辽宁省地源热泵建筑应用技术区域适宜性

1 引言

随着经济的发展和人民生活条件的改善，建筑能耗快速增长。研究数据显示，2016 年，中国建筑能源消费总量为 8.99 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20.6% [1]。而辽宁省建筑能耗从 2006 年的 2900 万吨标煤增长到 2015 年的约 5500 万吨标煤，10 年增长了近一倍，见图 1。

图 1 辽宁省建筑能耗增长趋势（万 tce）

为降低建筑能耗，应对雾霾天气，改善空气质量，辽宁省政府 2012 年出台了《辽宁省人民政府关于蓝天工程的实施意见》（辽政发〔2012〕36 号），提出：“积极推广清洁能源。鼓励应用地源热泵、污水源热泵、海水源热泵技术及太阳能等清洁能源。”截至 2016年，辽宁省共完成地源热泵技术建筑应用面积 10557万 m²，其中沈阳市完成 7498.19 万 m²，占全省总量的71.03%，不同的地源热泵技术类型建筑面积占比见图 2。

图 2 辽宁省各类型热泵系统应用比例

测评数据显示，每万平米应用地源热泵技术的建筑，每年可节约标煤 54.57 吨，以此数据估算，若所有地源热泵应用项目均正常运行，则辽宁省每年可节约标煤57.6 万吨。但一些项目由于前期论证不充分、施工质量较差、缺少区域适宜性分析等原因，导致系统运行过程中出现能耗过高、运行不稳定、甚至无法运行等问题，在一定程度上影响了地源热泵技术的快速推广。

为促进地源热泵技术在辽宁地区的健康发展，根据辽宁省各类型热泵系统的应用情况，本项目研究人员重点研究分析了辽宁地区地下水、污水及浅层地温资源情况，并利用层次分析法初步建立了地源热泵系统应用区域适宜性评价体系，旨在通过该评价体系为辽宁地区地源热泵技术的推广以及辽宁地区各城市、镇编制绿色建筑规划提供科学依据。

2 辽宁地区地下水、污水及浅层地温资源概况

2.1 地下水资源概况

辽宁省总体的地貌格局为辽东山地丘陵、辽北康法丘陵及辽西低山丘陵三面环绕下的辽河平原。地势自北向南、自东西两侧向中部倾斜，山地丘陵大致分列于东西两侧，中部为广阔的辽河平原，见图 3。

图 3 辽宁省地形地貌

辽东、辽西低山丘陵区及辽北康法丘陵区的成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙构成了裂隙水的赋存空间；辽河平原区为区域面积最大、分布最广的孔隙水含水岩组。全省多年平均地下水资源量为 124.68 亿立方米，各市地下水资源可开采量占全省比例见图 4。

图 4 辽宁各市地下水可开采量比例

2.2 污水排放量概况

统 计 年 鉴 显 示，2016 年， 辽 宁 全 省 废 水 排 放 量228077.58 万吨，其中工业废水排放总量 57639.21 万吨，生活污水排放量 170438.37 万吨，各市废水排放量见图 5。

图 5 各市污废水排放量

辽宁省工业废水排放企业主要为化学原料及化学制品制造、医药制造、煤气生产和供应、有色金属冶炼及压延加工、电力、蒸汽、热水生产供应、电子及通讯设备制造、煤炭开采、食品加工业、造纸及纸制品业、石油加工及炼焦业、有色金属冶炼及压延加工业等行业。作为东北老工业基地，辽宁各地分布着大量的钢铁厂、热电厂、石油炼焦厂、煤炭开采等。这些工业每年产生大量的中高温余热和低温余热，其中的低温余热如热电厂冷却水（30℃左右）、煤矿开采的坑道水（18 ～ 22℃）是污水源热泵的优良热源。而占废水排放量 75% 的生活污水，冬季温度 10 ～ 13℃，夏季 17 ～ 22℃，不仅是冬季供暖的优质低温热源，还可以用作夏季制冷的优质冷源。

2.3 浅层地温资源概况

辽宁省内浅层地质主要由亚粘土、粘土、细砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、卵石、泥岩、砂岩、砂砾岩、页岩、板岩、花岗岩等组成，成分比较复杂。各种成分的热物理性质差异较大。不同岩性的主要热物性参数范围见表 1。

表 1 工作区不同岩性热物性参数范围表

3 区域适宜性评价原则

开发利用方式适宜性区划的原则是以地质条件为基础，水文地质条件为依托，热泵应用技术做媒介，经济效益与环境保护并重，平面划分与垂向控制结合。

3.1 地质条件为基础原则

浅层地温能赋存的基础条件是地质条件，岩土体的结构、物质组成、颗粒度和热导率等物理性质因素制约着形成浅层地温能的物质基础。因此，开发利用适宜性区划必须坚持以地质条件为基础的原则。

3.2 水文地质条件为依托原则

岩土体含水率、含水层分布、水动力条件、地下水径流特点给能量的流动创造了有利的条件，地表水、地下水对浅层地温能开发利用的控制作用不容忽视，开发利用适宜性区划必须紧紧依托水文地质条件。

