地源热泵系统应用适宜性评价——以洛阳盆地为例

王 飞， 张宇航， 于 超， 段金山

(中化地质矿山总局河南地质局，河南 郑州 450000)

地热资源是一种可再生的新型清洁能源，具有储量大、分布范围广泛以及开采利用稳定等优势，对于缓解不可再生能源危机具有重要的意义。因此，如何提高地热资源的开发与利用进程是当前亟待解决的问题之一。对于地热资源的开发与利用，不仅受地热埋藏区域地质条件等限制，还与当前技术条件等密切相关。地下水源热泵系统是地热资源开发与利用常用的、也是应用技术比较成熟的水热交换系统。地下水源热泵系统的使用需要满足一定的使用条件，若在不适宜的区域建设地下水源热泵系统，不仅不能解决问题，而且对当地区域经济、环境等产生较大影响。因此，在使用地下水源热泵系统之前需要对建设区域进行使用条件评估，评估该区域是否满足建设条件的基本要求。常用的评价方法为层次分析法，本文以层次分析法为研究对象，分析洛阳盆地地区的适宜性条件，为后期拟建地下水源热泵系统的选址提供参考依据和支撑。

1 评价原则

建立地下水源热泵系统的基础是建设区域地下水资源丰富，主要原因在于该系统采用地下水作为系统的冷热源，因此，丰富的地下水资源是建设的基础。地下水资源的循环是有周期的，因此为了保护建设区域地下水资源及环境地质现状，该系统必需要求100%回灌所抽取的水量，这就要求建设区域的水文地质条件必需适合于回灌技术，并且回灌成本适中。此外，影响地下水源热泵系统运行效果的因素还包括地下水的温度、质量以及供水稳定性能等方面，若地下水温度过高或过低，均会影响系统运行工况质量。

地下水源热泵系统包括系统的机组、阀门、管道等，它们是由不同材质的材料制作而成，因此抗腐蚀能力和抗磨损能力存在明显差异。地下水的水质决定了地下水的腐蚀性能，地下水中含砂量的高低影响着地下水对设备的磨损能力，且含砂量高的地下水容易对回灌及含水层造成堵塞，影响该系统的正常使用。因此，使用地下水源热泵系统必须满足以下要求：①地下水的pH值为6.5～8.5，即介于中性左右，若地下水质过于偏碱或偏酸，均对地下水源热泵系统的构件有较大影响，间接影响地下热水资源的利用率；②CaO含量应小于200 mg/L，若CaO含量过高，则容易造成钙化而堵塞，即通过管壁吸附作用等，容易在输送管道中形成CaCO3；③矿化度应小于3 g/L，若地下热水中矿化度过高，则说明水中含有大量的金属元素离子、络阴离子等，容易对设备造成磨损、化学反应，进而影响设备的损耗速率；④水源中的固体物质颗粒粒径应小于0.5 mm，粒径过大，容易造成设备磨损；⑤水源的浑浊度应小于20 mg/L，若过大，则地下水中含有较多的固体颗粒物质等，容易磨损设备和堵塞管道；⑥地下水中含砂量应小于1/200000，若含砂量体积比过大，容易对管道、设备等造成磨损，甚至引起堵塞等问题。

地下水的供水稳定性能是影响地下水源热泵系统正常运行的另一关键因素。该系统要求地下水供水稳定，效率高，才能确保系统长期、稳定运行。此外，建设地下水源热泵系统后可能引起当地区域地面沉降、不同含水层之间的水质污染、热污染等问题。因此，选址过程中应尽可能地避开地下水源保护区域，尽量避开有地裂缝、地面沉降等有环境地质问题的区域，尽可能选择环境地质条件稳定的区域建设。对拟开采区域的地下水资源进行评估，尽可能地查明拟建区域热水资源的储存资源量以及单孔出水量等。

综上所述，使用层次分析法评价某个区域是否满足建设地下水源热泵系统的条件，主要包括以下几个方面：①拟建设区域地下水水量的丰富程度，对拟建设区域的地下水资源储量进行评估，进而判断地下水水量能否满足制冷供暖需求，能否实现长期稳定供水的基本要求；②建设区域水文地质条件适中，水文地质条件适于回灌处理，且回灌成本适中；③建设区域地下水温度、水质、浑浊度、含砂量、化学成分、酸碱度、矿化度等满足规范要求，对热泵系统影响微弱或者无影响；④应避开地下水资源保护区域，避开地裂缝、地面沉降等环境地质复杂区域。

2 指标建立

2.1 评价指标的选取

综上所述，影响地下水源热泵系统运行的因素较多，并且对于某一具体区域而言，影响地下水源热泵系统正常运行的因素不是单一的某种或者几种因素叠加，而是不同因素相互影响、相互作用的共同结果。因此，根据上文总结的评价方面，选择洛阳盆地地区水文地质、场地施工、社会经济、气象、环境保护等因素来构建评价指标体系。结合前人研究成果及所收集的资料，所选取的5个评价指标又分别包括不同的要素。

