論文十一：嚴寒氣候下礦區井下余熱耦合地源熱泵供暖系統及智能監測研究摘要

我國北方高緯度礦區冬季氣候嚴寒，礦區礦井井口防凍、廠區辦公樓、職工宿舍、配套工業廠房供暖長期依賴燃煤鍋爐，不僅化石能源消耗量大，鍋爐煙氣、廢渣帶來大氣與固體廢棄物污染，不符合工礦企業低碳轉型政策要求；同時深部礦井圍巖常年保持恒定中溫，開采過程中會源源不斷釋放井下圍巖低溫余熱，大量余熱隨著礦井通風排出被白白浪費，能源浪費現象突出。本文提出礦井井下圍巖余熱與淺層地源熱泵雙熱源耦合供暖系統，充分回收礦井廢棄余熱作為基礎熱源，淺層地源熱泵作為兜底備用熱源，應對寒潮天氣熱源不足問題；針對礦區多粉塵、井下高濕度、冬季極低溫惡劣工況，選用耐低溫防腐型地溫、流量傳感硬件搭建前端感知體系，依托一體化智能監測軟件實現雙熱源聯動智能調度：優先消耗礦井井下余熱供暖，余熱出力不足時自動啟動地源熱泵系統補足熱量負荷，保障礦區冬季全天候穩定供暖、井口防凍。以北方高寒煤礦礦區為工程實例，連續一個完整冬季采暖周期開展系統運行監測，分析耦合系統供暖穩定性、機組全年能效、碳排放減排效果，總結礦區復雜工況下軟硬件監測系統的防護、運維要點，拓展地源熱泵技術在高寒工礦領域的應用場景，為高寒礦區淘汰燃煤鍋爐、實現廠區低碳供暖提供復合熱源配套監測技術方案。

關鍵詞：地源熱泵；礦區井下余熱；嚴寒氣候；復合熱源；井口防凍；供暖監測系統

一、引言

我國東北、華北北部大量煤炭、金屬礦區地處嚴寒區域，冬季氣溫可達零下二三十攝氏度，采暖周期長達5~6個月。礦區供暖包含兩大剛需：一是地面建筑供暖，涵蓋辦公區、職工生活區、工業廠房；二是礦井井筒防凍，冷空氣進入井筒會造成井筒管路結冰、設備凍損，甚至引發井下安全生產事故，井筒防凍是礦區安全生產的硬性要求。長久以來礦區普遍采用大型燃煤鍋爐集中供暖，燃煤能耗成本高，煙氣中二氧化硫、氮氧化物、粉塵污染物排放量大，隨著國家工礦企業環保管控、能耗雙控政策收緊，燃煤鍋爐逐步被強制關停，礦區亟需清潔化替代供暖方案。

礦區深部圍巖受地熱梯度影響，常年維持12~25℃恒定溫度，礦井通風系統不斷將圍巖散發的低溫余熱帶出井下，屬于持續性免費低溫熱源，但余熱受礦井開采工作面、通風風量影響，余熱輸出量存在波動性，單獨依靠井下余熱無法應對寒潮下的高峰供暖負荷。淺層地源熱泵供暖系統穩定性強，不受井下開采工況影響，可以作為兜底備用熱源。將二者耦合形成復合熱源系統，以礦井余熱為基礎主熱源、地源熱泵為應急兜底熱源，兼顧節能性與供暖穩定性。

但礦區工況和民用建筑存在巨大差異：礦區室外冬季極低溫、粉塵漫天，井下環境高濕、存在瓦斯等腐蝕性氣體，常規民用型測溫傳感器、機房監控軟硬件極易出現低溫啟動故障、粉塵侵蝕短路、元件腐蝕失效等問題，不能直接套用民用地熱監測軟硬件方案。因此針對礦區惡劣工況開發配套的耐候型硬件感知設備、雙熱源聯動調度監測軟件，是復合熱源供暖系統落地運行的關鍵。

二、雙熱源耦合系統整體架構與適配型硬件選型

整套系統分為礦井余熱換熱子系統、淺層地源熱泵子系統、末端礦區供暖管網、礦區專用智能監測軟硬件平臺四大組成部分。

礦井余熱換熱子系統：在礦井主通風出風口布置余熱換熱器，吸收排風氣流中的圍巖余熱，通過換熱介質將熱量輸送至廠區換熱總站；配套耐高溫濕度防腐型流量、溫度傳感器，監測余熱換熱介質的溫度、流量，實時計算余熱可輸出熱功率。

淺層地源熱泵子系統：常規豎直地埋管地熱換熱機組，作為兜底熱源，當余熱供暖能力無法滿足寒潮高峰負荷時啟動運行，保障供暖與井筒防凍。

前端監測硬件全部采用礦區定制款：室外地溫傳感器選用低溫啟動型元器件，可在零下35℃低溫環境穩定工作，外殼做防塵防腐封裝處理；井下余熱測溫、流量傳感器具備防爆、防腐蝕資質，適配井下瓦斯潮濕工況；循環水泵、熱泵機組配套振動、溫度故障監測傳感器，采集設備運行狀態。所有硬件采用工業級寬電壓供電方案，適配礦區廠區供電電壓波動大的問題。

