地埋管地源熱泵地下管路泄漏故障智能識別與定位技術研究

摘要

地埋管換熱管路深埋于地下巖土層當中，受地質不均勻沉降、地下尖銳硬質巖土穿刺、管材長期老化疲勞、前期施工焊接缺陷等多種因素影響，極易發(fā)生換熱介質滲漏故障。管路泄漏會造成換熱介質持續(xù)流失、周邊土壤含水率異常突變、地埋管換熱效率斷崖式下跌，傳統(tǒng)運維手段依靠人工分段試壓排查、大面積開挖檢修，漏點定位效率低、檢修開挖成本高昂，還會破壞原有地層巖土換熱結構，加劇后續(xù)換熱性能衰減。本文提出融合管路進出口流量差值監(jiān)測、管內壓力波動波形特征分析、分布式光纖溫度傳感三種監(jiān)測手段相結合的復合式泄漏識別與精準定位系統(tǒng)，建立不同泄漏程度下壓力波形特征數(shù)據(jù)庫，結合光纖溫度沿線異常溫度點位鎖定漏點空間位置。通過室內管路泄漏模擬試驗以及室外埋管試驗區(qū)長期實測驗證，該系統(tǒng)能夠識別微小緩慢滲流泄漏以及突發(fā)性管路爆裂泄漏兩種故障類型，漏點定位誤差可以控制在1米范圍之內，無需大范圍土方開挖即可定點開挖檢修管路，極大降低地埋管運維檢修綜合成本，對于存量大規(guī)模埋管式地源熱泵系統(tǒng)故障智能化運維工作具備工程應用價值。

關鍵詞：地埋管泄漏；光纖測溫；壓力波形識別；故障定位；埋管運維；換熱系統(tǒng)故障診斷

一、引言

閉式地埋管換熱系統(tǒng)是淺層地源熱泵的核心換熱單元，大量PE換熱管道以豎直埋管或者水平埋管形式埋藏于地下數(shù)十米巖土體內部，依靠管道內部換熱介質與地層巖土完成熱量交換，實現(xiàn)建筑供暖與制冷功能。地埋管管路服役周期普遍設計為50年，但受施工質量、地質環(huán)境、管材老化、外部施工破壞等因素影響，不少投入運行十幾年的存量地源熱泵項目陸續(xù)出現(xiàn)管路泄漏問題。

地埋管泄漏分為兩種故障形態(tài)：一是微小緩慢滲漏，管路出現(xiàn)細微裂紋，換熱介質緩慢滲入周邊土壤，流量、壓力變化幅度小，前期難以被運維人員察覺，長期滲漏會造成管路介質不足、換熱效率逐年緩慢下降；二是突發(fā)性管路爆裂泄漏，管路壓力驟降、進出口流量差值急劇變大，熱泵系統(tǒng)短時間喪失換熱能力，建筑供暖制冷直接癱瘓。

傳統(tǒng)埋管檢漏方式為逐環(huán)路水壓分段試壓，通過關閉不同環(huán)路閥門、單獨打壓觀測壓力衰減情況，確定泄漏環(huán)路之后，依靠施工經(jīng)驗大范圍開挖尋找漏點。該方式不僅耗時耗力、檢修工期長，大面積開挖還會擾動周邊地層原有溫度場與土體結構，造成周邊完好管路換熱性能下降，很多存量項目因為埋管檢漏成本過高，被迫放棄部分埋管環(huán)路，降低整套系統(tǒng)換熱能力。針對埋管檢漏行業(yè)痛點，本文整合流量監(jiān)測、壓力波形分析、分布式光纖測溫技術，構建復合式智能檢漏定位系統(tǒng)，實現(xiàn)泄漏故障早期識別、漏點精準定位。

二、地埋管泄漏故障三類監(jiān)測原理分析

2.1 進出口流量差值監(jiān)測原理

正常完好的地埋管環(huán)路，管路進口瞬時流量與出口瞬時流量基本保持一致；管路發(fā)生泄漏時，部分換熱介質從破損位置滲入地下土壤，出口流量小于進口流量，進出口流量差值與泄漏量呈現(xiàn)正相關關系。通過高精度流量傳感器實時采集環(huán)路進出口流量數(shù)據(jù)，設置流量差閾值，可以初步判定環(huán)路是否存在泄漏故障，區(qū)分微小滲漏與大流量爆裂泄漏。

2.2 管路壓力波動波形識別原理

換熱介質在密閉管路內流動具備穩(wěn)定壓力波形特征；當管路出現(xiàn)破損泄漏，介質從漏點向外噴射會形成壓力反射波，壓力反射波沿著管路向兩端傳播，壓力傳感器捕捉到壓力波形畸變信號。不同泄漏孔徑大小、不同泄漏位置產生的壓力波形畸變特征，通過大量模擬泄漏工況建立壓力波形特征數(shù)據(jù)庫，采用波形匹配算法，能夠根據(jù)壓力畸變波形推算漏點距離管端的長度。

2.3 分布式光纖溫度傳感定位原理

將光纖沿著地埋管外壁同步埋設，光纖可以連續(xù)感知管路沿線巖土溫度變化。管路破損泄漏后，溫度不同于地層土體的換熱介質向外滲漏，造成漏點周邊土體溫度出現(xiàn)明顯異常波動，光纖溫度曲線會出現(xiàn)局部溫度突變尖峰，尖峰位置即為漏點所處空間位置，實現(xiàn)漏點橫向、縱向精準定位。

