寒区低温环境下地源热泵室外管路与换热设备光纤测温防冻保护系统研究

寒区低温环境下地源热泵室外管路与换热设备光纤测温防冻保护系统研究

摘要

我国东北、内蒙古、新疆等高纬度高寒寒区冬季特种气温可达-25℃至-35℃，地源热泵室外输水管道、分集水器、板式换热机组、露天输送管网极易出现管内水体结冰、管路冻胀破裂、换热器流道冰堵等故障，造成整套建筑冷暖联供系统冬季供暖全面停机瘫痪，冻裂管路维修、系统重启恢复成本高昂，严重影响严寒地区建筑冬季采暖保障。传统防冻方案依靠在管路关键点位布设单点电子温度传感器，仅能监测有限测点温度，管路弯头、长距离埋地支管、换热器内部狭小流道等隐蔽区域极易出现局部低温结冰，单点传感器无法覆盖这些防冻盲区。分布式光纤可以沿着室外管路外壁连续缠绕敷设，完整覆盖整条管网、换热设备所有结构面，实现管路与换热设备全域连续温度监测；系统实时捕捉管路任意区段温度接近冰点阈值时，联动管路伴热保温装置、热泵机组回水变频调速机构、旁通循环管路，提前启动防冻保护动作，规避结冰冻裂故障。本文针对寒区特种低温工况，研究低温耐脆化特种铠装光纤选型、管路光纤标准化敷设固定工艺、光纤联动防冻控制逻辑算法；选取内蒙古高寒乡镇集中式地源热泵供暖站作为实地应用案例，搭建光纤测温全域防冻联动系统，经历两个完整冬季特种低温运行周期，整套室外管路与换热设备未发生任何冻裂、冰堵故障，相较于传统单点传感器防冻方案，设备冬季故障停机率下降91%。本文同时分析低温环境下光纤光传输信号损耗规律，设计测温主机低温信号补偿算法，解决低温工况光纤信号衰减、测温精度漂移问题，为高寒寒区地源热泵规模化落地推广筑牢管路设备防冻安全技术保障体系。

关键词：分布式光纤测温；高寒寒区；地源热泵；室外管路防冻；全域温度监测；联动防冻保护；低温光纤补偿算法

1 引言

高纬度寒区冬季漫长且特种低温天气频发，浅层地源热泵凭借稳定节能的优势，成为乡镇、偏远园区冬季集中供暖的优选方案。地源热泵系统分为地下地层换热埋管系统、机房换热机组系统、室外输水管网系统三大组成部分，地下埋管常年处于地层恒温环境，不存在冻裂风险；而露天敷设、浅地表埋设的室外输水管道、机房露天板式换热器、分集水器等设备，长期暴露在零下二三十摄氏度的极寒环境中，管道内部循环水体一旦温度降至冰点以下，水体结冰体积膨胀会直接撑裂管路管壁，换热器狭小流道会被冰块堵塞，造成整套供暖系统瘫痪。

现阶段寒区地源热泵室外管路主流防冻模式为“单点温度传感器+电伴热保温"，运维人员在管路直线段每隔数十米安装一支电子温度传感器，设置冰点预警温度，传感器监测温度低于阈值之后开启管路伴热丝升温防冻。该方案存在两大致命短板：第一，监测点位离散化，管路弯头、三通接头、向下埋地支管、换热器内部流道属于监测盲区，这些区域水体流动性弱、散热更快，极易在传感器测点温度未达预警值时局部结冰；第二，低温环境下电子传感器电路板极易出现低温性能衰减、测温失灵、电路短路故障，传感器自身在极寒工况可靠性大幅下降，无法稳定长期工作。

分布式特种低温铠装光纤具备耐低温脆化特性，在零下40℃特种低温环境下光纤纤芯、外层护套不会发生硬化脆裂，光学传输性能稳定；光纤可以沿着管路外壁连续缠绕敷设，完整覆盖管路直线段、弯头、接头以及换热设备所有表面，实现管路与换热设备全域连续温度感知，不存在任何防冻盲区；光纤井下无源、无电子元器件，不受极寒低温影响，长期运行稳定性强。光纤测温主机配套低温信号补偿算法，抵消低温带来的光纤光信号传输损耗，保障极寒环境下测温精度稳定；系统联动伴热装置、回水变频泵、循环旁通管路形成整套主动防冻体系，在管路区段温度临近冰点时提前启动多重防冻措施，从根源上规避管路结冰冻胀故障。本文结合内蒙古高寒乡镇供暖站实地工程，研究光纤全域防冻系统整套技术体系。

2 寒区低温特种光纤选型与管路敷设工艺

2.1 低温耐脆化铠装光纤选型

常规不锈钢铠装光纤外层塑料护套在零下20℃以下低温会硬化变脆，管路轻微形变就会造成护套开裂、光纤损毁。寒区防冻专用光纤采用改性氟弹性体外护套，搭配不锈钢波纹铠装内层，护套在-40℃低温环境下依然保持柔韧特性，不会发生脆裂；光纤纤芯选用低温低损耗特种石英光纤，降低极寒环境下的光传输损耗，保障长距离室外管网测温精度稳定。

