論文二：基于地溫場動態監測的地源熱泵系統智能調控軟件策略研究

摘要

大規模推廣應用過程中，土壤冷熱堆積、地層熱失衡成為制約地源熱泵長效運行的核心難題。單一依靠固定時序啟?？刂撇呗?，無法適配建筑季節性冷熱負荷變化與地層溫度動態變化。本文以地溫場長期動態監測數據為基礎，研究地源熱泵智能調控軟件策略。依托監測軟件持續采集分層地溫數據，結合室外氣象、建筑冷熱負荷參數建立調控模型，動態優化機組、循環水泵運行方案，平衡巖土冷熱收支，抑制地溫持續偏移，提升系統全年運行能效。

關鍵詞：地源熱泵；地溫監測；智能調控；熱失衡；運行策略

一、引言

我國北方地區地源熱泵項目冬季長期取熱，巖土熱量持續流失，地層溫度逐年降低；南方冷暖聯供項目冬夏負荷不均衡，容易出現熱量堆積。地層溫度失衡后，地埋管換熱效率持續下滑，熱泵COP逐年降低，能耗上升，嚴重時項目運行數年便無法達到設計供熱供冷效果。

常規自控系統大多采用固定邏輯控制，僅依據供回水溫度啟停機組，不考慮地下巖土蓄熱狀態，缺乏對地溫場變化的感知。想要從根源緩解熱失衡，必須將地層溫度納入系統控制邏輯。隨著地溫在線監測技術普及，通過軟件算法實現“負荷—氣象—地溫”多因子聯動智能調控，具備可行條件。

二、智能調控系統數據基礎

調控軟件所需基礎監測數據分為三類：第一類為運行參數，包含地源熱泵機組運行狀態、循環水泵頻率、埋管側供回水溫度、流量；第二類為環境參數，室外氣溫、太陽輻射、室內目標溫度；第三類核心參數為分層地溫場監測數據，持續采集換熱區域不同深度巖土溫度，建立原始地溫基準線，實時計算溫度偏移量。

軟件平臺持續記錄全年地溫變化規律，區分供暖季、供冷季、過渡季地層溫度變化特征，量化全年巖土取熱、排熱總量，判斷冷熱收支平衡狀態。

三、智能調控軟件核心策略

負荷動態匹配調控

軟件根據實時建筑冷熱負荷，優化投入運行機組臺數，避免“大馬拉小車”低負荷低效運行，降低基礎能耗。

基于地溫閾值的運行干預策略

設置地層溫度預警閾值，當地溫持續低于基準值（北方供暖區），軟件推薦采用間歇運行、錯峰運行模式；具備條件的項目聯動輔助散熱、輔助補熱設備，平衡巖土熱量。

過渡季調蓄策略

利用春秋過渡季，根據地溫偏差調整運行模式，主動向地層蓄熱或者釋放巖土多余熱量，縮小冬夏地層溫差。

軟件內置對比分析模塊，可記錄不同調控策略下系統能耗、地層溫度變化幅度，持續迭代優化控制邏輯。

四、調控策略工程效果分析

對比試驗表明：傳統固定模式運行項目，連續3~5年運行后地層溫度偏移幅度可達3~6℃；采用地溫聯動智能調控策略后，地層年度溫度波動幅度顯著縮小，土壤冷熱堆積得到有效抑制。同時，系統全年綜合能效比提升，減少無效能耗。

相比于改造埋管、增設輔助系統等硬件方案，軟件調控方案改造成本低，特別適合存量地源熱泵項目升級改造，市場推廣優勢明顯。但智能調控策略高度依賴穩定、連續、精準的地溫監測數據，監測系統的數據可靠性是策略落地的前提。

五、結論

以地溫場動態監測數據為核心的智能調控軟件策略，突破傳統地源熱泵控制邏輯的局限性，將地下巖土換熱狀態納入系統控制體系。通過多參數聯動優化機組運行模式，有效緩解土壤熱失衡問題，保障地源熱泵長期高效運行。未來可結合機器學習算法，進一步預測建筑負荷與地溫演變趨勢，實現預測性調控，推動地源熱泵控制技術向智能化方向持續發展。

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