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(guó)家地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心，北京 100083)

江水源熱泵是通過(guò)吸收江、河等地表水體的低品位熱能資源，采用熱泵原理，實(shí)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(shè)備，可以有效地避免城市熱島效應(yīng)，因此在法國(guó)、日本等國(guó)家均有實(shí)施[1]。我國(guó)長(zhǎng)江具有徑流量大、含沙量小、沒(méi)有冰期等優(yōu)勢(shì)，沿線地區(qū)冬夏冷熱負(fù)荷需求均衡，在利用長(zhǎng)江水體為低位熱源的江水源熱泵系統(tǒng)[2]進(jìn)行建筑供暖制冷方面具有很多優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，在重慶、上海[2]、長(zhǎng)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(shè)了一些江水源熱泵系統(tǒng)，取得了許多寶貴的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程復(fù)雜、造價(jià)較高，對(duì)項(xiàng)目所在地區(qū)的自然資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境等外在條件依賴性強(qiáng)[3]。對(duì)長(zhǎng)江流域江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是項(xiàng)目前期決策階段的重要過(guò)程，因此有必要開(kāi)展長(zhǎng)江全流域的江水源熱泵空調(diào)適宜性評(píng)價(jià)研究，為今后江水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)提供科學(xué)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(biāo)的權(quán)重，提高決策的科學(xué)性，對(duì)在長(zhǎng)江流域建設(shè)江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 層次分析法的適宜性評(píng)價(jià)體系

江水源熱泵系統(tǒng)空調(diào)的可行性受江水資源、建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用、社會(huì)與環(huán)境等方面的諸多因素影響，無(wú)法進(jìn)行定量研究，而層次分析法(AHP)具有系統(tǒng)化、層次化的特點(diǎn)，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(wèn)題比較好的方法。

1.1 長(zhǎng)江流域建設(shè)江水源熱泵項(xiàng)目影響因素分析

長(zhǎng)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(kāi)展難度較低，這些都是長(zhǎng)江流域城市建設(shè)江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)資源側(cè)的有利因素。此外，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，良好的經(jīng)濟(jì)狀況和社會(huì)環(huán)境也為項(xiàng)目建設(shè)提供支撐。

1.1.1 資源方面

根據(jù)《水(地)源熱泵機(jī)組》GB/T 19409，冬季水體溫度在12～22 ℃，夏季在18～30 ℃ 時(shí)，熱泵系統(tǒng)就能具有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。長(zhǎng)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(diǎn)大，水位存在豐水期與枯水期。

1.1.2 經(jīng)濟(jì)方面

經(jīng)濟(jì)方面的影響因素主要是系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用。地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程初投資包括設(shè)備費(fèi)、取水工程費(fèi)、配電投資費(fèi)、輔助材料費(fèi)和安裝費(fèi)等幾項(xiàng)費(fèi)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(yùn)行費(fèi)用包括所耗電費(fèi)、水費(fèi)、人工費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)等，與當(dāng)?shù)氐乃畠r(jià)、電價(jià)、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(shè)投資相對(duì)較高，但它沒(méi)有冷卻塔、鍋爐等設(shè)備，所需要的人工費(fèi)、維護(hù)費(fèi)及管理費(fèi)等系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有明顯的降低[5]。

1.1.3 社會(huì)與環(huán)境方面

社會(huì)環(huán)境方面的影響主要有人均GDP、政府政策、社會(huì)輿論和地質(zhì)環(huán)境幾個(gè)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(bào)率和人工費(fèi)用；政府政策是否支持江水源熱泵的建設(shè)及當(dāng)?shù)卣畬?duì)江水源熱泵項(xiàng)目的補(bǔ)貼力度都影響著建設(shè)江水源熱泵的初投資及投資回收期；社會(huì)輿論和群眾對(duì)江水源熱泵應(yīng)用的接納程度，一定上會(huì)影響項(xiàng)目的順利進(jìn)行及投資回收期；地質(zhì)環(huán)境首先影響建設(shè)難度和費(fèi)用，當(dāng)存在地質(zhì)裂縫、地面塌陷和地下水降落漏斗時(shí)，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(xiǎn)，不利于工程的順利開(kāi)展，還會(huì)增加系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。

