地下水源热泵应用适宜性评价指标体系研究

王贵玲，刘 云，蔺文静，李元杰，师永霞

（中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北正定 050803）

地下水源热泵应用适宜性评价指标体系研究

王贵玲，刘 云，蔺文静，李元杰，师永霞

（中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北正定 050803）

本文通过分析影响我国区域地下水源热泵建设的几个重要因素，运用层次分析的方法，建立了我国区域地下水源热泵适宜性评价的指标体系。分析过程中通过运用Arcgis、Mapgis等绘图及空间分析软件，结合我国区域部分资料，对数据进行矢量化、分类与标准化，利用Arcgis的空间分析功能对地下水源热泵建设的适宜性进行了分区。将我国已经建立地下水源热泵的区域与评价结果进行分析比较，表明所建立的指标体系正确，评价结果可信，从而为地下水源热泵系统设计人员提供了一定的依据，为地下水源热泵因地制宜、合理有序的应用,提供了参考。

热泵；适宜性；评价指标

能源是目前国际社会普遍关注的问题，能源危机已经初露端倪。目前国家积极倡导 节能减排 ，虽然取得了一定成效，但面临的形势依然严峻，在这种大环境下，地下水源热泵应运而生。地下水源热泵是利用地下水作为冷、热源进行转换的空调技术，属于可再生能源利用技术。

国家倡导此项技术的研究和应用，并制定了相关的能源政策、环保政策，鼓励这项技术的推广，我国对地下水源热泵系统已经有了一定的研究基础，其研究方向主要集中在地下水源热泵的设计施工、回灌技术、运行管理、经济性分析、系统运行能耗分析等方面，如李凡[1]讨论了关于热泵技术应用的几个问题，于卫平[2]对回灌技术进行了有关的研究，胡江溢等[3]对北京、辽宁地区的几个案例进行了经济性方面的分析，文远高等[4]对地下水源热泵系统的运行能耗进行了分析。也有关于对地下水源热泵的热运移模拟方面的研究，如张远东[5]等对地下水源热泵进行了采能的水-热耦合数值模拟，但是对区域上应用地下水源热泵适宜性评价方面的文献则较少，相关研究如：刘立才等[6]对北京城市规划区水源热泵系统应用适宜性进行了分区，王亚斌[7]等对天津市水源热泵系统水文地质条件适宜性进行了评价。

由于缺乏对地下水源热泵的适宜性分析和区域规划，在某些不适宜地区盲目的建设地下水源热泵系统，会引发较多的问题。尤其是环境问题，由于回灌条件的限制，造成的回灌不及时有可能引发地面沉降、地裂缝、地面塌陷；由于水源选择不当，造成的水量不足、水温不适、供水不稳定，所造成很大的经济损失；由于水质较差引起设备的腐蚀问题也不容忽视，这些由于建设场地选择的不当造成的问题，很大程度上制约了地源热泵系统的推广和应用，因此对地源热泵建设的适宜性进行分区显得非常重要。

1 评价方法

层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多因素决策分析方法，是分析多目标多准则复杂系统的有力工具。运用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干个层次和若干因素，并按上一层的准则对其下一层次的各要素进行分别比较，就可以得出各要素的重要性程度权重，给定定量指标，然后求解各层次各要素相对重要性权值，最后做出综合分析和评判[7]。

1.1 评价要素的组成及评价指标体系

影响地下水源热泵建设的的因素很多，本文根据我国目前的实际情况，初步确立了影响地下水源热泵建设的几个因素，主要有：水文地质因素、气象因素、社会经济因素、场地施工因素、环境保护因素。我国区域地下水源热泵适宜性评价层次关系如图1所示，它由综合 层（A）、准则层（B）、要素指标层（C）组成。

图1 地下水源热泵适宜性评价层次结构图

1. 2 权重的确定及分级指数计算方法

（1）权重的确定

确定B、C层各要素的权重系数时应采取个人与多人、专业与专家相结合的方式，通过对同一层次的各因子关于上一层次某一准则的重要性进行比较，然后给出分值，确定相对重要性。

构造出A B(第二层因素相对第一层的比较判断)，判断矩阵如表1，

表1

max=5.142，CI=0.0355<0.1 ，RI=1.12，CR=0.032<0.1，经过CR、CI一致性检验，表明上述判断矩阵一致性较好，相对权重计算正确。

