李俊峰，曾梅香，田光輝

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

地埋管換熱系統(tǒng)地溫監(jiān)測技術(shù)探析

李俊峰，曾梅香，田光輝

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

分布串列式地層溫度測量與數(shù)字傳輸系統(tǒng)改進(jìn)海洋層溫測量傳感的核心技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的測試引線多、不易調(diào)試、成本高、無法真實反映土壤地層溫度的諸多弊端，綜合考慮了測溫精度、儀器穩(wěn)定性、安裝的可行性、價格及其他因素。且通過試驗證實:置于換熱PE管內(nèi)、管外所測的地層溫度相差一般在0.05℃ ～0.1℃，均能較好地反應(yīng)地層溫度的真實變化特征，實際應(yīng)用時可采用具有更多優(yōu)點的將測線從PE管內(nèi)下入方式。這種地溫監(jiān)測技術(shù)方法已在多個換熱系統(tǒng)工程中應(yīng)用，其精度和穩(wěn)定性均能滿足淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用時地埋管群區(qū)域地下溫度場動態(tài)監(jiān)測的需求。

淺層地?zé)崮?地埋管群;地溫監(jiān)測:技術(shù)手段

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，世界各國對環(huán)保問題的重視度越來越高，淺層地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉?，利用時可達(dá)到節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境的目的，日益受到人們的關(guān)注。我國從20世紀(jì)60年代就已開始在暖通空調(diào)中應(yīng)用發(fā)展熱泵技術(shù)來開發(fā)利用淺層地?zé)崮?，并取得了一大批成果。為了更好的讓淺層地?zé)崮苓@一綠色環(huán)保型能源服務(wù)于經(jīng)濟建設(shè)，2008年國土資源部簽發(fā)了249號文《關(guān)于大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》(國土資發(fā)〔2008〕249號)，向全國地勘單位部署了三大工作任務(wù):調(diào)查評價，查清淺層地?zé)崮苜Y源;編制規(guī)劃，保障淺層地?zé)崮艹掷m(xù)利用;加強監(jiān)測，掌握開發(fā)利用動態(tài)。要求“在開發(fā)中保護(hù)，在保護(hù)中開發(fā)”，實行規(guī)范管理，促進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工作健康發(fā)展。由于在開發(fā)利用淺層地?zé)崮軙r需要從一定深度地層內(nèi)排熱和取熱，因此動態(tài)監(jiān)測不僅是要記錄系統(tǒng)運行工況和能耗、計算能效比、檢驗項目節(jié)能效果，對換熱的地埋管群及周邊地區(qū)地源側(cè)地溫場、地下水位、地面標(biāo)高等地質(zhì)環(huán)境因素的監(jiān)測更顯重要［1］。

1 地溫監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)地埋管換熱系統(tǒng)地溫監(jiān)測大多采用將溫度傳感器直接埋入地下的方式設(shè)置測溫點，一般采用多點冗余布線測溫傳感器的方法，這種設(shè)置測點的方法存在不少問題，如:

引線多和現(xiàn)場調(diào)試?yán)щy，如果一個地溫測量點埋敷3個溫度傳感器，就需要3條引線。如果測量精度要達(dá)到0.1℃，每條測溫線不僅需要標(biāo)定，而且還要再增加一條調(diào)整精度的引線(調(diào)整導(dǎo)線長度的電阻)，因此一個測溫點需要4條引線，對于一個深120 m的地溫監(jiān)測孔來說，如果每隔10 m布設(shè)一個測溫點，則共需要48條引線;

傳感器所在位置體積較大且不平滑，下入監(jiān)測孔后會因為填土不實而形成空隙，且隨著時間的延長，傳感器有數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，不能真實準(zhǔn)確反映測點巖土層溫度，這主要與傳感器的物理性質(zhì)有關(guān);

測量數(shù)據(jù)精度不足，考慮到測溫精度為0.1℃，因此分辨率應(yīng)該達(dá)到0.05℃，以往的傳感器很難達(dá)到這個要求;

采集溫度的信號為模擬信號，需要二次儀表變換和高端遠(yuǎn)距離傳送模塊，造成傳感器成本和施工要求較高;

