层次分析法在浅层地温能开发适宜性评价中的应用

2016-02-11陈信锐

工程技术研究 2016年12期

关键词：恩施浅层源热泵

陈信锐，付强

（湖北省地质局第二地质大队，湖北恩施 445000）

层次分析法在浅层地温能开发适宜性评价中的应用

陈信锐，付强

（湖北省地质局第二地质大队，湖北恩施 445000）

浅层地温能是一种优质可再生清洁能源，具有很好的开发利用潜力。文章选取浅层地质结构、水文地质条件和岩土体热物理性质等指标，采用层次分析法对其在恩施城区的开发适宜性进行了评价。结果表明，恩施城区大部分区域适宜开发地埋管地源热泵系统，盆地中部、北侧第四系卵石层出露区较适宜开发地埋管地源热泵系统。

浅层地温能；层次分析法；适宜性评价

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200m）范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。与传统能源相比，具有储量巨大、可再生、不污染环境三大特性和清洁、环保、就地取用等明显优势。采用成熟的地源热泵技术利用浅层地温能为建筑供暖、制冷具有运行成本低和舒适度高等优势，在我国建筑节能领域得到了广泛认可和应用。开展浅层地温能资源开发利用适宜性区划是浅层地温能资源利用的前提和基础，有利于进行资源量计算和资源潜力评价，进而提出科学合理的开发利用方案建议。

1 恩施城区简介

恩施市位于湖北省西南部，城区所在的恩施盆地为一白垩系跑马岗组红色砂砾岩覆盖的条带状山间断陷盆地，沿近南北方向延伸，北起龙凤坝，南至芭蕉，东抵向家村～大沙坝，西达松树坪～高桥坝，长约33km，宽1～9km，面积约为153.2km2，从北向南依次覆盖恩施市龙凤镇、小渡船街道、舞阳坝街道、六角亭街道、芭蕉侗族乡。盆地内浅表层（深度200m以内）广泛分布白垩系跑马岗组（K2p）砂砾岩，局部地区覆盖第四系冲积层（Qal）。

2 评价体系建立

2.1 评价方法

层次分析法根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同组成因素。按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。并最终把系统分析归结为最底层（供决策的方案、措施等）相对于最高层（总目标）的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。

2.2 评价指标

通过对地埋管地源热泵运行影响因素进行分析研究，结合前人经验，将地埋管地源热泵系统适宜性区划指标分为以下三个方面：①浅层地质结构。浅层地质结构指浅层地温能开发深度范围内不同岩土体的组合方式，它影响施工工艺的选取，特别是卵石层的厚度直接决定着地埋管地源热泵施工的可行性。对应的指标层要素为第四系厚度、卵石层厚度；②水文地质条件。含水岩土体的导热能力及储热能力均比不含水岩土体高，因此地下水发育对地埋管系统有利。地埋管施工、运行工程中可能对地下水水质造成污染，或在不同水质含水层间形成渗透通道，因此在无优质地下水区域，更适宜地埋管地源热泵系统。对应的指标层要素为地下水富水程度、地下水水质；③岩土体热物理性质。地下埋管处岩土体的热物理性质对地埋管系统换热性能有着重要影响，对应的指标层要素为地层每延米换热量、综合热扩散系数。

根据层次分析法目标层、属性层、要素层各指标要素建立评价体系，对各要素指标进行分段评分，地埋管地源热泵系统适用性分区要素指标分级及赋值见表1。

表1 地埋管地源热泵适宜性评价要素指标分段评分表

2.3 因子权重的确定

根据各属性层及要素层对地埋管地源热泵系统适宜性的影响大小，结合前人经验，分别确定属性层、要素层指标权重。地埋管地源热泵适宜性评价二级要素权重见表2。

表2 地埋管地源热泵适宜性评价二级要素权重表

3 地埋管地源热泵适宜性分区

3.1 各要素得分情况分布

分布情况：①第四系厚度。恩施城区范围内大部分地区基岩裸露或者覆盖层厚度较小；②卵石层厚度。恩施盆地地层总体可钻性相对较好，但是恩施盆地北侧和中部分布有第四系冲积成因卵石层，平均厚度小于10m；③地下水发育情况。恩施盆地范围内除西北角和西南角志留系页岩、泥岩相对隔水层，其他地区均赋存基岩裂隙孔隙水或岩溶水；④地下水水质。恩施城区范围内地下水水质均为优良；⑤地层每延米换热量。恩施地区地层每延米换热量多为61.3～68.6W/m，换热能力较好；⑥综合热扩散系数。恩施盆地范围内，碳酸盐岩发育地区综合热扩散系数相对较大，粉砂岩岩组综合热扩散系数相对较小。

3.2 适宜性评价结果

利用MapGIS软件在评价范围内建立横纵间距为500m的评价网格点，将各点各要素根据要素指标分段评分表进行赋分；再采用综合指数法，将每个网格点上的属性赋值与其相对应的权重值相乘；然后求和，即可得出各点的适宜性评价最终得分。根据得分分布，确定地源热泵系统各个适宜区的分数范围见表3，绘制分区图，对分区图进行修正，完成地源热泵系统适宜性分区。

表3 地源热泵系统适宜性分区评定表

恩施城区范围内具备地埋管地源热泵开发条件的地区占总面积的98.10%（105.94km2）。大部分区域地下水以砂岩、粉砂岩基岩裂隙水为主，富水性弱，地埋管换热孔的施工成本较低，孔换热能力整体较好，为地埋管地源热泵系统适宜区，面积占城区总面积的84.60%（91.36km2）；盆地中部、北侧出露第四系卵石层，厚度小于20m，采用地埋管地源热泵开发浅层地温能时存在一定的施工难度，较适宜区面积占城区面积的13.50%（14.58km2）；无不适宜区。分区评价结果见图1。