1.2 評(píng)價(jià)體系的建立

AHP法將定性與定量相結(jié)合，通過(guò)選定影響因素、建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造矩陣，幅值計(jì)算和一致性檢驗(yàn)等步驟，合理地給出各決策方案、決策標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重。根據(jù)上述流程建立長(zhǎng)江流域的江水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系，將各評(píng)價(jià)因素細(xì)化指標(biāo)設(shè)為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層一(A)、準(zhǔn)則層二(B)、準(zhǔn)則層三(C)。從資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)環(huán)境三方面來(lái)評(píng)價(jià)江水源熱泵的適宜性，各準(zhǔn)則層關(guān)系如圖1所示。

圖1 適宜性評(píng)價(jià)層次分析法模型結(jié)構(gòu)圖

2 評(píng)價(jià)對(duì)象各準(zhǔn)則層權(quán)重

2.1 權(quán)重計(jì)算方法

2.1.1 構(gòu)造判斷矩陣

設(shè)該判斷矩陣為A，對(duì)應(yīng)元素為。表示要素i與j的相對(duì)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(duì)判斷矩陣進(jìn)行正規(guī)化，完成各評(píng)價(jià)單元開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)。其評(píng)價(jià)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(duì)向量U=(U1，U2，…，Un)進(jìn)行正規(guī)化 ：

(3)

即可得權(quán)重向量。

2.1.2 一致性檢驗(yàn)

進(jìn)行判斷矩陣的分層整體一致性檢驗(yàn)，設(shè)已知k-1層第j元素為準(zhǔn)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(yàn)可按下式計(jì)算 ：

(4)

(5)

(6)

若CR(k)<0.1，則認(rèn)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重計(jì)算

1) 江水源熱泵適宜性

準(zhǔn)則層一的3個(gè)因素是資源方面(A1)、經(jīng)濟(jì)方面(A2)和社會(huì)環(huán)境方面(A3)，表1是這3個(gè)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。權(quán)重的排序?yàn)锳1>A2>A3，即資源方面因素>經(jīng)濟(jì)方面因素>社會(huì)環(huán)境方面因素。

表1 長(zhǎng)江流域江水源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)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(gè)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

3) 城市氣候(B2)

城市氣溫(C6)和 城市降水量(C7)這2個(gè)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

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(shè)備初投資(C12)這5個(gè)因素構(gòu)成的初投資判斷矩陣見(jiàn)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

表4 初投資判斷矩陣

5) 運(yùn)行費(fèi)

當(dāng)?shù)仉妰r(jià)(C13)，當(dāng)?shù)厮畠r(jià)(C14)，維護(hù)費(fèi)用(C15)這3個(gè)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

6) 社會(huì)支撐

城市人均GDP(C16)、城市人口密度(C17)、社會(huì)輿論(C18)和政府政策(C19)這4個(gè)因素構(gòu)成的社會(huì)支撐(B5)判斷矩陣見(jiàn)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

表5 運(yùn)行費(fèi)判斷矩陣

表6 社會(huì)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(gè)因素構(gòu)成的環(huán)境支撐(B6)判斷矩陣見(jiàn)表7。計(jì)算得出λmax=2.8744，各指標(biāo)對(duì)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(yàn)結(jié)果通過(guò)。

將表2～表6的指標(biāo)權(quán)重匯總得表8。

表7 環(huán)境支撐判斷矩陣

2.3 指標(biāo)總權(quán)重計(jì)算

將表7中的各個(gè)指標(biāo)和相應(yīng)指標(biāo)層與目標(biāo)層的權(quán)重綜合計(jì)算，得到各指標(biāo)關(guān)于目標(biāo)層的總權(quán)重(表9)。

