论文六：基于机器学习算法的地源热泵地温场预测与负荷超前调度软件系统研究

论文六（软件算法方向）：基于机器学习算法的地源热泵地温场预测与负荷超前调度软件系统研究

摘要

现有地源热泵智能调控软件大多属于被动式调控，即在地温出现明显偏移、冷热负荷出现波动之后，系统才会做出运行策略调整，调控存在滞后性，无法从源头提前规避土壤热失衡与机组低效运行问题。本文将机器学习LSTM时序预测算法嵌入地源热泵一体化监测软件平台，基于历史地温时序数据、室外气象历史数据、建筑全年冷热负荷运行数据集，构建地温场演化预测模型与建筑冷热负荷超前预测模型；软件通过算法预判未来数周乃至季度地层温度变化趋势、建筑冷热负荷波动情况，完成热泵机组、循环水泵的超前调度运行，实现主动式调控。本文阐述算法模型构建思路、软件算法模块嵌入方式、超前调度运行策略，结合工程实测数据验证算法模型预测精度与节能效果，为地源热泵智能化软件系统升级提供新型算法方案。

关键词：地源热泵；机器学习；LSTM时序预测；地温场预测；超前负荷调度；智能软件算法

一、引言

在前序第二篇智能调控策略论文中，传统智能调控软件属于“事后被动调控"模式：系统实时采集当前地温数值、当下冷热负荷数值，当监测参数超过设定阈值之后，软件才会改变机组启停策略、调节水泵运行频率。这种调控模式存在明显滞后性，当地温已经出现大幅度降温或者热量堆积之后再进行干预，地层已经形成不可逆的冷热失衡，后续需要更长的过渡季时间才能恢复地层热平衡，部分严重失衡地层甚至无法自然恢复。

同时传统软件无法预判异常气象带来的负荷骤增问题，例如北方寒潮天气突发来临，建筑供暖负荷短期内急剧飙升，传统软件只能在负荷暴涨之后启动更多机组，机组瞬间满负荷运行，能耗大幅增加，且短时间大量取热会快速消耗地层热量，加剧地温下降。随着人工智能机器学习技术在能源系统领域的普及，将时序机器学习算法嵌入地源热泵监测软件，利用历史海量运行监测数据实现未来工况预测、超前调度运行，成为软件系统迭代升级的重要方向。

依托一体化平台长期积累的历史数据库，机器学习算法可以挖掘气象变化、建筑用能习惯、地温演化三者之间的潜在关联规律，提前预判未来负荷与地层温度变化，让软件由“被动应对故障与失衡"转变为“主动预判、提前调度预防风险"，进一步提升系统节能水平，从源头抑制土壤冷热堆积，是地源热泵监测软件高阶智能化发展的核心路径。

二、机器学习预测算法模型整体构建思路

本软件系统选用适配时序性数据预测的长短期记忆神经网络（LSTM）算法，搭建两大核心预测模型：建筑冷热负荷预测模型、地层地温场演化预测模型。算法模型训练依托一体化监测软件平台多年存储的历史数据集，数据集包含三类核心时序数据：第一类是环境时序数据，包含逐日室外温度、湿度、降雨量、太阳辐射气象数据；第二类是系统运行历史数据，历年不同季节热泵机组运行台数、水泵频率、系统总能耗、供回水流量温度；第三类是地层监测时序数据，不同深度测点的长期地温变化曲线。

首先对原始数据集进行软件预处理，剔除硬件故障造成的异常失真数据，对缺失时序数据进行算法补全，划分训练集、验证集、测试集开展模型训练。负荷预测模型根据未来7~30日气象预报数据，输出建筑未来逐时冷热负荷变化曲线；地温场预测模型结合未来负荷预测结果、历史地层换热规律，预判不同深度地层温度未来季度变化趋势，预判地层温度是否会逼近热失衡预警阈值。

两大模型在软件系统内部联动运行，负荷预测结果作为地温预测模型的输入变量，地温预测结果反过来约束负荷调度策略，形成闭环联动预测体系。算法模型部署在监测软件的后端算法服务模块，前端可视化界面展示预测曲线、超前调度方案建议，既可以软件自动执行超前调度策略，也可以向运维人员推送调度方案，支持人工确认运行方案。

三、机器学习算法在监测软件中的模块嵌入方案

将算法模型模块化嵌入原有一体化地源热泵监控软件，不对原有设备监控、故障告警、地温可视化、合规报表等成熟基础功能进行改动，采用插件式新增三大算法软件模块。

第一模块：数据集管理与模型迭代模块。软件自动每日采集新增的监测时序数据，自动加入训练数据集，周期性自动迭代优化LSTM算法模型，让算法适配建筑逐年用能习惯变化、地层换热性能缓慢变化，保证长期预测精度不会衰减。

