冻土区地源热泵运行下地层温度场演化监测研究

【资料简介】

冻土区地源热泵运行下地层温度场演化监测研究

摘要

多年冻土区投入地源热泵系统，埋管取放热会改变地下原始热平衡，极易诱发冻土融化、融沉沉降等地质风险，必须开展长期连续地层温度监测。本文分析地源热泵取热‑放热交替工况下冻土地层热迁移机理；采用北京鸿鸥成运模块化多点测温电缆，对换热井全井段开展分层连续温度观测；分析热泵不同运行周期条件下不同深度地层升、降温变化特征；讨论热泵长期运行对冻土上限扰动风险；依托HO系列云监测平台完成温度时序数据存储、曲线分析与风险预警；提出冻土区地源热泵系统运行管控建议，规避冻土融沉地质灾害，为寒区浅层地热工程安全运维提供技术参考。

关键词：多年冻土；地源热泵；地埋管换热；地层温度场；冻土融沉；地热监测；地层热扰动

0 引言

双碳背景之下，浅层地源热泵逐步向高海拔寒区推广应用。多年冻土属于热敏感性强的特殊地质介质，地下岩土长期维持负温状态。地源热泵冬季从地下抽取热量用于建筑供暖，夏季向地下回灌热量，埋管周边地层温度场将被持续扰动。若取热过度，换热井周边冻土大规模融化，会产生融沉变形，造成建筑基础沉降、换热井套管变形损坏，严重威胁建筑与换热系统安全。

内地普通非冻土区域地源热泵监测经验不能直接复制到冻土工程。冻土区地源热泵不仅要监测热泵设备本身运行参数，更要重点监测外围冻土地层温度演变，掌握冻土融化范围、冻土上限变化情况。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司针对冻土‑地源热泵耦合工况，开发成套多参数监测装备，实现换热系统与地层地温同步监测。本文依托示范工程监测数据，研究热泵运行条件下冻土地层温度场演化规律。

1 冻土区地源热泵热扰动机理

多年冻土地层内部含有大量固态冰体，地层温度略低于0℃。地埋管换热器和周边岩土持续发生热量交换。冬季供暖工况，热泵提取地下热量，埋管周边岩土温度进一步降低，冻土冻结程度加剧；夏季制冷工况，向地下排入热量，埋管周边土体温度升高，当温度突破0℃之后，地下冰发生融化，产生相变，土体体积收缩，出现融沉。

实际工程建筑冷热负荷往往不平衡，高寒地区建筑冬季供暖需求远大于夏季排热需求，长期存在取热大于回热的热失衡现象。逐年累积的热量亏空，会造成融化圈不断向外扩张，冻土上限持续下移。这种扰动是缓慢累积的过程，短期现场肉眼难以察觉，只有依靠长期自动化监测才能够及时识别风险。

地层热扰动受换热井深度、冷热负荷、岩土含水率、原始地温条件共同控制。高‑温多年冻土区地层对地源热泵扰动最为敏感，很小的热量输入就会引发大规模冻土融化，工程风险最高。

2 监测系统总体架构

本示范工程监测系统由井下地层测温单元、热泵管路参数采集单元、野外采集控制柜、云平台四部分组成，全部硬件来自北京鸿鸥成运HO系列监测成套设备。

地层测温单元：模块化铠装多点测温电缆，测温节点按5m间隔布设，监测深度0‑120m，覆盖活动层与多年冻土层。分别在换热井周边3m、8m位置布设2组观测钻孔，用来监测融化圈向外扩展的过程。传感器采用316L不锈钢防腐封装，适应冻土盐渍化地下水环境，耐‑40℃低温。

管路监测单元：传感器采集地埋管侧进出口水温、循环流量、系统压力，记录热泵机组启停、制热制冷工况切换全过程运行参数。

地面采集控制柜：工业级低温RTU，支持Modbus‑485协议，太阳能锂电池供电，适配现场无市电野外工况。采集数据通过NB‑IoT上传HO云监测平台，平台实现数据存储、曲线绘制、超限告警。当观测孔地层温度持续高于0℃，系统自动推送冻土融化风险预警。

