地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)
——以洛陽盆地為例

王 飛， 張宇航， 于 超， 段金山

(中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)局，河南 鄭州 450000)

地?zé)豳Y源是一種可再生的新型清潔能源，具有儲(chǔ)量大、分布范圍廣泛以及開采利用穩(wěn)定等優(yōu)勢，對于緩解不可再生能源危機(jī)具有重要的意義。因此，如何提高地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用進(jìn)程是當(dāng)前亟待解決的問題之一。對于地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用，不僅受地?zé)崧癫貐^(qū)域地質(zhì)條件等限制，還與當(dāng)前技術(shù)條件等密切相關(guān)。地下水源熱泵系統(tǒng)是地?zé)豳Y源開發(fā)與利用常用的、也是應(yīng)用技術(shù)比較成熟的水熱交換系統(tǒng)。地下水源熱泵系統(tǒng)的使用需要滿足一定的使用條件，若在不適宜的區(qū)域建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)，不僅不能解決問題，而且對當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等產(chǎn)生較大影響。因此，在使用地下水源熱泵系統(tǒng)之前需要對建設(shè)區(qū)域進(jìn)行使用條件評(píng)估，評(píng)估該區(qū)域是否滿足建設(shè)條件的基本要求。常用的評(píng)價(jià)方法為層次分析法，本文以層次分析法為研究對象，分析洛陽盆地地區(qū)的適宜性條件，為后期擬建地下水源熱泵系統(tǒng)的選址提供參考依據(jù)和支撐。

1 評(píng)價(jià)原則

建立地下水源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)是建設(shè)區(qū)域地下水資源豐富，主要原因在于該系統(tǒng)采用地下水作為系統(tǒng)的冷熱源，因此，豐富的地下水資源是建設(shè)的基礎(chǔ)。地下水資源的循環(huán)是有周期的，因此為了保護(hù)建設(shè)區(qū)域地下水資源及環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀，該系統(tǒng)必需要求100%回灌所抽取的水量，這就要求建設(shè)區(qū)域的水文地質(zhì)條件必需適合于回灌技術(shù)，并且回灌成本適中。此外，影響地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的因素還包括地下水的溫度、質(zhì)量以及供水穩(wěn)定性能等方面，若地下水溫度過高或過低，均會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行工況質(zhì)量。

地下水源熱泵系統(tǒng)包括系統(tǒng)的機(jī)組、閥門、管道等，它們是由不同材質(zhì)的材料制作而成，因此抗腐蝕能力和抗磨損能力存在明顯差異。地下水的水質(zhì)決定了地下水的腐蝕性能，地下水中含砂量的高低影響著地下水對設(shè)備的磨損能力，且含砂量高的地下水容易對回灌及含水層造成堵塞，影響該系統(tǒng)的正常使用。因此，使用地下水源熱泵系統(tǒng)必須滿足以下要求：①地下水的pH值為6.5～8.5，即介于中性左右，若地下水質(zhì)過于偏堿或偏酸，均對地下水源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)件有較大影響，間接影響地下熱水資源的利用率；②CaO含量應(yīng)小于200 mg/L，若CaO含量過高，則容易造成鈣化而堵塞，即通過管壁吸附作用等，容易在輸送管道中形成CaCO3；③礦化度應(yīng)小于3 g/L，若地下熱水中礦化度過高，則說明水中含有大量的金屬元素離子、絡(luò)陰離子等，容易對設(shè)備造成磨損、化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響設(shè)備的損耗速率；④水源中的固體物質(zhì)顆粒粒徑應(yīng)小于0.5 mm，粒徑過大，容易造成設(shè)備磨損；⑤水源的渾濁度應(yīng)小于20 mg/L，若過大，則地下水中含有較多的固體顆粒物質(zhì)等，容易磨損設(shè)備和堵塞管道；⑥地下水中含砂量應(yīng)小于1/200000，若含砂量體積比過大，容易對管道、設(shè)備等造成磨損，甚至引起堵塞等問題。

