老旧存量水源热泵系统老化病害诊断与一体化改造提质增效方案研究

摘要

国内大量2010—2018年投建的浅层、中深层水源热泵设备现已进入运行中后期，管路腐蚀结垢、回灌通道堵塞、主机能效衰减、电控系统老旧失效、地层热失衡等多重老化病害集中爆发，系统供暖效率逐年下降，运维成本持续攀升。传统维修模式大多采用局部故障抢修方式，无法系统性解决综合病害，改造成本高且治标不治本。本文提出结合井下电视成像内窥检测技术、多参数地层监测系统对老旧热泵开展病害诊断，将病害划分为井筒类、主机设备类、电控运维类、地层水文类四大类别，针对不同病害等级构建应急抢修、中期提质改造、长期地层保护三位一体的分步改造方案。多个老旧小区地热热泵项目改造实践表明，一体化改造方案可将老旧系统制热COP提升25%以上，回灌稳定性恢复至设计标准，设备整体服役寿命延长6～8年，为国内海量存量水源热泵提质增效改造提供完整技术范式。

关键词：存量水源热泵；系统老化病害；井下电视成像；井筒病害检测；提质增效改造；分步运维方案

一、引言

在地热清洁能源规模化发展初期，北方各地大批住宅小区、公共建筑、产业园区配套建设了水源热泵供暖系统。受限于当时行业技术水平、建设造价管控要求，早期项目普遍存在井筒管材防腐等级不足、回灌系统无加压装置、缺少地层长期监测设备、电控系统自动化程度低等短板。经过十余年连续冬季高强度运行，各类老化问题集中显现。

很多运维单位采用“坏哪里修哪里"的碎片化维修方式，管路堵塞就临时洗井、主机效率低就更换部分配件，并未从井筒结构、地层水文、控制系统进行整体性诊断改造。短期故障被暂时解决，但底层病害持续发展，短时间内故障反复出现，年均运维检修费用逐年上涨，部分老旧项目因供暖效果差、回灌不达标面临关停风险。

井下高清成像系统可以直观观测井筒内壁腐蚀、滤水管堵塞、套管破损等内部问题，地层多参数监测设备能够量化地下水位、地层温度变化情况，二者结合形成老旧水源热泵内外一体化病害诊断体系。根据病害轻重分级改造，既可以规避一次性整体更换整套设备带来的巨额投资，又能由内到外系统性消除老化隐患，恢复系统设计工况，实现老旧地热项目长效稳定运行。本文围绕病害诊断方法、分级改造方案、工程应用效果展开系统性研究。

二、老旧水源热泵四大类典型老化病害及成因

2.1 井筒与管路类病害

井筒是水源热泵取水回灌的核心通道，早期普通钢制井筒常年处于高温高矿化水体环境，管壁出现点蚀、大面积锈蚀，滤水管被泥沙与矿物质水垢封堵；地面换热管路保温层老化开裂，热量沿途损耗严重；管路阀门密封件老化渗漏，系统水循环流量不足。这类病害会直接造成取水能力下降、换热热量流失、回灌堵塞加剧。

2.2 热泵主机本体老化病害

压缩机内部零部件长期磨损，换热板片、壳管换热器内壁结垢增厚，换热热阻急剧增加；主机原有散热、润滑系统性能衰减，同等取水温度下制热效率大幅下滑，机组为达到供暖负荷长期满负荷高频运行，耗电量显著提升，设备故障频次逐年增加。

2.3 电控与运维系统老化病害

早期热泵采用继电器式老旧电控柜，无变频负荷调节功能，机组只能启停式恒定功率运行，无法根据室外温度、地层出水温度自适应调节负荷；无远程监测运维平台，设备运行参数、故障信息无法远程获取，必须人员到场排查故障；缺少与水务监管平台对接的流量计量设备，存在政策合规风险。