3.3 热泵应用技术是媒介原则

热泵技术可实现资源的有效开发利用，目前浅层地温能开发利用主要由地下水式地源热泵、地表水式地源热泵和地埋管式地源热泵三种形式实现。

3.4 经济效益与环境效益并重原则

在当前的技术经济条件下，坚持开发利用与环境保护并重，选择经济效益和环境效益都比较好的开发利用方式。

3.5 平面划分与垂向控制结合原则

主要是指平面上要划出适宜性区域，垂向上要控制取热层位。

4 区域适宜性评价体系

4.1 地下水地源热泵系统适宜性评价体系

4.1.1 地下水地源热泵系统适宜性评价指标

综合考虑地下水源热泵系统的实施条件，本项目研究人员选取 5 个指标作为地下水地源热泵系统应用适宜性评价指标。

4.1.2 地质、水文地质条件评价指标

地下水水温和富水程度等地质、水文地质条件决定着浅层地温能资源的赋存环境，含水层回灌能力决定着场地是否能使用地下水地源热泵、不同抽回灌井比例、施工工艺和成井结构。该项指标重点选取地下水水温、地下水富水程度、含水层回灌能力等三个因素。

4.1.3 地下水动力场条件评价指标

通过地下水动力场的研究，分析目前情况下地下水位埋深、地层渗透系数等因素，确定地下水地源热泵工程的适宜性。

4.1.4 水化学场条件评价指标

根据地下水水质分布状况，针对城市地下水源地分布区及地下水资源的保护区划，结合不同层位地下水水质资料，提出地下水式地源热泵工程适宜区域，确定防止地下水含水层污染的适宜开采回灌层位。主要选取地下水水质、地下水硬度等两个因素。

4.1.5 场地施工条件评价指标

通过地形地貌和水源保护区的研究，确定地下水地源热泵工程的适宜性。

4.1.6 社会经济条件

经济发展程度和人口密度是约束地下水源热系统建设的两个较重要的条件。通过分析当地人口密度和人均GDP，来确定地下水地源热泵工程的适宜性。地下水地源热泵系统区域适宜性评价体系由三层构成，从顶层至底层分别由系统目标层、属性层和要素指标层 3 级层次结构组成，见图 6。

图 6 地下水地源热泵系统层次分析法模型结构图

4.2 地下水地源热泵系统适宜性评价指标权重的确定

按照层次分析法，在评价体系层次隶属关系的基础上，通过调查统计和数据研究分析，采用 1 ～ 9 标度法，分别比较属性层和要素层中各因素的相对重要性，构造比较矩阵。通过计算，检验比较矩阵的一致性，必要时对比较矩阵进行修改，以达到可以接受的一致性。最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重。

根据地质水文地质条件、地下水动力条件、地下水化学场条件、场地施工条件以及社会经济条件等在辽宁地区地下水源热泵系统适宜性评价中所占的相对比重，结合专家建议，经综合考虑，重要性排序为：地质、水文地质条件＞地下水动力条件＞地下水化学场条件＞场地施工条件＞社会经济条件。前面所建立的评价指标体系分为 A、B、C 三层，通过对同一层次的各因子关于上一层次某一准则的重要性进行相互比较，然后给出相应的分值，从而计算出相对重要性。

方案层 C 对目标层 A 的权重见表 2 和图 7。

表 2 方案层 C 对目标层 A 的总排序及权重

图 7 方案层 C 对目标层 A 的权重条状图

4.3 污水源热泵系统适宜性评价体系

4.3.1 污水源热泵系统适宜性评价指标

本项目研究人员选取污水参数、污水处理成本、社会经济条件等 3 项评价指标来评价污水源热泵系统的适宜性，其中污水参数主要考虑污水温度、污水水质、污水量等因素；污水处理成本主要考虑换热成本和污水源热泵站位置；社会经济条件选取人口密度和人均GDP。模型结构见图 8。

图 8 污水源热泵层次分析法模型结构图

4.3.2 污水源热泵系统适宜性评价指标权重的确定

按照层次分析法，最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重。见表 3、图 9。

表 3 方案层 C 对目标层 A 的总排序及权重

图 9 方案层 C 对目标层 A 的权重条状图

4.4 土壤源热泵系统适宜性评价体系

4.4.1 土壤源热泵系统适宜性评价指标

本项目研究人员综合考虑了地质和水文地质条件、地层热物理性质参数及社会经济条件等 3 项指标，其中地质和水文地质条件包括第四系厚度、地下水位埋深等4 项因素；地层热物理性质参数包括综合热传导系数、平均比热容、地温梯度等因素；社会经济条件仍选取人口密度和人均 GDP 两项因素。模型结构见图 10。

图 10 地埋管式地源热泵层次分析法模型结构图

4.4.2 土壤源热泵系统适宜性评价指标权重的确定

按照层次分析法，求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重。方案层 C 对目标层 A 的权重见表 4 和图 11。

表 4 方案层 C 对目标层 A 的总排序及权重

图 11 方案层 C 对目标层 A 的权重条状图

5 结语

2018 年 11 月底公布的《辽宁省绿色建筑条例》要求绿色建筑的建设应当推广生物质能、太阳能、浅层地热能、空气能利用等先进、适用技术，且要求将绿色建筑规划内容纳入城市、镇总体规划和详细规划。地源热泵技术作为一种常用的建筑节能技术手段，在各地编制详细规划时，必然会对各类地源热泵技术的区域适宜性进行研究分析。本项目的研究，初步建立了比较科学完善的地源热泵区域适宜性评价体系，可以为各地相关部门制定政策提供理论参考。同时，该评价体系的建立也有助于辽宁省地源热泵技术的应用推广，有效避免一些项目因盲目上马而带来的经济损失。

参考文献

[1] 中国建筑节能协会能耗统计专委会 . 中国建筑能耗研究报告（2018）.

作者

辽宁省建设科学研究院有限责任公司  刘佳音 吴江 朱宝旭 徐向飞 王庆辉

辽宁省城乡建设集团有限责任公司  杨欣炜

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