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        陜西省地源熱泵技術(shù)適用性分區(qū)評價

        2018-07-12 07:57:26張肖敏朱洪發(fā)孫婷婷劉煒王智偉
        關(guān)鍵詞:權(quán)法適用性源熱泵

        張肖敏朱洪發(fā)孫婷婷劉煒王智偉

        1西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

        2高速集團寶漢公司漢中建設(shè)管理處

        地源熱泵作為一種利用淺層地?zé)崮艿母咝Ч?jié)能采暖空調(diào)系統(tǒng),近年來在陜西已得到廣泛應(yīng)用[1-2],隨著各地應(yīng)用項目的增多,在不適用地區(qū)盲目建設(shè)地源熱泵系統(tǒng),往往引發(fā)抽水量不足、回灌困難、水質(zhì)未達(dá)標(biāo)等問題而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。陜西由于橫跨三個氣候帶,地質(zhì)構(gòu)造與氣象水文都有較大差異,而場地水文地質(zhì)條件是地源熱泵技術(shù)適用的基礎(chǔ),因此需對陜西地下水源熱泵和土壤源熱泵的技術(shù)應(yīng)用建立評價體系。本文運用層次分析法和熵權(quán)法對評價指標(biāo)權(quán)重進行綜合賦權(quán),從而進行分區(qū)評價,得到的結(jié)果更合理可信,為地源熱泵項目的設(shè)計與實施提供一定的參考。

        1 陜西省水文地質(zhì)概況

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

        南部盆地區(qū)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(zhì)較多,單井涌水量<5m3/(h·m)。該地區(qū)地層主要以礫卵石層為主,夾雜粉土,粉質(zhì)黏土和中粗砂礫石等。

        中部平原區(qū)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(qū)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(qū)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(tǒng)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(fēng)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(qū)組成地層主要為花崗巖,石灰?guī)r和古老變質(zhì)巖系(片巖、板巖、千枚巖等)等。

        北部高原區(qū)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(nèi)部,東南季風(fēng)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(fēng)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(fēng)沙區(qū)主要分布在最北部長城以北地區(qū),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(fēng)蝕嚴(yán)重,土地沙化普遍。該地區(qū)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(shù)適用性評價體系的構(gòu)建

        圖1 地下水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)適用性評價體系

        圖2 土壤源熱泵系統(tǒng)技術(shù)適用性評價體系

        2.1 地下水源熱泵評價要素指標(biāo)選取

        地下水源熱泵系統(tǒng)的評價要素指標(biāo)主要包括地上場地條件,水文地質(zhì)條件,地下水動力條件和地下水化學(xué)條件。

        地形地貌主要對系統(tǒng)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(yīng)用。室外年平均氣溫直接影響了冷熱負(fù)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(yīng)了取水地區(qū)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(tǒng)的適應(yīng)性就越好。地下水位埋深主要涉及到系統(tǒng)設(shè)計時水泵的埋置深度。地下水位降幅主要涉及到由于持續(xù)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(jié)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(biāo)選取

        土壤源熱泵系統(tǒng)的評價要素指標(biāo)主要包括地質(zhì),水文地質(zhì)條件和熱物性參數(shù)條件。地質(zhì),水文地質(zhì)條件包括地形地貌,巖性和地下水分布。熱物性參數(shù)條件包括巖土體溫度,導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。

        地形地貌是較為直觀的一個評價指標(biāo),主要對施工鉆井技術(shù)有影響。地層巖性與土壤源系統(tǒng)打井施工有很大的關(guān)系。地下水分布對土壤的熱導(dǎo)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(jīng)濟性。導(dǎo)熱系數(shù)作為巖土體熱物性參數(shù)之一,決定了地下溫度場分布,直接關(guān)系到地埋管換熱器的設(shè)計成敗。

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

        3 權(quán)重的計算方法

        層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的決策方法,它充分利用人的經(jīng)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(quán)法是采用信息熵作為一種系統(tǒng)無序程度的一個度量,是一種客觀賦權(quán)方法,可以避免賦權(quán)的主觀性。因此,地源熱泵技術(shù)適用性評價方法采用層次分析法和熵權(quán)法進行組合賦權(quán)。

        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(jié)合的多目標(biāo)決策方法,它充分利用人的經(jīng)驗和判斷,并予以量化,進而評價決策方案的優(yōu)劣[7]。其主要步驟為:構(gòu)造多級遞階結(jié)構(gòu)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(quán)法

        熵權(quán)法是一種依據(jù)各指標(biāo)所包含的信息量的多少確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法,某個指標(biāo)的熵越小,表明該指標(biāo)的變異程度越大,提供的信息量也就越多,則該指標(biāo)的權(quán)重也越大[8]。熵權(quán)法計算步驟簡單,利用真實數(shù)據(jù),具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)意義,相對于主觀賦權(quán)法其具有很好的客觀性。熵權(quán)法的具體計算步驟見文獻(xiàn)[9]。

        由于地形地貌,回灌能力和地層巖性屬于定性指標(biāo),在進行熵權(quán)法計算時,通過選取評價集進行描述,將其轉(zhuǎn)換成定量指標(biāo)。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(biāo),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(quán)重的計算

        為使組合權(quán)重w(j)盡可能接近層次分析法計算出的主觀權(quán)重w1(j)和熵權(quán)法計算出的客觀權(quán)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(yōu)化問題得:

