水热能篇 | 荷兰出水余温热能潜力分析与应用预测
编者按：荷兰能源转型正如火如荼开展，许多住宅和公建正通过铺设热网实现了无天然气化。然而，热网热源需要清洁能源，而污水处理厂出水则可能充当这一角色。荷兰水务局希望利用出水热量为社会能源转型做出贡献。首要问题是，水务局和市政部门是否熟知余温热能具有如此潜力。为此，荷兰能源与资源工厂（Energie & Grondstoffen Fabriek：EFGF）和荷兰水务局（Unie van Waterschappen：UvW）委托相关单位开展了此项研究，共考察了由21个水务局所拥有的323个污水处理厂热能（TEA）利用的可行性及其对市政当局的政治意义。最终研究结果以多种地图形式呈现。
研究基于每个污水处理厂辐射半径5 km区域内既有建筑，考虑利用或新建热网，核算这些区域内热量需求。研究综合考虑了污水处理厂热能潜力、社区与水厂距离、限制因素（如，高速公路、铁路和河流等）、既有或新建热网以及已知市政规划。最终，结合分析和评价所有收集数据，出具潜力排名报告，圈出每个区域内最具有潜力的位点。该报告为水务局和市政局提供一个可持续能源利用之论证和规划依据。
荷兰研究机构、水务局、市政局齐心协力开展水热能回收利用已展现出决心，其进展速度和细致工作令人惊叹。本公众号综述该报告核心内容，以期为我国相关领域水热能利用作一横向参考。
编译 | 李季
责编 | 郝晓地
01、污水热源
1.1 利用方式
TEA代表“污水热源”（Thermische Energie uit Afvalwater）。污水经处理后仍含有相当热量，其可通过热交换器（水源热泵）提取而用于建筑物供暖/制冷。这种方式并不涉及化石燃料使用，亦可减少余热污染自然水体，乃一种生态友好的可持续供暖技术。出水可提取热量取决于温差和流量，该报告考虑最大温度差5 °C，某些情况温差可取更大。该系统可以采用集中收集（出水热能）后分配供热，亦可在住宅或商业建筑用原污水原位交换。水务局更倾向于优先利用出水TEA而非原污水，因管道原位热量利用会影响污水处理厂进水温度（特别是在冬季）。
1.2 研究方法
为评估污水处理厂TEA潜力，报告研究采取以下步骤：
1）现状调研。集中调查地方政府在热能利用方面的现状，是否已考虑这种能源？对此有何看法？哪些已有工作？
2）热能可行性概述。通览热能潜力，所有污水处理厂位置所在？可提供能量多寡？厂区周边情况？是否有新建设施？是否存在或计划建设热网？
3）数据收集与分析。收集相关数据并对每个污水处理厂潜力进行评价。较大规模污水处理厂可提供更多能量，其覆盖范围设定更为广泛；小规模污水处理厂需要距建筑物更近，以便经济可行。基于此原则，为每个污水处理厂标定了潜在热能应用区域，并结合建筑热量需求，评估方案可行性。
4）绘制蓝图。综合分析后确定潜在机遇，针对每个水务局绘制可能的热网位置。基于综合结果，选出前三名（或更多），为政府部门和水务局提供可行性方案。
02、现状调研
2.1 政府——现状
研究首先集中了解政府对TEA认知及他们对所辖地区潜在机遇的看法和已有书面记录。分析了所有市政府公开的《能源过渡视角》（Transitievisies Warmte, TVW）。可以看到，虽然污水余温热能并没有在所有TVW中被明确提及，但有些市政府使用了更广泛的术语“水热能”（Aquathermie）。TEA未在各市政府TVW中受到关注原因之一似乎是荷兰环境评估局（PBL）在2020年9月公布的初步分析中，极其有限地提及了污水热能潜力。一些市政府表示未知污水余热，而另一些市政府则根本没有提到TEA。幸运的是，也有许多市政府已经开始研究TEA可能性，并在一些地方已付诸实践。
2.2 水务局——雄心
涉及价值判断，管理背景的影响和指导，各水务局在水热能（或更确切表述应为TEA）方面的应用意图和雄心各不相同，进度快慢不一。总体来说，可以将水务局分为以下3类：
