基于層次分析法的沈陽市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)

于慧明，楊 澤，都基眾

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110034

基于層次分析法的沈陽市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)

于慧明，楊 澤，都基眾

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110034

利用層次分析（AHP）法，以MapGIS為平臺(tái)，考慮了地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力條件及地層熱物性參數(shù)等因素，對(duì)沈陽市轄9區(qū)范圍內(nèi)地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià).建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要對(duì)第四系厚度、卵石層厚度、地下水埋深、地下水徑流條件、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算及綜合評(píng)分，根據(jù)評(píng)分將全區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū).該評(píng)價(jià)結(jié)果為沈陽市淺層地溫開發(fā)利用提供技術(shù)支持.

層次分析法；地埋管地源熱泵；適宜性分區(qū)；沈陽市

0 引言

淺層地溫能作為一種清潔、可再生能源，具有良好的環(huán)境效益和節(jié)能減排效果，因而其開發(fā)利用受到越來越多的關(guān)注.淺層地溫能開發(fā)利用需要借助于地源熱泵技術(shù)，主要利用方式為地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵.作為國(guó)家建設(shè)部確定的地源熱泵試點(diǎn)城市，沈陽市在推廣地源熱泵的應(yīng)用中走在全國(guó)的前列①郭曉朝.沈陽市地源熱泵發(fā)展概況.沈陽市地源熱泵協(xié)會(huì)，2011..截止到2011年底，沈陽市已有正在運(yùn)行的地源熱泵項(xiàng)目447個(gè)，其中地下水地源熱泵417個(gè)，地埋管地源熱泵8個(gè)，再生水源22個(gè)［1］.以上數(shù)據(jù)表明，沈陽市地源熱泵開發(fā)利用以地下水地源熱泵系統(tǒng)為主，地埋管地源熱泵系統(tǒng)僅占極少數(shù).隨著地下水資源作為一種戰(zhàn)略資源進(jìn)行保護(hù)和限制開采，地下水地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用將不斷受到限制.而地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體作為低溫?zé)嵩?，傳熱介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）通過豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換的熱泵系統(tǒng)［1］.其開發(fā)利用不受地下水的限制，因而具有較好的發(fā)展前景，已受到國(guó)內(nèi)外的青睞.因此，本文結(jié)合“沈陽市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目所取得的數(shù)據(jù)，對(duì)沈陽市所轄9區(qū)范圍內(nèi)的地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)，以滿足沈陽市政府對(duì)淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃的需求.

根據(jù)《全國(guó)重點(diǎn)城市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》［2］，淺層地溫能的適宜性分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)3類.3類適宜區(qū)的劃分主要考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)條件對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的影響及當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下的建設(shè)成本等因素.

1 層次分析法

本次采用層次分析（AHP）法進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)分區(qū).它是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T．L．Saaty教授于20世紀(jì)70年代初期提出的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法，是一種定性和定量相結(jié)合，系統(tǒng)化、層次化的分析方法［3］，特別適用于那些難于完全定量分析的問題［4］.該方法將定量分析與定性分析結(jié)合起來，用決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷各衡量目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)之間的相對(duì)重要程度，并合理地給出每個(gè)決策方案的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重，利用權(quán)重求出各方案的優(yōu)劣次序，在目標(biāo)因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下使用更為有效.它的一般評(píng)價(jià)步驟如下.

（1）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：一般分為3層，即目標(biāo)層、屬性層和指標(biāo)層.結(jié)合工作區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行選擇.

（2）評(píng)價(jià)因素的權(quán)重計(jì)算：從第二層開始，采用1～9比較標(biāo)度法定量化每個(gè)要素來構(gòu)造比較矩陣，計(jì)算各個(gè)要素的權(quán)重，并做一致性檢驗(yàn).

（3）指標(biāo)層標(biāo)準(zhǔn)化及賦值：采用1～9標(biāo)度法建立各個(gè)指標(biāo)要素的標(biāo)準(zhǔn)化體系，將不同數(shù)據(jù)類型和量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并進(jìn)行賦值，分值越高越有利于地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā).

（4）綜合評(píng)價(jià)：采用綜合指數(shù)法，將每個(gè)指標(biāo)要素層在不同空間上的屬性值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘求和，根據(jù)分值判斷適宜性分區(qū)，得出綜合評(píng)價(jià)圖.

2 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立主要考慮地質(zhì)因素對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱效率的影響及鉆探施工費(fèi)用因素.因此，綜合考慮沈陽市轄區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層熱物性等條件以及資料獲取的難易程度及準(zhǔn)確性等綜合因素，選定影響地埋管地源熱泵建設(shè)的主要因素有3大類和6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（見圖1），即地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力（場(chǎng)）條件和地層熱物性參數(shù)3類，包括第四系厚度、卵石層厚度、地下水埋深、地下水徑流條件、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等項(xiàng)目.

