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，極易發生換熱介質滲漏故障。管路泄漏會造成換熱介質持續流失、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，加劇后續換熱性能衰減。本文提出融合管路進出口流量差值監測、管內壓力波動波形特征分析、分布式光纖溫度傳感三種監測手段相結合的復合式泄漏識別與精準定位系統，建立不同泄漏程度下壓力波形特征數據庫，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長期實測驗證，該系統能夠識別微小緩慢滲流泄漏以及突發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，對于存量大規模埋管式地源熱泵系統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；換熱系統故障診斷

一、引言

閉式地埋管換熱系統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出現管路泄漏問題。

地埋管泄漏分為兩種故障形態：一是微小緩慢滲漏，管路出現細微裂紋，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，熱泵系統短時間喪失換熱能力，建筑供暖制冷直接癱瘓。

傳統埋管檢漏方式為逐環路水壓分段試壓，通過關閉不同環路閥門、單獨打壓觀測壓力衰減情況，確定泄漏環路之后，依靠施工經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路，降低整套系統換熱能力。針對埋管檢漏行業痛點，本文整合流量監測、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，實現泄漏故障早期識別、漏點精準定位。

二、地埋管泄漏故障三類監測原理分析

2.1 進出口流量差值監測原理

正常完好的地埋管環路，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正相關關系。通過高精度流量傳感器實時采集環路進出口流量數據，設置流量差閾值，可以初步判定環路是否存在泄漏故障，區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定壓力波形特征；當管路出現破損泄漏，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據庫，采用波形匹配算法，能夠根據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明顯異常波動，光纖溫度曲線會出現局部溫度突變尖峰，尖峰位置即為漏點所處空間位置，實現漏點橫向、縱向精準定位。

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

三、復合式泄漏識別定位系統整體架構

整套系統分為前端感知硬件、邊緣數據分析終端、運維監控平臺三層結構。前端硬件包含每一路地埋管環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據庫、波形匹配算法、溫度異常識別算法，實時采集流量、壓力、光纖溫度三類數據，完成實時運算分析。當流量差值超過預警閾值時，系統調取壓力波形開展匹配分析，初步測算漏點長度區間，再結合光纖溫度突變點位鎖定漏點精確位置，將泄漏環路、漏點坐標、泄漏嚴重程度上傳至運維監控平臺，推送檢修預警信息。運維人員根據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、模擬試驗與現場試驗區測試結果

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。隨后選取園區室外水平埋管試驗區開展為期半年現場實測，人為設置三處隱蔽漏點，系統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、系統現存不足與優化方案

當前系統存在兩處短板：對于多條管路近距離并行埋管區域，壓力反射波形存在相互干擾現象，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漏點定位；后期將檢漏系統與熱泵機組電控系統聯動，檢測到爆裂泄漏故障時自動關閉環路進出口閥門，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，影響地源熱泵系統長期穩定運行。流量差值監測、管路壓力波形特征分析、分布式光纖溫度傳感三類監測技術各自具備檢漏優勢與短板，將三者融合構建復合式智能泄漏識別定位系統，可以發揮技術協同優勢，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實測結果證明，該復合式檢漏系統能夠全覆蓋識別微小緩慢滲漏、突發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，實現埋管全生命周期泄漏智能監測；對于存量老舊埋管環路，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解決了長期以來地埋管泄漏運維的行業痛點，為大規模存量地源熱泵系統長效、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整體服役壽命，保障淺層地源熱泵長期換熱穩定高效運行。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

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、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、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、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、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、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、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、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測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、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、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥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、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

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℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（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/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

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、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

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

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系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、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、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、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、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/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、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、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、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測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

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米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、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卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔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、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、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、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求