基于層次分析法的長江水源熱泵空調系統適宜性研究

王天任，李瑞霞，李驥飛，李 蕾

(1.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京 100083； 2.國家地熱能源開發利用研究及應用技術推廣中心，北京 100083)

江水源熱泵是通過吸收江、河等地表水體的低品位熱能資源，采用熱泵原理，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。這種熱泵系統從江水中取熱，不需要冷卻塔等散熱設備，可以有效地避免城市熱島效應，因此在法國、日本等國家均有實施[1]。我國長江具有徑流量大、含沙量小、沒有冰期等優勢，沿線地區冬夏冷熱負荷需求均衡，在利用長江水體為低位熱源的江水源熱泵系統[2]進行建筑供暖制冷方面具有很多優勢。近年來，在重慶、上海[2]、長沙、武漢、南京等地的大型濱江商業綜合體中先后配套建設了一些江水源熱泵系統，取得了許多寶貴的建設和運行經驗。江水源熱泵空調系統工程復雜、造價較高，對項目所在地區的自然資源、經濟和社會環境等外在條件依賴性強[3]。對長江流域江水源熱泵空調系統的適宜性進行評價，是項目前期決策階段的重要過程，因此有必要開展長江全流域的江水源熱泵空調適宜性評價研究，為今后江水源熱泵系統建設提供科學決策依據。本研究采用能將定性與定量相結合的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，可以合理地給出各決策指標的權重，提高決策的科學性，對在長江流域建設江水源熱泵空調系統具有一定的指導意義。

1 層次分析法的適宜性評價體系

江水源熱泵系統空調的可行性受江水資源、建設運行費用、社會與環境等方面的諸多因素影響，無法進行定量研究，而層次分析法(AHP)具有系統化、層次化的特點，能將定性與定量相結合，確定各種影響因素的主次，是研究分析這類問題比較好的方法。

1.1 長江流域建設江水源熱泵項目影響因素分析

長江的水流量大、水溫比較穩定、水質較好，中下游沿江主要城市多數擁有岸線平緩、工程開展難度較低，這些都是長江流域城市建設江水源熱泵空調系統資源側的有利因素。此外，當地經濟比較發達，良好的經濟狀況和社會環境也為項目建設提供支撐。

1.1.1 資源方面

根據《水(地)源熱泵機組》GB/T 19409，冬季水體溫度在12～22 ℃，夏季在18～30 ℃ 時，熱泵系統就能具有良好的運行經濟性。長江水體溫度常年處于5～38 ℃ 的范圍內，水量充沛，但江水中泥沙、漂浮物含量有點大，水位存在豐水期與枯水期。

1.1.2 經濟方面

經濟方面的影響因素主要是系統的初投資和運行費用。地表水源熱泵空調系統的工程初投資包括設備費、取水工程費、配電投資費、輔助材料費和安裝費等幾項費用。其中，江水源熱泵系統的組成較傳統的中央空調系統增加了取退水系統和水處理系統，使其較常規中央空調系統初投資增加較多[4]。系統運行費用包括所耗電費、水費、人工費、維護費、管理費等，與當地的水價、電價、城市平均收入水平息息相關。江水源熱泵系統盡管建設投資相對較高，但它沒有冷卻塔、鍋爐等設備，所需要的人工費、維護費及管理費等系統運行費用較常規空調系統有明顯的降低[5]。

1.1.3 社會與環境方面

社會環境方面的影響主要有人均GDP、政府政策、社會輿論和地質環境幾個方面。人均GDP反映該地區居民的富裕程度和生活水平，直接影響系統的利用率、投資回報率和人工費用；政府政策是否支持江水源熱泵的建設及當地政府對江水源熱泵項目的補貼力度都影響著建設江水源熱泵的初投資及投資回收期；社會輿論和群眾對江水源熱泵應用的接納程度，一定上會影響項目的順利進行及投資回收期；地質環境首先影響建設難度和費用，當存在地質裂縫、地面塌陷和地下水降落漏斗時，工程施工很容易引起周圍地面的坍塌事故發生，使周圍建筑物面臨著沉降破損甚至坍塌的危險，不利于工程的順利開展，還會增加系統的維護費用。

1.2 評價體系的建立

AHP法將定性與定量相結合，通過選定影響因素、建立層次結構模型、構造矩陣，幅值計算和一致性檢驗等步驟，合理地給出各決策方案、決策標準的權重。根據上述流程建立長江流域的江水源熱泵適宜性評價體系，將各評價因素細化指標設為目標層、準則層一(A)、準則層二(B)、準則層三(C)。從資源、經濟、社會環境三方面來評價江水源熱泵的適宜性，各準則層關系如圖1所示。