監測硬件通過工業總線將所有時序數據統一上傳至礦區總控監測軟件平臺，平臺設置本地冗余控制主機，避免單一主機故障造成整套供暖系統停運，滿足工礦安全生產冗余設計要求。

三、雙熱源聯動智能監測軟件調度邏輯

監測軟件根據室外環境溫度、礦井余熱實時熱功率、礦區整體供暖熱負荷三大參數動態調度兩套熱源出力，分為三種運行模式。

基礎常態供暖模式：初冬、冬末氣溫相對溫和階段，礦井井下余熱輸出功率覆蓋廠區建筑供暖與井筒防凍負荷，軟件關閉地源熱泵機組，依靠礦井余熱供暖，節約用電能耗。

寒潮兜底聯動模式：當遭遇強寒潮，室外氣溫急劇下降，礦區供暖負荷大幅攀升，礦井余熱不足以滿足熱負荷需求時，軟件根據余熱缺口大小，分級啟動地源熱泵機組，補充熱量缺口，保證井筒水溫維持在防凍閾值之上，杜絕井筒結冰安全隱患。

設備維保輪換模式：軟件根據兩套熱源設備運行時長，在氣溫回暖窗口期輪換兩套系統啟停，對停運設備開展預防性維保檢修，避免冬季供暖高峰期設備突發故障。

軟件同步監測地埋管區域地層溫度變化，長期記錄地溫時序數據，在地層出現熱量虧空趨勢時，在非采暖季啟動熱泵系統向地層蓄熱，防止地源熱泵長期作為備用熱源閑置后再次啟用出現換熱效率不足問題。軟件配套超限報警功能，當供暖管網溫度低于防凍閾值、設備出現故障、井下余熱換熱器堵塞時，第一時間向礦區運維中控室推送聲光報警與移動端消息預警，保障礦區供暖安全生產。

四、礦區冬季采暖周期工程實測效果

選取華北北部高寒煤礦礦區開展完整冬季采暖季實測。采暖季常態工況下，礦井井下余熱承擔了約78%的整體供暖負荷，地源熱泵僅在三次強寒潮天氣中啟動兜底補熱；整套復合系統關停原有燃煤鍋爐，采暖季無燃煤污染物排放，滿足環保管控要求。井筒供暖水溫始終維持在防凍標準以上，未出現任何井筒結冰、設備凍損安全事故；地源熱泵長期作為備用熱源，配合軟件非采暖季蓄熱調控，地層溫度保持穩定，再次啟動時機組換熱能效不受閑置影響。在運行能耗層面，相較于純地源熱泵供暖系統，復合熱源系統整體用電能耗下降75%左右，極大降低礦區冬季供暖運營成本，兼具環保效益與經濟效益。同時監測軟件完整記錄整套系統所有設備運行臺賬、故障記錄、地層溫度數據，便于礦區開展年度能耗審計、環保核查工作。

五、礦區軟硬件系統運維防護要點

針對礦區惡劣工況，軟硬件運維設置專屬防護方案：硬件設備定期開展粉塵清理、防腐層外觀巡檢，室外傳感器配套保溫防護外殼，抵御極低溫凍害；井下傳感設備嚴格按照防爆規范定期檢測校驗。監測軟件開啟系統冗余備份機制，關鍵運行參數、歷史時序數據多設備備份存儲，杜絕數據丟失；軟件設置權限分級管理，區分運維操作人員、管理人員系統操作權限，規避人為誤操作帶來的供暖系統風險；配套應急兜底邏輯，在軟件系統臨時故障時，硬件控制柜啟用獨立兜底邏輯，保障供暖管網基礎防凍運行。

六、結論

高寒礦區井下余熱耦合地源熱泵復合供暖系統，充分回收礦井廢棄圍巖余熱作為主供暖熱源，搭配穩定性更強的淺層地源熱泵作為特殊天氣兜底熱源，適配高寒礦區冬季長時間采暖、井筒防凍兩大剛需，實現燃煤鍋爐清潔替代，解決了礦區傳統供暖高污染、高能耗的行業痛點。配套耐低溫、防塵防腐、防爆型專用感知硬件與雙熱源聯動智能監測軟件，能夠根據余熱出力、室外氣溫、地層換熱狀態動態調度兩套熱源運行狀態，既利用免費井下余熱降低運營能耗，又依靠地源熱泵保障特種寒潮工況下供暖安全生產，同時依靠地溫監測模塊保護地層換熱系統長效穩定運行。

該耦合供暖與智能監測方案適配我國北方大量高寒煤炭、金屬礦區，能夠幫助工礦企業完成環保低碳改造，規避燃煤鍋爐關停帶來的供暖安全風險，是地源熱泵技術從民用建筑領域向高寒工業礦區場景拓展的優質技術路線，具備大范圍工礦行業推廣應用價值。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

淺層地溫遠程監測系統、地源熱泵一體化監測控制柜、多參數綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業觸控采集主機、淺層地熱標準化監測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求