寒區低溫環境下地源熱泵室外管路與換熱設備光纖測溫防凍保護系統研究

摘要

我國東北、內蒙古、新疆等高緯度高寒寒區冬季特種氣溫可達-25℃至-35℃，地源熱泵室外輸水管道、分集水器、板式換熱機組、露天輸送管網極易出現管內水體結冰、管路凍脹破裂、換熱器流道冰堵等故障，造成整套建筑冷暖聯供系統冬季供暖全面停機癱瘓，凍裂管路維修、系統重啟恢復成本高昂，嚴重影響嚴寒地區建筑冬季采暖保障。傳統防凍方案依靠在管路關鍵點位布設單點電子溫度傳感器，僅能監測有限測點溫度，管路彎頭、長距離埋地支管、換熱器內部狹小流道等隱蔽區域極易出現局部低溫結冰，單點傳感器無法覆蓋這些防凍盲區。分布式光纖可以沿著室外管路外壁連續纏繞敷設，完整覆蓋整條管網、換熱設備所有結構面，實現管路與換熱設備全域連續溫度監測；系統實時捕捉管路任意區段溫度接近冰點閾值時，聯動管路伴熱保溫裝置、熱泵機組回水變頻調速機構、旁通循環管路，提前啟動防凍保護動作，規避結冰凍裂故障。本文針對寒區特種低溫工況，研究低溫耐脆化特種鎧裝光纖選型、管路光纖標準化敷設固定工藝、光纖聯動防凍控制邏輯算法；選取內蒙古高寒鄉鎮集中式地源熱泵供暖站作為實地應用案例，搭建光纖測溫全域防凍聯動系統，經歷兩個完整冬季特種低溫運行周期，整套室外管路與換熱設備未發生任何凍裂、冰堵故障，相較于傳統單點傳感器防凍方案，設備冬季故障停機率下降91%。本文同時分析低溫環境下光纖光傳輸信號損耗規律，設計測溫主機低溫信號補償算法，解決低溫工況光纖信號衰減、測溫精度漂移問題，為高寒寒區地源熱泵規模化落地推廣筑牢管路設備防凍安全技術保障體系。

關鍵詞：分布式光纖測溫；高寒寒區；地源熱泵；室外管路防凍；全域溫度監測；聯動防凍保護；低溫光纖補償算法

1 引言

高緯度寒區冬季漫長且特種低溫天氣頻發，淺層地源熱泵憑借穩定節能的優勢，成為鄉鎮、偏遠園區冬季集中供暖的優選方案。地源熱泵系統分為地下地層換熱埋管系統、機房換熱機組系統、室外輸水管網系統三大組成部分，地下埋管常年處于地層恒溫環境，不存在凍裂風險；而露天敷設、淺地表埋設的室外輸水管道、機房露天板式換熱器、分集水器等設備，長期暴露在零下二三十攝氏度的極寒環境中，管道內部循環水體一旦溫度降至冰點以下，水體結冰體積膨脹會直接撐裂管路管壁，換熱器狹小流道會被冰塊堵塞，造成整套供暖系統癱瘓。

現階段寒區地源熱泵室外管路主流防凍模式為“單點溫度傳感器+電伴熱保溫"，運維人員在管路直線段每隔數十米安裝一支電子溫度傳感器，設置冰點預警溫度，傳感器監測溫度低于閾值之后開啟管路伴熱絲升溫防凍。該方案存在兩大致命短板：第一，監測點位離散化，管路彎頭、三通接頭、向下埋地支管、換熱器內部流道屬于監測盲區，這些區域水體流動性弱、散熱更快，極易在傳感器測點溫度未達預警值時局部結冰；第二，低溫環境下電子傳感器電路板極易出現低溫性能衰減、測溫失靈、電路短路故障，傳感器自身在極寒工況可靠性大幅下降，無法穩定長期工作。

分布式特種低溫鎧裝光纖具備耐低溫脆化特性，在零下40℃特種低溫環境下光纖纖芯、外層護套不會發生硬化脆裂，光學傳輸性能穩定；光纖可以沿著管路外壁連續纏繞敷設，完整覆蓋管路直線段、彎頭、接頭以及換熱設備所有表面，實現管路與換熱設備全域連續溫度感知，不存在任何防凍盲區；光纖井下無源、無電子元器件，不受極寒低溫影響，長期運行穩定性強。光纖測溫主機配套低溫信號補償算法，抵消低溫帶來的光纖光信號傳輸損耗，保障極寒環境下測溫精度穩定；系統聯動伴熱裝置、回水變頻泵、循環旁通管路形成整套主動防凍體系，在管路區段溫度臨近冰點時提前啟動多重防凍措施，從根源上規避管路結冰凍脹故障。本文結合內蒙古高寒鄉鎮供暖站實地工程，研究光纖全域防凍系統整套技術體系。

2 寒區低溫特種光纖選型與管路敷設工藝

2.1 低溫耐脆化鎧裝光纖選型

常規不銹鋼鎧裝光纖外層塑料護套在零下20℃以下低溫會硬化變脆，管路輕微形變就會造成護套開裂、光纖損毀。寒區防凍專用光纖采用改性氟彈性體外護套，搭配不銹鋼波紋鎧裝內層，護套在-40℃低溫環境下依然保持柔韌特性，不會發生脆裂；光纖纖芯選用低溫低損耗特種石英光纖，降低極寒環境下的光傳輸損耗，保障長距離室外管網測溫精度穩定。

