碳中和戰略決策下城鎮污水源熱泵供熱的方案探討

郭斌繼 吳筱峰 趙悅

摘 要：為了應對全球氣候變化，我國提出積極的實現碳達峰、碳中和戰略決策，供熱作為全球最大的終端能源消費領域，肩負著減碳降耗使命。城鎮供暖作為供熱行業重要組成，通過對城鎮中污水源進行熱泵取熱利用，可以作為能源低碳轉型和系統減排增效方向上進行潛力挖掘。在對北京市某區域進行污水源熱泵供熱方案進行構思時，考慮結合地區用電政策，采用適當比例的水儲能、儲電、電鍋爐、光伏等技術，構架出一個具備低碳、高效、可靠，可持續發展優勢的能源供給方案。

關鍵詞：碳中和;供熱方案;污水源熱泵

引言

為了應對全球氣候變化，2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”這一重大戰略決策，不僅是我國經濟高質量發展的必然趨勢，還彰顯了中國積極的應對氣候變化、推動構建人類命運共同體的責任擔當。

供熱是全球最大的終端能源消費領域，根據國際能源署數據顯示， 2018年度供熱占全球終端能耗的50%，占全球二氧化碳排放量的40%。在供熱的消費中，工業部門用熱消費占比約50%，建筑物房屋消費占比約46%，其余為農業部門占比。因此供熱是肩負著減碳降耗，實施碳中和戰略的重點領域。

城鎮供熱是供熱能源消費領域的重要組成行業，業內相關專家圍繞實現能源低碳轉型和系統減排增效等方向進行潛力挖掘，積極開闊思路謀劃應對碳中和戰略的方法，使用熱泵系統提取低品位能源對外供熱成為重要的一項途徑。

城鎮污水經過經污水處理廠處理后達標排放的時具有一定的溫度，冬季溫度一般在8～18℃之間，有較好的穩定性，是很好的熱泵系統提取熱量的來源，具有良好的經濟性和可靠性。以往較多的污水處理廠因地理位置偏僻等原因，污水源熱泵的利用主要是解決廠區內部的冷熱需求。本方案研究分析的區域是北京市某高端商住區塊，有用熱需求的建筑物當中，商業商務建筑面積占49%;居住建筑面積占37%;公共服務設施建筑面積占14%，域內擬建一座大型的全地下污水處理廠。若在此建設熱泵供熱系統作為供熱熱源，供熱半徑三公里，還能兼顧商用和公共服務地塊的夏季制冷負荷需求，具有非常良好的應用場景。

1 城鎮污水熱泵供熱方案

本著提高能源利用率，保證供熱安全性，充分利用分時段電價用電政策，打造促進能源和信息深度融合，構建多能互補、工序協調的智慧能源系統為原則。能源站構建以充分利用污水熱量的熱泵系統為主要的制熱熱源，配套建設大型的水儲能（罐）系統和相匹配的儲電系統，搭配少量的電極鍋爐，以應對污水源水量不穩定、極端天氣等特殊工況。同時若采用大型立式儲罐系統，需要建設地面構筑物，在建筑外墻和屋頂可以采用各類具有美觀效果的光伏板，其光伏系統可以與化學儲能系統構建附屬管理用房的“光儲直柔”用電系統。

能源站的供熱工況主要依靠污水源熱泵提取污水低品位熱能，通過輸配管網將熱量輸送至末端用戶。結合供熱期末端負荷的波動，運行期間可以在低谷電價時段將部分提取的熱能儲存在儲罐內，其它時段儲熱系統對外供熱，搭配的小比例的電鍋爐為供熱可靠性提供安全保障。化學儲電系統主要是充分利用市政電網的用電差價，可以在低谷電價時段儲存電能， 其它時段通過直交流轉換后驅動熱泵、熱網循環泵、電鍋爐及能源站附屬用電設施的工作。能源站部分附屬用電設施的用電也可以與光伏系統和儲電系統搭建表面光伏、分布儲電、直流配電、柔性用電的“光儲直柔”用電系統，參見圖1。

2 用能方案優勢分析

污水源熱泵系統，既能實現對污水地面為能源的提取，又不影響污（中）水的后續利用，可以為周邊區域有用熱需求的地塊，提供較為穩定的能源供給，組合好儲能、儲電，光伏，電鍋爐等能源搭配，可以非常好作為的城鎮區域供熱熱源，并能兼顧周邊地塊的制冷負荷需求。具體的優勢如下。

符合國家碳中和戰略決策，減少城鎮供熱碳排放，具有較強的示范性。采用污水源熱泵組合儲熱、儲電、光伏、光儲直柔技術應用、電極鍋爐聯合保障的方案。可以減少對化石能源的消耗，降低碳排放，隨著電力能源的清潔化，據相關產業資訊，電力能源可能將在2040-2045年間實現100%的清潔化。那么該方案搭建的用能系統運行時產生的碳排放隨著電力系統清潔化，實現“近零碳”排放供熱。

能源利用效率高。充分利用了電熱泵系統高效制熱性能，充分提取城市中利用的可再生能源，并且提取熱量的來源是具有一定溫度的污水源， 比單純的空氣源、土壤源，更加有利于能量的高效提取。

運行成本較低。通過北京市在該地區的用電政策可知，不同電壓等級對應的峰、谷電的差價約在3～5倍之間，存在較大的差價。在制熱工況時，假定污水源熱泵系統的平均COP為3.5，在使用低谷電價工作時，按在一般商業用電、電壓等級1～10千伏用電費用為0.2025元/千瓦時計算，制熱耗電的運行理論直接費用為16.5元/GJ，即便是在峰電的狀態下其運行直接費用為61.8元/GJ，也比燃氣鍋爐燃燒燃料消耗的供熱運行直接費用低，具有非常強的運行成本優勢。電鍋爐在使用以上低谷電價運行時，理論直接成本為57.8元/GJ，也有相當的運行成本優勢。通過化學儲電系統，又能進一步拉低在非低谷電價時段的用電成本。

供熱可靠性高。污水源熱泵集中供熱多臺設備之間本身具有互備性，儲能系統再次增加了供熱系統穩定性，同時搭配的電鍋爐可以在面對各類不穩定因素出現時作為備用和調峰熱源，使整個供熱系統具有非常的可靠性。而儲電系統的在拉低用電成本的同時也提高了供熱系統用電的可靠性。

兼顧了夏季制冷需求，提高了輸送管網的利用率。在滿足城鎮所需的冬季供熱需求之外，還能滿足夏季的制冷需求，且其同樣高效，低運行成本及低碳排放的優勢;為供熱配套建設的供熱管網，能夠充分利用，實現不同季節輸送兩種能量的用途。

結束語

在碳中和戰略決策下，供熱能源結構和供熱方式將產生重大的變化。深度挖掘各類低品位能源加以高效利用，是實現供熱行業高質量、高效能、可持續發展的一個重要方向。城鎮污水廠的污水源通過熱泵系統提取余熱進行利用，可以作為一個很好的城鎮供熱來源。在制定具體的供熱方案時，結合用電政策等因素，構建以污水源熱泵系統為主體，水儲能、儲電、電鍋爐、光伏等技術相結合的能源利用方案，具備低碳、高效、可靠，可持續發展的優勢，符合我國碳中和戰略決策。

參考文獻：

[1]12K512/12R116污水源熱泵系統設計與安裝.中國建筑標準設計研究院，2013.

[2]GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準.北京：化學工業出版社，2012.