郭斌繼 吳筱峰 趙悅

摘 要：為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)提出積極的實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略決策，供熱作為全球最大的終端能源消費(fèi)領(lǐng)域，肩負(fù)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(guò)對(duì)城鎮(zhèn)中污水源進(jìn)行熱泵取熱利用，可以作為能源低碳轉(zhuǎn)型和系統(tǒng)減排增效方向上進(jìn)行潛力挖掘。在對(duì)北京市某區(qū)域進(jìn)行污水源熱泵供熱方案進(jìn)行構(gòu)思時(shí)，考慮結(jié)合地區(qū)用電政策，采用適當(dāng)比例的水儲(chǔ)能、儲(chǔ)電、電鍋爐、光伏等技術(shù)，構(gòu)架出一個(gè)具備低碳、高效、可靠，可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)的能源供給方案。

關(guān)鍵詞：碳中和;供熱方案;污水源熱泵

引言

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，2020年9月，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！边@一重大戰(zhàn)略決策，不僅是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)，還彰顯了中國(guó)積極的應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

供熱是全球最大的終端能源消費(fèi)領(lǐng)域，根據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)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(fèi)中，工業(yè)部門(mén)用熱消費(fèi)占比約50%，建筑物房屋消費(fèi)占比約46%，其余為農(nóng)業(yè)部門(mén)占比。因此供熱是肩負(fù)著減碳降耗，實(shí)施碳中和戰(zhàn)略的重點(diǎn)領(lǐng)域。

城鎮(zhèn)供熱是供熱能源消費(fèi)領(lǐng)域的重要組成行業(yè)，業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家圍繞實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型和系統(tǒng)減排增效等方向進(jìn)行潛力挖掘，積極開(kāi)闊思路謀劃應(yīng)對(duì)碳中和戰(zhàn)略的方法，使用熱泵系統(tǒng)提取低品位能源對(duì)外供熱成為重要的一項(xiàng)途徑。

城鎮(zhèn)污水經(jīng)過(guò)經(jīng)污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放的時(shí)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(lái)源，具有良好的經(jīng)濟(jì)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(nèi)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(dāng)中，商業(yè)商務(wù)建筑面積占49%;居住建筑面積占37%;公共服務(wù)設(shè)施建筑面積占14%，域內(nèi)擬建一座大型的全地下污水處理廠。若在此建設(shè)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(wù)地塊的夏季制冷負(fù)荷需求，具有非常良好的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)段電價(jià)用電政策，打造促進(jìn)能源和信息深度融合，構(gòu)建多能互補(bǔ)、工序協(xié)調(diào)的智慧能源系統(tǒng)為原則。能源站構(gòu)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(shè)大型的水儲(chǔ)能（罐）系統(tǒng)和相匹配的儲(chǔ)電系統(tǒng)，搭配少量的電極鍋爐，以應(yīng)對(duì)污水源水量不穩(wěn)定、極端天氣等特殊工況。同時(shí)若采用大型立式儲(chǔ)罐系統(tǒng)，需要建設(shè)地面構(gòu)筑物，在建筑外墻和屋頂可以采用各類(lèi)具有美觀效果的光伏板，其光伏系統(tǒng)可以與化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建附屬管理用房的“光儲(chǔ)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(guò)輸配管網(wǎng)將熱量輸送至末端用戶。結(jié)合供熱期末端負(fù)荷的波動(dòng)，運(yùn)行期間可以在低谷電價(jià)時(shí)段將部分提取的熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)，其它時(shí)段儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)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(xué)儲(chǔ)電系統(tǒng)主要是充分利用市政電網(wǎng)的用電差價(jià)，可以在低谷電價(jià)時(shí)段儲(chǔ)存電能， 其它時(shí)段通過(guò)直交流轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)熱泵、熱網(wǎng)循環(huán)泵、電鍋爐及能源站附屬用電設(shè)施的工作。能源站部分附屬用電設(shè)施的用電也可以與光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)電系統(tǒng)搭建表面光伏、分布儲(chǔ)電、直流配電、柔性用電的“光儲(chǔ)直柔”用電系統(tǒng)，參見(jiàn)圖1。

2 用能方案優(yōu)勢(shì)分析

污水源熱泵系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)能、儲(chǔ)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(fù)荷需求。具體的優(yōu)勢(shì)如下。

符合國(guó)家碳中和戰(zhàn)略決策，減少城鎮(zhèn)供熱碳排放，具有較強(qiáng)的示范性。采用污水源熱泵組合儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電、光伏、光儲(chǔ)直柔技術(shù)應(yīng)用、電極鍋爐聯(lián)合保障的方案?？梢詼p少對(duì)化石能源的消耗，降低碳排放，隨著電力能源的清潔化，據(jù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)資訊，電力能源可能將在2040-2045年間實(shí)現(xiàn)100%的清潔化。那么該方案搭建的用能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的碳排放隨著電力系統(tǒng)清潔化，實(shí)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(lái)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(yùn)行成本較低。通過(guò)北京市在該地區(qū)的用電政策可知，不同電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的峰、谷電的差價(jià)約在3～5倍之間，存在較大的差價(jià)。在制熱工況時(shí)，假定污水源熱泵系統(tǒng)的平均COP為3.5，在使用低谷電價(jià)工作時(shí)，按在一般商業(yè)用電、電壓等級(jí)1～10千伏用電費(fèi)用為0.2025元/千瓦時(shí)計(jì)算，制熱耗電的運(yùn)行理論直接費(fèi)用為16.5元/GJ，即便是在峰電的狀態(tài)下其運(yùn)行直接費(fèi)用為61.8元/GJ，也比燃?xì)忮仩t燃燒燃料消耗的供熱運(yùn)行直接費(fèi)用低，具有非常強(qiáng)的運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)。電鍋爐在使用以上低谷電價(jià)運(yùn)行時(shí)，理論直接成本為57.8元/GJ，也有相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)。通過(guò)化學(xué)儲(chǔ)電系統(tǒng)，又能進(jìn)一步拉低在非低谷電價(jià)時(shí)段的用電成本。

供熱可靠性高。污水源熱泵集中供熱多臺(tái)設(shè)備之間本身具有互備性，儲(chǔ)能系統(tǒng)再次增加了供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)搭配的電鍋爐可以在面對(duì)各類(lèi)不穩(wěn)定因素出現(xiàn)時(shí)作為備用和調(diào)峰熱源，使整個(gè)供熱系統(tǒng)具有非常的可靠性。而儲(chǔ)電系統(tǒng)的在拉低用電成本的同時(shí)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(wǎng)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(yùn)行成本及低碳排放的優(yōu)勢(shì);為供熱配套建設(shè)的供熱管網(wǎng)，能夠充分利用，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)輸送兩種能量的用途。

結(jié)束語(yǔ)

在碳中和戰(zhàn)略決策下，供熱能源結(jié)構(gòu)和供熱方式將產(chǎn)生重大的變化。深度挖掘各類(lèi)低品位能源加以高效利用，是實(shí)現(xiàn)供熱行業(yè)高質(zhì)量、高效能、可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。城鎮(zhèn)污水廠的污水源通過(guò)熱泵系統(tǒng)提取余熱進(jìn)行利用，可以作為一個(gè)很好的城鎮(zhèn)供熱來(lái)源。在制定具體的供熱方案時(shí)，結(jié)合用電政策等因素，構(gòu)建以污水源熱泵系統(tǒng)為主體，水儲(chǔ)能、儲(chǔ)電、電鍋爐、光伏等技術(shù)相結(jié)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(shì)，符合我國(guó)碳中和戰(zhàn)略決策。

參考文獻(xiàn)：

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