寒區(qū)低溫環(huán)境下地源熱泵室外管路與換熱設(shè)備光纖測溫防凍保護系統(tǒng)研究
摘要
我國東北、內(nèi)蒙古、新疆等高緯度高寒寒區(qū)冬季特種氣溫可達-25℃至-35℃，地源熱泵室外輸水管道、分集水器、板式換熱機組、露天輸送管網(wǎng)極易出現(xiàn)管內(nèi)水體結(jié)冰、管路凍脹破裂、換熱器流道冰堵等故障，造成整套建筑冷暖聯(lián)供系統(tǒng)冬季供暖全面停機癱瘓，凍裂管路維修、系統(tǒng)重啟恢復(fù)成本高昂，嚴(yán)重影響嚴(yán)寒地區(qū)建筑冬季采暖保障。傳統(tǒng)防凍方案依靠在管路關(guān)鍵點位布設(shè)單點電子溫度傳感器，僅能監(jiān)測有限測點溫度，管路彎頭、長距離埋地支管、換熱器內(nèi)部狹小流道等隱蔽區(qū)域極易出現(xiàn)局部低溫結(jié)冰，單點傳感器無法覆蓋這些防凍盲區(qū)。分布式光纖可以沿著室外管路外壁連續(xù)纏繞敷設(shè)，完整覆蓋整條管網(wǎng)、換熱設(shè)備所有結(jié)構(gòu)面，實現(xiàn)管路與換熱設(shè)備全域連續(xù)溫度監(jiān)測；系統(tǒng)實時捕捉管路任意區(qū)段溫度接近冰點閾值時，聯(lián)動管路伴熱保溫裝置、熱泵機組回水變頻調(diào)速機構(gòu)、旁通循環(huán)管路，提前啟動防凍保護動作，規(guī)避結(jié)冰凍裂故障。本文針對寒區(qū)特種低溫工況，研究低溫耐脆化特種鎧裝光纖選型、管路光纖標(biāo)準(zhǔn)化敷設(shè)固定工藝、光纖聯(lián)動防凍控制邏輯算法；選取內(nèi)蒙古高寒鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式地源熱泵供暖站作為實地應(yīng)用案例，搭建光纖測溫全域防凍聯(lián)動系統(tǒng)，經(jīng)歷兩個完整冬季特種低溫運行周期，整套室外管路與換熱設(shè)備未發(fā)生任何凍裂、冰堵故障，相較于傳統(tǒng)單點傳感器防凍方案，設(shè)備冬季故障停機率下降91%。本文同時分析低溫環(huán)境下光纖光傳輸信號損耗規(guī)律，設(shè)計測溫主機低溫信號補償算法，解決低溫工況光纖信號衰減、測溫精度漂移問題，為高寒寒區(qū)地源熱泵規(guī)模化落地推廣筑牢管路設(shè)備防凍安全技術(shù)保障體系。
關(guān)鍵詞：分布式光纖測溫；高寒寒區(qū)；地源熱泵；室外管路防凍；全域溫度監(jiān)測；聯(lián)動防凍保護；低溫光纖補償算法
1 引言
高緯度寒區(qū)冬季漫長且特種低溫天氣頻發(fā)，淺層地源熱泵憑借穩(wěn)定節(jié)能的優(yōu)勢，成為鄉(xiāng)鎮(zhèn)、偏遠園區(qū)冬季集中供暖的優(yōu)選方案。地源熱泵系統(tǒng)分為地下地層換熱埋管系統(tǒng)、機房換熱機組系統(tǒng)、室外輸水管網(wǎng)系統(tǒng)三大組成部分，地下埋管常年處于地層恒溫環(huán)境，不存在凍裂風(fēng)險；而露天敷設(shè)、淺地表埋設(shè)的室外輸水管道、機房露天板式換熱器、分集水器等設(shè)備，長期暴露在零下二三十?dāng)z氏度的極寒環(huán)境中，管道內(nèi)部循環(huán)水體一旦溫度降至冰點以下，水體結(jié)冰體積膨脹會直接撐裂管路管壁，換熱器狹小流道會被冰塊堵塞，造成整套供暖系統(tǒng)癱瘓。
現(xiàn)階段寒區(qū)地源熱泵室外管路主流防凍模式為“單點溫度傳感器+電伴熱保溫"，運維人員在管路直線段每隔數(shù)十米安裝一支電子溫度傳感器，設(shè)置冰點預(yù)警溫度，傳感器監(jiān)測溫度低于閾值之后開啟管路伴熱絲升溫防凍。該方案存在兩大致命短板：第一，監(jiān)測點位離散化，管路彎頭、三通接頭、向下埋地支管、換熱器內(nèi)部流道屬于監(jiān)測盲區(qū)，這些區(qū)域水體流動性弱、散熱更快，極易在傳感器測點溫度未達預(yù)警值時局部結(jié)冰；第二，低溫環(huán)境下電子傳感器電路板極易出現(xiàn)低溫性能衰減、測溫失靈、電路短路故障，傳感器自身在極寒工況可靠性大幅下降，無法穩(wěn)定長期工作。
