地下水源熱泵應用適宜性評價指標體系研究

王貴玲，劉 云，藺文靜，李元杰，師永霞

（中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北正定 050803）

地下水源熱泵應用適宜性評價指標體系研究

王貴玲，劉 云，藺文靜，李元杰，師永霞

（中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北正定 050803）

本文通過分析影響我國區域地下水源熱泵建設的幾個重要因素，運用層次分析的方法，建立了我國區域地下水源熱泵適宜性評價的指標體系。分析過程中通過運用Arcgis、Mapgis等繪圖及空間分析軟件，結合我國區域部分資料，對數據進行矢量化、分類與標準化，利用Arcgis的空間分析功能對地下水源熱泵建設的適宜性進行了分區。將我國已經建立地下水源熱泵的區域與評價結果進行分析比較，表明所建立的指標體系正確，評價結果可信，從而為地下水源熱泵系統設計人員提供了一定的依據，為地下水源熱泵因地制宜、合理有序的應用,提供了參考。

熱泵；適宜性；評價指標

能源是目前國際社會普遍關注的問題，能源危機已經初露端倪。目前國家積極倡導 節能減排 ，雖然取得了一定成效，但面臨的形勢依然嚴峻，在這種大環境下，地下水源熱泵應運而生。地下水源熱泵是利用地下水作為冷、熱源進行轉換的空調技術，屬于可再生能源利用技術。

國家倡導此項技術的研究和應用，并制定了相關的能源政策、環保政策，鼓勵這項技術的推廣，我國對地下水源熱泵系統已經有了一定的研究基礎，其研究方向主要集中在地下水源熱泵的設計施工、回灌技術、運行管理、經濟性分析、系統運行能耗分析等方面，如李凡[1]討論了關于熱泵技術應用的幾個問題，于衛平[2]對回灌技術進行了有關的研究，胡江溢等[3]對北京、遼寧地區的幾個案例進行了經濟性方面的分析，文遠高等[4]對地下水源熱泵系統的運行能耗進行了分析。也有關于對地下水源熱泵的熱運移模擬方面的研究，如張遠東[5]等對地下水源熱泵進行了采能的水-熱耦合數值模擬，但是對區域上應用地下水源熱泵適宜性評價方面的文獻則較少，相關研究如：劉立才等[6]對北京城市規劃區水源熱泵系統應用適宜性進行了分區，王亞斌[7]等對天津市水源熱泵系統水文地質條件適宜性進行了評價。

由于缺乏對地下水源熱泵的適宜性分析和區域規劃，在某些不適宜地區盲目的建設地下水源熱泵系統，會引發較多的問題。尤其是環境問題，由于回灌條件的限制，造成的回灌不及時有可能引發地面沉降、地裂縫、地面塌陷；由于水源選擇不當，造成的水量不足、水溫不適、供水不穩定，所造成很大的經濟損失；由于水質較差引起設備的腐蝕問題也不容忽視，這些由于建設場地選擇的不當造成的問題，很大程度上制約了地源熱泵系統的推廣和應用，因此對地源熱泵建設的適宜性進行分區顯得非常重要。

1 評價方法

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

1.1 評價要素的組成及評價指標體系

影響地下水源熱泵建設的的因素很多，本文根據我國目前的實際情況，初步確立了影響地下水源熱泵建設的幾個因素，主要有：水文地質因素、氣象因素、社會經濟因素、場地施工因素、環境保護因素。我國區域地下水源熱泵適宜性評價層次關系如圖1所示，它由綜合 層（A）、準則層（B）、要素指標層（C）組成。

圖1 地下水源熱泵適宜性評價層次結構圖

1. 2 權重的確定及分級指數計算方法

（1）權重的確定

確定B、C層各要素的權重系數時應采取個人與多人、專業與專家相結合的方式，通過對同一層次的各因子關于上一層次某一準則的重要性進行比較，然后給出分值，確定相對重要性。

構造出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，經過CR、CI一致性檢驗，表明上述判斷矩陣一致性較好，相對權重計算正確。

同理可得第三層因素相對于第二層的權重。

水文地質因素的子制約因素C1、C2、C3相對權重分別為：0.539，0.297，0.164

場地施工因素的子制約因素C4、C5相對權重分別為：0.667，0.333

社會經濟因素的子制約因素C6、C7相對權重分別為：0.667，0.333

氣象因素的子制約因素C8、C9相對權重分別為：0.75，0.25

環境保護因素的子制約因素C10、C11、C12相對權重分別為：0.6，0.2，0.2。

（2）分級指數的計算方法

分級指數的計算方法如下式[7]：

式中：R 分級評價指數；ai 評價參數的權值；

Xi 評價參數；

n 評價參數的個數。

2 基礎數據的獲取及處理

各類基礎數據來源于近年來的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、柵格化以及空間分析等。

2.1 數據的矢量化

統一用Arcgis格式編制要素指標層各要素分區圖。

2.2 數據的標準化

因為評價所用數據的類型和量綱各不相同。為了在統一評價體系內對不同數據進行比較和運算，需要在評價之前對數據進行標準化（規格化）處理，將數據轉化為[0，1]之間的無量綱數值。