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

        根據(jù)近年來陜西已建工程的各類科研報告數(shù)據(jù)和野外勘測報告數(shù)據(jù),計算得兩種地源熱泵系統(tǒng)的組合權(quán)重結(jié)果分別見表1和表2。

        表1 地下水源熱泵系統(tǒng)的組合權(quán)重計算結(jié)果

        表2 土壤源源熱泵系統(tǒng)的組合權(quán)重計算結(jié)果

        由表1可知,地下水源熱泵系統(tǒng)要素指標(biāo)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(tǒng)要素指標(biāo)中占比重較大的是F5和F6,即巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。

        為了將定量的權(quán)重值再轉(zhuǎn)化成定性評價結(jié)果,采用專家評分法對各指標(biāo)不同范圍區(qū)進行評分,分?jǐn)?shù)越高,表示該區(qū)域地下水源熱泵或土壤源熱泵系統(tǒng)技術(shù)適用可行性更高。兩種地源熱泵系統(tǒng)的各要素指標(biāo)評分值如表3和表4所示。

        表3 土壤源熱泵系統(tǒng)評分體系

        表4 地下水源熱泵系統(tǒng)評分體系

        根據(jù)每個評價指標(biāo)的權(quán)重,利用綜合指數(shù)法計算各區(qū)的綜合適應(yīng)性指數(shù)值。最后根據(jù)陜西省地源熱泵技術(shù)適用性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),得出地源熱泵可應(yīng)用的地區(qū)。綜合指數(shù)法計算公式見式(4)[10],綜合評分值所對應(yīng)的適用性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

        式中:Rj表示第j個地區(qū)的綜合適應(yīng)性指數(shù)值;αi表示第i個評價指標(biāo)權(quán)重;βi,j為在第j個地區(qū)第i個指標(biāo)的評分值。

        表5 地源熱泵技術(shù)適用性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

        4 評價結(jié)果

        收集陜西各地區(qū)地溫,氣象,水文,工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等資料,對陜西的五個地質(zhì)構(gòu)造區(qū)進行綜合評分后,得到兩種地源熱泵技術(shù)適用性的初步分區(qū)情況如圖3和圖4。

        圖3 陜西地下水源熱泵技術(shù)適用性初步分區(qū)

        圖4 陜西土壤源熱泵技術(shù)適用性初步分區(qū)

        對于地下水源熱泵技術(shù),陜南盆地區(qū)中部包括漢中市和安康市的河流漫灘及一、二級階地區(qū),屬于Ⅰ區(qū)即適用區(qū),該地區(qū)水資源豐富。在關(guān)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(qū),屬于Ⅱ區(qū)即較適用區(qū),該地區(qū)透水性好,蘊藏著較為豐富的地下水。而秦巴山區(qū)和陜北地區(qū)均不適用,為Ⅲ區(qū)。

        對于土壤源熱泵技術(shù),關(guān)中平原包括寶雞,咸陽,西安和渭南市等屬于Ⅰ區(qū)即適用區(qū),該地區(qū)地層多為粉質(zhì)黏土和砂夾層,易于打井,巖石導(dǎo)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(qū)屬于Ⅱ區(qū)即較適用區(qū)。而秦巴山區(qū)和陜北風(fēng)沙區(qū)均不適用,為Ⅲ區(qū)。

        5 結(jié)論

        1)評價體系中評價要素指標(biāo)權(quán)重的計算利用主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合,得到的計算結(jié)果不僅反映了決策者的主觀決策程度,也兼顧了數(shù)據(jù)本身的信息客觀性,更為合理準(zhǔn)確。

        2)陜西省地下水源熱泵技術(shù)適用范圍較小,主要原因在于陜西地處我國西北內(nèi)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(qū)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(shù)適用范圍較大,在陜北地區(qū)利用土壤源熱泵技術(shù)時,還應(yīng)考慮冷熱負(fù)荷平衡問題。

        3)地源熱泵系統(tǒng)在技術(shù)方面適用外,還應(yīng)考慮設(shè)計,施工問題和運行管理問題。應(yīng)嚴(yán)格把控施工質(zhì)量,系統(tǒng)應(yīng)用后對管理人員進行相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)。

        [1] 謝曉莉,李建平.地源熱泵在關(guān)中地區(qū)應(yīng)用剖析[J].建筑節(jié)能,2010,(4):62-64.

        [2] 黃偉鋼,蘇耕,曹艷.熱泵技術(shù)在陜西的推廣應(yīng)用研究[J].電力需求側(cè)管理,2013,(5):34-36.

        [3]謝娟,姜凌,李泉.地下水人工補給水質(zhì)的研究——以西安市回灌為例[J].西安工程學(xué)院學(xué)報,2002,24(4):67-72.

        [4] 力堅.陜西省地下水資源分析與評價[D].西安:西安理工大學(xué),2003.

        [5] 王衍斐.基于GIS的義烏市淺層地溫能評價模型研究[D].南京:南京師范大學(xué),2012.

        [6] GBJ19-87-2015采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國有色金屬工業(yè)總公司,2015.

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        [8] 羅毅,李昱龍.基于熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合決策[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(1):77-81.

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        [10] 馬聰,周維博,李娜.西安市主城區(qū)地下水源熱泵適宜性分區(qū)[J].南水北調(diào)與水利科技,2014,12(3):156-159.

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