基于层次分析法的沈阳市地埋管地源热泵适宜性评价

于慧明，杨 泽，都基众

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

基于层次分析法的沈阳市地埋管地源热泵适宜性评价

于慧明，杨 泽，都基众

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

利用层次分析（AHP）法，以MapGIS为平台，考虑了地质条件、地下水动力条件及地层热物性参数等因素，对沈阳市辖9区范围内地埋管地源热泵适宜性进行了评价.建立了评价指标体系，主要对第四系厚度、卵石层厚度、地下水埋深、地下水径流条件、地层热传导系数、比热容等6项指标进行权重计算及综合评分，根据评分将全区划分为适宜区、较适宜区和不适宜区.该评价结果为沈阳市浅层地温开发利用提供技术支持.

层次分析法；地埋管地源热泵；适宜性分区；沈阳市

0 引言

浅层地温能作为一种清洁、可再生能源，具有良好的环境效益和节能减排效果，因而其开发利用受到越来越多的关注.浅层地温能开发利用需要借助于地源热泵技术，主要利用方式为地下水地源热泵和地埋管地源热泵.作为国家建设部确定的地源热泵试点城市，沈阳市在推广地源热泵的应用中走在全国的前列①郭晓朝.沈阳市地源热泵发展概况.沈阳市地源热泵协会，2011..截止到2011年底，沈阳市已有正在运行的地源热泵项目447个，其中地下水地源热泵417个，地埋管地源热泵8个，再生水源22个［1］.以上数据表明，沈阳市地源热泵开发利用以地下水地源热泵系统为主，地埋管地源热泵系统仅占极少数.随着地下水资源作为一种战略资源进行保护和限制开采，地下水地源热泵系统的开发利用将不断受到限制.而地埋管地源热泵系统是以岩土体作为低温热源，传热介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的热泵系统［1］.其开发利用不受地下水的限制，因而具有较好的发展前景，已受到国内外的青睐.因此，本文结合“沈阳市浅层地温能调查评价”项目所取得的数据，对沈阳市所辖9区范围内的地埋管地源热泵适宜性进行评价分区，以满足沈阳市政府对浅层地温能开发利用规划的需求.

根据《全国重点城市浅层地温能调查评价技术要求》［2］，浅层地温能的适宜性分为适宜区、较适宜区和不适宜区3类.3类适宜区的划分主要考虑地质、水文地质条件对热泵系统运行的影响及当前经济技术条件下的建设成本等因素.

1 层次分析法

本次采用层次分析（AHP）法进行适宜性评价分区.它是美国运筹学家T．L．Saaty教授于20世纪70年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，是一种定性和定量相结合，系统化、层次化的分析方法［3］，特别适用于那些难于完全定量分析的问题［4］.该方法将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，并合理地给出每个决策方案的每个标准的权重，利用权重求出各方案的优劣次序，在目标因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用更为有效.它的一般评价步骤如下.

（1）建立评价指标体系：一般分为3层，即目标层、属性层和指标层.结合工作区实际情况进行选择.

（2）评价因素的权重计算：从第二层开始，采用1～9比较标度法定量化每个要素来构造比较矩阵，计算各个要素的权重，并做一致性检验.

（3）指标层标准化及赋值：采用1～9标度法建立各个指标要素的标准化体系，将不同数据类型和量纲的数据进行标准化处理并进行赋值，分值越高越有利于地源热泵系统的开发.

（4）综合评价：采用综合指数法，将每个指标要素层在不同空间上的属性值与其相对应的权重值相乘求和，根据分值判断适宜性分区，得出综合评价图.

2 适宜性评价指标体系的建立

地埋管地源热泵系统适宜性评价指标体系的建立主要考虑地质因素对地埋管地源热泵系统换热效率的影响及钻探施工费用因素.因此，综合考虑沈阳市辖区地质、水文地质条件、地层热物性等条件以及资料获取的难易程度及准确性等综合因素，选定影响地埋管地源热泵建设的主要因素有3大类和6项评价指标（见图1），即地质条件、地下水动力（场）条件和地层热物性参数3类，包括第四系厚度、卵石层厚度、地下水埋深、地下水径流条件、地层热传导系数、比热容等项目.

图1 地埋管地源热泵系统层次分析法模型结构Fig．1 AHP model structure of ground－source heat pump system

（1）地质条件：主要考虑第四系厚度及卵石层的厚度，这些因素影响钻探施工的难易程度及钻探成本.钻探成本将直接决定地埋管地源热泵的经济性.第四系越厚，越有利于降低钻探成本；卵石层越厚越不利于钻探.

（2）地下水动力条件：考虑地下水的埋深及径流条件.地下水埋深及径流对地温场的恢复有重要的影响.

（3）地层热物性参数：考虑地层的导热系数和比热容.该条件直接影响地埋管地源热泵的换热效率.地层平均导热系数越高，越有利于提高换热效率，节约投资成本；平均比热容反映岩土体的储热能力，比热容越高，则储热能力越强.

