王天任，李瑞霞，李骥飞，李 蕾

(1.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京 100083； 2.国家地热能源开发利用研究及应用技术推广中心，北京 100083)

江水源热泵是通过吸收江、河等地表水体的低品位热能资源，采用热泵原理，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。这种热泵系统从江水中取热，不需要冷却塔等散热设备，可以有效地避免城市热岛效应，因此在法国、日本等国家均有实施[1]。我国长江具有径流量大、含沙量小、没有冰期等优势，沿线地区冬夏冷热负荷需求均衡，在利用长江水体为低位热源的江水源热泵系统[2]进行建筑供暖制冷方面具有很多优势。近年来，在重庆、上海[2]、长沙、武汉、南京等地的大型滨江商业综合体中先后配套建设了一些江水源热泵系统，取得了许多宝贵的建设和运行经验。江水源热泵空调系统工程复杂、造价较高，对项目所在地区的自然资源、经济和社会环境等外在条件依赖性强[3]。对长江流域江水源热泵空调系统的适宜性进行评价，是项目前期决策阶段的重要过程，因此有必要开展长江全流域的江水源热泵空调适宜性评价研究，为今后江水源热泵系统建设提供科学决策依据。本研究采用能将定性与定量相结合的层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，可以合理地给出各决策指标的权重，提高决策的科学性，对在长江流域建设江水源热泵空调系统具有一定的指导意义。

1 层次分析法的适宜性评价体系

江水源热泵系统空调的可行性受江水资源、建设运行费用、社会与环境等方面的诸多因素影响，无法进行定量研究，而层次分析法(AHP)具有系统化、层次化的特点，能将定性与定量相结合，确定各种影响因素的主次，是研究分析这类问题比较好的方法。

1.1 长江流域建设江水源热泵项目影响因素分析

长江的水流量大、水温比较稳定、水质较好，中下游沿江主要城市多数拥有岸线平缓、工程开展难度较低，这些都是长江流域城市建设江水源热泵空调系统资源侧的有利因素。此外，当地经济比较发达，良好的经济状况和社会环境也为项目建设提供支撑。

1.1.1 资源方面

根据《水(地)源热泵机组》GB/T 19409，冬季水体温度在12～22 ℃，夏季在18～30 ℃ 时，热泵系统就能具有良好的运行经济性。长江水体温度常年处于5～38 ℃ 的范围内，水量充沛，但江水中泥沙、漂浮物含量有点大，水位存在丰水期与枯水期。

1.1.2 经济方面

经济方面的影响因素主要是系统的初投资和运行费用。地表水源热泵空调系统的工程初投资包括设备费、取水工程费、配电投资费、辅助材料费和安装费等几项费用。其中，江水源热泵系统的组成较传统的中央空调系统增加了取退水系统和水处理系统，使其较常规中央空调系统初投资增加较多[4]。系统运行费用包括所耗电费、水费、人工费、维护费、管理费等，与当地的水价、电价、城市平均收入水平息息相关。江水源热泵系统尽管建设投资相对较高，但它没有冷却塔、锅炉等设备，所需要的人工费、维护费及管理费等系统运行费用较常规空调系统有明显的降低[5]。

1.1.3 社会与环境方面

社会环境方面的影响主要有人均GDP、政府政策、社会舆论和地质环境几个方面。人均GDP反映该地区居民的富裕程度和生活水平，直接影响系统的利用率、投资回报率和人工费用；政府政策是否支持江水源热泵的建设及当地政府对江水源热泵项目的补贴力度都影响着建设江水源热泵的初投资及投资回收期；社会舆论和群众对江水源热泵应用的接纳程度，一定上会影响项目的顺利进行及投资回收期；地质环境首先影响建设难度和费用，当存在地质裂缝、地面塌陷和地下水降落漏斗时，工程施工很容易引起周围地面的坍塌事故发生，使周围建筑物面临着沉降破损甚至坍塌的危险，不利于工程的顺利开展，还会增加系统的维护费用。

1.2 评价体系的建立

AHP法将定性与定量相结合，通过选定影响因素、建立层次结构模型、构造矩阵，幅值计算和一致性检验等步骤，合理地给出各决策方案、决策标准的权重。根据上述流程建立长江流域的江水源热泵适宜性评价体系，将各评价因素细化指标设为目标层、准则层一(A)、准则层二(B)、准则层三(C)。从资源、经济、社会环境三方面来评价江水源热泵的适宜性，各准则层关系如图1所示。