圖1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)層次分析法模型結(jié)構(gòu)Fig．1 AHP model structure of ground－source heat pump system

（1）地質(zhì)條件：主要考慮第四系厚度及卵石層的厚度，這些因素影響鉆探施工的難易程度及鉆探成本.鉆探成本將直接決定地埋管地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性.第四系越厚，越有利于降低鉆探成本；卵石層越厚越不利于鉆探.

（2）地下水動(dòng)力條件：考慮地下水的埋深及徑流條件.地下水埋深及徑流對(duì)地溫場(chǎng)的恢復(fù)有重要的影響.

（3）地層熱物性參數(shù)：考慮地層的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容.該條件直接影響地埋管地源熱泵的換熱效率.地層平均導(dǎo)熱系數(shù)越高，越有利于提高換熱效率，節(jié)約投資成本；平均比熱容反映巖土體的儲(chǔ)熱能力，比熱容越高，則儲(chǔ)熱能力越強(qiáng).

根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)資料及項(xiàng)目工作取得的成果，各項(xiàng)指標(biāo)分布情況簡(jiǎn)述如下：沈陽市的第四系厚度由西向東逐漸變薄，西部第四系厚度一般80～100 m，部分地區(qū)可達(dá)到100 m以上；東部為基巖山區(qū)，山區(qū)向西的山前地區(qū)第四系厚度一般小于20 m.卵石層主要分布在沈陽市中心區(qū)及西部的遼河扇地區(qū)，厚度累積一般在20 m以上，其余地區(qū)基本無卵石或者厚度在5 m以下.沈陽市中心一環(huán)路以內(nèi)地區(qū)地下水位埋深較大，一般為10～15 m；向外圍水位埋深逐漸變小，普遍在5～10 m；山區(qū)基巖裂隙水埋深較淺，一般小于5 m.地下水徑流條件在東北部的黏性土地區(qū)以及東部的基巖山區(qū)較差，在渾河沖洪積扇和西北部遼河扇的中心區(qū)最好.地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)在東部基巖山區(qū)最高，在渾河兩岸地區(qū)最低，其余地區(qū)介于二者之間.東部山區(qū)地層綜合比熱容最小，東北部風(fēng)積臺(tái)地和西南部沖洪積扇前緣比熱容最大.

3 評(píng)價(jià)因素的權(quán)重計(jì)算

根據(jù)專家打分結(jié)果并經(jīng)計(jì)算獲得各評(píng)價(jià)因子的最終組合權(quán)重，見表1.

表1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)各評(píng)價(jià)因子權(quán)重表Table 1 Factor weights of ground-source heat pump suitability evaluation

4 指標(biāo)層標(biāo)準(zhǔn)化及賦值

根據(jù)建立的指標(biāo)體系，獲取各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)指標(biāo)要素按照屬性值進(jìn)行分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化打分，分?jǐn)?shù)介于1～9之間.分?jǐn)?shù)越高，表明該因子在該分區(qū)內(nèi)越有利于建造地源熱泵系統(tǒng)；分?jǐn)?shù)越低，則表明該因子在該分區(qū)內(nèi)越不利于地源熱泵系統(tǒng)的建造.根據(jù)屬性值分別賦予每個(gè)分區(qū)相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并通過MapGIS6．7制作每個(gè)指標(biāo)要素分區(qū)圖.

5 綜合評(píng)價(jià)

將6個(gè)指標(biāo)層通過MapGIS空間分析功能進(jìn)行疊加，獲得每個(gè)分區(qū)6項(xiàng)不同屬性值.采用綜合指數(shù)法，將6項(xiàng)屬性值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘求和，獲取每個(gè)區(qū)域的分值.根據(jù)表2判斷每個(gè)分區(qū)的適宜性，并綜合得出適宜性分區(qū)圖（圖2）.通過統(tǒng)計(jì)得出地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)面積（表3）.

表2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分指標(biāo)Table 2 Classification indexes of suitability for ground-source heat pump system

表3 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Table 3 Area statistics of suitability for ground-source heat pump system

最終評(píng)價(jià)結(jié)果表明，工作區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)的面積為2196．43 km2，占工作區(qū)總面積的60%；不適宜區(qū)的面積為1231．11 km2，占研究區(qū)總面積的34%.

