污水源热泵在城市供暖中的集成应用方案

——基于污水处理厂余热利用的冷暖联供系统

一、城市供暖痛点与污水热源潜力

1.1 传统供暖方式瓶颈

供暖方式	单位面积年成本（元/㎡）	碳排放（kgCO₂/㎡）	热损率	主要问题
集中燃煤供暖	28-32	24.5	＞15%	环保压力大
燃气锅炉	35-40	18.7	10%-15%	受气价波动影响（近3年涨幅40%）
电采暖	45-50	52.3	＜5%	运行成本高，电网扩容压力大

1.2 污水处理厂热源价值

（1）热源参数分析（以10万吨/日污水厂为例）

季节	出水温度（℃）	日均流量（万m³）	可提取热量（MW）	等效供暖面积（㎡）
冬季	13-18	8-12	25	50万
夏季	20-25	10-15	35	70万

（2）系统匹配性验证

水质处理： 二级出水SS ≤20mg/L，经旋流除砂+自动反冲过滤后满足热泵要求
热稳定性： 水温年波动＜10℃，优于空气源热泵（波动＞30℃）
管网经济半径： 5km内供暖经济性最佳（输配能耗＜15%）

二、系统设计与能效分析

2.1 工艺流程图

复制代码污水处理厂二级出水（冬季15℃）  
↓  
旋流除砂器（去除＞100μm颗粒）  
↓  
板式换热器（污水侧循环）  
↓  
污水源热泵机组（COP 4.3）  
↙            ↘  
供热侧：55℃热水 → 市政供热管网      供冷侧：7℃冷水 → 区域供冷管网  
↓  
降温后污水（8℃）回排

2.2 核心设备选型

设备	规格	特点
热泵主机	单台5MW，模块化设计	双工况运行（供暖/制冷自动切换）
蒸发器	钛合金板换	耐氯离子腐蚀，50μm自清洗过滤器
输配管网	预制保温管	热损失＜5%，与市政中水管廊共架敷设
智能控制系统	负荷预测+变频调节	手机APP远程监控

2.3 能效对比（以20万㎡小区为例）

系统	年耗能费用（万元）	碳排放量（tCO₂）	设备寿命（年）	室温波动（℃）
污水源热泵	360	4800	18	±0.5
燃气锅炉	820	12,500	10	±2

→ 改善幅度：

年耗能费用降低 56%
碳排放量减少 62%
设备寿命延长 80%
供热稳定性提升 4倍

三、经济效益与投资模型

3.1 全生命周期成本（服务期20年）

系统	初投资（万元）	年运行费用（万元）	维护费用（万元/年）	总成本（亿元）
污水源热泵系统	5800	360	50	1.38
传统燃气锅炉	3200	820	120	2.34

→ 差值：

初投资：+2600万元
年运行费用：-460万元
维护费用：-70万元/年
总成本：-0.96亿元

3.2 投资回报测算

供暖面积： 50万㎡
总投资： 5800万元
年节省费用： 460万元
政府补贴（30%）： 1740万元
实际回收期： 6.2年

四、实施路径与风险控制

4.1 六阶段实施规划

热源诊断（1个月）： 安装在线监测仪表，建立8760小时逐时负荷模型
管网规划（2个月）： 利用GIS系统优化路由（缩短管线15%），与市政部门协调管廊共享
设备定制（3个月）： 钛合金激光焊接，工厂化生产（减少30%工期）
智慧施工（5个月）： 非开挖顶管技术，分区分段压力测试
联调测试（1个月）： 72小时满负荷试运行，供热/制冷模式无缝切换验证
智慧运维： 数字孪生系统+预防性维护

4.2 风险应对矩阵

风险	发生概率	影响程度	应对策略
污水流量不足	低	中	配置20%电辅热+蓄热水罐
极端低温天气	低	高	与市政热网互联备用
管网腐蚀	中	高	阴极保护+3年周期内窥检测