陜西省地源熱泵技術適用性分區評價

張肖敏朱洪發孫婷婷劉煒王智偉

1西安建筑科技大學環境與市政工程學院

2高速集團寶漢公司漢中建設管理處

地源熱泵作為一種利用淺層地熱能的高效節能采暖空調系統，近年來在陜西已得到廣泛應用[1-2]，隨著各地應用項目的增多，在不適用地區盲目建設地源熱泵系統，往往引發抽水量不足、回灌困難、水質未達標等問題而導致系統失效。陜西由于橫跨三個氣候帶，地質構造與氣象水文都有較大差異，而場地水文地質條件是地源熱泵技術適用的基礎，因此需對陜西地下水源熱泵和土壤源熱泵的技術應用建立評價體系。本文運用層次分析法和熵權法對評價指標權重進行綜合賦權，從而進行分區評價，得到的結果更合理可信，為地源熱泵項目的設計與實施提供一定的參考。

1 陜西省水文地質概況

陜西省區域跨度大，不同地區在水文，氣象，地層巖性和地形地貌等方面都有很大差異。總體可分為五大部分，南部盆地區，中部平原區，秦巴山地區，北部高原區和北部風沙區。

南部盆地區年平均氣溫14.4℃，年降水量890mm，盆地中河床開闊且支流眾多，水流平緩，形成了多級階地，含水層厚度多在55～66m，單井涌水量為7～14m3/(h·m)。盆地南北邊緣部分山前坡積洪積平原基巖埋藏淺，含水層薄且含泥質較多，單井涌水量＜5m3/(h·m)。該地區地層主要以礫卵石層為主，夾雜粉土，粉質黏土和中粗砂礫石等。

中部平原區年平均氣溫13℃，平均年降水量500～700mm。含水巖組由沖積、沖洪積的砂、砂礫卵石夾亞黏土、亞砂土組成[3]，70～350m為承壓水，富水程度強。含水層厚度40～60m，富水性較好，單井出水量10～50m3/h。該地區組成地層主要為人工填土，黃土，粘性黃土及砂土。

秦巴山地區是由秦嶺和大巴山系組成的山地，海拔在1200～2000m。其含水巖組分第四系全新統早期沖積砂卵石含水巖組和基巖裂隙水含水巖組，以基巖裂隙水為主，該含水巖組地下水主要賦存于風化裂隙中，單井涌水量一般小于3m3/(h·m)，總體地下水資源貧乏。該地區組成地層主要為花崗巖，石灰巖和古老變質巖系（片巖、板巖、千枚巖等）等。

北部高原區年平均氣溫為8.5～9.5℃，平均年降水量450～600mm。由于處于大陸內部，東南季風影響較弱。地下水資源缺乏，其主要特點是水資源量少，分布不均勻，大部分是風化裂隙水[4]。含水巖組主要為侏羅系延安粗砂巖孔隙、裂隙潛水、承壓水等。地下水位埋深多在49.7～55.6m。地層巖性主要有黃土，泥巖，砂礫巖，長石砂巖和粉砂巖等。

北部風沙區主要分布在最北部長城以北地區，總的地勢趨勢是西高東低，海拔900～1400m，以活動沙丘，沙壟及片沙為主，沙丘沙地風蝕嚴重，土地沙化普遍。該地區氣候干旱，地下水不足。地層巖性多為砂巖，礫巖和泥巖等。

2 地源熱泵技術適用性評價體系的構建

圖1 地下水源熱泵系統技術適用性評價體系

圖2 土壤源熱泵系統技術適用性評價體系

2.1 地下水源熱泵評價要素指標選取

地下水源熱泵系統的評價要素指標主要包括地上場地條件，水文地質條件，地下水動力條件和地下水化學條件。

地形地貌主要對系統的場地施工有影響。大氣降水入滲補給是地下水補給的一種方式，因而也會影響地下水源熱泵的應用。室外年平均氣溫直接影響了冷熱負荷的均衡問題。含水層厚度主要反映地下水資源量的多少。單井涌水量反應了取水地區的富水程度，單井涌水量越大，表示含水層的富水性越好。地下水回灌是為了保持地下的水力平衡，同時避免地下水資源的浪費，需將抽出的水再回灌至地下，回灌能力越強，系統的適應性就越好。地下水位埋深主要涉及到系統設計時水泵的埋置深度。地下水位降幅主要涉及到由于持續抽取地下水而得不到有效補充而引起的地面沉降問題[5]。水源熱泵機組對水源溫度的要求冬季不宜小于10℃，夏季不宜大于30℃[6]。而水體的硬度，礦化度和PH值等對熱泵管井結垢和換熱器換熱效率有很大的影響。

2.2 土壤源熱泵評價要素指標選取

土壤源熱泵系統的評價要素指標主要包括地質，水文地質條件和熱物性參數條件。地質，水文地質條件包括地形地貌，巖性和地下水分布。熱物性參數條件包括巖土體溫度，導熱系數和比熱容。

地形地貌是較為直觀的一個評價指標，主要對施工鉆井技術有影響。地層巖性與土壤源系統打井施工有很大的關系。地下水分布對土壤的熱導率有影響，同時也會影響地埋管換熱器的散熱程度，地下水水位埋深淺，徑流較大的有利于換熱器的散熱。巖土體溫度決定了土壤源熱泵的經濟性。導熱系數作為巖土體熱物性參數之一，決定了地下溫度場分布，直接關系到地埋管換熱器的設計成敗。

