地下水源熱泵應(yīng)用適宜性評價(jià)指標(biāo)體系研究

王貴玲，劉 云，藺文靜，李元杰，師永霞

（中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803）

地下水源熱泵應(yīng)用適宜性評價(jià)指標(biāo)體系研究

王貴玲，劉 云，藺文靜，李元杰，師永霞

（中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803）

本文通過分析影響我國區(qū)域地下水源熱泵建設(shè)的幾個(gè)重要因素，運(yùn)用層次分析的方法，建立了我國區(qū)域地下水源熱泵適宜性評價(jià)的指標(biāo)體系。分析過程中通過運(yùn)用Arcgis、Mapgis等繪圖及空間分析軟件，結(jié)合我國區(qū)域部分資料，對數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化、分類與標(biāo)準(zhǔn)化，利用Arcgis的空間分析功能對地下水源熱泵建設(shè)的適宜性進(jìn)行了分區(qū)。將我國已經(jīng)建立地下水源熱泵的區(qū)域與評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析比較，表明所建立的指標(biāo)體系正確，評價(jià)結(jié)果可信，從而為地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一定的依據(jù)，為地下水源熱泵因地制宜、合理有序的應(yīng)用,提供了參考。

熱泵；適宜性；評價(jià)指標(biāo)

能源是目前國際社會普遍關(guān)注的問題，能源危機(jī)已經(jīng)初露端倪。目前國家積極倡導(dǎo) 節(jié)能減排 ，雖然取得了一定成效，但面臨的形勢依然嚴(yán)峻，在這種大環(huán)境下，地下水源熱泵應(yīng)運(yùn)而生。地下水源熱泵是利用地下水作為冷、熱源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)，屬于可再生能源利用技術(shù)。

國家倡導(dǎo)此項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，并制定了相關(guān)的能源政策、環(huán)保政策，鼓勵這項(xiàng)技術(shù)的推廣，我國對地下水源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，其研究方向主要集中在地下水源熱泵的設(shè)計(jì)施工、回灌技術(shù)、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)性分析、系統(tǒng)運(yùn)行能耗分析等方面，如李凡[1]討論了關(guān)于熱泵技術(shù)應(yīng)用的幾個(gè)問題，于衛(wèi)平[2]對回灌技術(shù)進(jìn)行了有關(guān)的研究，胡江溢等[3]對北京、遼寧地區(qū)的幾個(gè)案例進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性方面的分析，文遠(yuǎn)高等[4]對地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析。也有關(guān)于對地下水源熱泵的熱運(yùn)移模擬方面的研究，如張遠(yuǎn)東[5]等對地下水源熱泵進(jìn)行了采能的水-熱耦合數(shù)值模擬，但是對區(qū)域上應(yīng)用地下水源熱泵適宜性評價(jià)方面的文獻(xiàn)則較少，相關(guān)研究如：劉立才等[6]對北京城市規(guī)劃區(qū)水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性進(jìn)行了分區(qū)，王亞斌[7]等對天津市水源熱泵系統(tǒng)水文地質(zhì)條件適宜性進(jìn)行了評價(jià)。

由于缺乏對地下水源熱泵的適宜性分析和區(qū)域規(guī)劃，在某些不適宜地區(qū)盲目的建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)，會引發(fā)較多的問題。尤其是環(huán)境問題，由于回灌條件的限制，造成的回灌不及時(shí)有可能引發(fā)地面沉降、地裂縫、地面塌陷；由于水源選擇不當(dāng)，造成的水量不足、水溫不適、供水不穩(wěn)定，所造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；由于水質(zhì)較差引起設(shè)備的腐蝕問題也不容忽視，這些由于建設(shè)場地選擇的不當(dāng)造成的問題，很大程度上制約了地源熱泵系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，因此對地源熱泵建設(shè)的適宜性進(jìn)行分區(qū)顯得非常重要。

1 評價(jià)方法

層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多因素決策分析方法，是分析多目標(biāo)多準(zhǔn)則復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具。運(yùn)用這種方法，決策者通過將復(fù)雜問題分解為若干個(gè)層次和若干因素，并按上一層的準(zhǔn)則對其下一層次的各要素進(jìn)行分別比較，就可以得出各要素的重要性程度權(quán)重，給定定量指標(biāo)，然后求解各層次各要素相對重要性權(quán)值，最后做出綜合分析和評判[7]。

