論文八：基于數字孿生技術的地源熱泵地埋管群全生命周期運維平臺研究

摘要

地埋管換熱管路是地源熱泵系統的核心換熱構件，深埋于地下數十米巖土內部，屬于典型地下隱蔽工程。傳統運維模式無法直觀掌握地下管路運行狀態，管路滲漏、管外壁巖土結垢堵塞、埋管換熱效率逐年衰減等故障難以被快速定位，僅能依靠地上機組運行參數間接推測故障問題，運維效率低下，嚴重影響地源熱泵全生命周期運行穩定性。本文將數字孿生BIM技術與地源熱泵原有軟硬件監測體系相結合，搭建虛實聯動的地埋管群全生命周期運維平臺。平臺依托項目施工階段BIM竣工圖紙搭建地下埋管三維虛擬數字模型，接入地層地溫傳感器、管路流量壓力傳感器、機房機組PLC等前端硬件的實時運行數據，實現物理埋管系統與虛擬數字模型的實時數據映射。平臺可完成管路堵塞故障可視化定位、埋管滲漏點位仿真識別、地層熱力場長期演化仿真、系統全生命周期運維方案智能生成等功能。本文闡述數字孿生平臺三層整體架構、虛實數據交互通信方案、故障仿真預警核心算法，結合園區商業地源熱泵項目開展工程驗證，分析平臺在故障排查、換熱性能維護、運維成本管控等方面的應用價值，為地下隱蔽式地埋管系統智能化無人值守運維提供全新技術方案。

關鍵詞：地源熱泵；數字孿生；BIM；地埋管群；全生命周期運維；虛實映射

一、引言

地埋管換熱系統分為豎直埋管與水平埋管兩類，豎直埋管深度普遍在60~120米，水平埋管鋪設于地表淺層土體當中，管路長期處于高溫差、地下水腐蝕、土體擠壓的復雜地下環境。在地源熱泵數十年的服役周期內，埋管管路會出現多種隱患：地下水攜帶泥沙附著在管道外壁形成隔熱垢層，降低換熱效率；管路接頭受土體擠壓、管材老化出現滲漏，換熱介質流失；局部區域地層長期冷熱失衡，造成管路換熱性能區域性衰減。

由于管路埋藏于地下，運維人員無法直接觀測管路狀態。傳統運維方式只能根據機組進出水溫差、系統流量、機組能耗等地上參數，憑借運維人員經驗粗略判斷地下管路是否存在故障，不僅故障定位精度差，還往往錯過最佳維修窗口期；當發現換熱效率大幅下降時，地下管路故障已經大范圍擴散，維修開挖成本高，甚至只能廢棄原有埋管重新鋪設，造成巨大經濟損失。

常規的地溫監測軟件、機房監控軟件只能實現數據數值展示，無法將分散的點位監測數據與地下管路空間位置結合起來，不能實現可視化運維。數字孿生技術能夠完成物理實體與虛擬模型的實時聯動映射，在虛擬空間復刻整套地埋管群的空間布局與運行狀態，將各類監測硬件采集的時序數據掛載在三維模型對應點位上，實現地下隱蔽設備可視化運維。當前國內數字孿生在地源熱泵領域大多停留在理論仿真層面，缺少結合現場監測軟硬件、適配運維流程的落地化平臺體系，因此研發地埋管數字孿生運維平臺具有強的工程實用價值。

二、數字孿生運維平臺三層整體架構

平臺整體分為物理感知硬件層、數據傳輸交互層、數字孿生虛擬軟件應用層三層架構，三層架構相互協同，完成虛實聯動運行。

物理感知硬件層包含整套采集硬件：分布于各個埋管豎井內的分層地溫監測探頭、管路進出口流量與壓力傳感器、地源側循環水泵運行狀態采集終端、熱泵機組PLC控制系統、室外氣象監測設備。各類硬件實時采集管路流量、管內壓力、不同深度地層溫度、機組運行功率、環境氣象等物理運行參數，為虛擬模型提供原始真實數據。硬件沿用成熟耐高溫防腐傳感設備，保障長期穩定采集數據，為虛實映射奠定數據基礎。

數據傳輸交互層作為橋梁，統一采用標準化Modbus通信協議匯聚全部硬件采集數據，通過有線局域網或者4G/5G無線傳輸方式將時序數據同步上傳至孿生平臺服務器；同時平臺可向下發送調控指令，下發至機房水泵、熱泵機組等執行硬件，實現“物理設備采集數據-虛擬平臺運算決策-下發調控指令改變物理設備運行狀態”的閉環聯動。傳輸系統配備數據校驗、斷點續傳功能，避免傳輸過程中數據失真、丟失。

