地埋管换热系统地温监测技术探析

李俊峰，曾梅香，田光辉

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

地埋管换热系统地温监测技术探析

李俊峰，曾梅香，田光辉

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

分布串列式地层温度测量与数字传输系统改进海洋层温测量传感的核心技术，克服了传统的测试引线多、不易调试、成本高、无法真实反映土壤地层温度的诸多弊端，综合考虑了测温精度、仪器稳定性、安装的可行性、价格及其他因素。且通过试验证实:置于换热PE管内、管外所测的地层温度相差一般在0.05℃ ～0.1℃，均能较好地反应地层温度的真实变化特征，实际应用时可采用具有更多优点的将测线从PE管内下入方式。这种地温监测技术方法已在多个换热系统工程中应用，其精度和稳定性均能满足浅层地热能开发利用时地埋管群区域地下温度场动态监测的需求。

浅层地热能;地埋管群;地温监测:技术手段

随着社会经济的发展，世界各国对环保问题的重视度越来越高，浅层地热能作为可再生能源，利用时可达到节能减排保护环境的目的，日益受到人们的关注。我国从20世纪60年代就已开始在暖通空调中应用发展热泵技术来开发利用浅层地热能，并取得了一大批成果。为了更好的让浅层地热能这一绿色环保型能源服务于经济建设，2008年国土资源部签发了249号文《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》(国土资发〔2008〕249号)，向全国地勘单位部署了三大工作任务:调查评价，查清浅层地热能资源;编制规划，保障浅层地热能持续利用;加强监测，掌握开发利用动态。要求“在开发中保护，在保护中开发”，实行规范管理，促进浅层地热能开发利用工作健康发展。由于在开发利用浅层地热能时需要从一定深度地层内排热和取热，因此动态监测不仅是要记录系统运行工况和能耗、计算能效比、检验项目节能效果，对换热的地埋管群及周边地区地源侧地温场、地下水位、地面标高等地质环境因素的监测更显重要［1］。

1 地温监测技术现状

目前国内地埋管换热系统地温监测大多采用将温度传感器直接埋入地下的方式设置测温点，一般采用多点冗余布线测温传感器的方法，这种设置测点的方法存在不少问题，如:

引线多和现场调试困难，如果一个地温测量点埋敷3个温度传感器，就需要3条引线。如果测量精度要达到0.1℃，每条测温线不仅需要标定，而且还要再增加一条调整精度的引线(调整导线长度的电阻)，因此一个测温点需要4条引线，对于一个深120 m的地温监测孔来说，如果每隔10 m布设一个测温点，则共需要48条引线;

传感器所在位置体积较大且不平滑，下入监测孔后会因为填土不实而形成空隙，且随着时间的延长，传感器有数据漂移现象，不能真实准确反映测点岩土层温度，这主要与传感器的物理性质有关;

测量数据精度不足，考虑到测温精度为0.1℃，因此分辨率应该达到0.05℃，以往的传感器很难达到这个要求;

采集温度的信号为模拟信号，需要二次仪表变换和高端远距离传送模块，造成传感器成本和施工要求较高;

成活率低，且无法更换。一些工程在埋设后不久即发现部分传感器无法使用，一些工程在监测运行一段时间后不断有新的传感器失效，直至所剩无几。造成这种现象的原因主要是施工方法不当、传感器密封套结构和防水设计不当或加工质量不符合要求。

2 新型地层温度测量与数字传输系统

为了达到长期监测的目的，避免直接埋设传感器的不足，并为后期维护与更换创造条件，便于定期对传感器进行标定和对损坏传感器进行更换，相关从业技术人员专门针对浅层地热能开发利用地埋管群的地下温度场监测，开发研制了“分布串列式地层精细温度测量与传输采集系统”［1］。这一系统改进海军舰船战时区域水文有线击发快速海洋层温测量传感的核心技术，自主研发在微硅片上集成了微硅晶温度传感器、温度变送器、TCP/IP模块、数模转换、数据输出接口的全部功能模块和寄存器数字补偿模块。该SOC芯片在10 MPa的压力下可以直接数字温度值输出，体积微小，综合布线简洁，可在整个系统仅需四条导线上按需串列布放传感器数量、位置，测温地层深度可达600 m。其性能可靠、现场施工技术要求低、能平滑成缆。该系统将测温元器件、传输导线及地面数据采集系统等结合在一起，这种数字式测温系统综合考虑了测温精度、仪器稳定性、安装的可行性、价格及其他因素等［2］。