1.1 評價(jià)要素的組成及評價(jià)指標(biāo)體系

影響地下水源熱泵建設(shè)的的因素很多，本文根據(jù)我國目前的實(shí)際情況，初步確立了影響地下水源熱泵建設(shè)的幾個(gè)因素，主要有：水文地質(zhì)因素、氣象因素、社會經(jīng)濟(jì)因素、場地施工因素、環(huán)境保護(hù)因素。我國區(qū)域地下水源熱泵適宜性評價(jià)層次關(guān)系如圖1所示，它由綜合 層（A）、準(zhǔn)則層（B）、要素指標(biāo)層（C）組成。

圖1 地下水源熱泵適宜性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)圖

1. 2 權(quán)重的確定及分級指數(shù)計(jì)算方法

（1）權(quán)重的確定

確定B、C層各要素的權(quán)重系數(shù)時(shí)應(yīng)采取個(gè)人與多人、專業(yè)與專家相結(jié)合的方式，通過對同一層次的各因子關(guān)于上一層次某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行比較，然后給出分值，確定相對重要性。

構(gòu)造出A B(第二層因素相對第一層的比較判斷)，判斷矩陣如表1，

表1

max=5.142，CI=0.0355<0.1 ，RI=1.12，CR=0.032<0.1，經(jīng)過CR、CI一致性檢驗(yàn)，表明上述判斷矩陣一致性較好，相對權(quán)重計(jì)算正確。

同理可得第三層因素相對于第二層的權(quán)重。

水文地質(zhì)因素的子制約因素C1、C2、C3相對權(quán)重分別為：0.539，0.297，0.164

場地施工因素的子制約因素C4、C5相對權(quán)重分別為：0.667，0.333

社會經(jīng)濟(jì)因素的子制約因素C6、C7相對權(quán)重分別為：0.667，0.333

氣象因素的子制約因素C8、C9相對權(quán)重分別為：0.75，0.25

環(huán)境保護(hù)因素的子制約因素C10、C11、C12相對權(quán)重分別為：0.6，0.2，0.2。

（2）分級指數(shù)的計(jì)算方法

分級指數(shù)的計(jì)算方法如下式[7]：

式中：R 分級評價(jià)指數(shù)；ai 評價(jià)參數(shù)的權(quán)值；

Xi 評價(jià)參數(shù)；

n 評價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取及處理

各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于近年來的各類科研報(bào)告及野外測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)的矢量化、數(shù)據(jù)的分類與標(biāo)準(zhǔn)化、柵格化以及空間分析等。

2.1 數(shù)據(jù)的矢量化

統(tǒng)一用Arcgis格式編制要素指標(biāo)層各要素分區(qū)圖。

2.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

因?yàn)樵u價(jià)所用數(shù)據(jù)的類型和量綱各不相同。為了在統(tǒng)一評價(jià)體系內(nèi)對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，需要在評價(jià)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（規(guī)格化）處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為[0，1]之間的無量綱數(shù)值。

2.2.1 水文地質(zhì)因素

（1）礦化度

用于水源熱泵系統(tǒng)的水源水礦化度應(yīng)＜3g/L。我國西北地區(qū)礦化度較高，最高可高于200 g/l，東北、西南地區(qū)礦化度較低，一般小于0.5g/l，但位于廣州、江蘇的某些海濱地區(qū)礦化度較高，研究區(qū)地下水礦化度數(shù)據(jù)呈塊狀分布，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如表2所示。

表2

（2）地下水富水程度

地下水源熱泵應(yīng)該布置在富水性好的地區(qū)，這樣才能滿足機(jī)組對水量的要求。我國的三江、松嫩、遼河、黃淮海、河套、銀川平原等平原地區(qū)、河西走廊、新疆的吐魯番－哈密、伊犁、渭河谷地、漢中盆地，山西的太原、大同等山間盆地地區(qū)富水性都較好，云南、廣西、四川等基巖山區(qū)山間盆地及巖溶地區(qū)富水性也較好。阿爾泰山和準(zhǔn)噶爾盆地山前丘陵地區(qū)富水程度也相對豐富。對研究區(qū)地下水富水性分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表3所示。

表3

（3）地下水水溫

地下水水溫是制約地源熱泵建設(shè)的一個(gè)重要因素。地下水一般取自于地層的恒溫帶，水溫恒定，其值比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶s高出1~4℃左右。我國除海南之外的全國各地地下水溫約在6~20℃，并且自南向北逐漸降低，東北地區(qū)低于西北地區(qū)。根據(jù)水溫對熱泵是否適宜，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如表4。

