基于層次分析法的沈陽市地埋管地源熱泵適宜性評價

于慧明，楊 澤，都基眾

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），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價

于慧明，楊 澤，都基眾

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110034

利用層次分析（AHP）法，以MapGIS為平臺，考慮了地質條件、地下水動力條件及地層熱物性參數等因素，對沈陽市轄9區范圍內地埋管地源熱泵適宜性進行了評價.建立了評價指標體系，主要對第四系厚度、卵石層厚度、地下水埋深、地下水徑流條件、地層熱傳導系數、比熱容等6項指標進行權重計算及綜合評分，根據評分將全區劃分為適宜區、較適宜區和不適宜區.該評價結果為沈陽市淺層地溫開發利用提供技術支持.

層次分析法；地埋管地源熱泵；適宜性分區；沈陽市

0 引言

淺層地溫能作為一種清潔、可再生能源，具有良好的環境效益和節能減排效果，因而其開發利用受到越來越多的關注.淺層地溫能開發利用需要借助于地源熱泵技術，主要利用方式為地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵.作為國家建設部確定的地源熱泵試點城市，沈陽市在推廣地源熱泵的應用中走在全國的前列①郭曉朝.沈陽市地源熱泵發展概況.沈陽市地源熱泵協會，2011..截止到2011年底，沈陽市已有正在運行的地源熱泵項目447個，其中地下水地源熱泵417個，地埋管地源熱泵8個，再生水源22個［1］.以上數據表明，沈陽市地源熱泵開發利用以地下水地源熱泵系統為主，地埋管地源熱泵系統僅占極少數.隨著地下水資源作為一種戰略資源進行保護和限制開采，地下水地源熱泵系統的開發利用將不斷受到限制.而地埋管地源熱泵系統是以巖土體作為低溫熱源，傳熱介質（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行熱交換的熱泵系統［1］.其開發利用不受地下水的限制，因而具有較好的發展前景，已受到國內外的青睞.因此，本文結合“沈陽市淺層地溫能調查評價”項目所取得的數據，對沈陽市所轄9區范圍內的地埋管地源熱泵適宜性進行評價分區，以滿足沈陽市政府對淺層地溫能開發利用規劃的需求.

根據《全國重點城市淺層地溫能調查評價技術要求》［2］，淺層地溫能的適宜性分為適宜區、較適宜區和不適宜區3類.3類適宜區的劃分主要考慮地質、水文地質條件對熱泵系統運行的影響及當前經濟技術條件下的建設成本等因素.

1 層次分析法

本次采用層次分析（AHP）法進行適宜性評價分區.它是美國運籌學家T．L．Saaty教授于20世紀70年代初期提出的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法，是一種定性和定量相結合，系統化、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合起來，用決策者的經驗判斷各衡量目標能否實現的標準之間的相對重要程度，并合理地給出每個決策方案的每個標準的權重，利用權重求出各方案的優劣次序，在目標因素結構復雜且缺乏必要數據的情況下使用更為有效.它的一般評價步驟如下.

（1）建立評價指標體系：一般分為3層，即目標層、屬性層和指標層.結合工作區實際情況進行選擇.

（2）評價因素的權重計算：從第二層開始，采用1～9比較標度法定量化每個要素來構造比較矩陣，計算各個要素的權重，并做一致性檢驗.

（3）指標層標準化及賦值：采用1～9標度法建立各個指標要素的標準化體系，將不同數據類型和量綱的數據進行標準化處理并進行賦值，分值越高越有利于地源熱泵系統的開發.

（4）綜合評價：采用綜合指數法，將每個指標要素層在不同空間上的屬性值與其相對應的權重值相乘求和，根據分值判斷適宜性分區，得出綜合評價圖.

2 適宜性評價指標體系的建立

地埋管地源熱泵系統適宜性評價指標體系的建立主要考慮地質因素對地埋管地源熱泵系統換熱效率的影響及鉆探施工費用因素.因此，綜合考慮沈陽市轄區地質、水文地質條件、地層熱物性等條件以及資料獲取的難易程度及準確性等綜合因素，選定影響地埋管地源熱泵建設的主要因素有3大類和6項評價指標（見圖1），即地質條件、地下水動力（場）條件和地層熱物性參數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、地層熱傳導系數、比熱容等項目.

圖1 地埋管地源熱泵系統層次分析法模型結構Fig．1 AHP model structure of ground－source heat pump system

（1）地質條件：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濟性.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地溫場的恢復有重要的影響.

