zhong)的(de)液(ye)(ye)(ye)態(tai)(tai)制(zhi)冷劑工(gong)質(zhi)(zhi)等(deng)壓(ya)(ya)蒸(zheng)發(fa)成低壓(ya)(ya)氣態(tai)(tai)工(gong)質(zhi)(zhi)。在(zai)壓(ya)(ya)縮機的(de)作用下，通(tong)過消耗電(dian)能將(jiang)低壓(ya)(ya)氣態(tai)(tai)工(gong)質(zhi)(zhi)等(deng)熵壓(ya)(ya)縮成高壓(ya)(ya)氣態(tai)(tai)工(gong)質(zhi)(zhi)，再將(jiang)其(qi)輸(shu)送到冷凝(ning)器中(zhong)。高壓(ya)(ya)氣態(tai)(tai)工(gong)質(zhi)(zhi)在(zai)冷凝(ning)器中(zhong)等(deng)壓(ya)(ya)冷凝(ning)所放(fang)出的(de)熱量用于(yu)向用戶側供暖。冷凝(ning)得到的(de)高壓(ya)(ya)液(ye)(ye)(ye)態(tai)(tai)工(gong)質(zhi)(zhi)通(tong)過膨脹閥(fa)形(xing)成低壓(ya)(ya)氣液(ye)(ye)(ye)混合物，再次進入到蒸(zheng)發(fa)器中(zhong)循環使(shi)用。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。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(shui)源(yuan)熱泵運(yun)行穩定，通常不會(hui)出現問題。污水(shui)源熱泵系(xi)統運(yun)行時，系(xi)統一直保持封閉，不會與其他(ta)系(xi)統產(chan)生直接(jie)接(jie)觸，這樣污水(shui)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(ci)之外，該技術(shu)釋放熱(re)(re)量期間，無須使用燃(ran)料能(neng)源(yuan)以及鍋爐房等傳(chuan)統供熱(re)(re)設備，這樣(yang)能(neng)夠防止由于燃(ran)燒能(neng)源(yuan)而(er)產生的空氣(qi)污(wu)染問(wen)題。在(zai)寒冷的冬季，污水的溫度(du)要高(gao)于室內氣溫，因此，熱泵循環的蒸發溫度(du)和能效(xiao)比(bi)都有所(suo)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(cheng)中所獲(huo)得的熱能或冷能大概是投入電能的5倍，具(ju)有高效節能的優勢。
從上文不(bu)難(nan)看出，污水源熱泵在(zai)污水處理廠應用有(you)著諸多優勢，但其使用還(huan)需注意(yi)以下問(wen)題:盡管二級出水經過多級過濾以及生化(hua)處理，但是(shi)還會含有少量(liang)固(gu)體懸浮(fu)物和各種雜質，故清(qing)潔技術是(shi)該系統正常(chang)運行的關(guan)鍵技術，需要注意堵塞、腐蝕、結垢等方面的問題。直接式污水(shui)源熱泵系統一般在冬(dong)季(ji)提供熱水(shui)溫度為40～45℃，能滿足風機盤管用戶或者地熱用戶的要求；而(er)散(san)熱器用戶(hu)進(jin)水溫(wen)度(du)一般在70℃以上，熱泵的出水溫(wen)度(du)不(bu)能滿足其要求。污(wu)水(shui)處理廠大規模地應用(yong)污(wu)水(shui)源(yuan)熱泵系統，需多臺機組同時并聯運行(xing)，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(shi)，由于很難(nan)實現(xian)對系統(tong)的(de)完全(quan)自(zi)動控制，需對系統(tong)采(cai)取自(zi)動監測與(yu)人工操(cao)作相(xiang)結合(he)的(de)方式。如果(guo)污(wu)水源熱泵(beng)系(xi)統(tong)應(ying)用于(yu)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。 污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)泵技術起源(yuan)于北(bei)歐國(guo)家，主要(yao)利用城市污(wu)(wu)水(shui)滿(man)足居(ju)民的供熱(re)需求(qiu)，隨后瑞典、挪威(wei)等國(guo)家開始陸(lu)續(xu)應用污(wu)(wu)水(shui)源(yuan)熱(re)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(rong)量(liang)為3.3MW，年產熱(re)能25.6GWh，COP均(jun)值(zhi)為2.6。值(zhi)得一提(ti)的是，瑞典(dian)已成為目前應用污水(shui)源熱(re)泵技(ji)術(shu)的代表(biao)國家。日本(ben)也是開展污水(shui)(shui)源熱泵技術研究和應用(yong)較早的國家之一。日本(ben)首套污水(shui)(shui)熱能回收(shou)系(xi)統(tong)于(yu)1987年在東(dong)京落合污水(shui)(shui)處(chu)理廠啟用(yong)，至今東(dong)京大都會區已有11座污水(shui)(shui)處(chu)理廠建有污水(shui)(shui)源熱泵系(xi)統(tong)。與北歐國家相(xiang)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(wu)水(shui)換(huan)熱器在連續穩定運行(xing)中實現自動清洗，減少了換(huan)熱管污(wu)水(shui)側結垢和(he)堵塞(sai)的(de)發生，極(ji)大地提高了污(wu)水(shui)源熱泵的(de)換(huan)熱效率(lv)和(he)整體(ti)性能。當然，污水源熱(re)泵技術在其他(ta)國家也得到了不同程度的應用。比如(ru)，瑞(rui)士首都伯爾尼的污水處理(li)廠安裝有1.4MW的污水源(yuan)熱(re)泵，每年可為鄰近(jin)地區供熱(re)約(yue)3GWh；美國芝加哥的(de)James C Kirie污(wu)(wu)水處理(li)廠建設的(de)污(wu)(wu)水源熱(re)泵系統(tong)，使(shi)該廠減少(shao)40％的(de)供(gong)(gong)熱(re)供(gong)(gong)冷(leng)能耗；2021年，英國(guo)泰晤士水(shui)務公司啟動Hogsmill污水(shui)處(chu)理廠污水(shui)源熱泵(beng)系統的建設項目，預(yu)計每年為部(bu)分地區提(ti)供7WGh的低碳熱能。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(wo)國北(bei)方地區(qu)冬季(ji)寒(han)冷，采暖季(ji)時間長(chang)，供熱市場(chang)需求大。從取(qu)用(yong)污水(shui)的處理(li)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(er)濱、承德、南昌的污(wu)水(shui)(shui)源熱(re)泵(beng)工程以原生(sheng)污(wu)水(shui)(shui)為熱(re)源；無錫(xi)太湖(hu)新城污(wu)水(shui)(shui)處理廠(chang)以一級出(chu)水(shui)(shui)為熱(re)泵(beng)熱(re)源；青島、沈陽、 天津、秦皇島等地污(wu)水(shui)(shui)處理廠(chang)以二級出(chu)水(shui)(shui)為熱(re)泵(beng)熱(re)源。需要特別(bie)指(zhi)出的(de)是(shi)，國污水源熱(re)泵技術的(de)使用率仍處于較(jiao)低水平。為了(le)提升關技術的(de)研究(jiu)工作速(su)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(nian)來，我國污水(shui)處(chu)理廠的排放(fang)標準不(bu)斷(duan)提高，而達(da)成高排放(fang)標準往往是以高能耗投入為代價，這使污水(shui)處(chu)理廠的碳排放(fang)量不(bu)容忽視。面向(xiang)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(chang)實現(xian)減污降碳(tan)協(xie)同(tong)增效的重要手段之一。
來源：廣(guang)州化工交易(yi)中心(xin)