2.2 管路標準化光纖敷設工藝

對于露天硬質輸水鋼管：光纖采用螺旋纏繞方式均勻纏繞在管路外壁，纏繞間距15~20cm，使用耐高溫耐低溫防水膠帶固定光纖，外部包裹管路保溫巖棉+防水保護層，光纖緊貼管壁能夠精準感知管壁水體溫度；對于PE塑料支管、管路彎頭、三通管件：光纖緊密貼合管件外形輪廓全覆蓋敷設；板式換熱機組將光纖貼敷于換熱器板片外壁所有區域，覆蓋換熱器全部換熱流道對應外壁區域，實現換熱器全域測溫。光纖匯總接入機房測溫主機，主機接入熱泵機組PLC聯動控制系統。

3 光纖全域測溫聯動防凍控制邏輯算法

系統設置兩級防凍預警閾值：一級預警（水體溫度4℃）為預防性防凍閾值，二級預警（水體1℃）為緊急防凍閾值。

當光纖監測到管路任意區段溫度降至一級預警閾值，系統啟動一級防凍措施：提高循環回水變頻泵轉速，加快管路內部水體流動速度，依靠水體流動換熱避免局部滯流水體結冰；開啟管路薄弱區段伴熱絲低功率預熱。

若溫度持續下降至二級緊急預警閾值，系統啟動多重緊急防凍措施：伴熱絲滿功率啟動升溫；開啟供暖回水旁通管路，引入機房高溫回水快速流經低溫管路區段；同時上傳緊急防凍告警至運維平臺，提醒運維人員現場排查管路保溫破損等誘因故障。整套分級聯動防凍邏輯，可以做到提前預防性防凍，而非等到臨近結冰再被動處置，防凍安全性大幅提升。同時主機搭載低溫信號補償算法，根據環境溫度動態修正光纖光損耗帶來的測溫誤差，保障極寒環境測溫精度穩定在±0.5℃范圍內。

4 內蒙古高寒供暖站工程應用實測分析

選取內蒙古東部某鄉鎮集中式地源熱泵供暖站作為試驗對象，該供暖站覆蓋鄉鎮居民住宅共320戶，室外包含總長1800米露天輸水管道、4臺露天板式換熱機組，往年冬季采用單點傳感器防凍方案，每年冬季都會發生2~3次管路彎頭凍裂、換熱器冰堵故障，單次故障維修+供暖重啟成本平均超過3.5萬元，故障期間居民長時間中斷采暖。

在整套室外管網與換熱設備布設分布式低溫光纖全域防凍系統，設置兩級防凍聯動邏輯，經歷連續兩個冬季特種低溫考驗（冬季氣溫-31.6℃）。兩個采暖季期間，光纖系統累計觸發一級預防性防凍預警27次，均通過加快水體流動、低功率伴熱完成防凍，未觸發二級緊急防凍動作；整套室外管路、換熱機組無任何凍裂、冰堵故障發生，冬季系統故障停機率相較于往年下降91%，杜絕了冬季供暖中斷問題。運維人員通過光纖溫度曲線，可以精準定位管路保溫層破損導致的局部低溫區段，提前修補保溫層，從源頭減少防凍預警頻次，實現長效防凍運維。

5 系統現存短板與優化方案

長距離超大型管網光纖布線數量多，光纖線路后期檢修排查難度大，可以為每一路光纖增設獨立線路故障診斷模塊，光纖斷裂、損耗異常時系統自動報警定位光纖故障點；其次可以結合室外環境溫度時序大數據，構建環境溫度預判防凍模型，寒潮來臨之前提前開啟管網循環預熱，進一步提升特種寒潮天氣防凍安全性。

6 結論與行業推廣展望

適配寒區工況的低溫耐脆化鎧裝分布式光纖，可以沿室外管路、換熱設備全覆蓋敷設，實現管網與換熱設備全域連續溫度監測，解決傳統單點傳感器防凍盲區大、低溫下傳感器自身易失效的兩大行業短板；搭配低溫信號補償算法保障極寒環境下測溫精度穩定，依托分級式聯動防凍控制邏輯，實現管路結冰前置預防性防凍保護，從根源上規避室外管路凍脹破裂、換熱器冰堵停機故障。內蒙古高寒鄉鎮供暖站兩個完整冬季實測工程充分驗證，光纖全域防凍系統可以將寒區地源熱泵冬季設備故障停機率下降九成以上，保障高寒地區建筑冬季采暖連續性，大幅降低管路凍裂維修、系統重啟的高額運維成本。光纖無源長壽命的特性，能夠匹配地源熱泵數十年的服役周期，一次性敷設之后終身實現防凍在線監測，綜合長期運維經濟性優勢顯著。

未來可以將光纖管網防凍測溫系統與氣象寒潮預警平臺聯動，根據未來寒潮降溫預報提前啟動管網預熱防凍策略，實現超前化防凍保護；同時制定寒區地源熱泵室外管網光纖防凍敷設、聯動控制行業標準化規范，推動光纖全域防凍系統成為我國高寒地區地源熱泵項目的標配防凍方案，破除低溫凍裂故障對寒區淺層地熱能規模化推廣的制約瓶頸，讓清潔低碳的地源熱泵供暖模式在我國廣袤高寒區域大范圍落地普及，助力北方寒區清潔供暖雙碳轉型發展。