地埋管地源热泵地下管路泄漏故障智能识别与定位技术研究

地埋管地源热泵地下管路泄漏故障智能识别与定位技术研究

摘要

地埋管换热管路深埋于地下岩土层当中，受地质不均匀沉降、地下尖锐硬质岩土穿刺、管材长期老化疲劳、前期施工焊接缺陷等多种因素影响，极易发生换热介质渗漏故障。管路泄漏会造成换热介质持续流失、周边土壤含水率异常突变、地埋管换热效率断崖式下跌，传统运维手段依靠人工分段试压排查、大面积开挖检修，漏点定位效率低、检修开挖成本高昂，还会破坏原有地层岩土换热结构，加剧后续换热性能衰减。本文提出融合管路进出口流量差值监测、管内压力波动波形特征分析、分布式光纤温度传感三种监测手段相结合的复合式泄漏识别与精准定位系统，建立不同泄漏程度下压力波形特征数据库，结合光纤温度沿线异常温度点位锁定漏点空间位置。通过室内管路泄漏模拟试验以及室外埋管试验区长期实测验证，该系统能够识别微小缓慢渗流泄漏以及突发性管路爆裂泄漏两种故障类型，漏点定位误差可以控制在1米范围之内，无需大范围土方开挖即可定点开挖检修管路，极大降低地埋管运维检修综合成本，对于存量大规模埋管式地源热泵系统故障智能化运维工作具备工程应用价值。

关键词：地埋管泄漏；光纤测温；压力波形识别；故障定位；埋管运维；换热系统故障诊断

一、引言

闭式地埋管换热系统是浅层地源热泵的核心换热单元，大量PE换热管道以竖直埋管或者水平埋管形式埋藏于地下数十米岩土体内部，依靠管道内部换热介质与地层岩土完成热量交换，实现建筑供暖与制冷功能。地埋管管路服役周期普遍设计为50年，但受施工质量、地质环境、管材老化、外部施工破坏等因素影响，不少投入运行十几年的存量地源热泵项目陆续出现管路泄漏问题。

地埋管泄漏分为两种故障形态：一是微小缓慢渗漏，管路出现细微裂纹，换热介质缓慢渗入周边土壤，流量、压力变化幅度小，前期难以被运维人员察觉，长期渗漏会造成管路介质不足、换热效率逐年缓慢下降；二是突发性管路爆裂泄漏，管路压力骤降、进出口流量差值急剧变大，热泵系统短时间丧失换热能力，建筑供暖制冷直接瘫痪。

传统埋管检漏方式为逐环路水压分段试压，通过关闭不同环路阀门、单独打压观测压力衰减情况，确定泄漏环路之后，依靠施工经验大范围开挖寻找漏点。该方式不仅耗时耗力、检修工期长，大面积开挖还会扰动周边地层原有温度场与土体结构，造成周边完好管路换热性能下降，很多存量项目因为埋管检漏成本过高，被迫放弃部分埋管环路，降低整套系统换热能力。针对埋管检漏行业痛点，本文整合流量监测、压力波形分析、分布式光纤测温技术，构建复合式智能检漏定位系统，实现泄漏故障早期识别、漏点精准定位。

二、地埋管泄漏故障三类监测原理分析

2.1 进出口流量差值监测原理

正常完好的地埋管环路，管路进口瞬时流量与出口瞬时流量基本保持一致；管路发生泄漏时，部分换热介质从破损位置渗入地下土壤，出口流量小于进口流量，进出口流量差值与泄漏量呈现正相关关系。通过高精度流量传感器实时采集环路进出口流量数据，设置流量差阈值，可以初步判定环路是否存在泄漏故障，区分微小渗漏与大流量爆裂泄漏。

2.2 管路压力波动波形识别原理

换热介质在密闭管路内流动具备稳定压力波形特征；当管路出现破损泄漏，介质从漏点向外喷射会形成压力反射波，压力反射波沿着管路向两端传播，压力传感器捕捉到压力波形畸变信号。不同泄漏孔径大小、不同泄漏位置产生的压力波形畸变特征，通过大量模拟泄漏工况建立压力波形特征数据库，采用波形匹配算法，能够根据压力畸变波形推算漏点距离管端的长度。