地下水的供水穩(wěn)定性能是影響地下水源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的另一關(guān)鍵因素。該系統(tǒng)要求地下水供水穩(wěn)定，效率高，才能確保系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)后可能引起當(dāng)?shù)貐^(qū)域地面沉降、不同含水層之間的水質(zhì)污染、熱污染等問題。因此，選址過程中應(yīng)盡可能地避開地下水源保護(hù)區(qū)域，盡量避開有地裂縫、地面沉降等有環(huán)境地質(zhì)問題的區(qū)域，盡可能選擇環(huán)境地質(zhì)條件穩(wěn)定的區(qū)域建設(shè)。對擬開采區(qū)域的地下水資源進(jìn)行評(píng)估，盡可能地查明擬建區(qū)域熱水資源的儲(chǔ)存資源量以及單孔出水量等。

綜上所述，使用層次分析法評(píng)價(jià)某個(gè)區(qū)域是否滿足建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)的條件，主要包括以下幾個(gè)方面：①擬建設(shè)區(qū)域地下水水量的豐富程度，對擬建設(shè)區(qū)域的地下水資源儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而判斷地下水水量能否滿足制冷供暖需求，能否實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定供水的基本要求；②建設(shè)區(qū)域水文地質(zhì)條件適中，水文地質(zhì)條件適于回灌處理，且回灌成本適中；③建設(shè)區(qū)域地下水溫度、水質(zhì)、渾濁度、含砂量、化學(xué)成分、酸堿度、礦化度等滿足規(guī)范要求，對熱泵系統(tǒng)影響微弱或者無影響；④應(yīng)避開地下水資源保護(hù)區(qū)域，避開地裂縫、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域。

2 指標(biāo)建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

綜上所述，影響地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的因素較多，并且對于某一具體區(qū)域而言，影響地下水源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素不是單一的某種或者幾種因素疊加，而是不同因素相互影響、相互作用的共同結(jié)果。因此，根據(jù)上文總結(jié)的評(píng)價(jià)方面，選擇洛陽盆地地區(qū)水文地質(zhì)、場地施工、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象、環(huán)境保護(hù)等因素來構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合前人研究成果及所收集的資料，所選取的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)又分別包括不同的要素。

(1)水源水質(zhì)與地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況密切相關(guān)。地下水的水質(zhì)包括水中的含砂量、礦化度、硬度、化學(xué)成分、渾濁度、腐蝕性能等，同時(shí)地下水的溫度也對系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行影響較大，溫度過高或者過低均會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。參考《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0225—2009)，結(jié)合洛陽盆地地區(qū)水文地質(zhì)資料等實(shí)際情況，本文在評(píng)價(jià)洛陽盆地過程中以地下水水溫、硬度、礦化度以及富水性為主要評(píng)價(jià)要素，其他因素在本次評(píng)價(jià)過程中暫不考慮。

(2)地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用受回灌條件影響較大，而影響回灌條件的因素主要包括地下水埋深、含水層巖性等。含水層中巖石的礦物顆粒越粗大，巖石的透水性越好，越有利于回灌技術(shù)的運(yùn)行。一般而言，若含水層為卵石層等，則單位回灌量為單位抽水量的70%以上；若含水層為粗砂、中砂巖石等，則單位回灌量為單位抽水量的40%～70%；若含水層為中砂巖石等，則單位回灌量為單位抽水量的30%～50%；若含水層為細(xì)砂、粉砂巖石等，則單位回灌量為單位抽水量的30%。此外，地下含水層的埋深對回灌效果影響較大，埋深越深，含水層巖石顆粒越粗，越有利于回灌。根據(jù)洛陽盆地地質(zhì)現(xiàn)狀，本文選擇含水層巖性、水文埋深、地形地貌作為洛陽盆地地區(qū)的評(píng)價(jià)要素。

(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面選擇人口密度、人均GDP，其中人口密度與地下熱水資源的每日總需求量關(guān)系較大，人均GDP與人均日需求量關(guān)系密切。氣象方面選擇年均降水量、年均氣溫，前者與地下水資源的補(bǔ)給條件等關(guān)系密切，后者與該區(qū)域地下熱水水溫有直接聯(lián)系。環(huán)境保護(hù)方面選擇降落漏斗、地裂縫、地面塌陷來構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)圖