分布式特種低溫鎧裝光纖具備耐低溫脆化特性，在零下40℃特種低溫環(huán)境下光纖纖芯、外層護套不會發(fā)生硬化脆裂，光學(xué)傳輸性能穩(wěn)定；光纖可以沿著管路外壁連續(xù)纏繞敷設(shè)，完整覆蓋管路直線段、彎頭、接頭以及換熱設(shè)備所有表面，實現(xiàn)管路與換熱設(shè)備全域連續(xù)溫度感知，不存在任何防凍盲區(qū)；光纖井下無源、無電子元器件，不受極寒低溫影響，長期運行穩(wěn)定性強。光纖測溫主機配套低溫信號補償算法，抵消低溫帶來的光纖光信號傳輸損耗，保障極寒環(huán)境下測溫精度穩(wěn)定；系統(tǒng)聯(lián)動伴熱裝置、回水變頻泵、循環(huán)旁通管路形成整套主動防凍體系，在管路區(qū)段溫度臨近冰點時提前啟動多重防凍措施，從根源上規(guī)避管路結(jié)冰凍脹故障。本文結(jié)合內(nèi)蒙古高寒鄉(xiāng)鎮(zhèn)供暖站實地工程，研究光纖全域防凍系統(tǒng)整套技術(shù)體系。
2 寒區(qū)低溫特種光纖選型與管路敷設(shè)工藝
2.1 低溫耐脆化鎧裝光纖選型
常規(guī)不銹鋼鎧裝光纖外層塑料護套在零下20℃以下低溫會硬化變脆，管路輕微形變就會造成護套開裂、光纖損毀。寒區(qū)防凍專用光纖采用改性氟彈性體外護套，搭配不銹鋼波紋鎧裝內(nèi)層，護套在-40℃低溫環(huán)境下依然保持柔韌特性，不會發(fā)生脆裂；光纖纖芯選用低溫低損耗特種石英光纖，降低極寒環(huán)境下的光傳輸損耗，保障長距離室外管網(wǎng)測溫精度穩(wěn)定。
2.2 管路標(biāo)準(zhǔn)化光纖敷設(shè)工藝
對于露天硬質(zhì)輸水鋼管：光纖采用螺旋纏繞方式均勻纏繞在管路外壁，纏繞間距15~20cm，使用耐高溫耐低溫防水膠帶固定光纖，外部包裹管路保溫巖棉+防水保護層，光纖緊貼管壁能夠精準(zhǔn)感知管壁水體溫度；對于PE塑料支管、管路彎頭、三通管件：光纖緊密貼合管件外形輪廓全覆蓋敷設(shè)；板式換熱機組將光纖貼敷于換熱器板片外壁所有區(qū)域，覆蓋換熱器全部換熱流道對應(yīng)外壁區(qū)域，實現(xiàn)換熱器全域測溫。光纖匯總接入機房測溫主機，主機接入熱泵機組PLC聯(lián)動控制系統(tǒng)。
3 光纖全域測溫聯(lián)動防凍控制邏輯算法
系統(tǒng)設(shè)置兩級防凍預(yù)警閾值：一級預(yù)警（水體溫度4℃）為預(yù)防性防凍閾值，二級預(yù)警（水體1℃）為緊急防凍閾值。
當(dāng)光纖監(jiān)測到管路任意區(qū)段溫度降至一級預(yù)警閾值，系統(tǒng)啟動一級防凍措施：提高循環(huán)回水變頻泵轉(zhuǎn)速，加快管路內(nèi)部水體流動速度，依靠水體流動換熱避免局部滯流水體結(jié)冰；開啟管路薄弱區(qū)段伴熱絲低功率預(yù)熱。
若溫度持續(xù)下降至二級緊急預(yù)警閾值，系統(tǒng)啟動多重緊急防凍措施：伴熱絲滿功率啟動升溫；開啟供暖回水旁通管路，引入機房高溫回水快速流經(jīng)低溫管路區(qū)段；同時上傳緊急防凍告警至運維平臺，提醒運維人員現(xiàn)場排查管路保溫破損等誘因故障。整套分級聯(lián)動防凍邏輯，可以做到提前預(yù)防性防凍，而非等到臨近結(jié)冰再被動處置，防凍安全性大幅提升。同時主機搭載低溫信號補償算法，根據(jù)環(huán)境溫度動態(tài)修正光纖光損耗帶來的測溫誤差，保障極寒環(huán)境測溫精度穩(wěn)定在±0.5℃范圍內(nèi)。
