低碳技术 污水厂余热供暖技术

城镇集中供热降碳目标的达成，需要大力推广余热供暖项目。污水处理是城镇必不可少的环保措施，也是能耗大户和碳排放大户，同时污水中含有丰富的热能，是一种重要的可用于冬季供暖的余热资源。

污水厂的冬季排水温度一般在10-12℃，高于环境温度但远低于供暖温度，需要热泵提温用于供热。总体上来说，污水厂余热供暖技术分为三类：压缩式热泵直供系统、压缩式热泵间供系统、吸收式热泵间供系统。

第一类压缩式热泵直供系统

压缩式热泵是常见余热利用设备，用于污水厂的压缩式热泵还有另外一个名称——水源热泵，一般以电力驱动。电力驱动的优势有两个：

一是能源品位高，热泵COP高。压缩式热泵采用高品位电能驱动，COP普遍高于吸收式热泵，供应相同的热量，消耗的电量少，余热占比高。

二是电力覆盖范围广，热泵应用方便。城市供电系统已经实现了全面覆盖，取电方便，热泵可以在污水厂附近布置，不受取电位置限制，使用方便。

压缩式热泵直供系统，使用电力驱动压缩式热泵回收污水余热，产生的热水直接送到附近的用户末端中，如污水厂的办公楼、周边小区等。

 

直供系统的优势在于供热温度较低，热泵COP高。该系统的缺点也很明显：直供系统只适合附近建筑供暖，无法远距离输送。这样，压缩式热泵的供热量受限严重，无法完全利用污水厂余热。以日处理量6万吨的污水处理厂为例，余热温度由12℃降低到4℃，可释放热量23.26MW，按COP=4计算，如果全部回收，可以产热31MW，至少可以供60万平米。这么大的供热面积，直供系统很难实现，只能就近供热，按需热量回收余热，余热浪费较多。

第二类 压缩式热泵间供系统

压缩式热泵间供系统实现了污水厂余热全部利用的目标，整体节能降碳效果较好。压缩式热泵与城市集中供热系统相配合，将热网回水引入压缩式热泵进行基础加热，再进入供热热源（如燃气锅炉房等）加热，高温供水通过一次热网送到各个换热站，给二次网加热。

间供系统经过换热站换热，热网回水温度高于直供系统，导致热泵COP较低。一般集中供热系统的回水温度在50℃左右，按热水由50℃升至60℃、污水温度由12℃降至4℃的工况计算，热泵COP在3-3.5之间，低于直供系统的热泵COP，热泵回收单位余热的电耗较多。

间供系统热泵的COP略低，但优点也很明显。系统与城市集中供热管网相连，热负荷大，可以完全回收污水厂余热。从整体来看，间供系统的回收余热量远大于直供系统，供热热源（如燃气锅炉房）的能源消耗量大幅度降低，虽然热泵本身消耗的电量略有增加，但是供热系统整体的能源消耗量、运行费用及碳排放量都会大幅度降低。

两种压缩式热泵余热回收系统的节能降碳效果都比较较好，但存在两个问题：首先，电力增容增加的初投资较多。污水厂余热量较大，如果全部回收，耗电量约10MW，即每小时消耗一万度电，一般情况下污水厂没有这么大的用电裕量，需要电力增容，费用很高。第二，在以燃气为主的供热系统中，没有利用燃气锅炉本身存在的能量损失，需要使用额外的电力驱动，降碳效果偏低。考虑以上两方面，在燃气供热区域，采用吸收式热泵间供系统比较合理。

第三类 吸收式热泵间供系统

吸收式热泵适用于燃气供热为主的区域，能够减少锅炉房的燃气消耗，同时解决压缩式热泵存在的问题。

吸收式热泵采用高温热源（燃气或蒸汽）驱动，回收污水厂余热，产生热水用于供热。吸收式热泵只能用于间供系统，主要原因有两点：

第一，吸收式热泵宜大不宜小，越小的热泵单位造价越高，经济性越差。

第二，吸收式热泵COP低于压缩式热泵，如果供热量相同，压缩式热泵供热量的余热比例更高，经济性优于吸收式热泵。只有外界需热量足够大，可以完全回收余热的情况下，吸收式热泵才有优势。

因此，吸收式热泵只能与集中供热间供系统连接，以燃气或蒸汽驱动，回收污水厂余热，加热一次网回水，一次网回水再被燃气锅炉房加热，随后送入各个换热站与二次网换热。

 

污水厂余热温度只有10-12℃，而热网回水要从50℃升温至60℃，因此，热泵COP只有1.5左右，即需要用1份燃气或蒸汽热量驱动，回收0.5份余热，产生1.5份供热量。

虽然吸收式热泵COP低，在余热回收机房内消耗的燃气或蒸汽量较大，但是热泵供热量也大，大幅度降低了燃气锅炉房的供热量及燃气消耗量。从热量构成来看，吸收式热泵供热系统的供热量包括余热、驱动燃气、锅炉房燃气，而压缩式热泵供热系统的供热量包括余热、驱动电力、锅炉房燃气，相当于用电力替代部分燃气，从价格上看，压缩式热泵系统的运行成本更高。

 

与压缩式热泵间供系统相比，吸收式热泵间供系统的优势有以下几个：

第一，燃气开口费一般低于电力增容费。在已经普及燃气供热的区域，燃气开口费用一般较低，这部分成本低很多。

第二，整体运行成本低。吸收式热泵利用了燃气锅炉本身存在的巨大传热温差作为驱动，而压缩式热泵没有利用这部分已经存在的驱动，而是引进了新的能量（电能），相当于用电替代部分燃气。从价格上来说，目前电价高于燃气价格，吸收式热泵整体运行成本低。

第三，余热回收量更大，后续改进空间大。压缩式热泵回收污水热量，为了防止结冰，出水温度需限制在冰点以上，余热量相对较小；吸收式热泵采用特殊流程，可以将污水降温至0℃，形成冰水混合物，除了污水显热外，还包括了大量的相变热。污水处理量相同时，吸收式热泵可提取的热量是压缩式热泵的2-3倍。产生冰水混合物后，还可以进一步考虑跨季节蓄热等深度降碳技术。

吸收式热泵间供系统的使用条件限制较多，缺点同样明显：

第一，该系统应用在燃气供热系统中才有较好的经济性，应用场景受限制。

第二，该系统COP低，供热量大，要有足够大的供热系统才能完全利用污水余热，因此要求污水厂距离城市集中供热主干网较近，使用空间受限制。

综上所述，使用热泵回收污水厂余热是城镇供热系统节能降碳的重要途径之一，根据污水厂所在的位置及供热条件，可以选择压缩式热泵直供系统、压缩式热泵间供系统及吸收式热泵间供系统。选择合理的热泵形式，可以提高项目经济性、降低供热系统能源消耗和碳排放。