第二模块：双模型预测可视化模块。在软件原有地温曲线、负荷曲线页面，新增未来短期、中长期预测曲线，用不同颜色区分实测曲线与预测曲线，运维人员可以直观查看未来地层温度走势、冷热负荷高峰时间段，明确潜在热失衡风险、机组超负荷运行风险。当地温预测曲线接近预警阈值时，软件提前弹出超前干预提醒。

第三模块：机组超前智能调度执行模块。软件根据预测结果自动生成超前调度方案：预判寒潮来临负荷暴涨时，在寒潮到来前的过渡季适度提升地层储热温度，寒潮期间合理分步投入机组，避免机组瞬时满载能耗激增；预判夏季长期高负荷排热造成热量堆积时，提前错开部分机组运行时间，利用夜间低温环境辅助散热，平缓地层热量增幅；在地温预测出现持续单向偏移趋势时，提前启用间歇轮换运行策略，从源头避免地层冷热失衡加剧。

软件设置算法调控保护阈值，所有超前调度策略都设置硬件设备保护逻辑，不会出现超频率运行、机组超负荷运转等损害硬件设备的调度指令，保障设备运行安全。同时软件支持算法调控模式与传统被动调控模式一键切换，方便运维人员根据项目工况灵活选用。

四、算法软件工程实测效果分析

选取北方某商业园区地源热泵系统开展为期一个采暖季的算法超前调度试验，将园区分为东西两个换热区域，东区启用机器学习超前调度软件系统，西区沿用传统被动式智能调控软件系统，开展对照试验。

在采暖季遭遇三次强寒潮天气过程中，西区传统系统每次寒潮来袭后，负荷瞬间峰值启动全部机组，短期高强度取热使得地层温度单月下降2.8℃，采暖季结束后地层温度远低于原始基准值，出现轻度热失衡；东区超前调度软件提前一周预判寒潮时间与负荷峰值，在寒潮来临前平稳向地层蓄积热量，寒潮期间分步投入机组运行，地层月度温度降幅仅0.7℃，采暖季后地层温度基本回归原始基准区间，有效规避了热失衡风险。

从能耗层面统计，整个采暖季东区采用机器学习超前调度方案，系统整体综合能耗相比西区降低16.7%，机组启停频次更加平缓，减少了机组频繁启停带来的设备磨损，延长热泵机组使用寿命。同时软件算法随着运行数据积累，预测精度会逐年提升，长期使用节能与地层保护效果会持续优化。

五、算法软件现存局限与优化改进方向

基于机器学习的超前调度软件系统存在两处局限：一是算法模型高度依赖海量、连续、精准的历史监测数据集，项目运行初期监测数据量不足时，算法预测精度较低，需要软件配套模型预训练方案，可导入同地域同类项目通用数据集完成初始模型训练；二是异常气象（百年寒潮、异常高温天气）超出历史数据集范围时，算法预测会存在偏差，需要配套极限工况兜底调控逻辑，异常情况下自动切换为传统被动调控模式，保障系统稳定运行。

后续软件可以引入多目标强化学习算法，结合碳减排指标、设备运维寿命、地热合规多重目标进行综合调度，实现节能、地层保护、设备延寿、碳核算多重效益协同。同时将算法模型轻量化部署，适配中小型项目本地软件终端运行，降低云端算力依赖，适配野外无稳定网络的地热监测项目。

六、结论

将LSTM机器学习时序预测算法模块化嵌入原有地源热泵一体化监测软件，实现了地温场演化趋势、建筑冷热负荷的超前预判，把传统地源热泵软件的被动故障调控升级为主动超前调度模式。该算法软件可以提前应对异常气象负荷波动，平缓地层热量收支变化，从源头预防土壤冷热堆积与地层热失衡问题，同时优化机组启停运行逻辑，降低系统整体能耗、减少机组频繁启停造成的硬件损耗。

采用插件式模块化的算法嵌入方案，兼容现有成熟的机房监控、地温监测、合规归档等软件功能，新旧系统兼容性强，无论是新建地源热泵项目还是存量软件系统升级改造都具备强的适配性。随着项目运行历史时序数据不断积累，机器学习算法模型会持续迭代优化，预测精度与调度效果稳步提升。机器学习预测超前调度软件是地源热泵智能化监测系统的高阶升级形态，推动浅层地源热泵系统朝着预判式、精细化、全周期主动运维方向发展，为浅层地热资源长期可持续开发提供了新型智能化软件技术方案。

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