2.4 地层水文长期性病害

长年累月无调控开采，地层出现热失衡、地下水位下降，回灌系统依靠自然压差运行，含水层孔隙被气体、泥沙堵塞，回灌量逐年衰减，形成“取水多、回灌少"的恶性循环，进一步加剧地层沉降与地热储层降温问题。

三、基于井下成像与地层监测的一体化病害诊断体系

3.1 井筒内窥成像检测

采用HO系列井下高清电视成像系统搭配自动排线绞车，探头沿着取水井、回灌井井筒全程下放拍摄，直观采集井筒套管腐蚀破损位置、滤水管堵塞程度、井筒变形、管外渗漏通道等直观影像资料，精准定位井筒病害点位，区分局部堵塞还是全段滤水管失效，判断井筒管材是否具备修复价值，避免盲目洗井带来的无效施工。

3.2 地层多参数状态监测

在井筒内布设短时高温水位、温度、压力监测传感器，连续采集3～7天地层动态数据，结合取水、回灌管路流量监测数据，判断地层是否存在热失衡、水位衰减、回灌堵塞趋势，区分是井筒硬件问题还是地层水文地质出现不可逆变化。

3.3 主机与电控系统性能检测

通过连续72小时满负荷工况运行，采集机组进出水温、电流、运行功耗，计算当前实际COP值，和设备出厂设计能效对比，量化主机老化衰减程度；对电控系统开展功能测试，检测保护逻辑、负荷调节能力、报警功能是否正常。

3.4 病害综合评级划分

根据检测结果将系统病害分为三级：一级轻微病害（局部管路结垢、电控元件老化，无地层损伤）；二级中度病害（滤水管大面积堵塞、主机能效大幅衰减、回灌量不足）；三级重度病害（井筒套管破损、地层不可逆热失衡、主机核心部件报废）。分级结果作为分步改造方案的设计依据。

四、三位一体分级提质改造方案设计

4.1 一级病害：应急保养式改造

以保养维修为主，低成本消除故障隐患。对管路进行化学除垢清洗，更换老化阀门与管路保温层；更换电控系统老化继电器、传感器元件，升级基础故障报警功能；对井筒开展简易水力冲洗，清理表层泥沙堵塞。改造工期短、投入小，保障系统本年度稳定运行，为中长期改造预留方案规划时间。

4.2 二级病害：中期系统性提质改造

对井筒滤水管进行修复或加装外置滤水筛管，加装加压回灌系统与井下排气装置，解决回灌堵塞问题；对热泵换热器进行深度化学清洗，加装变频控制系统，实现机组负荷自适应调节；更换老旧外置流量计，加装内嵌式超声流量计量设备，对接水务平台；搭建轻量化云端运维平台，实现设备远程监测与故障告警。该方案从井筒、主机、电控、合规运维四个维度系统性恢复系统性能。

4.3 三级病害：长期地层保护式深度改造

井筒腐蚀破损严重时开展井筒内衬防腐修复或者局部井筒重建；主机核心部件磨损严重则更换新型高效变频热泵主机；布设长期地层高温多参数监测系统，配套地层热失衡预警系统；改造取水井与回灌井布局，扩大渗水面积，形成加压等量回灌长效体系，从硬件到地层运维解决老旧系统根本性问题。

五、工程改造案例与运行效果分析

选取华北某建成12年的住宅小区水源热泵项目开展一体化改造，前期故障频发，供暖末端室温偏低，年均运维检修费用超过18万元，回灌量仅为取水量62%。首先利用井下成像设备检测发现回灌井滤水管大面积结垢堵塞、钢制井筒多处点蚀，主机换热器结垢严重、电控无变频功能，地层出现轻微降温型热失衡，综合评定为二级中度病害。

