沈陽城區水源熱泵適宜性評價

韓春陽,潘 俊,康然然 ,田 川

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院,遼寧沈陽 110168)

當前水源熱泵系統在沈陽發展極為迅速,應用前景十分廣闊,然而增長過快,導致該技術的應用呈現出盲目無序的發展態勢,在很大程度上忽視了影響因素,從而引發地下水資源浪費、水源熱泵系統[1-2]效率低下等問題,制約了地源熱泵系統的推廣和應用。需要統一規劃和建議指導,制約了地源熱泵系統的推廣和應用。因此進行地下水源熱泵適宜性評價顯得非常重要。本文采用層次分析法,對影響適宜性評價[3]指標體系的地質、地下水環境等定性因素進行量化,利用 GIS對各要素指標進行屬性賦值,應用 Map Info將影響地下水源熱泵適宜性的單因素圖層進行加權疊加,生成地下水源熱泵適宜性分區圖,該圖顯示出沈陽目前建立地下水源熱泵的地區也大多集中在所規劃的適宜區內,表明建立的評價指標體系是合理的,評價結果可以用來作為建立地下水源熱泵的依據。

1 沈陽城區地下水源熱泵適宜性評價指標體系的建立

1.1 評價要素的選取及評價體系的構建

影響地下水源熱泵建設的因素很多,本文采用層次分析法[4],考慮沈陽城區水文地質條件及地下水環境等綜合因素,選定影響地下水源熱泵建設的主要因素有 3大類：地質與水文地質因素,地下水水質因素和環境保護因素。本次評價體系由目標層(A)、準則層(B)和要素指標層(C)3級層次結構組成。目標層是系統的總目標,即地下水源熱泵適宜性。準則層由地質與水文地質條件,地下水水質,環境保護 3部分構成。要素指標層由含水層富水程度,回灌能力,地下水埋深,地下水硬度,地下水鐵錳含量,地下水溫度,水源地等 7個指標構成。見圖 1示。

圖1 評價體系結構圖

2 評價因素的權重計算

在多目標決策分析中,權重反映了各因素在決策過程中所占的地位即相對重要性,是各因素重要程度的定量描述,直接影響綜合決策的結果。對所有判斷矩陣進行一致性檢驗,在符合一致性檢驗后,計算判斷矩陣最大特征值相對應的特征向量,確定每個因素對上一層次對應因素的權重,最后求出每個因素的權重。為使判斷矩陣中每個因素定量化,采用了“1～9”比較標度法。

2.1 構造判斷矩陣并求最大特征根和特征向量

構造(A—B)判斷矩陣(第二層因素相對第一層的比較判斷)見表 1。

表1

采用幾何平均近似法(方根法)計算(A—B)判斷矩陣的最大特征根和特征向量,計算結果為：W1=0.348,W2=0.239,W3=0.413。得到 W=(W1,W2,W3)T為所求特征向量近似值,即第二層各因素權重,求得矩陣的最大特征值λmax=3.0183。

同理構造(B1—C)判斷矩陣(i=1,2)計算最大特征根及特征向量：

(B1—C)判斷矩陣最大特征根及特征向量

W=(0.57,0.333,0.097)T,λmax=3.0246;

(B2—C)判斷矩陣最大特征根及特征向量

W=(0.303,0.297,0.4)T,λmax=3.0092。

2.2 判斷矩陣的一致性檢驗

(A—B)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.016＜0.1;(B1—C)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.021＜0.1;(B2—C)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.008＜0.1;可見,判斷矩陣具有滿意的一致性。

2.3 層次總排序

利用層次單排序結果,綜合得出準則層 B相對于目標層C以及要素指標層 C相對于準則層 B的權重值;最后計算出要素指標層 C相對于目標層A的權重值即為層次總排序(實際上是 C層對于 B層與 B層對于 A層權重值的累計值,即為組合權重,)。矩陣(B-C)為單一隸屬關系,不需要一致性檢驗。各要素指標對應目標層計算得到的權重值見表2 。

表2 標對應目標層所占的權重

3 基于地理信息系統 GIS下沈陽城區水源熱泵適宜性分區

3.1 基礎數據的獲取及處理

利用 GIS[5]空間分析能力進行問題的分析、規劃,對要素指標分區數據進行屬性賦值,本文所用各類基礎數據來源于近年來各類科研報告及野外測量數據。數據的預處理主要包括數據的矢量化、數據的分類與標準化、數據的矢量化及空間分析等。本文對影響地下水源熱泵適宜性分區的主要指標：含水層富水程度可以用導水系數表征、回灌能力、地下水埋深、地下水硬度、地下水硬度、地下水鐵、錳含量、地下水溫度[6]、水源地。分別對以上指標進行數據標準化,從而得到標準化結果。

3.2 數據矢量化及空間分析

對要素指標分區數據進行屬性賦值,將標準化的數據賦予相應的要素指標,并對圖件進行矢量化,最后應用 Map Info軟件的空間疊加功能,將影響地下水源熱泵適宜性分區的單因素圖層進行加權疊加,生成地下水源熱泵適宜性分區圖。

3.3 適宜性分區標準的確定

根據沈陽城區地下水源熱泵的應用現狀及發展趨勢,確定其分區級別和綜合指數值劃分標準。見表3 ,沈陽城區地下水源熱泵適宜性分區圖如圖 2。

表3 分區標準

圖2 沈陽城區地下水源熱泵適宜性分區示意圖

從圖中可以看出比較適合應用水源熱泵的地區主要分布在城區中部,并且適宜區中富水性較好的地區居多,不適宜區集中在水源地保護區以及富水性、回灌能力差的地區。

4 結論

沈陽目前建立地下水源熱泵的地區也大多集中在所規劃的適宜區內,表明建立的評價指標體系是合理的,評價結果可以用來作為建立地下水源熱泵的依據,但在評價過程中,由于所收集的資料不夠詳細,有些數據難以獲得,所以評價結果僅能宏觀地劃分適宜程度的大致區域,在進行地下水源熱泵建設時,還應考慮場地的實際情況。

[1]鄔小波.地下含水層儲能和地下水源熱泵系統中地下水回路與回灌技術現狀[J].暖通空調,2004,34(1)：19-22.

[2]孫鳳嶺,地下水源熱泵空調系統在北京地區的應用研究[D].北京：北京工業大學供熱、供燃氣、通風及空調工程系,2007.

[3]吳艷菊.地表水源熱泵適宜性綜合評價及規劃研究：[D].重慶：重慶大學供熱、供燃氣及空調工程系,2009.

[4]王國良.層次分析法在地質災害危險性評估中的應用[J].西部探礦工程,2006,9：37-42.

[5]倪金生,曹學軍,張敏.地理信息系統理論與實踐[J].北京：電子工業出版社,2007.

[6]潘俊,臧海洋,高維春,左悅.地下水溫數值模擬在水源熱泵工程設計中的應用[J].暖通空調,2010,40(10)：67-70.