3 工程实例监测结果分析

示范项目位于多年冻土边缘地带，建筑采用竖直地埋管地源热泵，换热井深度100m。完整采集一个供暖‑制冷完整年度监测数据。

冬季供暖期，系统持续抽取地下热量，换热井近区地层温度下降，冻土进一步冻结，观测孔全部地层维持负温，无融化现象。进入夏季，建筑制冷模式向地下回灌热量，换热井管壁附近地层温度快速上升至0℃以上，地下冰开始融化。距离换热井3m的观测孔出现明显升温，8m处观测孔温度变化幅度微弱。

从全年时序曲线可以看出：融化主要集中在换热井周边小范围区域；夏季排热结束后，冬季低温条件下，部分融化土体可以重新回冻；但在冷热负荷不平衡条件下，每年都会留存一部分未回冻的融化土体，逐年累积，融化半径缓慢扩大。

不同深度表现差异明显：浅层活动层受地表气温与换热双重影响，温度波动最大；深部多年冻土层热传导慢，温度响应滞后，扰动显现周期更长。

对比发现，如果仅仅监测换热井内部管路温度，无法判断外围冻土融化范围，必须依靠外围独立观测钻孔，才能够评估地层热扰动风险。

4 冻土区地源热泵主要风险识别

第一，长期热失衡风险。供暖取热总量大于夏季回热，地下热量持续亏损，融化圈逐年向外扩张，诱发大范围融沉。

第二，季节性反复冻融。每年夏季融化、冬季回冻，土体反复冻融循环，造成套管疲劳损伤，降低换热井使用寿命。

第三，局部点位过热融化。机组大功率运行，短时间集中排热，造成局部冻土快速融化。

依靠监测平台设置多级阈值告警：地层温度接近0℃作为预警阈值；地层持续大于0℃超过设定时间，判定为冻土融化风险，提示运维人员调整机组运行策略。

5 基于监测数据的系统运行管控建议

1、必须设置外围独立地温观测孔，不能只监测换热井内部温度；观测孔距离换热井3‑10m分级布设，掌握融化圈扩张规模。

2、建立年度热量平衡台账，统计全年取热、排热总量，尽量实现地下热均衡；高寒供暖主导项目，可配套辅助散热装置，抵消地下热量亏空。

3、依托自动化监测平台，结合地层温度变化动态调整热泵运行时长，当出现持续冻土融化时，及时降低机组负荷。

4、项目全生命周期持续开展监测，至少保留2‑3个完整冻融循环周期的连续监测数据，作为地热系统安全评价依据。

6 结论

（1）冻土区地源热泵运行会显著改变地下原始温度场，夏季排热容易造成周边冻土融化；在冷热负荷失衡条件下，融化范围会逐年累积扩张，带来融沉地质隐患。

（2）北京鸿鸥成运成套监测系统，可同步采集热泵运行参数与外围地层分层地温，实现冻土融化风险自动预警，弥补传统只监测设备不监测地层的短板。

（3）仅依靠换热井内部参数无法评估冻土扰动，外围分级地温观测孔是冻土区地源热泵监测的组成部分。

（4）冻土区地源热泵工程，应基于长期监测结果动态调控机组运行，维持地下热平衡，规避冻土退化带来地质灾害。

冻土监测全套汇总关键词

冻土路基方向

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寒区地源热泵方向

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硬件装备（北京鸿鸥成运HO系列）

模块化分层测温电缆；PT1000高精度地温探头；316L/钛合金防腐传感器；野外低功耗NB‑IoT RTU；太阳能野外供电套件；铠装耐低温线缆；一体化地热监测控制柜；485 Modbus采集模块；井下高清成像探测系统

软件&数字孪生方向

地温云监测平台；2D/3D数字孪生；BIM虚实映射；地层温度场仿真；AI风险预警；时序数据存储；热平衡测算；井筒病害可视化分析

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寒区岩土工程；冻土工程监测；原位热物性测试；地热换热井完整性检测；地源‑冻土耦合系统；地质环境风险管控；寒区地热智慧运维

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

4.0-2000米NB型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

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