由圖2可知，沈陽市轄區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)主要分布在西部、西南部的渾河沖洪積扇的扇緣部，以及北部的風(fēng)積波狀臺(tái)地大部分地區(qū).渾河沖洪積扇的扇緣帶第四系地層較厚，一般80～100 m.地層以細(xì)砂、中粗砂為主，幾乎不含卵石層，有利于降低鉆探成本.地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)較高，地下水徑流條件較好，因此適合地埋管地源熱泵的建設(shè).北部的風(fēng)積波狀臺(tái)地大部分地區(qū)，第四系厚度適中，在60 m左右.下伏新近系泥巖、砂巖，固結(jié)較差，有利于鉆探施工.地層熱傳導(dǎo)能力相對(duì)較好，比熱容較大，有利于地埋管地源熱泵的開展.

較適宜區(qū)主要分布在東部的山前地帶及渾河沖洪積扇地的扇中和扇緣接觸地帶，此地帶第四系厚度60～80 m，巖性以細(xì)砂、中砂為主，雖然地層熱傳導(dǎo)略差，但地層綜合比熱容較高，地下水徑流條件好，因此綜合評(píng)分較高，為地埋管地源熱泵較適宜區(qū).

圖2 沈陽市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖Fig．2 Suitability division for ground－source heat pump system1—適宜區(qū)（the most suitable area）；2—較適宜區(qū)（suitable area）；3—不適宜區(qū)（unsuitable region）；4—環(huán)線及高速公路（highway）；5—水系（river）；6—區(qū)（district）；7—鄉(xiāng)鎮(zhèn)（village/town）

不適宜區(qū)主要分布在東部的基巖山區(qū)、渾河沖洪積扇地的扇頂和扇中部及解放－興隆臺(tái)－黃家一帶以北的遼河沖洪積扇.在基巖山區(qū)，地層的熱傳導(dǎo)性好，但是儲(chǔ)熱較差，鉆進(jìn)條件差、成本高，在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下不適合開展地埋管地源熱泵工程.渾河扇的扇頂、扇中部及西北部的遼河沖洪積扇，水文地質(zhì)條件良好，但卵礫石層厚度較大，開展鉆探工作難度相對(duì)較大，成本高，雖然地層儲(chǔ)熱效果較好，但是地層的熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，相較于水源熱泵而言，費(fèi)效比較低，適合于地下水地源熱泵系統(tǒng)的建設(shè).

6 結(jié)論

（1）本研究采用層次分析法，綜合考慮了地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)及地層熱物性參數(shù)等因素，對(duì)沈陽市轄9區(qū)地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)及分區(qū).分區(qū)結(jié)果符合沈陽市實(shí)際情況，可作為沈陽市淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃的依據(jù).

（2）根據(jù)分區(qū)結(jié)果可以看出，地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)的面積占工作區(qū)總面積的60%左右，因此地埋管地源熱泵系統(tǒng)在沈陽市轄區(qū)范圍內(nèi)可大面積開發(fā)利用.

［1］楊澤，于慧明，都基眾．基于層次分析法的沈陽市地下水地源熱泵適宜性研究［J］．建筑節(jié)能，2013，41（12）：32－35．

［2］全國(guó)重點(diǎn)城市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求［S］．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，2011．

［3］龔士良．上海地面沉降層次分析法研究［J］．系統(tǒng)工程，1996，14（3）：30－34．

［4］王國(guó)良．層次分析法在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2006，18（9）：286－288．

AHP-BASED SUITABILITY ZONATION AND ASSESSMENT FOR THE GROUND-SOURCE HEAT PUMP SYSTEM IN SHENYANG CITY

YU Hui-ming，YANG Ze，DU Ji-zhong

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources，CGS，Shenyang 110034，China

Based on MapGIS platform，in consideration of the geological conditions，groundwater dynamic conditions and thermal physical parameters of strata，the suitability of ground-source heat pump system in Shenyang municipal district is evaluated by the analytic hierarchy process（AHP）．The assessment index system is established，involving pebble layer thickness，depth of groundwater table，groundwater runoff conditions，thermal conductivity of strata and specific heat capacity．The weights and scores of each index are then calculated．According to the score，the municipal district is divided into the three areas，i．e．，the most suitable area，suitable area and unsuitable area．The result is expected to provide technical support for the shallow geothermal development and utilization in the region．

AHP；ground-source heat pump system；suitability zonation；Shenyang City

2015－01－05；

2016－10－10．編輯：張哲．

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“沈陽市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)”（項(xiàng)目編碼1212011120062，1212011220839）.

于慧明（1985—），女，碩士，工程師，從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及地溫能開發(fā)利用研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街280號(hào)，E-mail//huiming2008@126.com

1671-1947（2016）06-0567-09

P631

A