1）雄心勃勃且积极主动，将水热能列为重点议题，积极制定政策，寻找合作伙伴，推动项目实施；
2）雄心勃勃但反应迟缓，虽具雄心，但仍在制定政策和目标，宣传水热能，探究潜在兴趣并引起关注；
3）反应迟缓，该情况通常由其管理背景所决定，往往采取反应性态度，不直接宣传水热能但也不会拒绝外部项目。
图1 热源利用已存在计划/项目（上图）和未来愿景（下图）（图源自网页）
03、TEA供热潜力与周边热能需求
3.1 供热潜力
【覆盖区域】
荷兰所有323个污水处理厂全部被数字化标绘，包含了每个水厂的基本信息，并展示了其TEA潜力。水厂向外辐射5 km半径范围内，分析建筑热能需求。从建设成本投资考虑，更远的距离似乎不太可取；尽管在实际中也可能存在例外。
【初设管道最小距离】
研究还规定了污水处理厂与搜索范围起点之间的最小距离。在这段距离上铺设传输管道需要相当高的成本。该最小距离设定是基于可提供热能的住宅数量，且因每个污水处理厂能源潜力不同，考虑因素如下：950户住宅的热能需求约为每年33300 GJ（按每户每年35 GJ热量计算）；考虑到COP（能效比）为4，这意味着水厂热能供应量约为25000 GJ；也就是说，50000 GJ热源潜力可以为约1900户住宅供暖，而100000 GJ热量可以为多达3800户住宅供暖。
根据传输管道成本和需求服务住宅数量，制定了以下距离标准：
1）热源潜力不超过25000 GJ：污水处理厂那个与住宅区起始点之间的距离为950 m,适用于112个水厂。
2）热源潜力不超过50000 GJ：距离为1900 m，适用于66个水厂。
3）热源潜力超过50000 GJ：距离为2850m，适用于143个水厂。
因有关新建项目和开发区域的信息在整个荷兰并未统一数字化，所以，仅考虑了既有建筑。预计在这些覆盖范围内，如果存在足够的建筑物，可以经济合理地实现从污水处理厂到热网的传输管道建设。
图2 供热潜力地图。上图为污水处理厂位置；下图为不同污水处理厂热能潜力，圆圈越大颜色越深，代表潜力越大。（图源自网页）
补充/注解：（数字地图中数据与源文件已关联，如果源文件信息变更，地图信息也会同步更新。例如，某个污水处理厂可能会与其他污水处理厂合并）
【特殊例外】
如果覆盖范围内没有热源需求的建筑物，过长传输管道建设会导致成本过高，建立热网也就不太现实。然而，某些例外情况使得长距离传输管道在成本上依然具有吸引力，这需考虑实际情况评估。
3.2 热能需求与匹配度
污水处理厂确定热能供应能力，覆盖范围内计算热能需求，从而评价匹配度。计算住宅热能需求时，使用了与PBL在Vesta MAIS模型中相同的计算规则。匹配度仅考虑了能源需求和供应，而未考虑功率（耗损）。因此，报告指出实际供应功率可能与能源需求有所不同。
根据前述覆盖范围分析了热能需求，大多数情况，区域内热能需求远大于污水处理厂的热能供应。报告列出相应结果：12个水厂可以满足覆盖范围内100%住宅热能需求；1个满足80~100%住宅；8个可供60~80%住宅；12个可供40~60%住宅；33个可供20~40%住宅；214个可供0~20%住宅热能需求。
结论初步表明，污水处理厂能满足热能需求的百分比较低，但这些覆盖区域通常包括多个住宅区，许多情况下，看似较低的百分比仍然可能涵盖一个或多个密集建筑住宅区。
图3 污水处理厂5 km覆盖区域，数字地图可以放大显示该区域内住宅建设现状。上图为5 km覆盖区内热能产需百分比，不同颜色代表比例不同；下图为放大阿姆斯特丹地区，空心黑色大圈表示5 km覆盖区，实心内圈不同颜色代表污水处理厂规模大小，黑色小点为住宅建筑区（图源自网页）
3.3 长距离管道建设可能性
污水处理厂通常将处理出水排放至就近地表水体。但受某些限制，一些地域仍需要跨越较大的距离，建设较长出水排放管线。这些管道整体或部分在TEA回用环节可以考虑加以利用。在荷兰，有4个污水处理厂出水排放管道长度超过5 km，分别是阿佩尔多伦（Apeldoorn，17 km）、哈纳施波尔德（Harnasch Polder/Delft，10 km）、泽兰（Bath，15 km）和布雷达（Nieuwveer，Breda，10 km）。这些水厂的热能覆盖范围可相应扩大，但本研究中并未进行深入相关分析。