4 內(nèi)蒙古高寒供暖站工程應(yīng)用實測分析
選取內(nèi)蒙古東部某鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式地源熱泵供暖站作為試驗對象，該供暖站覆蓋鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民住宅共320戶，室外包含總長1800米露天輸水管道、4臺露天板式換熱機組，往年冬季采用單點傳感器防凍方案，每年冬季都會發(fā)生2~3次管路彎頭凍裂、換熱器冰堵故障，單次故障維修+供暖重啟成本平均超過3.5萬元，故障期間居民長時間中斷采暖。
在整套室外管網(wǎng)與換熱設(shè)備布設(shè)分布式低溫光纖全域防凍系統(tǒng)，設(shè)置兩級防凍聯(lián)動邏輯，經(jīng)歷連續(xù)兩個冬季特種低溫考驗（冬季氣溫-31.6℃）。兩個采暖季期間，光纖系統(tǒng)累計觸發(fā)一級預(yù)防性防凍預(yù)警27次，均通過加快水體流動、低功率伴熱完成防凍，未觸發(fā)二級緊急防凍動作；整套室外管路、換熱機組無任何凍裂、冰堵故障發(fā)生，冬季系統(tǒng)故障停機率相較于往年下降91%，杜絕了冬季供暖中斷問題。運維人員通過光纖溫度曲線，可以精準(zhǔn)定位管路保溫層破損導(dǎo)致的局部低溫區(qū)段，提前修補保溫層，從源頭減少防凍預(yù)警頻次，實現(xiàn)長效防凍運維。
5 系統(tǒng)現(xiàn)存短板與優(yōu)化方案
長距離超大型管網(wǎng)光纖布線數(shù)量多，光纖線路后期檢修排查難度大，可以為每一路光纖增設(shè)獨立線路故障診斷模塊，光纖斷裂、損耗異常時系統(tǒng)自動報警定位光纖故障點；其次可以結(jié)合室外環(huán)境溫度時序大數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境溫度預(yù)判防凍模型，寒潮來臨之前提前開啟管網(wǎng)循環(huán)預(yù)熱，進一步提升特種寒潮天氣防凍安全性。
6 結(jié)論與行業(yè)推廣展望
適配寒區(qū)工況的低溫耐脆化鎧裝分布式光纖，可以沿室外管路、換熱設(shè)備全覆蓋敷設(shè)，實現(xiàn)管網(wǎng)與換熱設(shè)備全域連續(xù)溫度監(jiān)測，解決傳統(tǒng)單點傳感器防凍盲區(qū)大、低溫下傳感器自身易失效的兩大行業(yè)短板；搭配低溫信號補償算法保障極寒環(huán)境下測溫精度穩(wěn)定，依托分級式聯(lián)動防凍控制邏輯，實現(xiàn)管路結(jié)冰前置預(yù)防性防凍保護，從根源上規(guī)避室外管路凍脹破裂、換熱器冰堵停機故障。內(nèi)蒙古高寒鄉(xiāng)鎮(zhèn)供暖站兩個完整冬季實測工程充分驗證，光纖全域防凍系統(tǒng)可以將寒區(qū)地源熱泵冬季設(shè)備故障停機率下降九成以上，保障高寒地區(qū)建筑冬季采暖連續(xù)性，大幅降低管路凍裂維修、系統(tǒng)重啟的高額運維成本。光纖無源長壽命的特性，能夠匹配地源熱泵數(shù)十年的服役周期，一次性敷設(shè)之后終身實現(xiàn)防凍在線監(jiān)測，綜合長期運維經(jīng)濟性優(yōu)勢顯著。
未來可以將光纖管網(wǎng)防凍測溫系統(tǒng)與氣象寒潮預(yù)警平臺聯(lián)動，根據(jù)未來寒潮降溫預(yù)報提前啟動管網(wǎng)預(yù)熱防凍策略，實現(xiàn)超前化防凍保護；同時制定寒區(qū)地源熱泵室外管網(wǎng)光纖防凍敷設(shè)、聯(lián)動控制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，推動光纖全域防凍系統(tǒng)成為我國高寒地區(qū)地源熱泵項目的標(biāo)配防凍方案，破除低溫凍裂故障對寒區(qū)淺層地?zé)崮芤?guī)模化推廣的制約瓶頸，讓清潔低碳的地源熱泵供暖模式在我國廣袤高寒區(qū)域大范圍落地普及，助力北方寒區(qū)清潔供暖雙碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。