同理可得第三层因素相对于第二层的权重。

水文地质因素的子制约因素C1、C2、C3相对权重分别为：0.539，0.297，0.164

场地施工因素的子制约因素C4、C5相对权重分别为：0.667，0.333

社会经济因素的子制约因素C6、C7相对权重分别为：0.667，0.333

气象因素的子制约因素C8、C9相对权重分别为：0.75，0.25

环境保护因素的子制约因素C10、C11、C12相对权重分别为：0.6，0.2，0.2。

（2）分级指数的计算方法

分级指数的计算方法如下式[7]：

式中：R 分级评价指数；ai 评价参数的权值；

Xi 评价参数；

n 评价参数的个数。

2 基础数据的获取及处理

各类基础数据来源于近年来的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、栅格化以及空间分析等。

2.1 数据的矢量化

统一用Arcgis格式编制要素指标层各要素分区图。

2.2 数据的标准化

因为评价所用数据的类型和量纲各不相同。为了在统一评价体系内对不同数据进行比较和运算，需要在评价之前对数据进行标准化（规格化）处理，将数据转化为[0，1]之间的无量纲数值。

2.2.1 水文地质因素

（1）矿化度

用于水源热泵系统的水源水矿化度应＜3g/L。我国西北地区矿化度较高，最高可高于200 g/l，东北、西南地区矿化度较低，一般小于0.5g/l，但位于广州、江苏的某些海滨地区矿化度较高，研究区地下水矿化度数据呈块状分布，对数据进行标准化，结果如表2所示。

表2

（2）地下水富水程度

地下水源热泵应该布置在富水性好的地区，这样才能满足机组对水量的要求。我国的三江、松嫩、辽河、黄淮海、河套、银川平原等平原地区、河西走廊、新疆的吐鲁番－哈密、伊犁、渭河谷地、汉中盆地，山西的太原、大同等山间盆地地区富水性都较好，云南、广西、四川等基岩山区山间盆地及岩溶地区富水性也较好。阿尔泰山和准噶尔盆地山前丘陵地区富水程度也相对丰富。对研究区地下水富水性分区数据进行标准化，标准化结果如表3所示。

表3

（3）地下水水温

地下水水温是制约地源热泵建设的一个重要因素。地下水一般取自于地层的恒温带，水温恒定，其值比当地年平均气温约高出1~4℃左右。我国除海南之外的全国各地地下水温约在6~20℃，并且自南向北逐渐降低，东北地区低于西北地区。根据水温对热泵是否适宜，将数据进行标准化，结果如表4。

表4

2.2.2 场地施工因素

（1）地形地貌

影响地下水源及土壤源热泵建设的重要因素之一就是地形地貌，这是进行地源热泵建设所要考虑的场地施工属性。场地条件不同，热泵的适宜性也不同，所以在数据处理的过程中，将有湖泊的地区直接认为不适合建设地下水源热泵，其他地区的数据标准化结果如表5。

表5

（2）回灌条件

水文地质条件是影响回灌量的主要因素。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大；在砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50～70%。细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30～50%[2]。还应考虑到地层颗粒越细，越容易进入热泵机组，这样会磨损设备和管道，排到地下后，这些细颗粒会堵塞回灌井中的地层孔隙，并最终使回灌井失去回灌能力而报废。本文数据的标准化根据区内不同含水层条件进行分区，结果如表6。

表6

2.2.3 社会经济因素

（1）人口密度

人口密度也是制约地下水源及土壤源热泵建设的一个制约因素，由于热泵初期的投资费用较高，若人口过于稀疏，建立热泵是不经济的。我国人口密度以黑河 腾冲为界线，东部人口密度大，尤其是沿海平原，西部内陆人口密度小，平原、高原盆地等地势相对平坦、水力资源丰富的地区人口密度大，而山地等地形起伏较大的地区人口密度小。对我国人口密度数据进行标准化的结果如表7。

表7

（2）人均GDP

人均GDP可以反映一个地区的经济状况，现有数据为我国各省的人均GDP数据，呈块状分布，数据范围为1338～29149（美元），各省数据悬殊，对数据进行标准化。标准化结果见表8。