图4 荷兰污水处理厂出水排放管道长度地图，线型越粗代表出水管道越长。（可清晰显示4个超长出水管道水厂）（图源自网页）
04、市/镇政府之机遇
荷兰共有342个市/镇，其中，约2/3（227个）市/镇内有一个或多个污水处理厂，另外115个市/镇并没有自己的污水处理厂。相对而言，前者在所辖范围内至少拥有一个潜在热源来源，而没有污水处理厂的市镇则不具备这种优势，其在启动TEA项目时将面临距离和管理挑战。当然，市/镇界限不应成为达成TEA利用协议的障碍，但仍是组织架构的关注点。
4.1 具体倡议
荷兰在TEA作为热源或冷源方面进展如何？是否已经存在或计划实施的项目？这将是研究的重点之一。通过了解这些计划和项目，其他地方也可以从中学习借鉴。
4.2 既有和规划热网
既有和新建热网为利用污水处理厂余热提供了良好之机。利用既有热网和基础设施，切换或并入新热源，回收TEA会更加方便。但大多数既有热网基于中温系统，即，提供约75 °C热温。TEA热源也可利用这些管网，但较大温差转换会导致较低的COP（能效比）。因此，研究中还包括了计划新建热网。这些新建热网是考虑利用TEA的绝佳机会，设计之初即可考虑兼容性。
本报告调研了荷兰既有和未来计划热网得位置以及其与污水处理厂间距离。大约600个热网符合水厂半径5 km范围内，这些都是潜在机会，可以考虑并入TEA热源。
图5 荷兰现有热网分布（图源自网页）
补充/注解：（这些分析数据与RVO（荷兰公共建筑与房产局）热图数据库直接关联。当RVO更新数据时，地图也会自动更新。本报告使用2024年1月热图数据，大多数情况下，这些热网是供热温度达到约75°C的中温热网系统。）
4.3 新建住宅区计划
荷兰有许多新建住宅区计划，但目前没有一个集中数字平台汇总所有新建住宅区数据。但Metropoolregio Amsterdam（包括部分北荷兰省和弗莱福兰省）以及乌特勒支省数据在数字平台上是可用的。这些新建住宅区提供了理想机会，可以开展关于TEA热源可行性研究。
4.4 热网的优缺点
热网将热量以温度形式传输到民宅中，民宅内的系统再进行加热或冷却到所需温度，这意味着每个住宅需要安装独立的热泵。空间占用、对既有住宅改造以及居民再投资热泵可能是热网的缺点。
但另一方面，这种系统给居民提供了更大的自由度，居民可以自行调节热量和温度。系统也可以轻松传输冷量，这有利于日益增长的对制冷之需求。其他优势包括对电网的低影响和提供利用过剩可再生电力可能性。这些优势省却了中心控制成本，居民可自行控制最终成本。
4.5 Harderwijk实践案例
报告也单独列举了位于哈德维克（Harderwijk）热网项目（未在2024年1月热网图显示），使用TEA作为热源。它的成功实践确定了TEA可以作为热源供给热网，提供供热和制冷的现实可行性。
05、潜在TEA项目
研究最后综合所有数据、解释和评价，遵循以上标准，如，污水处理厂热量潜力、与社区距离、管道敷设障碍物及既有热网、未来热网与住宅区建设计划，最终为每个水务局确定了最具潜力的污水处理厂前3名。该排名为开展与市政府可持续能源对话提供了良好起点和基础。报告也严谨指出，所遵循的标准具有一定主观性，因此，仅在每个管理区报告中陈述，而不显示于公开数字地图。
06、未来展望
这项研究提供了非常有价值的调研和相关分析，基于此，提出以下建议：
1）确保相关人员了解研究成果：所有参与水热能，特别是TEA相关工作的市政府和水务局政策制定者和工作人员都建议了解并考虑本研究结果。
2）促进沟通与合作：利用研究数据，促进水务局与市政府对话，明确TEA潜力，并共同寻找机会和可能性。每个水务局辖下前3名潜力项目可以作为讨论起点和灵感来源。
