污水处理厂多能互补的综合能源供应系统构建及经济性分析

孙振宇，沈明忠，陈北洋，王建华

（1.中国华电科工集团有限公司，北京 100160；2.华电水务控股有限公司，北京 100160）

污水处理厂多能互补的综合能源供应系统构建及经济性分析

孙振宇1，2，沈明忠1，陈北洋2，王建华2

（1.中国华电科工集团有限公司，北京 100160；2.华电水务控股有限公司，北京 100160）

在节约能源、降低排放的压力下，利用可再生能源成为企业实现降本增效的重要手段。污水处理厂结合所在地太阳能资源丰富、建构筑物遮挡率低以及污水热源丰富的优势，在厂内建设分布式光伏，安装污水源热泵，构建了多能互补的综合能源供应系统。系统中污水处理厂日均处理水量为4万m3，用电量巨大；光伏发电供污水处理及污水源热泵使用，剩余电量上网出售，平均年发电量为1059018 kW·h，平均年等效利用小时数为1170，自用率达94%，每年节约电费及余电上网收入为119万元；同时，污水源热泵比空调系统年节约电量150763 kW·h。多能互补的综合能源供应系统每年节约标准煤387.1 t，减排483.6 t二氧化碳以及其他大气污染物，可提高资源利用率，促进节能减排，有效降低生产运营成本。

多能互补；综合能源供应系统；污水处理厂；分布式光伏；污水源热泵；节能环保

0 引言

随着经济的不断发展，能源需求持续增长，能源问题日益严峻，开发新能源、减少能源消耗势在必行。作为新能源的水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和污水热能等具有资源潜力大、环境污染低、可永久利用的优点，充分发挥新能源优势，提高利用效率，已成为行业共识［1－2］。国家出台一系列优惠政策鼓励新能源的发展，具体包括加大资金支持力度、实行税收扶持政策、改善金融服务等。污水源热泵采用污水作为热源，根据污水夏季温度低于室外温度，冬季高于室外温度的特点，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种技术，具有零污染，稳运行，高效能，不产生废渣、废水、废气和烟尘的特点。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能。国家发改委于2013发布了《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，明确对分布式光伏发电实行全电量补贴政策，电价补贴标准为0.42元/（kW·h）［3］，这一政策的出台刺激了光伏产业的发展。

本文以某污水处理厂为背景，采用污水源热泵采暖/制冷，分布式光伏发电－市电双电源协同供电，整合污水热能、太阳能和电能，探索多能互补、能效最大的运行模式，分析三者协同的经济性和环境性问题，为完善污水处理厂综合能源供应系统提供依据。

1 多能互补的综合能源供应系统

多能互补的综合能源供应系统整合了污水热能、太阳能和电能，实现污水处理厂能源利用最大化，该供应系统分为污水处理、污水源热泵和分布式光伏发电3个部分。污水处理厂日均处理水量为4万m3，电费占日常运行成本的一大部分。分布式光伏项目利用污水处理厂所在地太阳能资源丰富、建构筑物遮挡率低的优势，嵌套在污水处理厂内，所发电量供应污水处理、污水源热泵及日常办公，剩余少量电量上网出售，合理利用厂区空间，形成光伏发电、市电的双供电模式，保障污水处理厂的日常运行；同时，厂区常年污水资源丰富，再生水热能通过污水源热泵夏天制冷，冬天采暖，供应办公区域（约3000 m2）。该系统能源供应关系如图1所示。

1.1 污水处理

污水处理采用A2/O底曝氧化沟－高效澄清池－变孔隙滤池工艺，污泥浓缩脱水后填埋处理。污水来源于生活污水，出水水质优于一级A标准。再生水可用于电厂水处理系统、景观河道、绿化园林等领域。

1.2 分布式光伏发电

根据厂区平面布置及设备用电量需求，光伏发电装机总容量为904.8 kW，共安装3 480块峰值功率为260 W的光伏组件，主阵列由20块组件组成，部分阵列由10块组件组成。

