碳中和戰(zhàn)略決策下城鎮(zhèn)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(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)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(zhèn)供暖作為供熱行業(yè)重要組成，通過對城鎮(zhèn)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(tǒng)減排增效方向上進行潛力挖掘。在對北京市某區(qū)域進行污水源熱泵供熱方案進行構思時，考慮結合地區(qū)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(xù)發(fā)展優(yōu)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(lián)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(xiàn)碳中和?！边@一重大戰(zhàn)略決策，不僅是我國經濟高質量發(fā)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(yè)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(yè)部門占比。因此供熱是肩負著減碳降耗，實施碳中和戰(zhàn)略的重點領域。

城鎮(zhèn)供熱是供熱能源消費領域的重要組成行業(yè)，業(yè)內相關專家圍繞實現(xiàn)能源低碳轉型和系統(tǒng)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(zhàn)略的方法，使用熱泵系統(tǒng)提取低品位能源對外供熱成為重要的一項途徑。

城鎮(zhèn)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(wěn)定性，是很好的熱泵系統(tǒng)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(qū)內部的冷熱需求。本方案研究分析的區(qū)域是北京市某高端商住區(qū)塊，有用熱需求的建筑物當中，商業(yè)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(tǒng)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(zhèn)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(xié)調的智慧能源系統(tǒng)為原則。能源站構建以充分利用污水熱量的熱泵系統(tǒng)為主要的制熱熱源，配套建設大型的水儲能（罐）系統(tǒng)和相匹配的儲電系統(tǒng)，搭配少量的電極鍋爐，以應對污水源水量不穩(wěn)定、極端天氣等特殊工況。同時若采用大型立式儲罐系統(tǒng)，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(tǒng)可以與化學儲能系統(tǒng)構建附屬管理用房的“光儲直柔”用電系統(tǒng)。

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(tǒng)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?；瘜W儲電系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)和儲電系統(tǒng)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(tǒng)，參見圖1。

2 用能方案優(yōu)勢分析

污水源熱泵系統(tǒng)，既能實現(xiàn)對污水地面為能源的提取，又不影響污（中）水的后續(xù)利用，可以為周邊區(qū)域有用熱需求的地塊，提供較為穩(wěn)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(zhèn)區(qū)域供熱熱源，并能兼顧周邊地塊的制冷負荷需求。具體的優(yōu)勢如下。

符合國家碳中和戰(zhàn)略決策，減少城鎮(zhèn)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(lián)合保障的方案?？梢詼p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(yè)資訊，電力能源可能將在2040-2045年間實現(xiàn)100%的清潔化。那么該方案搭建的用能系統(tǒng)運行時產生的碳排放隨著電力系統(tǒng)清潔化，實現(xiàn)“近零碳”排放供熱。

能源利用效率高。充分利用了電熱泵系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)的平均COP為3.5，在使用低谷電價工作時，按在一般商業(yè)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(tài)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(yōu)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(yōu)勢。通過化學儲電系統(tǒng)，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(tǒng)再次增加了供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時搭配的電鍋爐可以在面對各類不穩(wěn)定因素出現(xiàn)時作為備用和調峰熱源，使整個供熱系統(tǒng)具有非常的可靠性。而儲電系統(tǒng)的在拉低用電成本的同時也提高了供熱系統(tǒng)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(zhèn)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(yōu)勢;為供熱配套建設的供熱管網，能夠充分利用，實現(xiàn)不同季節(jié)輸送兩種能量的用途。

結束語

在碳中和戰(zhàn)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(xiàn)供熱行業(yè)高質量、高效能、可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。城鎮(zhèn)污水廠的污水源通過熱泵系統(tǒng)提取余熱進行利用，可以作為一個很好的城鎮(zhèn)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(tǒng)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(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，符合我國碳中和戰(zhàn)略決策。

參考文獻：

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

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