表8 長(zhǎng)江流域建設(shè)江水源熱泵指標(biāo)權(quán)重匯總

表9 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)適宜性評(píng)價(jià)的總權(quán)重

0.0512，1.6403， 0.0312<0.1，因此，整體一致性檢驗(yàn)通過(guò)。

由表9可見(jiàn)，在準(zhǔn)則層三中，各項(xiàng)權(quán)重由大到小排序?yàn)椋航髁鞣€(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(dāng)?shù)仉妰r(jià)(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(dāng)?shù)厮畠r(jià)(C14)>配電投資(C11)>設(shè)備初投資(C12)>社會(huì)輿論(C18)>維護(hù)費(fèi)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(jì)算結(jié)果討論分析

由長(zhǎng)江流域建設(shè)江水源熱泵指標(biāo)權(quán)重匯總(表8)可知，在判斷江水源熱泵適宜性的三大準(zhǔn)則層中，所占權(quán)重排序?yàn)橘Y源方面>經(jīng)濟(jì)方面>社會(huì)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(jì)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(huì)環(huán)境因素方面，社會(huì)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(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)適宜性評(píng)價(jià)的總權(quán)重可知，在所有指標(biāo)占目標(biāo)層總權(quán)重中，最大的三項(xiàng)指標(biāo)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(huì)使江水源熱泵機(jī)組的進(jìn)水溫度得不到要求，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常工作。如在冬季低溫條件下，機(jī)組可能會(huì)因低溫保護(hù)反復(fù)啟停，甚至無(wú)法正常運(yùn)行；在某些情況下取退水溫差過(guò)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(zhǎng)江水作為江水源熱泵水源的時(shí)候，需要重視解決長(zhǎng)江水的含沙問(wèn)題。江水水流量(C5)水流量和水位的變化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化的關(guān)鍵因素；長(zhǎng)江夏季因降水較多導(dǎo)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響不明顯。江水源熱泵項(xiàng)目的取退水初投資(C8)差異較大，取退水設(shè)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(shè)施的位置設(shè)置的不合理，會(huì)導(dǎo)致機(jī)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(jì)水平落后的地區(qū)投資回收期過(guò)長(zhǎng)，民眾對(duì)于江水源熱泵系統(tǒng)的認(rèn)可度也會(huì)較低，也會(huì)影響江水源熱泵項(xiàng)目的收益。

3 算例分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)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(biāo)層和各準(zhǔn)則層模型，從水資源、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)環(huán)境等方面選取以下長(zhǎng)江流域的12個(gè)主要城市進(jìn)行江水源熱泵項(xiàng)目的適宜性排序，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 長(zhǎng)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(jiàn)，適宜性排在前面的4個(gè)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(zhǎng)江支流的岷江流域，且距離區(qū)較遠(yuǎn)，水文以及區(qū)位條件不如位于長(zhǎng)江干流沿線城。杭州盡管社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件較好，但其所在錢塘江流域水量低于長(zhǎng)江干流、夏季江水溫度偏高，影響了目標(biāo)得分。其余10座城均分布于長(zhǎng)江干流，在資源上可以得到良好的保證，對(duì)目標(biāo)層的主要控制因素為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)情況以及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)江流域江水源熱泵空調(diào)適宜性評(píng)價(jià)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(yùn)行費(fèi)以及社會(huì)環(huán)境等因素對(duì)江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)的影響，對(duì)指標(biāo)層共22項(xiàng)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行了權(quán)重分析，得到指標(biāo)層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重結(jié)果，并根據(jù)建立的模型進(jìn)行算例分析。得到如下結(jié)論：

1)對(duì)江水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(duì)長(zhǎng)江流域建設(shè)江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)影響權(quán)重最大的指標(biāo)是長(zhǎng)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(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)環(huán)境的原則，確定長(zhǎng)江流域12個(gè)主要城中建設(shè)江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)適宜性排在前面的4個(gè)城依次是重慶、上海、南京和武漢。