论文二：基于地温场动态监测的地源热泵系统智能调控软件策略研究

论文二：基于地温场动态监测的地源热泵系统智能调控软件策略研究

摘要

大规模推广应用过程中，土壤冷热堆积、地层热失衡成为制约地源热泵长效运行的核心难题。单一依靠固定时序启停控制策略，无法适配建筑季节性冷热负荷变化与地层温度动态变化。本文以地温场长期动态监测数据为基础，研究地源热泵智能调控软件策略。依托监测软件持续采集分层地温数据，结合室外气象、建筑冷热负荷参数建立调控模型，动态优化机组、循环水泵运行方案，平衡岩土冷热收支，抑制地温持续偏移，提升系统全年运行能效。

关键词：地源热泵；地温监测；智能调控；热失衡；运行策略

一、引言

我国北方地区地源热泵项目冬季长期取热，岩土热量持续流失，地层温度逐年降低；南方冷暖联供项目冬夏负荷不均衡，容易出现热量堆积。地层温度失衡后，地埋管换热效率持续下滑，热泵COP逐年降低，能耗上升，严重时项目运行数年便无法达到设计供热供冷效果。

常规自控系统大多采用固定逻辑控制，仅依据供回水温度启停机组，不考虑地下岩土蓄热状态，缺乏对地温场变化的感知。想要从根源缓解热失衡，必须将地层温度纳入系统控制逻辑。随着地温在线监测技术普及，通过软件算法实现“负荷—气象—地温"多因子联动智能调控，具备可行条件。

二、智能调控系统数据基础

调控软件所需基础监测数据分为三类：第一类为运行参数，包含地源热泵机组运行状态、循环水泵频率、埋管侧供回水温度、流量；第二类为环境参数，室外气温、太阳辐射、室内目标温度；第三类核心参数为分层地温场监测数据，持续采集换热区域不同深度岩土温度，建立原始地温基准线，实时计算温度偏移量。

软件平台持续记录全年地温变化规律，区分供暖季、供冷季、过渡季地层温度变化特征，量化全年岩土取热、排热总量，判断冷热收支平衡状态。

三、智能调控软件核心策略

负荷动态匹配调控

软件根据实时建筑冷热负荷，优化投入运行机组台数，避免“大马拉小车"低负荷低效运行，降低基础能耗。

基于地温阈值的运行干预策略

设置地层温度预警阈值，当地温持续低于基准值（北方供暖区），软件推荐采用间歇运行、错峰运行模式；具备条件的项目联动辅助散热、辅助补热设备，平衡岩土热量。

过渡季调蓄策略

利用春秋过渡季，根据地温偏差调整运行模式，主动向地层蓄热或者释放岩土多余热量，缩小冬夏地层温差。

软件内置对比分析模块，可记录不同调控策略下系统能耗、地层温度变化幅度，持续迭代优化控制逻辑。

四、调控策略工程效果分析

对比试验表明：传统固定模式运行项目，连续3~5年运行后地层温度偏移幅度可达3~6℃；采用地温联动智能调控策略后，地层年度温度波动幅度显著缩小，土壤冷热堆积得到有效抑制。同时，系统全年综合能效比提升，减少无效能耗。

相比于改造埋管、增设辅助系统等硬件方案，软件调控方案改造成本低，特别适合存量地源热泵项目升级改造，市场推广优势明显。但智能调控策略高度依赖稳定、连续、精准的地温监测数据，监测系统的数据可靠性是策略落地的前提。

五、结论

以地温场动态监测数据为核心的智能调控软件策略，突破传统地源热泵控制逻辑的局限性，将地下岩土换热状态纳入系统控制体系。通过多参数联动优化机组运行模式，有效缓解土壤热失衡问题，保障地源热泵长期高效运行。未来可结合机器学习算法，进一步预测建筑负荷与地温演变趋势，实现预测性调控，推动地源热泵控制技术向智能化方向持续发展。

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