三類監(jiān)測技術互相補充：流量差判定是否泄漏、壓力波形粗略計算漏點距離、光纖溫度實現(xiàn)高精度空間定位，三者融合實現(xiàn)高效精準檢漏。

三、復合式泄漏識別定位系統(tǒng)整體架構

整套系統(tǒng)分為前端感知硬件、邊緣數(shù)據(jù)分析終端、運維監(jiān)控平臺三層結構。前端硬件包含每一路地埋管環(huán)路進出口高精度流量變送器、管路壓力傳感器、沿管路布設的分布式測溫光纖；邊緣終端內置壓力波形數(shù)據(jù)庫、波形匹配算法、溫度異常識別算法，實時采集流量、壓力、光纖溫度三類數(shù)據(jù)，完成實時運算分析。當流量差值超過預警閾值時，系統(tǒng)調取壓力波形開展匹配分析，初步測算漏點長度區(qū)間，再結合光纖溫度突變點位鎖定漏點精確位置，將泄漏環(huán)路、漏點坐標、泄漏嚴重程度上傳至運維監(jiān)控平臺，推送檢修預警信息。運維人員根據(jù)平臺給出的精準坐標定點開挖檢修，無需大面積開挖試探。

四、模擬試驗與現(xiàn)場試驗區(qū)測試結果

首先搭建室內長距離埋管模擬管路平臺，分別設置微小滲漏（0.2L/min）、中度滲漏、管路爆裂三種泄漏工況開展重復試驗。系統(tǒng)對三類泄漏故障識別準確率達到100%，壓力波形測算漏點長度誤差在3m以內，光纖測溫二次定位后，漏點定位誤差縮小至1m以內。隨后選取園區(qū)室外水平埋管試驗區(qū)開展為期半年現(xiàn)場實測，人為設置三處隱蔽漏點，系統(tǒng)全部提前識別故障并精準給出開挖點位，定點開挖直接找到漏點完成修補，檢修開挖土方量相比傳統(tǒng)試壓開挖方式減少85%以上，檢修工期大幅縮短，周邊地層土體結構幾乎不受擾動，完好管路換熱性能無明顯變化。

五、系統(tǒng)現(xiàn)存不足與優(yōu)化方案

當前系統(tǒng)存在兩處短板：對于多條管路近距離并行埋管區(qū)域，壓力反射波形存在相互干擾現(xiàn)象，會小幅降低壓力波形測距精度；分布式光纖前期管路鋪設階段需要同步施工，存量老舊埋管項目沒有預埋光纖無法直接使用。針對短板優(yōu)化方案：對于并行管路增設壓力波形時序濾波算法，消除相鄰管路波形干擾；針對存量無光纖埋管，可采用井下內窺式壓力檢測探頭進入管路內部，分段采集壓力波形實現(xiàn)漏點定位；后期將檢漏系統(tǒng)與熱泵機組電控系統(tǒng)聯(lián)動，檢測到爆裂泄漏故障時自動關閉環(huán)路進出口閥門，減少換熱介質大量流失。

六、結論

地埋管管路深埋地下的結構特性，導致傳統(tǒng)試壓開挖檢漏方式存在漏點定位差、檢修開挖成本高、易破壞地層換熱結構等弊端，微小滲漏長期隱蔽運行還會逐步加劇換熱性能衰減，影響地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。流量差值監(jiān)測、管路壓力波形特征分析、分布式光纖溫度傳感三類監(jiān)測技術各自具備檢漏優(yōu)勢與短板，將三者融合構建復合式智能泄漏識別定位系統(tǒng)，可以發(fā)揮技術協(xié)同優(yōu)勢，首先依靠流量差值完成泄漏故障初步篩查，通過壓力波形完成漏點距離粗定位，最終利用光纖沿線溫度異常點位實現(xiàn)漏點高精度空間定位。

室內模擬管路試驗與室外埋管試驗區(qū)實測結果證明，該復合式檢漏系統(tǒng)能夠全覆蓋識別微小緩慢滲漏、突發(fā)性管路爆裂兩類泄漏故障，漏點定位誤差控制在1米范圍內，實現(xiàn)定點開挖檢修，大幅降低土方開挖工程量、縮短故障檢修工期，同時避免大面積開挖擾動地層土體結構、損傷完好換熱管路。對于新建地埋管項目，可以在管路施工階段同步預埋光纖硬件，實現(xiàn)埋管全生命周期泄漏智能監(jiān)測；對于存量老舊埋管環(huán)路，可以采用管路內窺壓力檢測方案完成檢漏改造。該智能檢漏定位系統(tǒng)解決了長期以來地埋管泄漏運維的行業(yè)痛點，為大規(guī)模存量地源熱泵系統(tǒng)長效、智能化運維提供了可靠的技術手段，有助于延長地埋管換熱系統(tǒng)整體服役壽命，保障淺層地源熱泵長期換熱穩(wěn)定高效運行。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環(huán)介質

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監(jiān)測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設技術規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發(fā)利用地質環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監(jiān)測規(guī)范

四大標準統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標準化布設（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協(xié)議、年度地熱監(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地熱監(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地熱大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯(lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結構、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地熱標準化監(jiān)測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地熱監(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質pH/電導率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地熱監(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復墾地質環(huán)境評估資料、淺層地熱開發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術性能參數(shù)關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負荷調節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地熱一體化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地熱數(shù)字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求