2.2 管路标准化光纤敷设工艺

对于露天硬质输水钢管：光纤采用螺旋缠绕方式均匀缠绕在管路外壁，缠绕间距15~20cm，使用耐高温耐低温防水胶带固定光纤，外部包裹管路保温岩棉+防水保护层，光纤紧贴管壁能够精准感知管壁水体温度；对于PE塑料支管、管路弯头、三通管件：光纤紧密贴合管件外形轮廓全覆盖敷设；板式换热机组将光纤贴敷于换热器板片外壁所有区域，覆盖换热器全部换热流道对应外壁区域，实现换热器全域测温。光纤汇总接入机房测温主机，主机接入热泵机组PLC联动控制系统。

3 光纤全域测温联动防冻控制逻辑算法

系统设置两级防冻预警阈值：一级预警（水体温度4℃）为预防性防冻阈值，二级预警（水体1℃）为紧急防冻阈值。

当光纤监测到管路任意区段温度降至一级预警阈值，系统启动一级防冻措施：提高循环回水变频泵转速，加快管路内部水体流动速度，依靠水体流动换热避免局部滞流水体结冰；开启管路薄弱区段伴热丝低功率预热。

若温度持续下降至二级紧急预警阈值，系统启动多重紧急防冻措施：伴热丝满功率启动升温；开启供暖回水旁通管路，引入机房高温回水快速流经低温管路区段；同时上传紧急防冻告警至运维平台，提醒运维人员现场排查管路保温破损等诱因故障。整套分级联动防冻逻辑，可以做到提前预防性防冻，而非等到临近结冰再被动处置，防冻安全性大幅提升。同时主机搭载低温信号补偿算法，根据环境温度动态修正光纤光损耗带来的测温误差，保障极寒环境测温精度稳定在±0.5℃范围内。

4 内蒙古高寒供暖站工程应用实测分析

选取内蒙古东部某乡镇集中式地源热泵供暖站作为试验对象，该供暖站覆盖乡镇居民住宅共320户，室外包含总长1800米露天输水管道、4台露天板式换热机组，往年冬季采用单点传感器防冻方案，每年冬季都会发生2~3次管路弯头冻裂、换热器冰堵故障，单次故障维修+供暖重启成本平均超过3.5万元，故障期间居民长时间中断采暖。

在整套室外管网与换热设备布设分布式低温光纤全域防冻系统，设置两级防冻联动逻辑，经历连续两个冬季特种低温考验（冬季气温-31.6℃）。两个采暖季期间，光纤系统累计触发一级预防性防冻预警27次，均通过加快水体流动、低功率伴热完成防冻，未触发二级紧急防冻动作；整套室外管路、换热机组无任何冻裂、冰堵故障发生，冬季系统故障停机率相较于往年下降91%，杜绝了冬季供暖中断问题。运维人员通过光纤温度曲线，可以精准定位管路保温层破损导致的局部低温区段，提前修补保温层，从源头减少防冻预警频次，实现长效防冻运维。

5 系统现存短板与优化方案

长距离超大型管网光纤布线数量多，光纤线路后期检修排查难度大，可以为每一路光纤增设独立线路故障诊断模块，光纤断裂、损耗异常时系统自动报警定位光纤故障点；其次可以结合室外环境温度时序大数据，构建环境温度预判防冻模型，寒潮来临之前提前开启管网循环预热，进一步提升特种寒潮天气防冻安全性。

6 结论与行业推广展望

适配寒区工况的低温耐脆化铠装分布式光纤，可以沿室外管路、换热设备全覆盖敷设，实现管网与换热设备全域连续温度监测，解决传统单点传感器防冻盲区大、低温下传感器自身易失效的两大行业短板；搭配低温信号补偿算法保障极寒环境下测温精度稳定，依托分级式联动防冻控制逻辑，实现管路结冰前置预防性防冻保护，从根源上规避室外管路冻胀破裂、换热器冰堵停机故障。内蒙古高寒乡镇供暖站两个完整冬季实测工程充分验证，光纤全域防冻系统可以将寒区地源热泵冬季设备故障停机率下降九成以上，保障高寒地区建筑冬季采暖连续性，大幅降低管路冻裂维修、系统重启的高额运维成本。光纤无源长寿命的特性，能够匹配地源热泵数十年的服役周期，一次性敷设之后终身实现防冻在线监测，综合长期运维经济性优势显著。

未来可以将光纤管网防冻测温系统与气象寒潮预警平台联动，根据未来寒潮降温预报提前启动管网预热防冻策略，实现超前化防冻保护；同时制定寒区地源热泵室外管网光纤防冻敷设、联动控制行业标准化规范，推动光纤全域防冻系统成为我国高寒地区地源热泵项目的标配防冻方案，破除低温冻裂故障对寒区浅层地热能规模化推广的制约瓶颈，让清洁低碳的地源热泵供暖模式在我国广袤高寒区域大范围落地普及，助力北方寒区清洁供暖双碳转型发展。