2.3 分布式光纤温度传感定位原理

将光纤沿着地埋管外壁同步埋设，光纤可以连续感知管路沿线岩土温度变化。管路破损泄漏后，温度不同于地层土体的换热介质向外渗漏，造成漏点周边土体温度出现明显异常波动，光纤温度曲线会出现局部温度突变尖峰，尖峰位置即为漏点所处空间位置，实现漏点横向、纵向精准定位。

三类监测技术互相补充：流量差判定是否泄漏、压力波形粗略计算漏点距离、光纤温度实现高精度空间定位，三者融合实现高效精准检漏。

三、复合式泄漏识别定位系统整体架构

整套系统分为前端感知硬件、边缘数据分析终端、运维监控平台三层结构。前端硬件包含每一路地埋管环路进出口高精度流量变送器、管路压力传感器、沿管路布设的分布式测温光纤；边缘终端内置压力波形数据库、波形匹配算法、温度异常识别算法，实时采集流量、压力、光纤温度三类数据，完成实时运算分析。当流量差值超过预警阈值时，系统调取压力波形开展匹配分析，初步测算漏点长度区间，再结合光纤温度突变点位锁定漏点精确位置，将泄漏环路、漏点坐标、泄漏严重程度上传至运维监控平台，推送检修预警信息。运维人员根据平台给出的精准坐标定点开挖检修，无需大面积开挖试探。

四、模拟试验与现场试验区测试结果

首先搭建室内长距离埋管模拟管路平台，分别设置微小渗漏（0.2L/min）、中度渗漏、管路爆裂三种泄漏工况开展重复试验。系统对三类泄漏故障识别准确率达到100%，压力波形测算漏点长度误差在3m以内，光纤测温二次定位后，漏点定位误差缩小至1m以内。随后选取园区室外水平埋管试验区开展为期半年现场实测，人为设置三处隐蔽漏点，系统全部提前识别故障并精准给出开挖点位，定点开挖直接找到漏点完成修补，检修开挖土方量相比传统试压开挖方式减少85%以上，检修工期大幅缩短，周边地层土体结构几乎不受扰动，完好管路换热性能无明显变化。

五、系统现存不足与优化方案

当前系统存在两处短板：对于多条管路近距离并行埋管区域，压力反射波形存在相互干扰现象，会小幅降低压力波形测距精度；分布式光纤前期管路铺设阶段需要同步施工，存量老旧埋管项目没有预埋光纤无法直接使用。针对短板优化方案：对于并行管路增设压力波形时序滤波算法，消除相邻管路波形干扰；针对存量无光纤埋管，可采用井下内窥式压力检测探头进入管路内部，分段采集压力波形实现漏点定位；后期将检漏系统与热泵机组电控系统联动，检测到爆裂泄漏故障时自动关闭环路进出口阀门，减少换热介质大量流失。

六、结论

地埋管管路深埋地下的结构特性，导致传统试压开挖检漏方式存在漏点定位差、检修开挖成本高、易破坏地层换热结构等弊端，微小渗漏长期隐蔽运行还会逐步加剧换热性能衰减，影响地源热泵系统长期稳定运行。流量差值监测、管路压力波形特征分析、分布式光纤温度传感三类监测技术各自具备检漏优势与短板，将三者融合构建复合式智能泄漏识别定位系统，可以发挥技术协同优势，首先依靠流量差值完成泄漏故障初步筛查，通过压力波形完成漏点距离粗定位，最终利用光纤沿线温度异常点位实现漏点高精度空间定位。

室内模拟管路试验与室外埋管试验区实测结果证明，该复合式检漏系统能够全覆盖识别微小缓慢渗漏、突发性管路爆裂两类泄漏故障，漏点定位误差控制在1米范围内，实现定点开挖检修，大幅降低土方开挖工程量、缩短故障检修工期，同时避免大面积开挖扰动地层土体结构、损伤完好换热管路。对于新建地埋管项目，可以在管路施工阶段同步预埋光纤硬件，实现埋管全生命周期泄漏智能监测；对于存量老旧埋管环路，可以采用管路内窥压力检测方案完成检漏改造。该智能检漏定位系统解决了长期以来地埋管泄漏运维的行业痛点，为大规模存量地源热泵系统长效、智能化运维提供了可靠的技术手段，有助于延长地埋管换热系统整体服役寿命，保障浅层地源热泵长期换热稳定高效运行。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求