基于层次分析法的长江水源热泵空调系统适宜性研究_王天任.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.25基于层次分析法的长江水源热泵空调系统适宜性研究王天任1，2，李瑞霞1，2，李骥飞1，2，李蕾1，2(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)摘要:基于层次分析法(AHP)，对长江流域江水源热泵空调系统的主要影响因素进行了分析，并根据分级打分给出适宜性评价标准，计算出项目适宜性综合评价权重指数，为长江流域建设江水源热泵空调系统的适宜性提供了一种分析方法和决策依据。结果表明，自然资源、经济、社会环境三方面所占权重依次降低;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、初投资和城市人均 GDP;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。用该体系对长江流域 12 座城市的江水源热泵系统适宜性进行评价，确定适宜性最高的 4 个城市依次为重庆、上海、南京和武汉。关键词:长江流域;江水源热泵;层次分析法;适宜性评价中图分类号:X382文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0090 05Suitability of Yangtze iver Water Source Heat Pump Air ConditionSystem Based on Analytic Hierarchy ProcessWang Tianren1，2，Li uixia1，2，Li Jifei1，2，Li Lei1，2(1 enewable Energy D Center，Sinopec Star Petroleum Co，Ltd，Beijing 100083，China;2 China National esearch and Technology Center of Geothermal Energy，Beijing 100083，China)Abstract:Based on the analytic hierarchy process(AHP)，the main influencing factors of the water source heat pump air conditioning systemin the Yangtze iver Basin are analyzed and judged，the weight index of the comprehensive evaluation of the suitability of the water source heatpump in the Yangtze iver Basin was calculated，and the suitability evaluation standard according to the grading score was given The resultsshowed that natural resources，economy and social environment are the three most important indexes affecting the weight of suitability evalua-tion The most influential index is the stable water temperature in the mainstream of the Yangtze iver，followed by the sediment concentrationand water flow This work establishes a scientific evaluation system by analyzing the specific evaluation indexes，which provides the analysismethod and decision making basis for the suitability of the construction of water source heat pump in the Yangtze iver Basin，and has certainsignificance guiding for the construction of water source heat pump air conditioning system in the Yangtze iver Basin The suitability of riverwater source heat pump air conditioning system for 12 cities in the Yangtze iver Basin were evaluated with the evaluation system and the top 4cities on the list are Chongqing，Shanghai，Nanjing and WuhanKey words:Yangtze river basin;river water source heat pump;analytic hierarchy process;suitability evaluation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092023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1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:bij=aijnk=1aki(i，j=1，2，3，n)(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:Ui=nj=1bij(i，j=1，2，3，n)(2)再对向量 U=(U1，U2，Un)进行正规化:i=Uini=1Uj(i，j=1，2，3，n)(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:CI(k)=(CI(k)1，CI(k)2，CI(k)3，CI(k)nk 1)*k 1(4)I(k)=(I(k)1，I(k)2，I(k)3，I(k)nk 1)*k 1(5)C(k)=CI(k)I(k)(6)若 C(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 C(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。192023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1其中，I 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，C=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江水源热泵适宜性A1A2A3AA11 00 60 20 56900 7751A21 667