論文一：地源熱泵機房監(jiān)控系統(tǒng)與地溫場在線監(jiān)測平臺集成應用研究

摘要

淺層地源熱泵系統(tǒng)在建筑冷暖供應領域應用規(guī)模持續(xù)擴大，但多數(shù)項目存在機房自控系統(tǒng)與地下地溫監(jiān)測相互獨立、數(shù)據(jù)割裂的問題，運維人員難以聯(lián)動分析設備運行工況與地層換熱狀態(tài)。本文提出機房監(jiān)控與地溫場在線監(jiān)測一體化集成方案，搭建融合地上設備運行、建筑負荷、氣象參數(shù)、地下地層溫度的綜合監(jiān)測軟件平臺。依托平臺實現(xiàn)水泵、冷水機組狀態(tài)采集、冷熱負荷動態(tài)測算、地溫場長期觀測，實現(xiàn)地上地下數(shù)據(jù)互通，為地源熱泵系統(tǒng)精細化運維、土壤熱失衡早期預警提供支撐。

關鍵詞：地源熱泵；機房監(jiān)控；地溫場監(jiān)測；平臺集成；冷熱負荷

一、引言

地源熱泵依靠淺層巖土體完成熱量交換，系統(tǒng)長效穩(wěn)定運行取決于兩大核心條件：一是機房機組、循環(huán)水泵高效合理調度；二是地下巖土冷熱收支平衡，避免長期取熱或排熱造成地溫持續(xù)偏移。當前大量工程項目配置兩套獨立系統(tǒng)：一套用于機房設備PLC控制，僅監(jiān)測機組、水泵啟停與故障信息；另一套獨立布設地溫監(jiān)測裝置，單獨采集地層溫度數(shù)據(jù)。兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)互不連通，運維工作處于碎片化狀態(tài)。

運維人員僅依靠機房控制系統(tǒng)，只能掌握設備耗電量、進出水溫度，無法知曉地下巖土溫度演變趨勢；地溫監(jiān)測系統(tǒng)僅能輸出地層溫度曲線，不能結合熱泵運行負荷分析溫度變化誘因。當出現(xiàn)系統(tǒng)能效下降、地層冷熱堆積問題時，難以快速定位根源。因此，構建一體化集成監(jiān)測軟件平臺，打通地上機房與地下地層監(jiān)測的數(shù)據(jù)鏈路，具備工程實用價值。

二、一體化監(jiān)測平臺總體功能架構

平臺軟件分為兩大監(jiān)測模塊：機房設備監(jiān)控模塊、地溫場監(jiān)測模塊，同時接入建筑室內環(huán)境、室外氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。

機房監(jiān)控模塊實現(xiàn)全設備狀態(tài)采集：實時統(tǒng)計冷水機組、地源側循環(huán)水泵、空調側循環(huán)水泵運行臺數(shù)；持續(xù)采集水泵運行狀態(tài)、故障報警信號、手動/自動運行模式。系統(tǒng)采集冷凍水供回水溫度、總回水流量，內置負荷計算模型，實時核算建筑空調冷熱負荷。軟件依據(jù)實時負荷，給出熱泵機組啟停組合、投入臺數(shù)優(yōu)化建議，引導系統(tǒng)運行在高效節(jié)能區(qū)間。

地溫監(jiān)測模塊對接淺層地溫監(jiān)測終端，連續(xù)采集不同深度地層溫度時序數(shù)據(jù)，繪制長期地溫演化曲線。平臺同步接入室內溫度、室外氣溫、濕度等氣象參數(shù)，建立“氣象條件—建筑負荷—機組運行—地層換熱”完整數(shù)據(jù)鏈條。

三、平臺集成關鍵技術要點

數(shù)據(jù)通信層面，平臺統(tǒng)一采用Modbus-RTU工業(yè)通用協(xié)議，兼容主流PLC控制器與分布式地溫采集終端，實現(xiàn)跨設備數(shù)據(jù)互通。軟件設置統(tǒng)一時間戳，保證設備運行數(shù)據(jù)、地溫數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)時間同步，確保后期聯(lián)合分析的數(shù)據(jù)有效性。

數(shù)據(jù)存儲與可視化模塊，軟件實時展示設備運行動態(tài)畫面、故障彈窗預警，自動保存歷史數(shù)據(jù)，支持調取季度、年度運行曲線。當?shù)貙訙囟绕x原始基準值達到閾值、設備出現(xiàn)持續(xù)故障、負荷劇烈波動時，系統(tǒng)主動推送預警信息。

四、工程應用價值分析

一體化集成平臺解決傳統(tǒng)兩套系統(tǒng)獨立運行的痛點。在未集成模式下，想要分析地層溫度下降是否由冬季長期大負荷取熱造成，需要人工分別導出機房運行報表與地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)手動比對，工作量巨大，數(shù)據(jù)匹配誤差較高。集成平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)同源同步，可直接開展關聯(lián)性分析。

借助長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，運維管理人員能夠動態(tài)調整運行策略：冷熱負荷偏大階段合理調配機組運行數(shù)量；在地溫出現(xiàn)明顯偏移時，及時啟用間歇運行、季節(jié)性輪換方案，緩解土壤冷熱堆積。相較于傳統(tǒng)人工運維模式，一體化平臺降低人力成本，提前規(guī)避土壤熱失衡風險，延長地埋管換熱系統(tǒng)使用壽命。

五、結論

機房監(jiān)控系統(tǒng)與地溫場監(jiān)測平臺一體化集成，是地源熱泵數(shù)字化運維重要發(fā)展方向。軟件平臺打通地上設備運行數(shù)據(jù)與地下地層監(jiān)測數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)設備狀態(tài)、冷熱負荷、氣象條件、地溫場多參數(shù)協(xié)同監(jiān)測。該方案適配商業(yè)綜合體、產業(yè)園區(qū)、住宅小區(qū)各類地源熱泵項目新建與改造工程，能夠有效提升運維精細化水平，推動淺層地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)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(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)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(shù)、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(huán)介質

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環(huán)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(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)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(jiān)測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設技術規(guī)范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發(fā)利用地質環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監(jiān)測規(guī)范

四大標準統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標準化布設（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)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(jiān)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(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協(xié)議、年度地熱監(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)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(shù)據(jù)直連市級地熱監(jiān)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(tài)預警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)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(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地熱大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)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(jiān)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(lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結構、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環(huán)境年度核查配套監(jiān)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(shù)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(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

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

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(jiān)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(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、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(tǒng)、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(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地熱監(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(jiān)測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監(jiān)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(jié)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(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)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(tài)監(jiān)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(jiān)測、水質pH/電導率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環(huán)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(shù)據(jù)長期存儲、政府地熱監(jiān)管平臺實時聯(lián)網、閉坑/復墾地質環(huán)境評估資料、淺層地熱開發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術性能參數(shù)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(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)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(huán)存儲、斷網數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)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(qū)分時換熱管控、錯峰負荷調節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、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(huán)水泵變頻節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地熱一體化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩(wěn)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(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地熱數(shù)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(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求