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地質環境監測系統在淺層地熱能的應用

2023

01-17

11:59:37

 620

來源：北京鴻鷗成運儀器設備有限公司

地質環境監測系統在淺層地熱能的應用

[摘要]本文針對淮北地區淺層地熱能項目的調查與評價，闡述了淺層地熱能地質環境監測系統的應用，這項工作不僅關系到項目本身的完整性也真實的體現了可再生資源的數據建設對于可再生資源的開發的可持續和重要性。

　　[關鍵詞]地熱能監測系統應用

　　0引言
　　隨著我國經濟持續快速發展及人口的不斷增加，能源消耗越來越大，能源供給越來越緊張。其節約能源及保護環境的壓力越來越大，并已成為國家戰略需求。淺層地熱能是一種新型的環保能源，具有可再生、儲量大、清潔環保等優點。
　　1項目概況
　　為合理開發利用安徽省淺層地熱能資源，安徽省國土資源廳、安徽省財政廳下達安徽省淺層地熱能調查與評價項目任務書（皖國土資[2009]295號文），立項開展安徽省淺層地熱能調查與評價工作。簽訂了安徽省公益性地質工作項目委托合同（編號：公益項目合同2009-11），項目起止時間為2009年11月～2011年5月（后續作）。根據安徽省淺層地熱能調查評價總項目的統一部署，淮北市工作區淺層地熱能調查與評價是該項目子項目之一。
　　淮北市淺層地熱能調查與評價的工作區范圍包括相山、烈山、杜集三區的建成區、濉溪縣城和周邊因城市發展需要實施控制范圍，。地理坐標：116°37?@18″～116°58?@25″、北緯33°52?@52″～34°06?@29″。工作區（規劃區）面積約420km2。
　　2淺層地熱能賦存條件
　　工作區地層屬華北地層大區晉冀魯豫地層區淮河地層分區淮北地層小區。根據區內鉆孔和區域資料，本區北東―西南大部均被第四系松散層覆蓋，僅東南及北部基巖出露。
　　依據全省淺層地熱能賦存的地質條件及其開發利用特點，總項目將150m以淺地層巖性主要按不同地質時代及其固結程度進行了分類，即將第四系、新近系劃分為松散巖類地層，古近系、白堊系劃為半固結巖類地層，除松散巖類、半固結巖類之外的為固結巖類巖石。
　　根據地下水的賦存條件及含水介質的空隙類型，本區地下水類型分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水及碎屑巖類裂隙水三類。
　　地溫在地層中的變化就是巖土體熱導率的效應，恒溫帶以下地層主要受地球內部熱能控制。根據地溫場溫度隨深度的變化，將200m以淺自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。
　　3淺層地熱能資源開發利用
　　淺層地熱能資源分別賦存于巖土體、地下水及地表水中，針對不同的賦存條件借助地源熱泵系統采取不同的開發利用方式。分為地源型（地埋管）、地下水源型和地表水源型三種開發利用方式。
　　4開發利用適宜性分區及資源評價
　　淺層地熱能開發利用適宜性分區是調查評價工作的基本任務，貫穿于整個工作的全過程;其目的是為勘查評價方法和開發利用方式的選擇、資源評價以及能源建設規劃的編制提供技術依據。
　　5地質環境監測系統建設
　　5.1地質環境監測布置方案
　　在渠溝鎮鐘樓村和劉橋鎮附近松散層厚度50-100m區內，布置2處監測（井）孔，監測第二雙層結構150m以淺地溫場地質環境;選取南湖塌陷積水區為地表水監測點，監測地表水水溫、水質及氣溫變化情況。
　　5.2地溫場監測技術要求
　　5.2.1區域性監測
　　監測孔（井）原則上不是開采井，孔（井）深100―150米。如遇在抽水井中測溫時，要在停泵24小時后測量。數字化測溫工具屬于精密儀器，需要妥善使用和保管。測量記錄使用表格，監測地溫前，先測氣溫和水位;然后測地溫（水溫），50m以淺每2.5m測一次溫度，50m以下每5m測一次溫度。每月10日測一次，溫度值讀取記錄以數字不跳躍，并穩定5秒后為準。氣溫、地溫均到0.1℃。同時記錄坐標、地理位置、天氣狀況、水位（到0.01m）、孔口（井臺）高度（到0.01m）、是否為開采井等。在測量過程中及時進行數據分析，如遇異常，需查找原因，確保測溫數據真實可靠。監測資料于當月完成后及時交專人整理、保管。
　　5.2.2地表水水溫監測
　　選取南湖公園塌陷積水區為地表水觀測點，位置確定湖心水深大于3m處，每次測量的物理量位置和深度相同。地表水體溫度監測點為地表水面以下1、3、5、7、9、11m……水底各測量一次水溫，并測即時氣溫。測溫數據記錄在“地表水地溫監測記錄表”內，氣溫觀測、地理位置、坐標、天氣狀況及水體名稱等同時填寫。每次在同一固定地點測量，監測時間為每月10日，如遇氣溫，適當加密測量。監測資料于當月完成后及時交專人整理、保管。
　　6 GPRS遠程數據傳輸系統建設
　　6.1系統組成
　　中心服務站：發出命令和接受數據。
　　中心站計算機配置：為品牌計算機，主流配置。
　　系統軟件的操作平臺是WindoP，采用128點組態軟件。
　　6.2系統功能
　　以光電直讀的方式讀取流量計所計量的水量值，并將其轉換為相應的數字信息。;
　　接收由變送器輸入的信號，并將其轉換為相應的數字信息。
　　將所采集信息通過天線以短信的方式發送至中心站。
　　將溫度傳感器采集到的數據自動保存、自動形成曲線。
　　6.3測量元件精度要求
　　溫度傳感器：PT1000電工電阻，4～20ma輸出，防磁防腐，加長導線調試標定，精度0.1℃;巡檢儀：24路，4～20ma輸入，0.2%FS;控制箱：巡檢箱;軟件：128點組態;編程：自動保存數據，自動形成曲線; 數據采存卡：ACCESS庫保存，存儲量512K;加長導線：聚四氟乙烯導線，三芯屏蔽，鍍銀;流量計、計量器具名稱：電磁流量計;型號規格：LDC-15C。量程：10～100L/H;精度：1.0級;傳感器基本誤差：±0.25%。線性度：0.15%，重復性：0.03%;電流輸出：4～20MA。
　　7結論
　　淺層地熱能的開發利用有著重要的作用，而建立地質環境監測系統更是重中之重，它不僅為以后的工作開展提供了寶貴的資料也為全面系統的建設地熱能監控系統打下了堅實的基礎，工作中要嚴謹、科學、、認真的完成地質環境監測任務獲得準確的數字為祖國的可再生資源提供可開采依據，也為了廣大民眾的根本利益，所以地質環境監測系統的建設具有深遠的意義。
　　參考文獻
　　[1]《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009）;
　　[2]《巖土工程勘察規范》GB50021-2001;
　　[3]《區域水文地質工程地質環境地質綜合勘查規范》GB14158-93;
　　[4]《地下水動態監測規程》（DZ/T0133-1994）等;

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產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫，淺層地溫在線監測系統，分布式地溫監測系統

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套先進的基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取先進的ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守?？蓪岜孟到y的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

地質環境監測系統在淺層地熱能的應用

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