采取中期提质改造方案：井筒水力清洗+加装外置滤水管+配套加压回灌与排气系统；主机换热器化学清洗并加装变频模块；更换内嵌式超声水表并接入水务平台；搭建云端远程运维监测平台。改造完成后连续一整个供暖季监测，系统制热COP由改造前2.7提升至3.45，提升幅度27.8%；回灌量稳定维持在取水量98%以上，实现等量采灌；全年运维检修费用降至5.6万元，运维成本下降68.9%；设备运行故障频次大幅减少，同时流量数据自动上传水务监管平台，消除合规处罚风险。非供暖季依托地层监测系统观测地层温度回升状态，为后续年度运行负荷调控提供依据，整体设备服役寿命预计可延长7年以上。

六、改造方案现存问题及优化思路

本分级改造方案也存在一定局限：对于井筒深部大范围套管碎裂坍塌的重度病害，井筒修复施工难度大、改造成本高；部分小型老旧项目运营方资金有限，难以一次性完成中期提质改造。后续可以采用“分期改造+运维托管"模式，运维企业分年度分步完成系统改造，以逐年节省下来的运维费用抵扣改造工程款，降低项目方前期资金压力；将井下周期性内窥检测纳入年度运维标准，每年供暖结束后对井筒开展成像巡检，提前消除井筒堵塞、腐蚀等早期病害，避免病害发展为不可逆重度损伤；将地层监测预警系统与热泵变频电控联动，实现老旧系统智能化自适应运行，兼顾运行能效与地层保护。

七、结论

我国存量老旧水源热泵系统病害是井筒硬件老化、主机性能衰减、电控系统落后、地层水文长期失衡多重因素共同作用的结果，碎片化故障抢修模式无法解决根本性问题。依托井下电视成像内窥检测技术完成井筒内部病害可视化排查，结合地层多参数监测系统判断地下储层状态，能够实现老旧系统精准化病害诊断。按照病害轻重程度划分应急保养、中期提质、长期地层保护三级一体化改造方案，可以兼顾改造成本与改造效果，避免盲目整体更换设备带来的高额投资。

工程实践证明，分级一体化改造方案能够有效恢复老旧水源热泵换热能效、解决长期回灌堵塞难题、补齐电控运维短板、满足水务数字化监管合规要求，大幅降低长期运维成本，延长整套地热系统服役寿命。针对资金不足的小型老旧项目采用分期改造运维托管模式，能够进一步拓宽改造方案适用范围。存量热泵提质改造是盘活现有地热基础设施、推动地热资源可持续利用的重要路径，契合清洁供暖节能增效的政策导向，具备在全国大范围推广应用的工程价值。

中深层地热井高温多参数感知设备行业关键词汇总

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中深层地热监测设备、高温多参数感知设备、地热井高温传感器、地热成套监测系统、地热井在线监测装置、高温水位监测仪、地热井多参数采集设备、地热井下感知系统、地热井传感监测成套设备

二、细分监测参数关键词

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三、产品工况与性能特征

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四、硬件配套组件

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五、软件平台系统

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六、应用场景与井型

中深层水热型地热井、地热供暖井、地热回灌井、地热群井开发、县域集中供热项目、复合热泵地热场站、CCER地热碳减排项目、地热示范工程、存量地热井改造、新建地热井配套、干热岩试验井

七、政策与行业规范

地热资源监测规范、采灌均衡管控、地下水保护、地热取水许可、清洁供暖改造、双碳战略、碳减排核查、地质灾害防控、地面沉降监测、地热项目环保验收、全域地热监管、可再生能源监测标准

八、市场规模与行业赛道

地热监测设备市场、地热传感细分赛道、存量井改造市场、新建地热增量市场、政府集采、进口替代、国产高温传感设备、地热装备高景气赛道、设备运维售后市场

九、行业价值与需求痛点

采灌平衡管控、储层水位监测、防止地层串层、保护深井热水泵、降低运维成本、规避超采处罚、消除人工监测数据断层、替代人工测井、地热资源可持续开发、零碳供热配套监测

十、区域市场关键词

京津冀地热市场、山西地热供暖、山东地热监测、陕西关中地热田、河南中原地热、雄安地热示范项目、西安全域地热改造、北方清洁供暖片区

地热井高温水位监测方案

一：项目要求：

近日中石油和中石化地热能单位，向我司咨询地热井高温水位监测方案，要求如下：地热温度100℃左右，氯离子20000毫克/升、线缆长度100米PH值5～6，腐蚀性强，矿化度也比较高，目前河南地区使用，请大家评估预算。线缆进入井中长度100左右，然后地面50—60米进入控制室，按照200米线缆设计。绑在泵管，冬季供暖、夏季制冷监测液位。