綜上可知，本文選擇的五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對分析洛陽盆地是否滿足建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)條件有重要的指示意義，但研究區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件決定了洛陽盆地是否適合建設(shè)該系統(tǒng)。在地質(zhì)環(huán)境條件差的區(qū)域或者地下水資源保護(hù)區(qū)域，無論上述五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對建設(shè)熱泵系統(tǒng)有無影響，都不適合在該區(qū)域建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)。因此，選擇地質(zhì)環(huán)境條件作為本文評(píng)價(jià)洛陽盆地適宜性的決定性指標(biāo)。

2.2 權(quán)重系數(shù)的確定

本文選擇層次分析法對洛陽盆地能否建設(shè)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)體系中，通過個(gè)人與多人，專業(yè)技術(shù)人員與專家相結(jié)合的方式，對同一層次的各要素的關(guān)系以及影響作用進(jìn)行分析，其中影響作用越大，對評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要性也就越大，以此為原理構(gòu)成比較矩陣。通過數(shù)值模型計(jì)算，進(jìn)一步檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，若出現(xiàn)錯(cuò)誤或者漏洞及時(shí)對比較矩陣進(jìn)行修改，以接受一致性為最終原則，進(jìn)一步求出不同評(píng)價(jià)要素在不同目標(biāo)層中所占的權(quán)重，運(yùn)用AHP軟件計(jì)算得到表1、表2。

根據(jù)表1，運(yùn)算得到Max=5.142，CI=0.035<0.1，RI=1.12，CR=0.032<0.1，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，表明上述判斷矩陣一致性較高，相對權(quán)重計(jì)算正確。

表1 二級(jí)判斷矩陣及權(quán)重表

表2 三級(jí)參評(píng)參數(shù)權(quán)重表

由上表可以看出，此次評(píng)價(jià)對結(jié)果影響最大的因素分別為含水層的富水性、水溫、地形地貌，這三個(gè)要素是含水層出水能力和回灌能力的綜合體現(xiàn)。由此可見，含水層的供水條件和回灌條件是決定一個(gè)地區(qū)是否適合建設(shè)地下水源熱泵最重要的兩個(gè)方面。

3 綜合評(píng)價(jià)實(shí)例

將研究區(qū)(本文以洛陽盆地為例)按 100 m×100 m 的間隔進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將5項(xiàng)要素的屬性賦值鏈接到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上。采用綜合指數(shù)法，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的分值與其相對應(yīng)的權(quán)重值相乘，然后求和，得出每個(gè)點(diǎn)上的總分值。在此基礎(chǔ)上，將總分值乘以相應(yīng)的水源地保護(hù)區(qū)系數(shù)，得到每個(gè)網(wǎng)格的最終分值。對于水源地保護(hù)區(qū)，相應(yīng)系數(shù)為 0；非保護(hù)區(qū)，相應(yīng)系數(shù)為1.0。根據(jù)最終分值的分布情況，制定水源熱泵各個(gè)適宜區(qū)的分?jǐn)?shù)范圍值，并劃分適宜區(qū)。

根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果的分值分布情況，將分值為 0的地區(qū)劃為水源熱泵禁建區(qū)，0～5為水源熱泵不適宜區(qū)，5～6.5為水源熱泵較適宜區(qū)，6.5～9為水源熱泵適宜區(qū)，最后的評(píng)價(jià)見表3 。

表3 洛陽盆地地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果表

通過對洛陽盆地地區(qū)進(jìn)行層次分析法評(píng)價(jià)，結(jié)果認(rèn)為魏屯—關(guān)林以東的伊洛河河間地塊及河漫灘區(qū)域可以建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)，適宜區(qū)面積約192.24 km2；伊河一級(jí)階地、洛河二級(jí)階地及澗河三級(jí)階地等區(qū)域?qū)儆谳^適宜區(qū)，可以考慮在該區(qū)進(jìn)行建設(shè)；而市區(qū)外圍的黃土丘陵地區(qū)屬于不適宜區(qū)，在上述區(qū)域不能建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文通過運(yùn)用層次分析法，探討了影響地源熱泵建設(shè)的主要因素，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對洛陽盆地能否滿足建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了適宜性評(píng)價(jià)，為后期擬建選址提供基礎(chǔ)依據(jù)。本文所采用的評(píng)價(jià)體系僅代表了洛陽盆地的基本狀況，非絕對的使用條件。因此，在實(shí)際工作時(shí)，還應(yīng)綜合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，進(jìn)行更詳盡的評(píng)價(jià)工作，從而有效地促進(jìn)我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。