图1 适宜性评价层次分析法模型结构图

2 评价对象各准则层权重

2.1 权重计算方法

2.1.1 构造判断矩阵

设该判断矩阵为A，对应元素为。表示要素i与j的相对重要性，此值根据定性判断得出。再利用和积法(正规化求和法)对判断矩阵进行正规化，完成各评价单元开发潜力评价。其评价模型如下 ：

(1)

其中： aij、bij均为判断矩阵中的元素；且经正规化后每列元素之和为1。各列正规化后的判断矩阵按行相加，即：

(2)

再对向量U=(U1，U2，…，Un)进行正规化 ：

(3)

即可得权重向量。

2.1.2 一致性检验

进行判断矩阵的分层整体一致性检验，设已知k-1层第j元素为准则的，j=1,2,3,…,k-1，则第k层以上判断矩阵群的整体一致性检验可按下式计算 ：

(4)

(5)

(6)

若CR(k)<0.1，则认为层次结构模型在第k层以上的所有判断矩阵满足整体一致性。

若CR(k)>0.1，判断矩阵A不具有满意的一致性，需要重新构造判断矩阵，直到满足一致性评价为止。

其中，RI的取值由矩阵的阶数决定，三阶矩阵为0.52，四阶矩阵为0.89，五阶矩阵为1.12。

2.2 评价对象的权重计算

1) 江水源热泵适宜性

准则层一的3个因素是资源方面(A1)、经济方面(A2)和社会环境方面(A3)，表1是这3个因素的判断矩阵。由此算得=3.6254，权重向量为=(0.5690，0.2997，0.1313)T，CI=0.009，CR=0.016<0.1，一致性检验结果通过。权重的排序为A1>A2>A3，即资源方面因素>经济方面因素>社会环境方面因素。

表1 长江流域江水源热泵系统适宜性评价判断矩阵

2) 江水资源

江水的主流稳定水温(C1)、局部汇合处水温(C2)、江水含沙量(C3)、江水硬度(C4)和江水水量(C5)这5个因素构成的江水资源(B1)判断矩阵如表2所示。由此算得λmax=2.2339，权重向量为=(0.2937，0.1413，0.2540，0.1413，0.1698)T，CI=0.039，CR=0.035<0.1，一致性检验结果通过。

3) 城市气候(B2)

城市气温(C6)和 城市降水量(C7)这2个因素构成的城市气候(B2)判断矩阵如表3所示。由此算得λmax=1.3607权重向量为=(0.5263，0.4737)T，CR<0.1，一致性检验结果通过。

表2 江水资源判断矩阵

表3 城市气候判断矩阵

4) 初投资

取退水初投资(C8)、能源站房土建初投资(C9)、输配管网投资(C10)、配电投资(C11)和设备初投资(C12)这5个因素构成的初投资判断矩阵见表4。由此算得λmax=3.1052，权重向量为=(0.3254，0.1889，0.2709，0.1151，0.0997)T，CI=0.0398，CR=0.0355<0.1，一致性检验结果通过。

表4 初投资判断矩阵

5) 运行费

当地电价(C13)，当地水价(C14)，维护费用(C15)这3个因素的判断矩阵如表5所示。由此算得λmax=3.8769，权重向量为=(0.5949，0.2766，0.1285)T，CI=0.003，CR= 0.005<0.1，一致性检验结果通过。

6) 社会支撑

城市人均GDP(C16)、城市人口密度(C17)、社会舆论(C18)和政府政策(C19)这4个因素构成的社会支撑(B5)判断矩阵见表6。由此算得λmax=5.0306，权重向量为=(0.5540，0.1996，0.1454，0.1010)T，CI=0.04，CR=0.045<0.1，一致性检验结果通过。

表5 运行费判断矩阵

表6 社会支撑判断矩阵

7) 环境支撑

地质裂缝(C20)、地面塌陷(C21)和地下水降落漏斗(C22) ) 3个因素构成的环境支撑(B6)判断矩阵见表7。计算得出λmax=2.8744，各指标对于B6的权重向量为=(0.4648，0.3982，0.1370)T，CI=0.012，CR=0.021<0.1，一致性检验结果通过。