中深層水源熱泵、換熱井光纖監(jiān)測全套分類關(guān)鍵詞
一、基礎(chǔ)主體行業(yè)關(guān)鍵詞（場景基底）
中深層水源熱泵、閉式井下?lián)Q熱井、同軸套管式換熱井、地?zé)岵晒嗑⒌責(zé)峄毓嗑⑸罹畵Q熱系統(tǒng)、地埋式中深層換熱器、地?zé)峋病訜崞胶狻⒌貙訜崾Ш狻⒌責(zé)峋矡崞拭妗⒑畬訐Q熱通道、地?zé)衢L周期運維、地?zé)崛虮O(jiān)測、井筒套管結(jié)構(gòu)、地?zé)峁┡到y(tǒng)
二、光纖主流技術(shù)品類（核心技術(shù)）
1.分布式光纖系列
分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）、分布式光纖聲波振動監(jiān)測（DAS）、分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測（BOTDA布里淵）、DFOS分布式光纖傳感系統(tǒng)、全井筒分布式光纖測溫、拉曼散射測溫、布里淵散射傳感、瑞利散射光纖監(jiān)測、長距離光纖剖面測溫、連續(xù)式光纖地溫監(jiān)測
2.光纖光柵系列（FBG）
FBG光纖光柵傳感器、準(zhǔn)分布式光纖光柵測溫、光纖光柵溫度壓力一體化探頭、布拉格光柵波長解調(diào)、光纖光柵串列傳感、耐高溫光纖光柵陣列、光纖光柵應(yīng)變傳感、光纖光柵多點同步監(jiān)測、光柵波長漂移校準(zhǔn)
3.其他光纖類型
熒光光纖測溫、單點式耐高溫光纖探頭、干涉型光纖傳感器、單模鎧裝光纖、多模傳感光纖、特種耐腐傳感光纜
三、光纖硬件設(shè)備關(guān)鍵詞（硬件組成）
鎧裝耐高溫傳感光纜、不銹鋼無縫鎧裝光纖、四氟防腐涂層光纖、井下耐高溫光纜、井筒預(yù)置式光纜、光纜扶正器、光纖解調(diào)儀、高速光纖解調(diào)主機、光纖分路器、光纖集線盒、地面光纖采集終端、光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、光纖信號中繼器、光纖防水接頭、井下光纖固定卡扣、注漿式光纖敷設(shè)套件、光纖井筒下放絞車、光纖校準(zhǔn)標(biāo)定裝置、光纖冗余備用纜線
四、光纖核心性能技術(shù)參數(shù)
全井段溫度剖面、空間分辨率、測溫精度、光纖測溫響應(yīng)速率、光纖耐溫等級（120℃/150℃/200℃/300℃）、光纜抗拉強度、光纖傳輸損耗、長距離傳感量程（1000m~7000m深井適配）、抗電磁干擾、耐腐蝕特性、光纖長期穩(wěn)定性、波長解調(diào)精度、分布式采樣間隔、井下耐壓性能、地層耦合測溫準(zhǔn)確度、光纖溫漂補償算法、光纖斷點檢測、光纜疲勞壽命、高溫光纜熱防護性能
五、光纖井下施工敷設(shè)工藝關(guān)鍵詞
光纜隨管柱預(yù)置敷設(shè)、套管外壁貼壁敷設(shè)、井筒注漿耦合光纖、換熱管捆綁式光纖、分段式光纖布設(shè)、換熱井成井同步預(yù)埋光纖、后期井下光纜下入工藝、光纖全程下放阻力監(jiān)測、井筒光纖密封防水工藝、光纖井口防爆密封、多井光纖組網(wǎng)敷設(shè)、地層層位光纖定位、光纖后期檢修工藝、光纜防磨損防護方案、井筒回填光纖保護工藝
六、光纖監(jiān)測監(jiān)測物理量（監(jiān)測參數(shù)）
井筒縱向連續(xù)溫度場、地層徑向溫度梯度、換熱器進出口水溫變化、換熱管管壁溫度、井筒環(huán)空溫度變化、地層儲層溫度衰減曲線、井筒流體流速剖面、含水層滲漏振動信號、套管形變應(yīng)變、井筒管壁腐蝕振動特征、井下壓力動態(tài)變化、換熱單元熱交換效率、地?zé)峋竟?jié)性溫變規(guī)律、熱突破效應(yīng)監(jiān)測、回灌水滲流路徑識別、氣堵振動特征識別、井筒結(jié)垢振動監(jiān)測