成活率低，且無法更換。一些工程在埋設(shè)后不久即發(fā)現(xiàn)部分傳感器無法使用，一些工程在監(jiān)測運行一段時間后不斷有新的傳感器失效，直至所剩無幾。造成這種現(xiàn)象的原因主要是施工方法不當(dāng)、傳感器密封套結(jié)構(gòu)和防水設(shè)計不當(dāng)或加工質(zhì)量不符合要求。

2 新型地層溫度測量與數(shù)字傳輸系統(tǒng)

為了達(dá)到長期監(jiān)測的目的，避免直接埋設(shè)傳感器的不足，并為后期維護(hù)與更換創(chuàng)造條件，便于定期對傳感器進(jìn)行標(biāo)定和對損壞傳感器進(jìn)行更換，相關(guān)從業(yè)技術(shù)人員專門針對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地埋管群的地下溫度場監(jiān)測，開發(fā)研制了“分布串列式地層精細(xì)溫度測量與傳輸采集系統(tǒng)”［1］。這一系統(tǒng)改進(jìn)海軍艦船戰(zhàn)時區(qū)域水文有線擊發(fā)快速海洋層溫測量傳感的核心技術(shù)，自主研發(fā)在微硅片上集成了微硅晶溫度傳感器、溫度變送器、TCP/IP模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出接口的全部功能模塊和寄存器數(shù)字補償模塊。該SOC芯片在10 MPa的壓力下可以直接數(shù)字溫度值輸出，體積微小，綜合布線簡潔，可在整個系統(tǒng)僅需四條導(dǎo)線上按需串列布放傳感器數(shù)量、位置，測溫地層深度可達(dá)600 m。其性能可靠、現(xiàn)場施工技術(shù)要求低、能平滑成纜。該系統(tǒng)將測溫元器件、傳輸導(dǎo)線及地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等結(jié)合在一起，這種數(shù)字式測溫系統(tǒng)綜合考慮了測溫精度、儀器穩(wěn)定性、安裝的可行性、價格及其他因素等［2］。

這種換熱系統(tǒng)地埋管群地溫監(jiān)測傳感系統(tǒng)裝置構(gòu)成設(shè)計見圖1。由溫度傳感器模塊、可靠型數(shù)字傳送中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊、信噪比小于1的可靠型數(shù)據(jù)采集模塊三個核心部份組成。

2.1 溫度傳感器模塊

2.2 可靠型數(shù)字傳送中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊

2.3 信噪比小于1的可靠型數(shù)據(jù)采集模塊

圖1 分布串列式地層精細(xì)溫度測量傳感系統(tǒng)裝置構(gòu)成總成設(shè)計圖

在每個監(jiān)測孔內(nèi)的一條信號線上，可并聯(lián)無數(shù)個溫度傳感器(1)，間隔5 m、10 m或自定義任一間隔，每個測溫點傳感器不少于3個;每隔30 m在此信號線上串聯(lián)一個可靠型數(shù)字傳送中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊(2)，在此信號線的地面?zhèn)鬏斁€也每隔30 m串聯(lián)一個可靠型數(shù)字傳送中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊(2);在監(jiān)測室內(nèi)的此信號線連接數(shù)據(jù)采集模塊(3)，數(shù)據(jù)采集模塊通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳送給計算機;計算機對整個監(jiān)測孔內(nèi)各個測溫點的地層溫度進(jìn)行顯示和對溫度值進(jìn)行分析(圖2～圖5)。

圖2 測溫電纜示意圖

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

分布串列式地層精細(xì)溫度測量與傳輸采集系統(tǒng)，采用“自上而下”的大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)，具有綜合布線簡潔、成本低、性能可靠、施工技術(shù)要求低、能平滑柔性成纜等特點，因此能真實反映土壤地層溫度，其關(guān)健技術(shù)傳感器和數(shù)字采集系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的測試引線多、不易調(diào)試、構(gòu)成測量溫度傳感器網(wǎng)成本高，施工技術(shù)要求高、不能平滑成纜、無法真實反映土壤地層溫度的弊端，滿足淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測和計量的需求。

圖4 測量儀器示意圖

圖5 數(shù)據(jù)采集界面示意圖

3 工程應(yīng)用

分布串列式地層精細(xì)溫度測量與傳輸采集系統(tǒng)已在天津、北京等地多個地埋管換熱系統(tǒng)工程項目中應(yīng)用［2］，通過初步測試性能穩(wěn)定，工作正常(見圖6～圖9)。對于某些機房建設(shè)滯后的工程，為避免人為或自然因素引起的損壞，在未進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)安裝前要根據(jù)現(xiàn)場情況，將測溫孔和測溫線集中在保護(hù)井裝置內(nèi)保護(hù)起來(見圖10)。

