沈阳城区水源热泵适宜性评价

韩春阳,潘 俊,康然然 ,田 川

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院,辽宁沈阳 110168)

当前水源热泵系统在沈阳发展极为迅速,应用前景十分广阔,然而增长过快,导致该技术的应用呈现出盲目无序的发展态势,在很大程度上忽视了影响因素,从而引发地下水资源浪费、水源热泵系统[1-2]效率低下等问题,制约了地源热泵系统的推广和应用。需要统一规划和建议指导,制约了地源热泵系统的推广和应用。因此进行地下水源热泵适宜性评价显得非常重要。本文采用层次分析法,对影响适宜性评价[3]指标体系的地质、地下水环境等定性因素进行量化,利用 GIS对各要素指标进行属性赋值,应用 Map Info将影响地下水源热泵适宜性的单因素图层进行加权叠加,生成地下水源热泵适宜性分区图,该图显示出沈阳目前建立地下水源热泵的地区也大多集中在所规划的适宜区内,表明建立的评价指标体系是合理的,评价结果可以用来作为建立地下水源热泵的依据。

1 沈阳城区地下水源热泵适宜性评价指标体系的建立

1.1 评价要素的选取及评价体系的构建

影响地下水源热泵建设的因素很多,本文采用层次分析法[4],考虑沈阳城区水文地质条件及地下水环境等综合因素,选定影响地下水源热泵建设的主要因素有 3大类：地质与水文地质因素,地下水水质因素和环境保护因素。本次评价体系由目标层(A)、准则层(B)和要素指标层(C)3级层次结构组成。目标层是系统的总目标,即地下水源热泵适宜性。准则层由地质与水文地质条件,地下水水质,环境保护 3部分构成。要素指标层由含水层富水程度,回灌能力,地下水埋深,地下水硬度,地下水铁锰含量,地下水温度,水源地等 7个指标构成。见图 1示。

图1 评价体系结构图

2 评价因素的权重计算

在多目标决策分析中,权重反映了各因素在决策过程中所占的地位即相对重要性,是各因素重要程度的定量描述,直接影响综合决策的结果。对所有判断矩阵进行一致性检验,在符合一致性检验后,计算判断矩阵最大特征值相对应的特征向量,确定每个因素对上一层次对应因素的权重,最后求出每个因素的权重。为使判断矩阵中每个因素定量化,采用了“1～9”比较标度法。

2.1 构造判断矩阵并求最大特征根和特征向量

构造(A—B)判断矩阵(第二层因素相对第一层的比较判断)见表 1。

表1

采用几何平均近似法(方根法)计算(A—B)判断矩阵的最大特征根和特征向量,计算结果为：W1=0.348,W2=0.239,W3=0.413。得到 W=(W1,W2,W3)T为所求特征向量近似值,即第二层各因素权重,求得矩阵的最大特征值λmax=3.0183。

同理构造(B1—C)判断矩阵(i=1,2)计算最大特征根及特征向量：

(B1—C)判断矩阵最大特征根及特征向量

W=(0.57,0.333,0.097)T,λmax=3.0246;

(B2—C)判断矩阵最大特征根及特征向量

W=(0.303,0.297,0.4)T,λmax=3.0092。

2.2 判断矩阵的一致性检验

(A—B)的一致性检验结果为：C.R.=0.016＜0.1;(B1—C)的一致性检验结果为：C.R.=0.021＜0.1;(B2—C)的一致性检验结果为：C.R.=0.008＜0.1;可见,判断矩阵具有满意的一致性。

2.3 层次总排序

利用层次单排序结果,综合得出准则层 B相对于目标层C以及要素指标层 C相对于准则层 B的权重值;最后计算出要素指标层 C相对于目标层A的权重值即为层次总排序(实际上是 C层对于 B层与 B层对于 A层权重值的累计值,即为组合权重,)。矩阵(B-C)为单一隶属关系,不需要一致性检验。各要素指标对应目标层计算得到的权重值见表2 。

表2 标对应目标层所占的权重

3 基于地理信息系统 GIS下沈阳城区水源热泵适宜性分区

3.1 基础数据的获取及处理

利用 GIS[5]空间分析能力进行问题的分析、规划,对要素指标分区数据进行属性赋值,本文所用各类基础数据来源于近年来各类科研报告及野外测量数据。数据的预处理主要包括数据的矢量化、数据的分类与标准化、数据的矢量化及空间分析等。本文对影响地下水源热泵适宜性分区的主要指标：含水层富水程度可以用导水系数表征、回灌能力、地下水埋深、地下水硬度、地下水硬度、地下水铁、锰含量、地下水温度[6]、水源地。分别对以上指标进行数据标准化,从而得到标准化结果。

3.2 数据矢量化及空间分析

对要素指标分区数据进行属性赋值,将标准化的数据赋予相应的要素指标,并对图件进行矢量化,最后应用 Map Info软件的空间叠加功能,将影响地下水源热泵适宜性分区的单因素图层进行加权叠加,生成地下水源热泵适宜性分区图。

3.3 适宜性分区标准的确定

根据沈阳城区地下水源热泵的应用现状及发展趋势,确定其分区级别和综合指数值划分标准。见表3 ,沈阳城区地下水源热泵适宜性分区图如图 2。

表3 分区标准

图2 沈阳城区地下水源热泵适宜性分区示意图

从图中可以看出比较适合应用水源热泵的地区主要分布在城区中部,并且适宜区中富水性较好的地区居多,不适宜区集中在水源地保护区以及富水性、回灌能力差的地区。

4 结论

沈阳目前建立地下水源热泵的地区也大多集中在所规划的适宜区内,表明建立的评价指标体系是合理的,评价结果可以用来作为建立地下水源热泵的依据,但在评价过程中,由于所收集的资料不够详细,有些数据难以获得,所以评价结果仅能宏观地划分适宜程度的大致区域,在进行地下水源热泵建设时,还应考虑场地的实际情况。

[1]邬小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状[J].暖通空调,2004,34(1)：19-22.

[2]孙凤岭,地下水源热泵空调系统在北京地区的应用研究[D].北京：北京工业大学供热、供燃气、通风及空调工程系,2007.

[3]吴艳菊.地表水源热泵适宜性综合评价及规划研究：[D].重庆：重庆大学供热、供燃气及空调工程系,2009.

[4]王国良.层次分析法在地质灾害危险性评估中的应用[J].西部探矿工程,2006,9：37-42.

[5]倪金生,曹学军,张敏.地理信息系统理论与实践[J].北京：电子工业出版社,2007.

[6]潘俊,臧海洋,高维春,左悦.地下水温数值模拟在水源热泵工程设计中的应用[J].暖通空调,2010,40(10)：67-70.