(1)水源水质与地下水源热泵系统的运行工况密切相关。地下水的水质包括水中的含砂量、矿化度、硬度、化学成分、浑浊度、腐蚀性能等，同时地下水的温度也对系统设备的运行影响较大，温度过高或者过低均会影响系统设备的正常运行。参考《浅层地热能勘查评价规范》(DZ/T0225—2009)，结合洛阳盆地地区水文地质资料等实际情况，本文在评价洛阳盆地过程中以地下水水温、硬度、矿化度以及富水性为主要评价要素，其他因素在本次评价过程中暂不考虑。

(2)地下水源热泵系统的应用受回灌条件影响较大，而影响回灌条件的因素主要包括地下水埋深、含水层岩性等。含水层中岩石的矿物颗粒越粗大，岩石的透水性越好，越有利于回灌技术的运行。一般而言，若含水层为卵石层等，则单位回灌量为单位抽水量的70%以上；若含水层为粗砂、中砂岩石等，则单位回灌量为单位抽水量的40%～70%；若含水层为中砂岩石等，则单位回灌量为单位抽水量的30%～50%；若含水层为细砂、粉砂岩石等，则单位回灌量为单位抽水量的30%。此外，地下含水层的埋深对回灌效果影响较大，埋深越深，含水层岩石颗粒越粗，越有利于回灌。根据洛阳盆地地质现状，本文选择含水层岩性、水文埋深、地形地貌作为洛阳盆地地区的评价要素。

(3)社会经济方面选择人口密度、人均GDP，其中人口密度与地下热水资源的每日总需求量关系较大，人均GDP与人均日需求量关系密切。气象方面选择年均降水量、年均气温，前者与地下水资源的补给条件等关系密切，后者与该区域地下热水水温有直接联系。环境保护方面选择降落漏斗、地裂缝、地面塌陷来构建评价指标体系。

图1 水源热泵系统适宜性评价层次结构图

综上可知，本文选择的五个评价指标对分析洛阳盆地是否满足建设地下水源热泵系统条件有重要的指示意义，但研究区域的地质环境条件决定了洛阳盆地是否适合建设该系统。在地质环境条件差的区域或者地下水资源保护区域，无论上述五个评价指标对建设热泵系统有无影响，都不适合在该区域建设地下水源热泵系统。因此，选择地质环境条件作为本文评价洛阳盆地适宜性的决定性指标。

2.2 权重系数的确定

本文选择层次分析法对洛阳盆地能否建设热泵系统进行评价，在评价体系中，通过个人与多人，专业技术人员与专家相结合的方式，对同一层次的各要素的关系以及影响作用进行分析，其中影响作用越大，对评价系统的重要性也就越大，以此为原理构成比较矩阵。通过数值模型计算，进一步检验比较矩阵的一致性，若出现错误或者漏洞及时对比较矩阵进行修改，以接受一致性为最终原则，进一步求出不同评价要素在不同目标层中所占的权重，运用AHP软件计算得到表1、表2。

根据表1，运算得到Max=5.142，CI=0.035<0.1，RI=1.12，CR=0.032<0.1，经过一致性检验，表明上述判断矩阵一致性较高，相对权重计算正确。

表1 二级判断矩阵及权重表

表2 三级参评参数权重表

由上表可以看出，此次评价对结果影响最大的因素分别为含水层的富水性、水温、地形地貌，这三个要素是含水层出水能力和回灌能力的综合体现。由此可见，含水层的供水条件和回灌条件是决定一个地区是否适合建设地下水源热泵最重要的两个方面。

3 综合评价实例

将研究区(本文以洛阳盆地为例)按 100 m×100 m 的间隔进行网格剖分，将5项要素的属性赋值链接到每个网格点上。采用综合指数法，将每个网格点的分值与其相对应的权重值相乘，然后求和，得出每个点上的总分值。在此基础上，将总分值乘以相应的水源地保护区系数，得到每个网格的最终分值。对于水源地保护区，相应系数为 0；非保护区，相应系数为1.0。根据最终分值的分布情况，制定水源热泵各个适宜区的分数范围值，并划分适宜区。

根据实际计算结果的分值分布情况，将分值为 0的地区划为水源热泵禁建区，0～5为水源热泵不适宜区，5～6.5为水源热泵较适宜区，6.5～9为水源热泵适宜区，最后的评价见表3 。

表3 洛阳盆地地源热泵系统应用适宜性评价结果表

通过对洛阳盆地地区进行层次分析法评价，结果认为魏屯—关林以东的伊洛河河间地块及河漫滩区域可以建设地下水源热泵系统，适宜区面积约192.24 km2；伊河一级阶地、洛河二级阶地及涧河三级阶地等区域属于较适宜区，可以考虑在该区进行建设；而市区外围的黄土丘陵地区属于不适宜区，在上述区域不能建设地下水源热泵系统。

4 结论

本文通过运用层次分析法，探讨了影响地源热泵建设的主要因素，建立了评价指标体系，并对洛阳盆地能否满足建设地下水源热泵系统进行了适宜性评价，为后期拟建选址提供基础依据。本文所采用的评价体系仅代表了洛阳盆地的基本状况，非绝对的使用条件。因此，在实际工作时，还应综合当地的实际情况，进行更详尽的评价工作，从而有效地促进我国地热产业的发展。