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

根據工作區地質和水文地質資料及項目工作取得的成果，各項指標分布情況簡述如下：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，部分地區可達到100 m以上；東部為基巖山區，山區向西的山前地區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及西部的遼河扇地區，厚度累積一般在20 m以上，其余地區基本無卵石或者厚度在5 m以下.沈陽市中心一環路以內地區地下水位埋深較大，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以及東部的基巖山區較差，在渾河沖洪積扇和西北部遼河扇的中心區最好.地層綜合導熱系數在東部基巖山區最高，在渾河兩岸地區最低，其余地區介于二者之間.東部山區地層綜合比熱容最小，東北部風積臺地和西南部沖洪積扇前緣比熱容最大.

3 評價因素的權重計算

根據專家打分結果并經計算獲得各評價因子的最終組合權重，見表1.

表1 地埋管地源熱泵系統各評價因子權重表Table 1 Factor weights of ground-source heat pump suitability evaluation

4 指標層標準化及賦值

根據建立的指標體系，獲取各類基礎數據，并對各個指標要素按照屬性值進行分區標準化打分，分數介于1～9之間.分數越高，表明該因子在該分區內越有利于建造地源熱泵系統；分數越低，則表明該因子在該分區內越不利于地源熱泵系統的建造.根據屬性值分別賦予每個分區相應的分數，并通過MapGIS6．7制作每個指標要素分區圖.

5 綜合評價

將6個指標層通過MapGIS空間分析功能進行疊加，獲得每個分區6項不同屬性值.采用綜合指數法，將6項屬性值與其相對應的權重值相乘求和，獲取每個區域的分值.根據表2判斷每個分區的適宜性，并綜合得出適宜性分區圖（圖2）.通過統計得出地埋管地源熱泵適宜性分區面積（表3）.

表2 地埋管地源熱泵系統適宜性劃分指標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面積統計Table 3 Area statistics of suitability for ground-source heat pump system

最終評價結果表明，工作區地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區的面積為2196．43 km2，占工作區總面積的60%；不適宜區的面積為1231．11 km2，占研究區總面積的34%.

由圖2可知，沈陽市轄區的地埋管地源熱泵系統適宜區主要分布在西部、西南部的渾河沖洪積扇的扇緣部，以及北部的風積波狀臺地大部分地區.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.地層綜合導熱系數較高，地下水徑流條件較好，因此適合地埋管地源熱泵的建設.北部的風積波狀臺地大部分地區，第四系厚度適中，在60 m左右.下伏新近系泥巖、砂巖，固結較差，有利于鉆探施工.地層熱傳導能力相對較好，比熱容較大，有利于地埋管地源熱泵的開展.

較適宜區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，巖性以細砂、中砂為主，雖然地層熱傳導略差，但地層綜合比熱容較高，地下水徑流條件好，因此綜合評分較高，為地埋管地源熱泵較適宜區.

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

不適宜區主要分布在東部的基巖山區、渾河沖洪積扇地的扇頂和扇中部及解放－興隆臺－黃家一帶以北的遼河沖洪積扇.在基巖山區，地層的熱傳導性好，但是儲熱較差，鉆進條件差、成本高，在目前經濟技術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，水文地質條件良好，但卵礫石層厚度較大，開展鉆探工作難度相對較大，成本高，雖然地層儲熱效果較好，但是地層的熱傳導系數較小，相較于水源熱泵而言，費效比較低，適合于地下水地源熱泵系統的建設.

6 結論

（1）本研究采用層次分析法，綜合考慮了地質及水文地質條件、地下水動力場及地層熱物性參數等因素，對沈陽市轄9區地埋管地源熱泵適宜性進行評價及分區.分區結果符合沈陽市實際情況，可作為沈陽市淺層地溫能開發利用規劃的依據.

（2）根據分區結果可以看出，地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區的面積占工作區總面積的60%左右，因此地埋管地源熱泵系統在沈陽市轄區范圍內可大面積開發利用.

［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］．建筑節能，2013，41（12）：32－35．

［2］全國重點城市淺層地溫能調查評價技術要求［S］．中國地質科學院水文地質環境地質研究所，2011．

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

［4］王國良．層次分析法在地質災害危險性評估中的應用［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．

中國地質調查局項目“沈陽市淺層地溫能調查評價”（項目編碼1212011120062，1212011220839）.

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

1671-1947（2016）06-0567-09

P631

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