圖1 適宜性評價層次分析法模型結構圖

2 評價對象各準則層權重

2.1 權重計算方法

2.1.1 構造判斷矩陣

設該判斷矩陣為A，對應元素為。表示要素i與j的相對重要性，此值根據定性判斷得出。再利用和積法(正規化求和法)對判斷矩陣進行正規化，完成各評價單元開發潛力評價。其評價模型如下 ：

(1)

其中： aij、bij均為判斷矩陣中的元素；且經正規化后每列元素之和為1。各列正規化后的判斷矩陣按行相加，即：

(2)

再對向量U=(U1，U2，…，Un)進行正規化 ：

(3)

即可得權重向量。

2.1.2 一致性檢驗

進行判斷矩陣的分層整體一致性檢驗，設已知k-1層第j元素為準則的，j=1,2,3,…,k-1，則第k層以上判斷矩陣群的整體一致性檢驗可按下式計算 ：

(4)

(5)

(6)

若CR(k)<0.1，則認為層次結構模型在第k層以上的所有判斷矩陣滿足整體一致性。

若CR(k)>0.1，判斷矩陣A不具有滿意的一致性，需要重新構造判斷矩陣，直到滿足一致性評價為止。

其中，RI的取值由矩陣的階數決定，三階矩陣為0.52，四階矩陣為0.89，五階矩陣為1.12。

2.2 評價對象的權重計算

1) 江水源熱泵適宜性

準則層一的3個因素是資源方面(A1)、經濟方面(A2)和社會環境方面(A3)，表1是這3個因素的判斷矩陣。由此算得=3.6254，權重向量為=(0.5690，0.2997，0.1313)T，CI=0.009，CR=0.016<0.1，一致性檢驗結果通過。權重的排序為A1>A2>A3，即資源方面因素>經濟方面因素>社會環境方面因素。

表1 長江流域江水源熱泵系統適宜性評價判斷矩陣

2) 江水資源

江水的主流穩定水溫(C1)、局部匯合處水溫(C2)、江水含沙量(C3)、江水硬度(C4)和江水水量(C5)這5個因素構成的江水資源(B1)判斷矩陣如表2所示。由此算得λmax=2.2339，權重向量為=(0.2937，0.1413，0.2540，0.1413，0.1698)T，CI=0.039，CR=0.035<0.1，一致性檢驗結果通過。

3) 城市氣候(B2)

城市氣溫(C6)和 城市降水量(C7)這2個因素構成的城市氣候(B2)判斷矩陣如表3所示。由此算得λmax=1.3607權重向量為=(0.5263，0.4737)T，CR<0.1，一致性檢驗結果通過。

表2 江水資源判斷矩陣

表3 城市氣候判斷矩陣

4) 初投資

取退水初投資(C8)、能源站房土建初投資(C9)、輸配管網投資(C10)、配電投資(C11)和設備初投資(C12)這5個因素構成的初投資判斷矩陣見表4。由此算得λmax=3.1052，權重向量為=(0.3254，0.1889，0.2709，0.1151，0.0997)T，CI=0.0398，CR=0.0355<0.1，一致性檢驗結果通過。

表4 初投資判斷矩陣

5) 運行費

當地電價(C13)，當地水價(C14)，維護費用(C15)這3個因素的判斷矩陣如表5所示。由此算得λmax=3.8769，權重向量為=(0.5949，0.2766，0.1285)T，CI=0.003，CR= 0.005<0.1，一致性檢驗結果通過。

6) 社會支撐

城市人均GDP(C16)、城市人口密度(C17)、社會輿論(C18)和政府政策(C19)這4個因素構成的社會支撐(B5)判斷矩陣見表6。由此算得λmax=5.0306，權重向量為=(0.5540，0.1996，0.1454，0.1010)T，CI=0.04，CR=0.045<0.1，一致性檢驗結果通過。

表5 運行費判斷矩陣

表6 社會支撐判斷矩陣

7) 環境支撐

地質裂縫(C20)、地面塌陷(C21)和地下水降落漏斗(C22) ) 3個因素構成的環境支撐(B6)判斷矩陣見表7。計算得出λmax=2.8744，各指標對于B6的權重向量為=(0.4648，0.3982，0.1370)T，CI=0.012，CR=0.021<0.1，一致性檢驗結果通過。

