论文十一：严寒气候下矿区井下余热耦合地源热泵供暖系统及智能监测研究摘要

论文十一：严寒气候下矿区井下余热耦合地源热泵供暖系统及智能监测研究摘要

我国北方高纬度矿区冬季气候严寒，矿区矿井井口防冻、厂区办公楼、职工宿舍、配套工业厂房供暖长期依赖燃煤锅炉，不仅化石能源消耗量大，锅炉烟气、废渣带来大气与固体废弃物污染，不符合工矿企业低碳转型政策要求；同时深部矿井围岩常年保持恒定中温，开采过程中会源源不断释放井下围岩低温余热，大量余热随着矿井通风排出被白白浪费，能源浪费现象突出。本文提出矿井井下围岩余热与浅层地源热泵双热源耦合供暖系统，充分回收矿井废弃余热作为基础热源，浅层地源热泵作为兜底备用热源，应对寒潮天气热源不足问题；针对矿区多粉尘、井下高湿度、冬季极低温恶劣工况，选用耐低温防腐型地温、流量传感硬件搭建前端感知体系，依托一体化智能监测软件实现双热源联动智能调度：优先消耗矿井井下余热供暖，余热出力不足时自动启动地源热泵系统补足热量负荷，保障矿区冬季全天候稳定供暖、井口防冻。以北方高寒煤矿矿区为工程实例，连续一个完整冬季采暖周期开展系统运行监测，分析耦合系统供暖稳定性、机组全年能效、碳排放减排效果，总结矿区复杂工况下软硬件监测系统的防护、运维要点，拓展地源热泵技术在高寒工矿领域的应用场景，为高寒矿区淘汰燃煤锅炉、实现厂区低碳供暖提供复合热源配套监测技术方案。

关键词：地源热泵；矿区井下余热；严寒气候；复合热源；井口防冻；供暖监测系统

一、引言

我国东北、华北北部大量煤炭、金属矿区地处严寒区域，冬季气温可达零下二三十摄氏度，采暖周期长达5~6个月。矿区供暖包含两大刚需：一是地面建筑供暖，涵盖办公区、职工生活区、工业厂房；二是矿井井筒防冻，冷空气进入井筒会造成井筒管路结冰、设备冻损，甚至引发井下安全生产事故，井筒防冻是矿区安全生产的硬性要求。长久以来矿区普遍采用大型燃煤锅炉集中供暖，燃煤能耗成本高，烟气中二氧化硫、氮氧化物、粉尘污染物排放量大，随着国家工矿企业环保管控、能耗双控政策收紧，燃煤锅炉逐步被强制关停，矿区亟需清洁化替代供暖方案。

矿区深部围岩受地热梯度影响，常年维持12~25℃恒定温度，矿井通风系统不断将围岩散发的低温余热带出井下，属于持续性免费低温热源，但余热受矿井开采工作面、通风风量影响，余热输出量存在波动性，单独依靠井下余热无法应对寒潮下的高峰供暖负荷。浅层地源热泵供暖系统稳定性强，不受井下开采工况影响，可以作为兜底备用热源。将二者耦合形成复合热源系统，以矿井余热为基础主热源、地源热泵为应急兜底热源，兼顾节能性与供暖稳定性。

但矿区工况和民用建筑存在巨大差异：矿区室外冬季极低温、粉尘漫天，井下环境高湿、存在瓦斯等腐蚀性气体，常规民用型测温传感器、机房监控软硬件极易出现低温启动故障、粉尘侵蚀短路、元件腐蚀失效等问题，不能直接套用民用地热监测软硬件方案。因此针对矿区恶劣工况开发配套的耐候型硬件感知设备、双热源联动调度监测软件，是复合热源供暖系统落地运行的关键。

二、双热源耦合系统整体架构与适配型硬件选型

整套系统分为矿井余热换热子系统、浅层地源热泵子系统、末端矿区供暖管网、矿区专用智能监测软硬件平台四大组成部分。

矿井余热换热子系统：在矿井主通风出风口布置余热换热器，吸收排风气流中的围岩余热，通过换热介质将热量输送至厂区换热总站；配套耐高温湿度防腐型流量、温度传感器，监测余热换热介质的温度、流量，实时计算余热可输出热功率。

浅层地源热泵子系统：常规竖直地埋管地热换热机组，作为兜底热源，当余热供暖能力无法满足寒潮高峰负荷时启动运行，保障供暖与井筒防冻。

前端监测硬件全部采用矿区定制款：室外地温传感器选用低温启动型元器件，可在零下35℃低温环境稳定工作，外壳做防尘防腐封装处理；井下余热测温、流量传感器具备防爆、防腐蚀资质，适配井下瓦斯潮湿工况；循环水泵、热泵机组配套振动、温度故障监测传感器，采集设备运行状态。所有硬件采用工业级宽电压供电方案，适配矿区厂区供电电压波动大的问题。