根据工作区地质和水文地质资料及项目工作取得的成果，各项指标分布情况简述如下：沈阳市的第四系厚度由西向东逐渐变薄，西部第四系厚度一般80～100 m，部分地区可达到100 m以上；东部为基岩山区，山区向西的山前地区第四系厚度一般小于20 m.卵石层主要分布在沈阳市中心区及西部的辽河扇地区，厚度累积一般在20 m以上，其余地区基本无卵石或者厚度在5 m以下.沈阳市中心一环路以内地区地下水位埋深较大，一般为10～15 m；向外围水位埋深逐渐变小，普遍在5～10 m；山区基岩裂隙水埋深较浅，一般小于5 m.地下水径流条件在东北部的黏性土地区以及东部的基岩山区较差，在浑河冲洪积扇和西北部辽河扇的中心区最好.地层综合导热系数在东部基岩山区最高，在浑河两岸地区最低，其余地区介于二者之间.东部山区地层综合比热容最小，东北部风积台地和西南部冲洪积扇前缘比热容最大.

3 评价因素的权重计算

根据专家打分结果并经计算获得各评价因子的最终组合权重，见表1.

表1 地埋管地源热泵系统各评价因子权重表Table 1 Factor weights of ground-source heat pump suitability evaluation

4 指标层标准化及赋值

根据建立的指标体系，获取各类基础数据，并对各个指标要素按照属性值进行分区标准化打分，分数介于1～9之间.分数越高，表明该因子在该分区内越有利于建造地源热泵系统；分数越低，则表明该因子在该分区内越不利于地源热泵系统的建造.根据属性值分别赋予每个分区相应的分数，并通过MapGIS6．7制作每个指标要素分区图.

5 综合评价

将6个指标层通过MapGIS空间分析功能进行叠加，获得每个分区6项不同属性值.采用综合指数法，将6项属性值与其相对应的权重值相乘求和，获取每个区域的分值.根据表2判断每个分区的适宜性，并综合得出适宜性分区图（图2）.通过统计得出地埋管地源热泵适宜性分区面积（表3）.

表2 地埋管地源热泵系统适宜性划分指标Table 2 Classification indexes of suitability for ground-source heat pump system

表3 地埋管地源热泵适宜性分区面积统计Table 3 Area statistics of suitability for ground-source heat pump system

最终评价结果表明，工作区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区的面积为2196．43 km2，占工作区总面积的60%；不适宜区的面积为1231．11 km2，占研究区总面积的34%.

由图2可知，沈阳市辖区的地埋管地源热泵系统适宜区主要分布在西部、西南部的浑河冲洪积扇的扇缘部，以及北部的风积波状台地大部分地区.浑河冲洪积扇的扇缘带第四系地层较厚，一般80～100 m.地层以细砂、中粗砂为主，几乎不含卵石层，有利于降低钻探成本.地层综合导热系数较高，地下水径流条件较好，因此适合地埋管地源热泵的建设.北部的风积波状台地大部分地区，第四系厚度适中，在60 m左右.下伏新近系泥岩、砂岩，固结较差，有利于钻探施工.地层热传导能力相对较好，比热容较大，有利于地埋管地源热泵的开展.

较适宜区主要分布在东部的山前地带及浑河冲洪积扇地的扇中和扇缘接触地带，此地带第四系厚度60～80 m，岩性以细砂、中砂为主，虽然地层热传导略差，但地层综合比热容较高，地下水径流条件好，因此综合评分较高，为地埋管地源热泵较适宜区.

图2 沈阳市地埋管地源热泵适宜性分区图Fig．2 Suitability division for ground－source heat pump system1—适宜区（the most suitable area）；2—较适宜区（suitable area）；3—不适宜区（unsuitable region）；4—环线及高速公路（highway）；5—水系（river）；6—区（district）；7—乡镇（village/town）

不适宜区主要分布在东部的基岩山区、浑河冲洪积扇地的扇顶和扇中部及解放－兴隆台－黄家一带以北的辽河冲洪积扇.在基岩山区，地层的热传导性好，但是储热较差，钻进条件差、成本高，在目前经济技术条件下不适合开展地埋管地源热泵工程.浑河扇的扇顶、扇中部及西北部的辽河冲洪积扇，水文地质条件良好，但卵砾石层厚度较大，开展钻探工作难度相对较大，成本高，虽然地层储热效果较好，但是地层的热传导系数较小，相较于水源热泵而言，费效比较低，适合于地下水地源热泵系统的建设.

6 结论

（1）本研究采用层次分析法，综合考虑了地质及水文地质条件、地下水动力场及地层热物性参数等因素，对沈阳市辖9区地埋管地源热泵适宜性进行评价及分区.分区结果符合沈阳市实际情况，可作为沈阳市浅层地温能开发利用规划的依据.

（2）根据分区结果可以看出，地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区的面积占工作区总面积的60%左右，因此地埋管地源热泵系统在沈阳市辖区范围内可大面积开发利用.

［1］杨泽，于慧明，都基众．基于层次分析法的沈阳市地下水地源热泵适宜性研究［J］．建筑节能，2013，41（12）：32－35．

［2］全国重点城市浅层地温能调查评价技术要求［S］．中国地质科学院水文地质环境地质研究所，2011．

［3］龚士良．上海地面沉降层次分析法研究［J］．系统工程，1996，14（3）：30－34．

［4］王国良．层次分析法在地质灾害危险性评估中的应用［J］．西部探矿工程，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．编辑：张哲．

中国地质调查局项目“沈阳市浅层地温能调查评价”（项目编码1212011120062，1212011220839）.

于慧明（1985—），女，硕士，工程师，从事水文地质、环境地质及地温能开发利用研究工作，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，E-mail//huiming2008@126.com

1671-1947（2016）06-0567-09

P631

A