表4

2.2.2 場地施工因素

（1）地形地貌

影響地下水源及土壤源熱泵建設(shè)的重要因素之一就是地形地貌，這是進(jìn)行地源熱泵建設(shè)所要考慮的場地施工屬性。場地條件不同，熱泵的適宜性也不同，所以在數(shù)據(jù)處理的過程中，將有湖泊的地區(qū)直接認(rèn)為不適合建設(shè)地下水源熱泵，其他地區(qū)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表5。

表5

（2）回灌條件

水文地質(zhì)條件是影響回灌量的主要因素。在基巖裂隙含水層和巖溶含水層中回灌，在一個(gè)回灌年度內(nèi)，回灌水位和單位回灌量變化都不大；在礫卵石含水層中，單位回灌量一般為單位出水量的80%以上。在粗砂含水層中，回灌量是出水量的50～70%。細(xì)砂含水層中，單位回灌量是單位出水量的30～50%[2]。還應(yīng)考慮到地層顆粒越細(xì)，越容易進(jìn)入熱泵機(jī)組，這樣會磨損設(shè)備和管道，排到地下后，這些細(xì)顆粒會堵塞回灌井中的地層孔隙，并最終使回灌井失去回灌能力而報(bào)廢。本文數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)區(qū)內(nèi)不同含水層條件進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果如表6。

表6

2.2.3 社會經(jīng)濟(jì)因素

（1）人口密度

人口密度也是制約地下水源及土壤源熱泵建設(shè)的一個(gè)制約因素，由于熱泵初期的投資費(fèi)用較高，若人口過于稀疏，建立熱泵是不經(jīng)濟(jì)的。我國人口密度以黑河 騰沖為界線，東部人口密度大，尤其是沿海平原，西部內(nèi)陸人口密度小，平原、高原盆地等地勢相對平坦、水力資源豐富的地區(qū)人口密度大，而山地等地形起伏較大的地區(qū)人口密度小。對我國人口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果如表7。

表7

（2）人均GDP

人均GDP可以反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況，現(xiàn)有數(shù)據(jù)為我國各省的人均GDP數(shù)據(jù)，呈塊狀分布，數(shù)據(jù)范圍為1338～29149（美元），各省數(shù)據(jù)懸殊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見表8。

表8

2.2.4 氣象因素

（1）年降水量

降雨入滲可以為地下水補(bǔ)充新的水源，對于地源熱泵來說降雨量是影響其建設(shè)的重要的氣象因素，年平均降雨量越大，越有利于地源熱泵的建設(shè)。受季風(fēng)氣候的影響，中國的降雨分布極不均勻。我國年均降雨量從東南向西北遞減，從東南的4000mm遞減到西北的不足25mm。研究區(qū)年降雨量數(shù)據(jù)為分區(qū)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)區(qū)內(nèi)年均降雨量的大小分區(qū)，結(jié)果如表9。

表9

（2）年平均氣溫

我國地域遼闊，不同地區(qū)年平均氣溫有很大的差異，東北、西北溫度偏低，而東南西南溫度偏高，因此人們對地下水源熱泵取暖和制冷的要求不同。在溫度低的地區(qū)，一年大部分時(shí)間供暖需求較多，在溫度高的地區(qū)，對供冷需求較多，如果采用地源熱泵，有可能會引起熱平衡問題，對熱交換產(chǎn)生不利影響，降低系統(tǒng)運(yùn)行性能，研究區(qū)年平均溫度最低可達(dá)-4℃以下，最高可達(dá)24℃以上，數(shù)據(jù)為分區(qū)數(shù)據(jù)，對研究區(qū)年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如表10。

表10

2.2.5 環(huán)境保護(hù)

在進(jìn)行地下水源熱泵選址時(shí)，應(yīng)考慮建設(shè)場地是否受已有地裂縫、降落漏斗、地面塌陷等的影響，以及水源熱泵建成后是否會對已有地裂縫、降落漏斗、地面塌陷等產(chǎn)生更不利的影響。在進(jìn)行土壤源熱泵建設(shè)時(shí)，也應(yīng)考慮地裂縫和地面塌陷的影響。因此在進(jìn)行場地建設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離這些存在環(huán)境問題的地區(qū)。

（1）降落漏斗

本文對通過距離來對降落漏斗數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見表11。

表11

（2）地裂縫

地裂縫形成原因是多方面的，如：地下水超采、水位逐年下降、包氣帶失水縮干等。采用直接賦值法將距地裂縫1500m內(nèi)的區(qū)域賦值為0，1500m以外的區(qū)域賦值為1。

