基于物联网云端平台的800m地热井低功耗无人值守在线监测系统研究

摘要

浅层地热换热井需要长期、连续监测全井段温度‑水位动态变化，以此分析地层温度衰减、回灌堵塞、储热性能变化，传统人工定期下井测温方式耗时费力、数据间断，无法实现全天候监测。本文基于北京鸿鸥成运800米深井分层测温硬件系统，研究低功耗传感硬件、4G物联网传输、地热云监测平台、移动端小程序一体化在线监测方案。针对野外地热井无市电、环境恶劣、长期无人值守的工况，优化传感器、采集主机超低功耗硬件设计；搭建云端数据存储、地温梯度自动计算、温度异常预警、数据导出功能；结合河北水文地质大队地热井长期监测工程案例，论证物联网在线监测系统在地热井全生命周期运维、地热资源动态监测中的应用价值，为地热井数字化在线监测提供完整技术方案。

关键词：地热云平台；低功耗测温传感器；4G物联网；无人值守监测；地源热泵；800米换热井；远程温度监测；地温梯度预警

1 引言

800m浅层地热换热井分布分散，大多处于野外郊区、山区、农田区域，多数监测点位没有市政市电供电。传统地热测温设备功耗较高，只能够人工短期下放传感器采集瞬时温度数据，无法实现24小时不间断长期监测。间断式测温数据无法捕捉地层温度昼夜波动、回灌作业之后井筒温度变化、汛期水位波动带来的温度扰动，不利于地热井故障排查、地源热泵能效优化。

随着物联网技术在地热监测行业普及，低功耗传感硬件、无线传输、云端平台成为地热井监测主流方向。北京鸿鸥成运研发整套适配800米深井的低功耗物联网在线监测系统，依靠太阳能供电即可野外长期运行，自动上传分层温度、水位数据至地热云平台，实现无人值守远程监测。本文针对整套系统硬件架构、云端平台功能、工程应用、行业价值展开研究。

2 野外地热井传统监测模式现存痛点

第一，人工测温时效性差。需要技术人员携带设备到达现场下放传感器，耗时费力，无法全天候实时监测。

第二，数据间断缺失。只能获取单日瞬时温度，无法得到长期连续温度变化曲线，难以分析地层储热衰减规律。

第三，野外供电困难。传统测温设备功耗大，太阳能供电续航不足，野外无市电场地无法长期工作。

第四，故障发现滞后。井筒结垢堵塞、回灌异常造成温度变化之后，人工测温间隔时间长，故障不能及时发现，影响地源热泵换热效率。

第五，数据整理繁琐，人工记录温度‑深度表格，手动绘制地温梯度曲线，工作效率低下。

3 低功耗物联网在线监测系统整体架构

整套系统分为超低功耗传感硬件层、4G无线传输层、地热云平台服务层、移动端小程序应用层四大层级。

硬件层包含深井高精度低功耗温度变送器、水位传感器、多路低功耗采集主机、太阳能供电系统、电动绞车下放装置。所有传感器、采集主机采用超低功耗芯片，休眠模式功耗微安级别，定时唤醒采集温度数据；太阳能板搭配大容量储能电池，阴雨天气依旧可以保障设备30天以上续航，适配野外无市电工况。

传输层搭载工业级4G无线传输模块，定时将全井段91个测点温度、水位数据上传云端，支持定时上传、异常加密上传、断点续传，野外信号较差环境下保障数据不丢失。

云端平台具备数据存储、深度‑温度表格自动生成、地温梯度曲线绘制、历史数据查询、温度异常预警、报表导出、设备在线状态监测功能；可存储多年地热井连续监测数据，自动分析地层温度变化趋势。

移动端微信小程序，支持手机随时随地查看实时温度、水位数据，接收异常报警，远程设置设备采集周期，实现远程管控。

4 低功耗硬件关键优化技术

一是传感器休眠唤醒机制。传感器大部分时间处于休眠低功耗状态，按照设定周期定时唤醒采集温度，采集完成之后立刻休眠，极大降低整体功耗。

二是采集主机电源智能管控，不工作时关闭多路传感器供电，仅保留主控芯片休眠供电。

三是4G模块定时上线传输，传输完成之后立刻下线休眠，减少无线模块功耗损耗。

四是太阳能供电智能管理，电池过充过放保护，低温环境下电池功耗优化，适配北方冬季野外低温工况。

5 工程案例应用

河北省地矿局第三水文地质大队冀中坳陷800m地热井监测项目，整套低功耗物联网监测系统依靠太阳能供电，野外连续18个月无人值守运行，每小时自动采集一次全井段分层温度、水位数据，上传至地热云平台。平台自动生成地温梯度曲线，当井筒回灌堵塞造成局部温度异常，平台立刻推送预警信息至技术人员手机端，工作人员及时开展洗井运维，保障地热井换热性能。相比传统人工月度测温，在线监测系统可精准捕捉地层温度细微波动，为当地地热资源动态监测提供连续实测数据。

6 物联网云端监测系统行业价值

第一，实现地热井全天候无人值守监测，省去频繁人工下井测温成本，提升地热勘察、运维工作效率。

第二，获取长期连续温度‑水位时序数据，精准分析地层储热衰减、季节性温度变化规律，优化地源热泵全年运行策略。

第三，温度异常智能预警，提前排查井筒堵塞、结垢、回灌故障，延长地热井使用寿命。

第四，云端大数据存储，构建区域浅层地热动态数据库，支撑自然资源部门地热开采管控。

7 后续技术升级方向

后续将升级NB‑IoT低功耗传输模块，进一步降低设备功耗；搭载AI智能分析算法，自动识别结垢、堵塞、回灌异常类型；实现多口地热井集群化监测管理，适配大型地热供暖项目多井监测需求。

8 结语

野外浅层地热井分散、无市电、工况恶劣，传统人工测温模式无法满足长期动态监测需求。北京鸿鸥成运800米深井低功耗物联网在线监测系统，依托超低功耗传感硬件、4G无线传输、地热云平台、移动端小程序，实现野外无人值守全天候分层测温。物联网云端监测技术推动地热井监测从人工间断监测升级为数字化在线动态监测，助力地源热泵系统精细化运维、浅层地热资源长期勘察管控，推动地热行业数字化转型升级。

全套汇总分类关键词

一、设备硬件类

800米深井测温系统，高精度数字温度变送器，深井耐压传感器，屏蔽式耐高温传输电缆，多路信号采集主机，电动绞车下放装置，水位传感模块，低功耗物联网模块，4G无线传输模块

二、监测技术类

地热井分层测温，长线缆数字信号传输，多点同步采集，地温梯度测试，10米间隔密集测点，温度‑水位一体化监测，地温梯度曲线生成

三、软件平台类

地热云监测平台，移动端小程序，无人值守在线监测，远程数据采集，温度异常AI预警，监测数据导出

四、行业应用类

地源热泵，浅层地热资源，复合热泵系统，地热换热井，井筒结垢堵塞故障诊断，回灌通道监测，地热井洗井运维，水文地质勘察，冀中坳陷地热勘察

五、行业对比与技术突破类

友商浅层测温瓶颈（150‑300m），北京鸿鸥成运，国产化深井监测装备，800m深度技术突破，地下空间分层检测升级，中深层地热井监测研发