将表2～表6的指标权重汇总得表8。

表7 环境支撑判断矩阵

2.3 指标总权重计算

将表7中的各个指标和相应指标层与目标层的权重综合计算，得到各指标关于目标层的总权重(表9)。

表8 长江流域建设江水源热泵指标权重汇总

表9 评价指标对适宜性评价的总权重

0.0512，1.6403， 0.0312<0.1，因此，整体一致性检验通过。

由表9可见，在准则层三中，各项权重由大到小排序为：江水主流稳定水温(C1)>江水含沙量(C3)>江水水流量(C5)>江水硬度(C4)>局部汇合处水温(C2)>取退水初投资(C8)>当地电价(C13)>城市人口密度(C17)>城市人均GDP(C16)>输配管网投资(C10)>城市降水量(C7)>城市气温(C6)>能源站房土建初投资(C9)>当地水价(C14)>配电投资(C11)>设备初投资(C12)>社会舆论(C18)>维护费用(人均收入)(C15)>地质裂缝(C20)>地面塌陷(C21)>政府政策(C19)>地下水降落漏斗(C22) 。

2.4 计算结果讨论分析

由长江流域建设江水源热泵指标权重汇总(表8)可知，在判断江水源热泵适宜性的三大准则层中，所占权重排序为资源方面>经济方面>社会环境方面；在资源因素中，江水资源(B1)因素权重最大，其中江水主流稳定水温(C1)影响最大；在经济因素方面，初投资(B3)因素的占比最大，其中取退水初投资(C8)的影响因素较大；在社会环境因素方面，社会支撑(B5)方面的权重最大，其中城市人均GDP(C16)的影响最大。

由评价指标对适宜性评价的总权重可知，在所有指标占目标层总权重中，最大的三项指标为C1>C3>C5，即江水主流稳定水温、江水含沙量和江水流量。江水主流稳定水温(C1)不合适，会使江水源热泵机组的进水温度得不到要求，导致机组无法正常工作。如在冬季低温条件下，机组可能会因低温保护反复启停，甚至无法正常运行；在某些情况下取退水温差过大，容易引起热污染和生态污染。江水含沙量(C3)高，容易引起江水源热泵的换热器损坏，所以利用长江水作为江水源热泵水源的时候，需要重视解决长江水的含沙问题。江水水流量(C5)水流量和水位的变化是系统设计和运行优化的关键因素；长江夏季因降水较多导致水位和水流量变化很大，冬季水位和水流量变化平稳，对系统运行影响不明显。江水源热泵项目的取退水初投资(C8)差异较大，取退水设施的位置以及取退水方式影响着江水源热泵系统的初投资，取水退水设施的位置设置的不合理，会导致机组的取水能耗大，效率低。江水源热泵系统初投资大，在城市人均GDP(C16)低下、经济水平落后的地区投资回收期过长，民众对于江水源热泵系统的认可度也会较低，也会影响江水源热泵项目的收益。

3 算例分析

通过对长江流域沿江不同省市的水温、水质、水流量及水位等相关江水资料调研，采用层次分析法建立的目标层和各准则层模型，从水资源、项目经济性、社会环境等方面选取以下长江流域的12个主要城市进行江水源热泵项目的适宜性排序，结果见表10。

表10 长江流域部分城市江水源热泵适宜性排序

由表9的数据可见，适宜性排在前面的4个城市分别是：重庆、上海、南京和武汉，重庆的条件最好。成都位于长江支流的岷江流域，且距离区较远，水文以及区位条件不如位于长江干流沿线城。杭州尽管社会经济条件较好，但其所在钱塘江流域水量低于长江干流、夏季江水温度偏高，影响了目标得分。其余10座城均分布于长江干流，在资源上可以得到良好的保证，对目标层的主要控制因素为当地社会经济情况以及项目经济性。

4 结论

针对长江流域江水源热泵空调适宜性评价的要求，采用层次分析法，综合考虑江水资源、城气候、初投资、运行费以及社会环境等因素对江水源热泵空调系统建设的影响，对指标层共22项评价因素进行了权重分析，得到指标层对于目标层的权重结果，并根据建立的模型进行算例分析。得到如下结论：

1)对江水资源、经济、社会环境影响最大的因素分别是江水温度、初投资和城人均GDP。

2)对长江流域建设江水源热泵空调系统影响权重最大的指标是长江主流处稳定水温，其次是江水含沙量和江水流量。

3)按照从水资源、项目经济性、社会环境的原则，确定长江流域12个主要城中建设江水源热泵空调系统适宜性排在前面的4个城依次是重庆、上海、南京和武汉。