2.2.1 水文地質因素

（1）礦化度

用于水源熱泵系統的水源水礦化度應＜3g/L。我國西北地區礦化度較高，最高可高于200 g/l，東北、西南地區礦化度較低，一般小于0.5g/l，但位于廣州、江蘇的某些海濱地區礦化度較高，研究區地下水礦化度數據呈塊狀分布，對數據進行標準化，結果如表2所示。

表2

（2）地下水富水程度

地下水源熱泵應該布置在富水性好的地區，這樣才能滿足機組對水量的要求。我國的三江、松嫩、遼河、黃淮海、河套、銀川平原等平原地區、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富水性都較好，云南、廣西、四川等基巖山區山間盆地及巖溶地區富水性也較好。阿爾泰山和準噶爾盆地山前丘陵地區富水程度也相對豐富。對研究區地下水富水性分區數據進行標準化，標準化結果如表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的一個重要因素。地下水一般取自于地層的恒溫帶，水溫恒定，其值比當地年平均氣溫約高出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，東北地區低于西北地區。根據水溫對熱泵是否適宜，將數據進行標準化，結果如表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的重要因素之一就是地形地貌，這是進行地源熱泵建設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，所以在數據處理的過程中，將有湖泊的地區直接認為不適合建設地下水源熱泵，其他地區的數據標準化結果如表5。

表5

（2）回灌條件

水文地質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，在一個回灌年度內，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%。細砂含水層中，單位回灌量是單位出水量的30～50%[2]。還應考慮到地層顆粒越細，越容易進入熱泵機組，這樣會磨損設備和管道，排到地下后，這些細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廢。本文數據的標準化根據區內不同含水層條件進行分區，結果如表6。

表6

2.2.3 社會經濟因素

（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的一個制約因素，由于熱泵初期的投資費用較高，若人口過于稀疏，建立熱泵是不經濟的。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人口密度大，而山地等地形起伏較大的地區人口密度小。對我國人口密度數據進行標準化的結果如表7。

表7

（2）人均GDP

人均GDP可以反映一個地區的經濟狀況，現有數據為我國各省的人均GDP數據，呈塊狀分布，數據范圍為1338～29149（美元），各省數據懸殊，對數據進行標準化。標準化結果見表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充新的水源，對于地源熱泵來說降雨量是影響其建設的重要的氣象因素，年平均降雨量越大，越有利于地源熱泵的建設。受季風氣候的影響，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。研究區年降雨量數據為分區數據，數據的標準化根據區內年均降雨量的大小分區，結果如表9。

表9

（2）年平均氣溫

我國地域遼闊，不同地區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，一年大部分時間供暖需求較多，在溫度高的地區，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，對熱交換產生不利影響，降低系統運行性能，研究區年平均溫度最低可達-4℃以下，最高可達24℃以上，數據為分區數據，對研究區年平均氣溫數據進行標準化，結果如表10。

表10

2.2.5 環境保護

在進行地下水源熱泵選址時，應考慮建設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、地面塌陷等產生更不利的影響。在進行土壤源熱泵建設時，也應考慮地裂縫和地面塌陷的影響。因此在進行場地建設時，應盡量遠離這些存在環境問題的地區。

（1）降落漏斗

本文對通過距離來對降落漏斗數據進行標準化，標準化結果見表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內的區域賦值為0，1500m以外的區域賦值為1。

（3）地面塌陷

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

2.3 數據柵格化及空間分析

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，并對圖件進行柵格化，最后應用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的單因素圖層進行加權疊加，生成綜合適宜性疊加圖。

2.4適宜性分區標準的確定

根據我國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12。

地下水源熱泵適宜性分區圖如圖2 。

表12

圖2 我國區域地下水源熱泵適宜性分區圖

從圖2中可以看出比較適合應用水源熱泵的地區主要分布在我國東部，并且適宜區中平原盆地及富水性較好的地區居多，我國目前建立地下水源熱泵的地區也大多集中在所劃適宜區內，說明所建立的評價指標體系是正確的，評價結果可信，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，有些數據難以獲取，所以所得到的評價結果僅能宏觀的劃分出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。

3 結論

本文通過運用層次分析法，討論了影響我國地下水源熱泵建設的因素，建立了相應的評價指標體系，并運用Arcgis的空間分析功能，劃分出我國適合、較適合、勉強適合、不適合建立地下水源熱泵的區域，為以后的熱泵建設工作提供了參考，但值得注意的是，適宜性評價是一種綜合性評價，并不等于我國區域地下水源熱泵場地建設的定點，因此在建設地下水源熱泵時，還應結合當地的實際情況，進行更為詳細的勘查工作，從而降低盲目性。

[1] 李 凡. 關于熱泵技術應用的幾個問題[J]. 節能,2006,4:19~21.

[2] 于衛平.水源熱泵相關的水源問題[J].機電信息,2005,21:23~26.

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

[4] 文遠高等. 水源熱泵系統運行能耗分析[J].制冷空調與電力機械,2007:46~48.

[5] 張遠東等. 地下水源熱泵采能的水-熱耦合數值模擬[J].天津大學學報,2006,8:907~912.

[6] 劉立才,王金生等.北京城市規劃區水源熱泵系統應用適宜性分區[J].水文地質工程地質,2006,6:15~17.

[7]王亞斌,張海濤等.天津市水源熱泵系統水文地質條件適宜性評價方法研究[C]. 地溫資源與地源熱泵技術應用論文集, 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