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(fā)利用研究及應用技術(shù)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(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。這種熱泵系統(tǒng)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(yōu)勢，沿線地區(qū)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(tǒng)[2]進行建筑供暖制冷方面具有很多優(yōu)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(yè)綜合體中先后配套建設了一些江水源熱泵系統(tǒng)，取得了許多寶貴的建設和運行經(jīng)驗。江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程復雜、造價較高，對項目所在地區(qū)的自然資源、經(jīng)濟和社會環(huán)境等外在條件依賴性強[3]。對長江流域江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)適宜性評價研究，為今后江水源熱泵系統(tǒng)建設提供科學決策依據(jù)。本研究采用能將定性與定量相結(jié)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(quán)重，提高決策的科學性，對在長江流域建設江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)空調(diào)的可行性受江水資源、建設運行費用、社會與環(huán)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(tǒng)化、層次化的特點，能將定性與定量相結(jié)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(wěn)定、水質(zhì)較好，中下游沿江主要城市多數(shù)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(diào)系統(tǒng)資源側(cè)的有利因素。此外，當?shù)亟?jīng)濟比較發(fā)達，良好的經(jīng)濟狀況和社會環(huán)境也為項目建設提供支撐。

1.1.1 資源方面

根據(jù)《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(tǒng)就能具有良好的運行經(jīng)濟性。長江水體溫度常年處于5～38 ℃ 的范圍內(nèi)，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(jīng)濟方面

經(jīng)濟方面的影響因素主要是系統(tǒng)的初投資和運行費用。地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)的組成較傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)增加了取退水系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)，使其較常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)初投資增加較多[4]。系統(tǒng)運行費用包括所耗電費、水費、人工費、維護費、管理費等，與當?shù)氐乃畠r、電價、城市平均收入水平息息相關(guān)。江水源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)運行費用較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有明顯的降低[5]。

1.1.3 社會與環(huán)境方面

社會環(huán)境方面的影響主要有人均GDP、政府政策、社會輿論和地質(zhì)環(huán)境幾個方面。人均GDP反映該地區(qū)居民的富裕程度和生活水平，直接影響系統(tǒng)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?shù)卣畬礋岜庙椖康难a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(zhì)環(huán)境首先影響建設難度和費用，當存在地質(zhì)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(fā)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(tǒng)的維護費用。

1.2 評價體系的建立

AHP法將定性與定量相結(jié)合，通過選定影響因素、建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)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(quán)重。根據(jù)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(jīng)濟、社會環(huán)境三方面來評價江水源熱泵的適宜性，各準則層關(guān)系如圖1所示。

圖1 適宜性評價層次分析法模型結(jié)構(gòu)圖

2 評價對象各準則層權(quán)重

2.1 權(quán)重計算方法

2.1.1 構(gòu)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(jù)定性判斷得出。再利用和積法(正規(guī)化求和法)對判斷矩陣進行正規(guī)化，完成各評價單元開發(fā)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(jīng)正規(guī)化后每列元素之和為1。各列正規(guī)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(guī)化 ：

(3)

即可得權(quán)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)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(quán)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(jīng)濟方面(A2)和社會環(huán)境方面(A3)，表1是這3個因素的判斷矩陣。由此算得=3.6254，權(quán)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(jié)果通過。權(quán)重的排序為A1>A2>A3，即資源方面因素>經(jīng)濟方面因素>社會環(huán)境方面因素。

表1 長江流域江水源熱泵系統(tǒng)適宜性評價判斷矩陣

2) 江水資源

江水的主流穩(wěn)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(gòu)成的江水資源(B1)判斷矩陣如表2所示。由此算得λmax=2.2339，權(quán)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(jié)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(gòu)成的城市氣候(B2)判斷矩陣如表3所示。由此算得λmax=1.3607權(quán)重向量為=(0.5263，0.4737)T，CR<0.1，一致性檢驗結(jié)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(wǎng)投資(C10)、配電投資(C11)和設備初投資(C12)這5個因素構(gòu)成的初投資判斷矩陣見表4。由此算得λmax=3.1052，權(quán)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(jié)果通過。

表4 初投資判斷矩陣

5) 運行費

當?shù)仉妰r(C13)，當?shù)厮畠r(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(quán)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(jié)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(gòu)成的社會支撐(B5)判斷矩陣見表6。由此算得λmax=5.0306，權(quán)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(jié)果通過。

表5 運行費判斷矩陣

表6 社會支撐判斷矩陣

7) 環(huán)境支撐

地質(zhì)裂縫(C20)、地面塌陷(C21)和地下水降落漏斗(C22) ) 3個因素構(gòu)成的環(huán)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(quán)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(jié)果通過。

將表2～表6的指標權(quán)重匯總得表8。

表7 環(huán)境支撐判斷矩陣

2.3 指標總權(quán)重計算

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

表8 長江流域建設江水源熱泵指標權(quán)重匯總

表9 評價指標對適宜性評價的總權(quán)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(quán)重由大到小排序為：江水主流穩(wěn)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?shù)仉妰r(C13)>城市人口密度(C17)>城市人均GDP(C16)>輸配管網(wǎng)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?shù)厮畠r(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(zhì)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(jié)果討論分析

由長江流域建設江水源熱泵指標權(quán)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(quán)重排序為資源方面>經(jīng)濟方面>社會環(huán)境方面；在資源因素中，江水資源(B1)因素權(quán)重最大，其中江水主流穩(wěn)定水溫(C1)影響最大；在經(jīng)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(huán)境因素方面，社會支撐(B5)方面的權(quán)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(quán)重可知，在所有指標占目標層總權(quán)重中，最大的三項指標為C1>C3>C5，即江水主流穩(wěn)定水溫、江水含沙量和江水流量。江水主流穩(wěn)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(tài)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(tǒng)設計和運行優(yōu)化的關(guān)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(wěn)，對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)初投資大，在城市人均GDP(C16)低下、經(jīng)濟水平落后的地區(qū)投資回收期過長，民眾對于江水源熱泵系統(tǒng)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(zhì)、水流量及水位等相關(guān)江水資料調(diào)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(jīng)濟性、社會環(huán)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(jié)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(shù)據(jù)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(qū)較遠，水文以及區(qū)位條件不如位于長江干流沿線城。杭州盡管社會經(jīng)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?shù)厣鐣?jīng)濟情況以及項目經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

針對長江流域江水源熱泵空調(diào)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(huán)境等因素對江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建設的影響，對指標層共22項評價因素進行了權(quán)重分析，得到指標層對于目標層的權(quán)重結(jié)果，并根據(jù)建立的模型進行算例分析。得到如下結(jié)論：

1)對江水資源、經(jīng)濟、社會環(huán)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(diào)系統(tǒng)影響權(quán)重最大的指標是長江主流處穩(wěn)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(jīng)濟性、社會環(huán)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(diào)系統(tǒng)適宜性排在前面的4個城依次是重慶、上海、南京和武漢。