地下热水测量液位，由于安装不便，井下有热气，因此手用雷达或者超声波液位计都难以解决液位测量问题。

二：应用领域图

地热井   温泉水等

三：压力传感器设计以及外壳

压力传感器我司专门设计研发，采用新型绝缘硅技术以及耐高温传感器内部填充液，产品可在-45℃----﹢150℃内可靠工作，能够在-25℃--100℃内长期承受高温湿热环境。

传感器外壳采用316L不锈钢材质设计，能够承受水中CL-离子和安装现场PH小于5-6的耐酸性水的侵蚀以及PH大于8耐碱性的水的侵蚀，同时采用传感器全焊接型结构，安全可靠，避免有机物密封材料长期工作时老化实效导致传感器简介损坏。

压力传感器尺寸：

实物图：

四：传感器电路设计特殊要求

传感器采用标准的模拟信号4-20mA输出   传输距离抗干扰型好，普通的液位传感器电路无法满足高温工作环境，只能在-25-85度范围下工作，电路板上器件包含PCB板材料都仅能在一般工艺场合下使用，我们先用-55-150度范围工作的工业级器件  进行精密补偿，可以有效避免高温对电路板以及元器件的损害。高温型电路板现已广泛应用于航海领域  地热探究等项目。

高温测试试验图设备：

特殊电缆设计

电缆采用特殊耐高温  耐腐蚀的PTFE特殊线缆，线缆由由外皮和内芯外皮组成，中间加有2芯钢丝，内置特殊出气管，不会由于长期的拉力或者湿气等导致线缆外径发生变化。

特殊PTFE俗称铁氟龙、特氟龙、泰富龙。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。能在+260度至-196度的温度下连续工作。广泛应用于化工、电子 、电器在，桥梁、纺织、机械和通迅设备行业。

特殊PTFE线缆特性

1.耐腐蚀性：PTFE几乎不受任化学药品与溶剂的腐蚀，可以保护零件免于遭受任何种类的化学腐蚀。
2.绝缘性：PTFE具有很强的介电性能（介电强度为10KV/mm）
3.耐能性:具有优良的耐热和耐低温特性.一般在-196度至-260度之间可以连续使用,它可以在冷冻温度下工作而不脆化,在高温下不熔化
4.润滑和耐磨性:PTFE具有较低的摩擦系数.负载滑动时摩擦系数产生变化,但数值仅在0.05-0.15之间,正是由于其具备较强的润滑性从而在耐磨上也表的很突出.
5.耐大气老化性,耐辐照性和较低的渗透性:长期暴露于大气中表面及性能保持不变.

TD-016C型微功耗自动采集系统云平台介绍

我司这套系统可通过云平台查看数据报表，并可实现微信小程序查看。详见我司NB-GPS微功耗采集系统内容。

云数据查看链接:121.42.42.5(注意:请使用 360 浏览器并且在极速模式 下打开)

云平台界面：

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)

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 GPRS 无线传输至 WEB 端网络;单总线结构，可扩展 128 个点;进口 18B20 高精度传感器，在 10-40 度范围内，精 度在 0.1-0.2 度)

3.0-3000 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) 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)

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：分布式光纤温度监测系统细分两大类:1.井筒测试 2.井壁测试)

5.0-1200 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 110 摄氏度)

6.0-7000 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)

7. 0-200米地埋管地源热泵系统热响应测试（有车载式／便携式／组合式三种）

有此类深井地温项目，欢迎新老客户朋友垂询!

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