4 測線下入不同方式的數(shù)據(jù)對比分析

在地埋管換熱井群溫度監(jiān)測時，目前地溫監(jiān)測孔內(nèi)的測線多在PE管外，雖與土壤充分接觸，但一旦出現(xiàn)問題，無法更換，只能放棄。如果測線置于PE管內(nèi)，可根據(jù)需要及時更換，則數(shù)據(jù)的連續(xù)性與穩(wěn)定性將更有保障。問題是管外、管內(nèi)監(jiān)測到的地溫數(shù)據(jù)是否均能反映地下溫度場的實際情況，二者存在多大誤差?針對這一問題，在全國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范城的天津市某一試驗基地進(jìn)行了相關(guān)試驗。

圖7 水平測線鋪設(shè)現(xiàn)場圖

圖8 地溫測量系統(tǒng)現(xiàn)場檢測

圖9 監(jiān)測孔地層溫度測量結(jié)果示意圖

圖10 監(jiān)測孔井口保護(hù)裝置及聯(lián)網(wǎng)示意圖

為了獲取測線下入 PE管內(nèi)(注水)和管外(與土壤接觸)兩種不同方式的地層溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證和對比分析，在試驗基地動態(tài)監(jiān)測實驗區(qū)，分別利用150 m深單U型地埋孔PE管內(nèi)和管外布置了測溫探頭(見圖12)，并取得了同時期的對比數(shù)據(jù)。圖中紅色曲線為PE管內(nèi)測得數(shù)據(jù)、其它顏色為PE管外測得數(shù)據(jù)，通過對比發(fā)現(xiàn)，在管內(nèi)和管外所測的地層溫度相差較小(見圖 13)，一般為 0.05℃ ～0.1℃，兩者均能反應(yīng)地層溫度的實際變化特征，而且將測線從PE管內(nèi)下入具有很多優(yōu)點，如:可更換測線、對測線的保護(hù)性較好等。這對今后更加科學(xué)、合理的布設(shè)測線提供了依據(jù)，如基于這一試驗結(jié)論在今后的工作中，可考慮將測線下入到PE管內(nèi)這一改進(jìn)措施，這樣既能保護(hù)測線，還能在測線出現(xiàn)問題時可以便于及時更換測線。

圖11 PE管內(nèi)和管外下入測線現(xiàn)場圖

圖12 PE管內(nèi)和管外所監(jiān)測的地溫數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)論

地埋管群區(qū)地下溫度場的監(jiān)測是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測的主要工作［3］，科學(xué)的監(jiān)測儀器設(shè)備和先進(jìn)的技術(shù)方法是取得真實穩(wěn)定數(shù)據(jù)的前提。針對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地埋管群的“分布串列式地層精細(xì)溫度測量與傳輸采集系統(tǒng)”可對地溫場動態(tài)變化進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)的直接埋設(shè)傳感器的諸多不足，將監(jiān)測、采集、傳輸有機地結(jié)合在一起。同時通過試驗證實，從PE管內(nèi)、管外監(jiān)測到的數(shù)據(jù)均能反應(yīng)地層溫度的實際變化特征，實際工程中可采用具有更多優(yōu)點的將測線從PE管內(nèi)下入的方法。該監(jiān)測系統(tǒng)功能完備、技術(shù)先進(jìn)，為科學(xué)合理開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源提供了先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)手段，具有廣泛地推廣應(yīng)用前景。

［1］韓金樹，林黎，張云霞，等.分布串列式地層精細(xì)溫度測量與傳輸采集系統(tǒng):中國，ZL2010202599109［P］.2011 －04－06.

［2］田光輝，林黎，程萬慶，等.天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)［J］.中國地質(zhì).2011，38(6):1660 －1665.

［3］韓再生，冉偉彥，佟紅兵，等.DZ/T 0225－2009淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范［S］.中國:中華人民共和國國土資源部.2009.

TK521+.33

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1004－1184(2012)05－0068－03

2012－04－19

李俊峰(1971－)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，主要從事項目和技術(shù)管理、地?zé)峥辈榧伴_發(fā)利用等工作。