双碳目标下多年冻土区浅层地热开发监测体系构建与工程应用

【资料简介】

双碳目标下多年冻土区浅层地热开发监测体系构建与工程应用

摘要

双碳战略推动浅层地热能在高寒冻土地区推广应用，但冻土特殊地质条件，对地热开发过程地质环境保护提出更高要求。地热开发必须建立优化监测体系，管控地层温度扰动，防范冻土退化、融沉等地质环境风险。本文梳理冻土区地源热泵开发地质环境风险；构建涵盖换热井性能监测、地层地温长期观测、冻土环境风险预警完整监测体系；介绍北京鸿鸥成运仪器设备全链条软硬件产品组合，包含现场传感器、野外采集终端、云平台、数字孪生分析软件；结合青藏高原寒区示范项目，介绍监测体系落地实施效果；提出冻土区浅层地热开发监测标准化建议，为寒区地热绿色开发提供技术参考。

关键词：双碳；多年冻土；浅层地热能；地源热泵；地质环境监测；地热开发；风险预警

0 引言

在双碳战略背景之下，浅层地热能作为清洁低碳的可再生能源，在建筑供暖领域得到越来越多重视。在内地非冻土区域，地源热泵技术已经形成成熟产业链。而在青藏高原等高海拔多年冻土区，浅层地热开发起步相对较晚。冻土属于对热量扰动极其敏感的特殊地质体，地源热泵取放热会改变地下原始热平衡，如果开发管控不当，会引发冻土融化、地面融沉、生态退化等一系列地质环境问题。

所以冻土区浅层地热开发，不能直接照搬内地开发模式，必须坚持“开发与保护并重”，建立配套地质环境监测体系，把地质环境风险管控贯穿地热项目全生命周期。监测工作不只是监测热泵设备运行状态，更要监测地下冻土地层环境变化。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司形成传感器‑采集终端‑云平台‑数字孪生软件整套冻土地热监测软硬件产品，服务寒区地热项目。本文针对多年冻土区浅层地热开发完整监测体系构建开展研究。

1 冻土区浅层地热开发主要地质环境风险

1.1冻土融化融沉风险

冷热负荷不平衡，长期取热大于回热，地下热量持续亏空，换热井周边冻土不断融化，土体内部冰体消融，产生融沉沉降，威胁建筑、构筑物基础安全。

1.2冻土上限下移，生态退化

大范围冻土融化会改变区域地下水径流条件，造成地表植被退化，高寒生态系统受损。

1.3换热井井筒冻融损坏

地层反复冻胀融沉，造成换热套管变形、开裂，换热井使用寿命衰减，发生换热介质泄漏。

1.4热污染扩散

换热井热量向外持续扩散，扰动周边天然冻土地层，对临近道路、管线等既有工程产生间接影响。

上述风险演化大多是缓慢长期过程，短期难以肉眼察觉，只有依靠系统、长期自动化监测，才能做到早发现、早干预。

2 冻土区浅层地热完整监测体系构建

监测体系分为三大部分：换热井系统性能监测、外围冻土地层环境监测、平台风险分析预警。

2.1换热井系统性能监测

监测地埋管进出口水温、循环流量、系统压力、机组启停状态。用来评价地源热泵换热系统本身运行性能，判断换热效率衰减情况。

2.2冻土地层地质环境监测

这是冻土地热项目区别普通地热项目的核心内容。

1）换热井周边分级地温观测孔：距离换热井不同距离布设观测钻孔，分层监测地层温度，捕捉冻土融化圈扩张范围，掌握冻土上限变化；

2）重点工程建筑物周边布设监测点位，评估地热开发对既有建构筑物的扰动；

3）条件允许时增加土体变形监测，同步监测融沉变形发展。

2.3软件平台风险分析预警

采用北京鸿鸥成运云监测平台+2D/3D数字孪生软件。接收全部传感器监测数据，完成数据存储、曲线展示、温度场仿真渲染；设置多级风险阈值，实现冻土融化风险自动预警；支持历史数据回溯、趋势预测、监测报告自动导出。

整套硬件设备包含分层铠装测温电缆、流量压力传感器、多参数野外采集控制柜，支持太阳能无市电野外工况，硬件全部针对高寒冻土环境做防腐耐低温优化。

3 示范工程体系落地应用

青藏高原某建筑浅层地源热泵供暖示范项目，项目位于高温多年冻土区，地质环境脆弱。项目建设阶段同步配套建设完整监测体系。

系统部署换热井管路监测传感器，同时在换热井3m、8m、15m位置布设三组地温观测孔，实现地层温度长期观测；全部数据接入鸿鸥成运云平台与数字孪生系统。

项目投入运行之后，通过监测数据发现，夏季排热阶段换热井近区出现局部冻土融化，但外围8m以外观测孔冻土状态保持稳定；年度整体热量存在小幅取热大于回热的热失衡趋势。平台给出黄色风险提醒。运维单位根据监测反馈，调整机组运行策略，减少连续高负荷供暖时长，采取辅助散热补偿地下热量，控制融化圈向外扩张。

本项目证明，完整监测体系可以实现地热开发过程冻土环境动态监管，实现开发与保护兼顾。

4 冻土区浅层地热开发监测标准化建议

1、项目前期设计阶段就要同步开展监测方案设计，监测孔与换热井同步施工，不要项目建成之后再补做监测。

2、观测孔分级布置，距离换热井由近到远分层布设，评估融化圈向外扩展规模，不能仅仅只监测换热井内部。

3、监测周期：施工调试期、运营初期至少连续监测2‑3个完整冻融循环；项目全运营周期保留常态化监测。

4、硬件选型必须适配高寒冻土工况，传感器、线缆、采集终端优先选用经过冻土工况验证的成套设备。

5、建立监测数据定期分析制度，根据监测结果动态调整热泵运行策略，出现冻土融化风险及时干预处置。

6、地热项目环评、验收环节，应当将冻土地质环境监测成果作为重要评价依据。

5 结论

（1）双碳目标推动浅层地热能向多年冻土区推广，冻土热敏感性强，地热开发存在冻土融化、融沉沉降、生态扰动等地质环境风险，必须建立完整地质环境监测体系。

（2）监测体系不能只关注热泵设备本身，外围地层地温观测是冻土地热监测的核心；北京鸿鸥成运提供传感器‑采集‑云平台‑数字孪生一体化软硬件方案，支撑冻土地热项目全生命周期监测。

（3）示范工程证明，依靠监测体系可以动态掌握冻土地层扰动情况，及时开展运行调控，实现冻土区浅层地热资源绿色安全开发。

（4）建议推动冻土区浅层地热监测标准化，监测工作前置到设计阶段，将监测成果作为项目验收与运行管控的重要依据。

 

 

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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。

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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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