七、配套軟件系統(tǒng)與算法關(guān)鍵詞
光纖溫度剖面成像軟件、DTS光纖大數(shù)據(jù)解析平臺、光纖時序溫度曲線擬合、地層熱平衡智能算法、光纖溫場三維建模、光纖多井集群聯(lián)動分析、光纖數(shù)據(jù)云端傳輸、光纖故障自動診斷、光纖溫度基線比對算法、熱失衡預(yù)警模型、光纖數(shù)據(jù)NB物聯(lián)網(wǎng)傳輸、光纖監(jiān)測臺賬歸檔系統(tǒng)、換熱效能智能優(yōu)化算法、光纖溫度歷史回溯分析、光纖井筒異常振動識別算法、光纖監(jiān)測可視化組態(tài)平臺
八、光纖應(yīng)用功能與業(yè)務(wù)價值關(guān)鍵詞
全井筒換熱效能診斷、地層長期熱演化監(jiān)測、預(yù)判土壤熱失衡、地?zé)岵晒鄤討B(tài)優(yōu)化、回灌通道堵塞早期預(yù)警、套管結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、井筒滲漏精準(zhǔn)定位、地?zé)醿訐Q熱性能評估、老舊換熱井換熱衰減監(jiān)測、地?zé)峋芷诒O(jiān)測、規(guī)避區(qū)域性地層沉降、換熱系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控、地?zé)崽紲p排數(shù)據(jù)佐證、地?zé)犴椖块L期運維數(shù)字化、井筒高溫故障預(yù)警、洗井前后換熱效果光纖對比驗證、地?zé)峋隀z光纖檢測方案、地?zé)嶙匀毁Y源監(jiān)管光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
九、工況環(huán)境適配關(guān)鍵詞
中深層高溫高壓井筒、高礦化度地?zé)崃黧w、強腐蝕井下環(huán)境、深井高溫長時服役、季節(jié)性供暖變溫工況、裂隙型地?zé)醿印⒖紫缎秃畬印⒍嗑簱Q熱區(qū)塊、北方高寒地?zé)峁┡椖俊⒋媪坷吓f換熱井光纖改造、新建換熱井預(yù)埋光纖、同軸閉式換熱井光纖監(jiān)測系統(tǒng)、地?zé)峒訅夯毓嗑饫w監(jiān)測、地?zé)衢g歇式運行工況
十、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、對標(biāo)與競品關(guān)鍵詞
光纖地?zé)岜O(jiān)測地方規(guī)范、井下分布式光纖測溫技術(shù)規(guī)程、光纖光柵深井測溫校準(zhǔn)規(guī)范、光纖測溫與傳統(tǒng)熱電偶測溫對比、光纖長期監(jiān)測穩(wěn)定性對標(biāo)、鎧裝光纜井下驗收標(biāo)準(zhǔn)、地源熱泵光纖監(jiān)測國標(biāo)規(guī)范、光纖監(jiān)測系統(tǒng)第三方標(biāo)定、地?zé)峋饫w監(jiān)測施工驗收規(guī)范、光纖監(jiān)測計量溯源校準(zhǔn)
十一、英文專業(yè)縮寫關(guān)鍵詞（論文、設(shè)備采購常用）
DTS（分布式溫度傳感）、DAS（分布式聲學(xué)傳感）、FBG（光纖布拉格光柵）、DFOS（分布式光纖傳感系統(tǒng)）、BOTDA（布里淵光時域分析）、OTDR（光時域反射儀）、FWHM（光柵半高寬）、Raman Scattering拉曼散射、Brillouin Scattering布里淵散射
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更新時間：2026-08-06 
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