表8

2.2.4 气象因素

（1）年降水量

降雨入渗可以为地下水补充新的水源，对于地源热泵来说降雨量是影响其建设的重要的气象因素，年平均降雨量越大，越有利于地源热泵的建设。受季风气候的影响，中国的降雨分布极不均匀。我国年均降雨量从东南向西北递减，从东南的4000mm递减到西北的不足25mm。研究区年降雨量数据为分区数据，数据的标准化根据区内年均降雨量的大小分区，结果如表9。

表9

（2）年平均气温

我国地域辽阔，不同地区年平均气温有很大的差异，东北、西北温度偏低，而东南西南温度偏高，因此人们对地下水源热泵取暖和制冷的要求不同。在温度低的地区，一年大部分时间供暖需求较多，在温度高的地区，对供冷需求较多，如果采用地源热泵，有可能会引起热平衡问题，对热交换产生不利影响，降低系统运行性能，研究区年平均温度最低可达-4℃以下，最高可达24℃以上，数据为分区数据，对研究区年平均气温数据进行标准化，结果如表10。

表10

2.2.5 环境保护

在进行地下水源热泵选址时，应考虑建设场地是否受已有地裂缝、降落漏斗、地面塌陷等的影响，以及水源热泵建成后是否会对已有地裂缝、降落漏斗、地面塌陷等产生更不利的影响。在进行土壤源热泵建设时，也应考虑地裂缝和地面塌陷的影响。因此在进行场地建设时，应尽量远离这些存在环境问题的地区。

（1）降落漏斗

本文对通过距离来对降落漏斗数据进行标准化，标准化结果见表11。

表11

（2）地裂缝

地裂缝形成原因是多方面的，如：地下水超采、水位逐年下降、包气带失水缩干等。采用直接赋值法将距地裂缝1500m内的区域赋值为0，1500m以外的区域赋值为1。

（3）地面塌陷

地面塌陷主要分布于我国东部和南部地区，考虑到建设场地稳定性，采用直接赋值法，将距塌陷区2000m以内的区域赋值为0，2000m以外的区域赋值为1。

2.3 数据栅格化及空间分析

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，并对图件进行栅格化，最后应用GIS软件的空间叠加功能，将影响地下水源及土壤源热泵适宜性分区的单因素图层进行加权叠加，生成综合适宜性叠加图。

2.4适宜性分区标准的确定

根据我国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12。

地下水源热泵适宜性分区图如图2 。

表12

图2 我国区域地下水源热泵适宜性分区图

从图2中可以看出比较适合应用水源热泵的地区主要分布在我国东部，并且适宜区中平原盆地及富水性较好的地区居多，我国目前建立地下水源热泵的地区也大多集中在所划适宜区内，说明所建立的评价指标体系是正确的，评价结果可信，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，有些数据难以获取，所以所得到的评价结果仅能宏观的划分出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。

3 结论

本文通过运用层次分析法，讨论了影响我国地下水源热泵建设的因素，建立了相应的评价指标体系，并运用Arcgis的空间分析功能，划分出我国适合、较适合、勉强适合、不适合建立地下水源热泵的区域，为以后的热泵建设工作提供了参考，但值得注意的是，适宜性评价是一种综合性评价，并不等于我国区域地下水源热泵场地建设的定点，因此在建设地下水源热泵时，还应结合当地的实际情况，进行更为详细的勘查工作，从而降低盲目性。

[1] 李 凡. 关于热泵技术应用的几个问题[J]. 节能,2006,4:19~21.

[2] 于卫平.水源热泵相关的水源问题[J].机电信息,2005,21:23~26.

[3] 胡江溢等. 地下水源热泵应用调研与分析[J]. 电力需求侧管理, 2007,9(3):38~40.

[4] 文远高等. 水源热泵系统运行能耗分析[J].制冷空调与电力机械,2007:46~48.

[5] 张远东等. 地下水源热泵采能的水-热耦合数值模拟[J].天津大学学报,2006,8:907~912.

[6] 刘立才,王金生等.北京城市规划区水源热泵系统应用适宜性分区[J].水文地质工程地质,2006,6:15~17.

[7]王亚斌,张海涛等.天津市水源热泵系统水文地质条件适宜性评价方法研究[C]. 地温资源与地源热泵技术应用论文集, 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