數字孿生軟件應用層是平臺核心，分為BIM三維可視化模塊、實時虛實映射模塊、故障仿真研判模塊、全生命周期運維臺賬模塊四大功能模塊。首先依托項目竣工BIM圖紙，完整復刻地下每一根換熱管路的空間位置、管路管徑、管材材質、管路接頭位置、埋管深度、回填材料等基礎信息，搭建1:1三維虛擬地埋管群模型；硬件實時監測數據實時掛載在模型對應管路點位，運維人員可在電腦、移動端大屏上查看任意一段管路的流量、壓力、周邊地層溫度等運行參數。

三、平臺核心功能設計

第一，管路故障可視化定位功能。平臺內置故障研判算法，當某段管路流量異常下降、管路進出口壓力差值顯著增大、周邊地層溫度變化異常時，結合三維模型空間位置鎖定故障管路區段，精準判斷故障為管路外壁結垢堵塞還是管路介質滲漏，給出故障開挖維修的精準坐標，大幅降低故障排查時間與開挖范圍。傳統人工排查往往需要大面積開挖土體排查，而孿生平臺可將故障定位精度控制在單根埋管區段內。

第二，地層熱力場仿真演化功能。平臺根據長期連續的地層溫度監測數據，仿真模擬未來1~3個運行周期內地層熱力場變化趨勢，預判區域性土壤冷熱堆積風險，聯動機房調控軟件提前調整機組運行策略，預防大范圍熱失衡問題。

第三，全生命周期運維智能臺賬功能。平臺自動記錄整套系統從竣工投運以來所有運行數據、故障記錄、維修記錄、硬件校準記錄，結合管材、傳感器等設備的服役壽命參數，智能推送硬件定期校準、管路預防性維護計劃，實現由“故障后被動維修”轉變為“預測性預防性運維”。

第四，存量老舊系統輕量化改造適配功能。對于建成多年無BIM圖紙的老舊地源熱泵項目，平臺支持通過實地勘測、管路點位檢測逆向搭建簡易三維孿生模型，加裝監測硬件后即可實現基礎的虛實運維功能，適配存量項目改造需求。

四、工程應用效果分析

選取商業園區地源熱泵項目開展為期一年的平臺應用試驗，對比傳統運維模式與數字孿生平臺運維模式的各項指標。在故障排查方面，試驗期間出現兩次管路局部堵塞隱患，傳統運維模式耗費7個工作日、大范圍開挖土體才鎖定故障位置；孿生平臺僅用時2小時精準定位故障區段，小范圍開挖完成管路疏通維修，故障處置效率提升85%以上，開挖施工成本降低70%。在地層熱平衡運維層面，平臺通過熱力場仿真提前預判局部地層熱量堆積，聯動調控軟件優化機組運行模式，避免了區域性換熱效率衰減。在運維人力層面，平臺自動化生成運維計劃、運行臺賬，減少了運維人員日常巡檢頻次，運維人工成本下降約55%。同時平臺完整保存全生命周期運行數據，項目開展地熱年度核查、合規驗收時，可直接調取虛擬模型與配套時序監測數據，滿足屬地地熱監管部門歸檔要求。

五、平臺現存不足與優化方向

當前地埋管數字孿生運維平臺存在兩處短板：其一，完整BIM建模對于新建項目友好，但老舊項目逆向建模工作量較大，建模精度受現場勘測條件限制；其二，大規模埋管群場景下，海量時序監測數據同步至虛擬模型，對服務器算力、網絡傳輸穩定性要求較高。針對老舊項目問題，可以開發輕量化快速建模工具，結合管路布設施工資料、關鍵點位探測數據快速搭建基礎孿生模型，滿足基礎運維需求；針對算力問題采用“邊緣端本地孿生+云端總平臺”架構，邊緣終端完成單站點基礎虛實映射與故障研判，云端平臺負責多站點集中管理、長期大數據仿真，降低云端算力壓力。后續可結合機器學習算法，不斷優化故障研判、熱力仿真算法模型，進一步提升故障預判準確率。

六、結論

數字孿生運維平臺打通了地下地埋管物理實體與三維虛擬模型的虛實聯動壁壘，解決了地埋管作為地下隱蔽工程運維可視性差、故障排查難度大、運維被動滯后的長期行業痛點。平臺融合BIM建模、硬件實時感知、大數據仿真、智能運維臺賬多項技術，不僅能夠精準定位管路滲漏、堵塞等顯性故障，還可以提前仿真預判地層熱力失衡等隱性長期風險，實現地源熱泵地埋管群從建設、投運、運維到老化報廢的全生命周期精細化管理。

平臺對于新建地源熱泵項目可在施工階段同步搭建，對于存量老舊地熱系統也能夠完成輕量化改造適配，兼具通用性與落地性。隨著地熱行業智能化運維需求提升、BIM數字化竣工規范普及，數字孿生運維平臺將會成為大型園區、連片住宅小區地源熱泵項目的標配運維系統，推動地源熱泵運維模式由傳統人工經驗運維向數字化、可視化、預測式無人值守運維轉型升級，保障地埋管換熱系統數十年長效穩定運行。

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?！稖\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