图1 多能互补的综合能源供应系统示意

组件采用固定式支架朝正南放置，角度为31°。光伏板经30台30 kW组串式逆变器至4个交流汇流箱，出口电压为0.4kV，经电缆两两分别接至配电室低压配电柜，实现分布式光伏发电－市电协同供电体系，如图2所示。

图2 分布式光伏发电与市电双重供电体系示意

依据污水处理厂所在区域太阳能资源状况和负荷特性，进行光伏发电出力与负荷曲线的匹配分析，如图3所示。曲线对时间的积分为电量，主要分为3部分：光伏发电上网电量，光伏发电作为电源时用户的用电量，市网作为电源时用户的用电量［4］。

图3 光伏发电出力和用电负荷之间的关系曲线

1.3 污水源热泵

市政污水是一种优良的低温热源，包含40%生活中排放的废热，全年流量几乎恒定。夏季水温低于室外温度，冬季水温高于室外温度，而且在整个供暖、供冷季水温波动不大。污水水温与处理水量、所处地域、污水来源及季节等有关，华北地区一般冬季水温不低于10℃，夏季不超过30℃［5－6］，处理后的再生水水温常年为17～20℃。

系统中污水源热泵以再生水为冷热源，选用高温型水源冷热水机组，制冷供回水温度为10℃，采暖供回水温度为45℃，其采暖制冷系统由3个子循环系统构成，即污水循环、中介循环和末端循环。污水经污水换热器将热量传递给清洁水，清洁水进入水源热泵机组，在污水换热器和热泵机组之间形成中介循环，末端系统循环水在热泵机组与末端散热设备之间的循环为末端循环，如图4所示。

图4 污水源热泵系统原理

2 多能互补的综合能源供应系统运行分析

污水处理厂为二级负荷，耗电量与处理水量变化趋势一致。2016年上半年污水处理厂平均月用电量为352632 kW·h，2月用电量最少，5月最多。

光伏项目2016年2月投产，发电量统计到6月，统计结果见表1。光伏发电的平均自用率达到94%，外网电量消耗量约占总用电量的73%，大部分用电量仍然依靠外网。

表1 光伏项目第1年实际发电量

光伏全年发电量采用国际上使用较为广泛的PVSYST软件进行计算，需要的参数有年各月总辐射量和气象站多年平均气温，软件所需的代表年逐小时辐射数据由软件通过数值计算的方法生成。PVSYST软件计算发电量时，部分发电量损失参数需人工设定，主要包括光伏组件功率偏差、直流汇集电缆长度及截面和污秽损失等［7－8］。计算得出第1年的各月发电量见表2，实际发电量与模拟发电量存在偏差（如图5所示），因为模拟发电量代表的是各月多年平均发电量，而实际生产中天气复杂多变。

表2 光伏项目第1年模拟各月发电量kW·h

图5 实际发电量与模拟发电量对比

光伏组件的光电转换效率会随着时间的推移而降低，按首年衰减2%，次年起每年衰减0.8%，运营期20年进行考虑，发电量计算结果见表3。光伏电站20年平均年发电量为1 059 018 kW·h，20年平均年等效利用小时数为1170。

表3 光伏电站20年各年发电量kW·h

与其他供暖方式相比，污水源热泵采暖制冷系统投资少、运营成本低、便于维护。污水源热泵空调系统设备投资、年运行费用、年运行成本分别为地下水热源系统的84.1%，85.0%，72.5%，为燃气空冷空调系统的77.1%，35.0%，46.2%［9］。

污水源热泵制冷量为153 kW，制热量为140 kW；夏季制冷能效比为5.5，冬季制热能效比为3.5；夏季用电功率为27.8 kW，冬季用电功率为40.0 kW。按照夏季用电时长720 h、冬季用电时长2664 h计算，年耗电总量为126576 kW·h。电力空调采暖系统夏季制冷能效比为3.00，冬季制热能效比为1.55，年耗电总量为277339 kW·h，年节约电量150763 kW·h。