这种换热系统地埋管群地温监测传感系统装置构成设计见图1。由温度传感器模块、可靠型数字传送中继转发模块、信噪比小于1的可靠型数据采集模块三个核心部份组成。

2.1 温度传感器模块

2.2 可靠型数字传送中继转发模块

2.3 信噪比小于1的可靠型数据采集模块

图1 分布串列式地层精细温度测量传感系统装置构成总成设计图

在每个监测孔内的一条信号线上，可并联无数个温度传感器(1)，间隔5 m、10 m或自定义任一间隔，每个测温点传感器不少于3个;每隔30 m在此信号线上串联一个可靠型数字传送中继转发模块(2)，在此信号线的地面传输线也每隔30 m串联一个可靠型数字传送中继转发模块(2);在监测室内的此信号线连接数据采集模块(3)，数据采集模块通过串口将采集的数据传送给计算机;计算机对整个监测孔内各个测温点的地层温度进行显示和对温度值进行分析(图2～图5)。

图2 测温电缆示意图

图3 传感器结构示意图

分布串列式地层精细温度测量与传输采集系统，采用“自上而下”的大规模集成电路设计技术，具有综合布线简洁、成本低、性能可靠、施工技术要求低、能平滑柔性成缆等特点，因此能真实反映土壤地层温度，其关健技术传感器和数字采集系统克服了传统的测试引线多、不易调试、构成测量温度传感器网成本高，施工技术要求高、不能平滑成缆、无法真实反映土壤地层温度的弊端，满足浅层地热能开发利用动态监测和计量的需求。

图4 测量仪器示意图

图5 数据采集界面示意图

3 工程应用

分布串列式地层精细温度测量与传输采集系统已在天津、北京等地多个地埋管换热系统工程项目中应用［2］，通过初步测试性能稳定，工作正常(见图6～图9)。对于某些机房建设滞后的工程，为避免人为或自然因素引起的损坏，在未进行联网安装前要根据现场情况，将测温孔和测温线集中在保护井装置内保护起来(见图10)。

4 测线下入不同方式的数据对比分析

在地埋管换热井群温度监测时，目前地温监测孔内的测线多在PE管外，虽与土壤充分接触，但一旦出现问题，无法更换，只能放弃。如果测线置于PE管内，可根据需要及时更换，则数据的连续性与稳定性将更有保障。问题是管外、管内监测到的地温数据是否均能反映地下温度场的实际情况，二者存在多大误差?针对这一问题，在全国浅层地热能开发利用示范城的天津市某一试验基地进行了相关试验。

图7 水平测线铺设现场图

图8 地温测量系统现场检测

图9 监测孔地层温度测量结果示意图

图10 监测孔井口保护装置及联网示意图

为了获取测线下入 PE管内(注水)和管外(与土壤接触)两种不同方式的地层温度监测数据，进行数据验证和对比分析，在试验基地动态监测实验区，分别利用150 m深单U型地埋孔PE管内和管外布置了测温探头(见图12)，并取得了同时期的对比数据。图中红色曲线为PE管内测得数据、其它颜色为PE管外测得数据，通过对比发现，在管内和管外所测的地层温度相差较小(见图 13)，一般为 0.05℃ ～0.1℃，两者均能反应地层温度的实际变化特征，而且将测线从PE管内下入具有很多优点，如:可更换测线、对测线的保护性较好等。这对今后更加科学、合理的布设测线提供了依据，如基于这一试验结论在今后的工作中，可考虑将测线下入到PE管内这一改进措施，这样既能保护测线，还能在测线出现问题时可以便于及时更换测线。

图11 PE管内和管外下入测线现场图

图12 PE管内和管外所监测的地温数据曲线图

5 结论

地埋管群区地下温度场的监测是浅层地热能开发利用动态监测的主要工作［3］，科学的监测仪器设备和先进的技术方法是取得真实稳定数据的前提。针对浅层地热能开发利用地埋管群的“分布串列式地层精细温度测量与传输采集系统”可对地温场动态变化进行数字化监测，克服了传统的直接埋设传感器的诸多不足，将监测、采集、传输有机地结合在一起。同时通过试验证实，从PE管内、管外监测到的数据均能反应地层温度的实际变化特征，实际工程中可采用具有更多优点的将测线从PE管内下入的方法。该监测系统功能完备、技术先进，为科学合理开发利用浅层地热能资源提供了先进的监测技术手段，具有广泛地推广应用前景。

［1］韩金树，林黎，张云霞，等.分布串列式地层精细温度测量与传输采集系统:中国，ZL2010202599109［P］.2011 －04－06.

［2］田光辉，林黎，程万庆，等.天津市浅层地热能开发利用动态监测网建设［J］.中国地质.2011，38(6):1660 －1665.

［3］韩再生，冉伟彥，佟红兵，等.DZ/T 0225－2009浅层地热能勘查评价规范［S］.中国:中华人民共和国国土资源部.2009.

TK521+.33

B

1004－1184(2012)05－0068－03

2012－04－19

李俊峰(1971－)，男，内蒙古赤峰人，高级工程师，主要从事项目和技术管理、地热勘查及开发利用等工作。