兩種地源熱泵技術適用性評價體系從頂層至底層分別為系統目標層，屬性層和要素指標層，地下水源熱泵和土壤源熱泵系統的技術適用性評價體系分別如圖1和圖2。

3 權重的計算方法

層次分析法是一種定性與定量相結合的決策方法，它充分利用人的經驗和判斷，并予以量化，是一種簡單有效的決策方法。由于層次分析法主觀意識太強，而熵權法是采用信息熵作為一種系統無序程度的一個度量，是一種客觀賦權方法，可以避免賦權的主觀性。因此，地源熱泵技術適用性評價方法采用層次分析法和熵權法進行組合賦權。

3.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定性與定量相結合的多目標決策方法，它充分利用人的經驗和判斷，并予以量化，進而評價決策方案的優劣[7]。其主要步驟為：構造多級遞階結構模型，建立兩兩比較的判斷矩陣，計算相對重要度，進行一致檢驗，計算綜合重要度等。

3.2 熵權法

熵權法是一種依據各指標所包含的信息量的多少確定指標權重的客觀賦權法，某個指標的熵越小，表明該指標的變異程度越大，提供的信息量也就越多，則該指標的權重也越大[8]。熵權法計算步驟簡單，利用真實數據，具有嚴格的數學意義，相對于主觀賦權法其具有很好的客觀性。熵權法的具體計算步驟見文獻[9]。

由于地形地貌，回灌能力和地層巖性屬于定性指標，在進行熵權法計算時，通過選取評價集進行描述，將其轉換成定量指標。本文選取評價集{1,2,3,4}，其中1代表最好，4代表最差。如回灌能力評價指標，抽灌比為1:1時表示回灌能力最強，可選擇“1”，抽灌比為1:4時表示回灌能力最弱，選擇“4”。

3.3 組合權重的計算

為使組合權重w(j)盡可能接近層次分析法計算出的主觀權重w1(j)和熵權法計算出的客觀權重w2(j)，基于最小信息熵原理有：

用拉格朗日乘子法求解上述優化問題得：

式中：F為信息熵，j為第j個評價指標，地下水源熱泵n=11，土壤源熱泵n=6。

根據近年來陜西已建工程的各類科研報告數據和野外勘測報告數據，計算得兩種地源熱泵系統的組合權重結果分別見表1和表2。

表1 地下水源熱泵系統的組合權重計算結果

表2 土壤源源熱泵系統的組合權重計算結果

由表1可知，地下水源熱泵系統要素指標中占比重較大的是C4和C7，即含水層厚度和地下水位埋深。由表2可知，土壤源熱泵系統要素指標中占比重較大的是F5和F6，即巖土體的導熱系數和比熱容。

為了將定量的權重值再轉化成定性評價結果，采用專家評分法對各指標不同范圍區進行評分，分數越高，表示該區域地下水源熱泵或土壤源熱泵系統技術適用可行性更高。兩種地源熱泵系統的各要素指標評分值如表3和表4所示。

表3 土壤源熱泵系統評分體系

表4 地下水源熱泵系統評分體系

根據每個評價指標的權重，利用綜合指數法計算各區的綜合適應性指數值。最后根據陜西省地源熱泵技術適用性分區標準，得出地源熱泵可應用的地區。綜合指數法計算公式見式（4）[10]，綜合評分值所對應的適用性分區標準見表5。

式中：Rj表示第j個地區的綜合適應性指數值；αi表示第i個評價指標權重；βi,j為在第j個地區第i個指標的評分值。

表5 地源熱泵技術適用性分區標準

4 評價結果

收集陜西各地區地溫，氣象，水文，工程地質及水文地質等資料，對陜西的五個地質構造區進行綜合評分后，得到兩種地源熱泵技術適用性的初步分區情況如圖3和圖4。

圖3 陜西地下水源熱泵技術適用性初步分區

圖4 陜西土壤源熱泵技術適用性初步分區

對于地下水源熱泵技術，陜南盆地區中部包括漢中市和安康市的河流漫灘及一、二級階地區，屬于Ⅰ區即適用區，該地區水資源豐富。在關中平原貫穿于寶雞，咸陽，西安和渭南等市的河谷階地和沖洪積平原區，屬于Ⅱ區即較適用區，該地區透水性好，蘊藏著較為豐富的地下水。而秦巴山區和陜北地區均不適用，為Ⅲ區。

對于土壤源熱泵技術，關中平原包括寶雞，咸陽，西安和渭南市等屬于Ⅰ區即適用區，該地區地層多為粉質黏土和砂夾層，易于打井，巖石導熱能力強。陜南盆地包括漢中和安康市中部盆地，和黃土高原中下部地區屬于Ⅱ區即較適用區。而秦巴山區和陜北風沙區均不適用，為Ⅲ區。

5 結論

1）評價體系中評價要素指標權重的計算利用主觀權重和客觀權重相結合，得到的計算結果不僅反映了決策者的主觀決策程度，也兼顧了數據本身的信息客觀性，更為合理準確。

2）陜西省地下水源熱泵技術適用范圍較小，主要原因在于陜西地處我國西北內陸腹地，地下水資源相對較少，總體地勢起伏大，總特點是南北高，中間低，因此中部平原和陜南盆地部分河流漫灘及低階地區適用地下水源熱泵。土壤源熱泵由于其受限程度小，因此技術適用范圍較大，在陜北地區利用土壤源熱泵技術時，還應考慮冷熱負荷平衡問題。

3）地源熱泵系統在技術方面適用外，還應考慮設計，施工問題和運行管理問題。應嚴格把控施工質量，系統應用后對管理人員進行相關的技術培訓。

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