3 多能互补的综合能源供应系统经济性分析

污水处理厂年均用电量为4 272 330 kW·h，其中污水源热泵年耗电量为126 576 kW·h。光伏项目20年平均年发电量为1059018 kW·h，按照自用率94%计算，其中自用电量为995477 kW·h，上网电量为63541 kW·h。

分布式光伏自发自用，余电上网运营模式下所发电的综合电价可以表示为

式中：P0为综合电价；P1为外网电价；P2为燃煤机组标杆电价；K为自用率。

污水处理厂属于大工业用电，电价分时段计费，而在日常运营中电量只统计到日，为了便于计算，通过总电费/总用电量计算得出外网电价为0.72元/（kW·h）。当地燃煤机组标杆电价为0.419 6元/（kW·h），光伏发电补贴为0.42元/（kW·h），根据94%的自用率和6%的上网率，得出综合电价为0.72×0.94＋0.419 6×0.06＋0.42＝1.122［元/（kW·h）］，20年平均每年节省电费716 743.4元，余电上网收入为471449.4元，总计1188192.8元。

光伏项目动态投资为806.61万元，7年左右可收回成本。因为光伏项目和水厂共用一套维护运营人员，在不考虑运营费用的情况下，减去光伏项目成本，20年共节约的电费及售电收入共计1 569.78万元。

4 多能互补的综合能源供应系统环境效益分析

燃煤机组发电时向大气排放大量的硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等，对大气环境造成很大影响。近年来，新建燃煤机组全部配套建设脱硫装置，二氧化硫排放量得到很好的控制，但是电力行业在能源转换过程中排放的二氧化碳约占全国排放总量的50%，火电二氧化碳平均排放量约为0.4kg/（kW·h）［10］。

光伏发电是清洁、可再生能源，光伏发电项目装机容量为900 kW（峰值功率），每年平均发电1059018 kW·h，与燃煤电厂相比，按每发1 kW·h电消耗标准煤320 g计算，每年可节约标准煤338.9 t，减少二氧化碳排放423.6 t，同时还减少了其他大气污染物以及大量灰渣的排放，改善了大气环境质量。污水源热泵每年节约电量150763 kW·h，可节约标准煤48.2 t，减排60.3 t二氧化碳。

本文污水处理厂采用的多能互补的综合能源供应系统每年共节约标准煤387.1t，减排483.9t二氧化碳以及其他大气污染物，环境效益显著。在大气污染问题严重的地区，该系统具有很高的应用价值和示范意义。

5 结论

多能互补的综合能源供应系统充分利用污水热能、太阳能，达到能源转换以及节约的目的，使能源利用最大化。光伏发电供给污水处理厂以及污水源热泵，剩余电量上网，自用率达到94%，绝大多数电量内部消耗，工业用电的平均价格高于燃煤脱硫标杆电价，所以自用率越高，污水处理厂节约电费越多。但由于污水处理厂用电量巨大且光伏项目只能白天发电，74%的用电量仍需依靠市电供给。

系统中光伏20年平均发电量达1 059 018 kW·h，采用自发自用、余电上网的运行模式，平均每年节省电费716743.4元，余电上网收入471449.4元，总计1188192.8元；同时，应用污水源热泵可比空调系统年节约电量150763kW·h。多能互补的综合能源供应系统每年可节约标准煤387.1 t，减排483.6 t二氧化碳以及其他大气污染物，具有良好的环境效益和经济效益。

综上所述，多能互补的综合能源供应系统无论在新建污水处理厂还是技改水厂都具有较大的推广价值，可有效促进降本增效的实现。

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（本文责编：刘芳）

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A

1674－1951（2016）10－0073－04

孙振宇（1987—），女，江苏东海人，工程师，理学博士，从事太阳能发电方面的研究（E-mail：sunzy＠chec.com.cn）。

2016－09－07；

2016－09－20