將表2～表6的指標權重匯總得表8。

表7 環境支撐判斷矩陣

2.3 指標總權重計算

將表7中的各個指標和相應指標層與目標層的權重綜合計算，得到各指標關于目標層的總權重(表9)。

表8 長江流域建設江水源熱泵指標權重匯總

表9 評價指標對適宜性評價的總權重

0.0512，1.6403， 0.0312<0.1，因此，整體一致性檢驗通過。

由表9可見，在準則層三中，各項權重由大到小排序為：江水主流穩定水溫(C1)>江水含沙量(C3)>江水水流量(C5)>江水硬度(C4)>局部匯合處水溫(C2)>取退水初投資(C8)>當地電價(C13)>城市人口密度(C17)>城市人均GDP(C16)>輸配管網投資(C10)>城市降水量(C7)>城市氣溫(C6)>能源站房土建初投資(C9)>當地水價(C14)>配電投資(C11)>設備初投資(C12)>社會輿論(C18)>維護費用(人均收入)(C15)>地質裂縫(C20)>地面塌陷(C21)>政府政策(C19)>地下水降落漏斗(C22) 。

2.4 計算結果討論分析

由長江流域建設江水源熱泵指標權重匯總(表8)可知，在判斷江水源熱泵適宜性的三大準則層中，所占權重排序為資源方面>經濟方面>社會環境方面；在資源因素中，江水資源(B1)因素權重最大，其中江水主流穩定水溫(C1)影響最大；在經濟因素方面，初投資(B3)因素的占比最大，其中取退水初投資(C8)的影響因素較大；在社會環境因素方面，社會支撐(B5)方面的權重最大，其中城市人均GDP(C16)的影響最大。

由評價指標對適宜性評價的總權重可知，在所有指標占目標層總權重中，最大的三項指標為C1>C3>C5，即江水主流穩定水溫、江水含沙量和江水流量。江水主流穩定水溫(C1)不合適，會使江水源熱泵機組的進水溫度得不到要求，導致機組無法正常工作。如在冬季低溫條件下，機組可能會因低溫保護反復啟停，甚至無法正常運行；在某些情況下取退水溫差過大，容易引起熱污染和生態污染。江水含沙量(C3)高，容易引起江水源熱泵的換熱器損壞，所以利用長江水作為江水源熱泵水源的時候，需要重視解決長江水的含沙問題。江水水流量(C5)水流量和水位的變化是系統設計和運行優化的關鍵因素；長江夏季因降水較多導致水位和水流量變化很大，冬季水位和水流量變化平穩，對系統運行影響不明顯。江水源熱泵項目的取退水初投資(C8)差異較大，取退水設施的位置以及取退水方式影響著江水源熱泵系統的初投資，取水退水設施的位置設置的不合理，會導致機組的取水能耗大，效率低。江水源熱泵系統初投資大，在城市人均GDP(C16)低下、經濟水平落后的地區投資回收期過長，民眾對于江水源熱泵系統的認可度也會較低，也會影響江水源熱泵項目的收益。

3 算例分析

通過對長江流域沿江不同省市的水溫、水質、水流量及水位等相關江水資料調研，采用層次分析法建立的目標層和各準則層模型，從水資源、項目經濟性、社會環境等方面選取以下長江流域的12個主要城市進行江水源熱泵項目的適宜性排序，結果見表10。

表10 長江流域部分城市江水源熱泵適宜性排序

由表9的數據可見，適宜性排在前面的4個城市分別是：重慶、上海、南京和武漢，重慶的條件最好。成都位于長江支流的岷江流域，且距離區較遠，水文以及區位條件不如位于長江干流沿線城。杭州盡管社會經濟條件較好，但其所在錢塘江流域水量低于長江干流、夏季江水溫度偏高，影響了目標得分。其余10座城均分布于長江干流，在資源上可以得到良好的保證，對目標層的主要控制因素為當地社會經濟情況以及項目經濟性。

4 結論

針對長江流域江水源熱泵空調適宜性評價的要求，采用層次分析法，綜合考慮江水資源、城氣候、初投資、運行費以及社會環境等因素對江水源熱泵空調系統建設的影響，對指標層共22項評價因素進行了權重分析，得到指標層對于目標層的權重結果，并根據建立的模型進行算例分析。得到如下結論：

1)對江水資源、經濟、社會環境影響最大的因素分別是江水溫度、初投資和城人均GDP。

2)對長江流域建設江水源熱泵空調系統影響權重最大的指標是長江主流處穩定水溫，其次是江水含沙量和江水流量。

3)按照從水資源、項目經濟性、社會環境的原則，確定長江流域12個主要城中建設江水源熱泵空調系統適宜性排在前面的4個城依次是重慶、上海、南京和武漢。