碳中和战略决策下城镇污水源热泵供热的方案探讨

郭斌继 吴筱峰 赵悦

摘 要：为了应对全球气候变化，我国提出积极的实现碳达峰、碳中和战略决策，供热作为全球最大的终端能源消费领域，肩负着减碳降耗使命。城镇供暖作为供热行业重要组成，通过对城镇中污水源进行热泵取热利用，可以作为能源低碳转型和系统减排增效方向上进行潜力挖掘。在对北京市某区域进行污水源热泵供热方案进行构思时，考虑结合地区用电政策，采用适当比例的水储能、储电、电锅炉、光伏等技术，构架出一个具备低碳、高效、可靠，可持续发展优势的能源供给方案。

关键词：碳中和;供热方案;污水源热泵

引言

为了应对全球气候变化，2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”这一重大战略决策，不仅是我国经济高质量发展的必然趋势，还彰显了中国积极的应对气候变化、推动构建人类命运共同体的责任担当。

供热是全球最大的终端能源消费领域，根据国际能源署数据显示， 2018年度供热占全球终端能耗的50%，占全球二氧化碳排放量的40%。在供热的消费中，工业部门用热消费占比约50%，建筑物房屋消费占比约46%，其余为农业部门占比。因此供热是肩负着减碳降耗，实施碳中和战略的重点领域。

城镇供热是供热能源消费领域的重要组成行业，业内相关专家围绕实现能源低碳转型和系统减排增效等方向进行潜力挖掘，积极开阔思路谋划应对碳中和战略的方法，使用热泵系统提取低品位能源对外供热成为重要的一项途径。

城镇污水经过经污水处理厂处理后达标排放的时具有一定的温度，冬季温度一般在8～18℃之间，有较好的稳定性，是很好的热泵系统提取热量的来源，具有良好的经济性和可靠性。以往较多的污水处理厂因地理位置偏僻等原因，污水源热泵的利用主要是解决厂区内部的冷热需求。本方案研究分析的区域是北京市某高端商住区块，有用热需求的建筑物当中，商业商务建筑面积占49%;居住建筑面积占37%;公共服务设施建筑面积占14%，域内拟建一座大型的全地下污水处理厂。若在此建设热泵供热系统作为供热热源，供热半径三公里，还能兼顾商用和公共服务地块的夏季制冷负荷需求，具有非常良好的应用场景。

1 城镇污水热泵供热方案

本着提高能源利用率，保证供热安全性，充分利用分时段电价用电政策，打造促进能源和信息深度融合，构建多能互补、工序协调的智慧能源系统为原则。能源站构建以充分利用污水热量的热泵系统为主要的制热热源，配套建设大型的水储能（罐）系统和相匹配的储电系统，搭配少量的电极锅炉，以应对污水源水量不稳定、极端天气等特殊工况。同时若采用大型立式储罐系统，需要建设地面构筑物，在建筑外墙和屋顶可以采用各类具有美观效果的光伏板，其光伏系统可以与化学储能系统构建附属管理用房的“光储直柔”用电系统。

能源站的供热工况主要依靠污水源热泵提取污水低品位热能，通过输配管网将热量输送至末端用户。结合供热期末端负荷的波动，運行期间可以在低谷电价时段将部分提取的热能储存在储罐内，其它时段储热系统对外供热，搭配的小比例的电锅炉为供热可靠性提供安全保障。化学储电系统主要是充分利用市政电网的用电差价，可以在低谷电价时段储存电能， 其它时段通过直交流转换后驱动热泵、热网循环泵、电锅炉及能源站附属用电设施的工作。能源站部分附属用电设施的用电也可以与光伏系统和储电系统搭建表面光伏、分布储电、直流配电、柔性用电的“光储直柔”用电系统，参见图1。

2 用能方案优势分析

污水源热泵系统，既能实现对污水地面为能源的提取，又不影响污（中）水的后续利用，可以为周边区域有用热需求的地块，提供较为稳定的能源供给，组合好储能、储电，光伏，电锅炉等能源搭配，可以非常好作为的城镇区域供热热源，并能兼顾周边地块的制冷负荷需求。具体的优势如下。

符合国家碳中和战略决策，减少城镇供热碳排放，具有较强的示范性。采用污水源热泵组合储热、储电、光伏、光储直柔技术应用、电极锅炉联合保障的方案。可以减少对化石能源的消耗，降低碳排放，随着电力能源的清洁化，据相关产业资讯，电力能源可能将在2040-2045年间实现100%的清洁化。那么该方案搭建的用能系统运行时产生的碳排放随着电力系统清洁化，实现“近零碳”排放供热。

能源利用效率高。充分利用了电热泵系统高效制热性能，充分提取城市中利用的可再生能源，并且提取热量的来源是具有一定温度的污水源， 比单纯的空气源、土壤源，更加有利于能量的高效提取。

运行成本较低。通过北京市在该地区的用电政策可知，不同电压等级对应的峰、谷电的差价约在3～5倍之间，存在较大的差价。在制热工况时，假定污水源热泵系统的平均COP为3.5，在使用低谷电价工作时，按在一般商业用电、电压等级1～10千伏用电费用为0.2025元/千瓦时计算，制热耗电的运行理论直接费用为16.5元/GJ，即便是在峰电的状态下其运行直接费用为61.8元/GJ，也比燃气锅炉燃烧燃料消耗的供热运行直接费用低，具有非常强的运行成本优势。电锅炉在使用以上低谷电价运行时，理论直接成本为57.8元/GJ，也有相当的运行成本优势。通过化学储电系统，又能进一步拉低在非低谷电价时段的用电成本。

供热可靠性高。污水源热泵集中供热多台设备之间本身具有互备性，储能系统再次增加了供热系统稳定性，同时搭配的电锅炉可以在面对各类不稳定因素出现时作为备用和调峰热源，使整个供热系统具有非常的可靠性。而储电系统的在拉低用电成本的同时也提高了供热系统用电的可靠性。

兼顾了夏季制冷需求，提高了输送管网的利用率。在满足城镇所需的冬季供热需求之外，还能满足夏季的制冷需求，且其同样高效，低运行成本及低碳排放的优势;为供热配套建设的供热管网，能够充分利用，实现不同季节输送两种能量的用途。

结束语

在碳中和战略决策下，供热能源结构和供热方式将产生重大的变化。深度挖掘各类低品位能源加以高效利用，是实现供热行业高质量、高效能、可持续发展的一个重要方向。城镇污水厂的污水源通过热泵系统提取余热进行利用，可以作为一个很好的城镇供热来源。在制定具体的供热方案时，结合用电政策等因素，构建以污水源热泵系统为主体，水储能、储电、电锅炉、光伏等技术相结合的能源利用方案，具备低碳、高效、可靠，可持续发展的优势，符合我国碳中和战略决策。

参考文献：

[1]12K512/12R116污水源热泵系统设计与安装.中国建筑标准设计研究院，2013.

[2]GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准.北京：化学工业出版社，2012.