（3）地面塌陷

地面塌陷主要分布于我國東部和南部地區(qū)，考慮到建設(shè)場地穩(wěn)定性，采用直接賦值法，將距塌陷區(qū)2000m以內(nèi)的區(qū)域賦值為0，2000m以外的區(qū)域賦值為1。

2.3 數(shù)據(jù)柵格化及空間分析

對要素指標(biāo)分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性賦值，將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)賦予相應(yīng)的要素指標(biāo)，并對圖件進(jìn)行柵格化，最后應(yīng)用GIS軟件的空間疊加功能，將影響地下水源及土壤源熱泵適宜性分區(qū)的單因素圖層進(jìn)行加權(quán)疊加，生成綜合適宜性疊加圖。

2.4適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)我國地下水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，確定其分區(qū)級別和綜合指數(shù)值劃分標(biāo)準(zhǔn)。見表12。

地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖如圖2 。

表12

圖2 我國區(qū)域地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖

從圖2中可以看出比較適合應(yīng)用水源熱泵的地區(qū)主要分布在我國東部，并且適宜區(qū)中平原盆地及富水性較好的地區(qū)居多，我國目前建立地下水源熱泵的地區(qū)也大多集中在所劃適宜區(qū)內(nèi)，說明所建立的評價(jià)指標(biāo)體系是正確的，評價(jià)結(jié)果可信，可以用來作為建立地下水源熱泵的依據(jù)，但在評價(jià)過程中，由于所收集的資料不夠詳細(xì)，有些數(shù)據(jù)難以獲取，所以所得到的評價(jià)結(jié)果僅能宏觀的劃分出適宜程度的大致區(qū)域，在進(jìn)行地下水源熱泵建設(shè)時(shí)，還應(yīng)考慮場地的實(shí)際情況。

3 結(jié)論

本文通過運(yùn)用層次分析法，討論了影響我國地下水源熱泵建設(shè)的因素，建立了相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用Arcgis的空間分析功能，劃分出我國適合、較適合、勉強(qiáng)適合、不適合建立地下水源熱泵的區(qū)域，為以后的熱泵建設(shè)工作提供了參考，但值得注意的是，適宜性評價(jià)是一種綜合性評價(jià)，并不等于我國區(qū)域地下水源熱泵場地建設(shè)的定點(diǎn)，因此在建設(shè)地下水源熱泵時(shí)，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，進(jìn)行更為詳細(xì)的勘查工作，從而降低盲目性。

[1] 李 凡. 關(guān)于熱泵技術(shù)應(yīng)用的幾個(gè)問題[J]. 節(jié)能,2006,4:19~21.

[2] 于衛(wèi)平.水源熱泵相關(guān)的水源問題[J].機(jī)電信息,2005,21:23~26.

[3] 胡江溢等. 地下水源熱泵應(yīng)用調(diào)研與分析[J]. 電力需求側(cè)管理, 2007,9(3):38~40.

[4] 文遠(yuǎn)高等. 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2007:46~48.

[5] 張遠(yuǎn)東等. 地下水源熱泵采能的水-熱耦合數(shù)值模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2006,8:907~912.

[6] 劉立才,王金生等.北京城市規(guī)劃區(qū)水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,6:15~17.

[7]王亞斌,張海濤等.天津市水源熱泵系統(tǒng)水文地質(zhì)條件適宜性評價(jià)方法研究[C]. 地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集, 2007:72~79.

Suitability Evaluation Index System on the Utilization of Underground Water Source Heat Pump

WANG Guiling LIU Yun LIN Wenjing LI Yuanjie SHI Yongxia
(Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, CAGS, Zhengding 050803)

A number of important factors that impact the construction of underground water source heat pump were analyzed in this paper. By using the AHP method, suitability evaluation index system of the using underground water source heat pumps in China has been established. In the process of analysis,based on the ArcGIS and MapGIS softwares,combined with some of the regional data of China,the data have been vectored, classifed, standardized and gridded, then the suitability evaluation index system of using underground water source heat pumps was classed by using the spatial analysis function of ArcGIS. According to the analysis and compare of the results, the evaluation index system has been established, which shows the suitability evaluation index system is reasonable and the evaluation result is credible. The result can provide a basis to design watersource heat pump. Also it can provide references to orderly use the water-source heat pump for the local conditions.

Water source heat pumps;Suitability;Evaluation index

TK529

A

1007-19039(2011)03-0006-06