监测硬件通过工业总线将所有时序数据统一上传至矿区总控监测软件平台，平台设置本地冗余控制主机，避免单一主机故障造成整套供暖系统停运，满足工矿安全生产冗余设计要求。

三、双热源联动智能监测软件调度逻辑

监测软件根据室外环境温度、矿井余热实时热功率、矿区整体供暖热负荷三大参数动态调度两套热源出力，分为三种运行模式。

基础常态供暖模式：初冬、冬末气温相对温和阶段，矿井井下余热输出功率覆盖厂区建筑供暖与井筒防冻负荷，软件关闭地源热泵机组，依靠矿井余热供暖，节约用电能耗。

寒潮兜底联动模式：当遭遇强寒潮，室外气温急剧下降，矿区供暖负荷大幅攀升，矿井余热不足以满足热负荷需求时，软件根据余热缺口大小，分级启动地源热泵机组，补充热量缺口，保证井筒水温维持在防冻阈值之上，杜绝井筒结冰安全隐患。

设备维保轮换模式：软件根据两套热源设备运行时长，在气温回暖窗口期轮换两套系统启停，对停运设备开展预防性维保检修，避免冬季供暖高峰期设备突发故障。

软件同步监测地埋管区域地层温度变化，长期记录地温时序数据，在地层出现热量亏空趋势时，在非采暖季启动热泵系统向地层蓄热，防止地源热泵长期作为备用热源闲置后再次启用出现换热效率不足问题。软件配套超限报警功能，当供暖管网温度低于防冻阈值、设备出现故障、井下余热换热器堵塞时，第一时间向矿区运维中控室推送声光报警与移动端消息预警，保障矿区供暖安全生产。

四、矿区冬季采暖周期工程实测效果

选取华北北部高寒煤矿矿区开展完整冬季采暖季实测。采暖季常态工况下，矿井井下余热承担了约78%的整体供暖负荷，地源热泵仅在三次强寒潮天气中启动兜底补热；整套复合系统关停原有燃煤锅炉，采暖季无燃煤污染物排放，满足环保管控要求。井筒供暖水温始终维持在防冻标准以上，未出现任何井筒结冰、设备冻损安全事故；地源热泵长期作为备用热源，配合软件非采暖季蓄热调控，地层温度保持稳定，再次启动时机组换热能效不受闲置影响。在运行能耗层面，相较于纯地源热泵供暖系统，复合热源系统整体用电能耗下降75%左右，极大降低矿区冬季供暖运营成本，兼具环保效益与经济效益。同时监测软件完整记录整套系统所有设备运行台账、故障记录、地层温度数据，便于矿区开展年度能耗审计、环保核查工作。

五、矿区软硬件系统运维防护要点

针对矿区恶劣工况，软硬件运维设置专属防护方案：硬件设备定期开展粉尘清理、防腐层外观巡检，室外传感器配套保温防护外壳，抵御极低温冻害；井下传感设备严格按照防爆规范定期检测校验。监测软件开启系统冗余备份机制，关键运行参数、历史时序数据多设备备份存储，杜绝数据丢失；软件设置权限分级管理，区分运维操作人员、管理人员系统操作权限，规避人为误操作带来的供暖系统风险；配套应急兜底逻辑，在软件系统临时故障时，硬件控制柜启用独立兜底逻辑，保障供暖管网基础防冻运行。

六、结论

高寒矿区井下余热耦合地源热泵复合供暖系统，充分回收矿井废弃围岩余热作为主供暖热源，搭配稳定性更强的浅层地源热泵作为特殊天气兜底热源，适配高寒矿区冬季长时间采暖、井筒防冻两大刚需，实现燃煤锅炉清洁替代，解决了矿区传统供暖高污染、高能耗的行业痛点。配套耐低温、防尘防腐、防爆型专用感知硬件与双热源联动智能监测软件，能够根据余热出力、室外气温、地层换热状态动态调度两套热源运行状态，既利用免费井下余热降低运营能耗，又依靠地源热泵保障特种寒潮工况下供暖安全生产，同时依靠地温监测模块保护地层换热系统长效稳定运行。

该耦合供暖与智能监测方案适配我国北方大量高寒煤炭、金属矿区，能够帮助工矿企业完成环保低碳改造，规避燃煤锅炉关停带来的供暖安全风险，是地源热泵技术从民用建筑领域向高寒工业矿区场景拓展的优质技术路线，具备大范围工矿行业推广应用价值。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求