论文十：热失衡老化地源热泵土壤热源物理+复合化学联合修复技术研究

论文十：热失衡老化地源热泵土壤热源物理+复合化学联合修复技术研究

摘要

国内大量投运8~15年的存量地源热泵系统普遍进入老化阶段，长期季节性冷热负荷不均衡引发土壤热源热失衡，同时地埋管外壁出现岩土结垢、回填层导热性能劣化等问题，造成地埋管换热效率大幅衰减，单纯依靠监测软件优化机组启停调控策略仅能延缓换热性能下滑，无法修复已经形成的不可逆地层换热缺陷，老旧热泵系统面临运行失效、被迫重新铺设埋管的高额改造难题。本文针对北京粉质黏土、上海高腐蚀软土、天津冲淤地层、陕西黄土四类典型地层工况，提出水力脉冲物理疏通+高导热复合材料回填的联合式土壤热源修复成套工艺方案；结合井下成像探测设备、地温高精度监测硬件定位换热薄弱管段与结垢区域，利用高压脉冲水流破除管路外壁隔热垢层，置换原有老化低效回填材料，填充高导热防腐复合回填材料强化地层换热能力；在地层修复完成之后，依托一体化监测软件长期跟踪地层温度演化、管路换热效率变化，验证修复长效性。本文设置三组对照方案：仅软件调控方案、单一物理疏通方案、物理化学联合修复方案，开展为期三年长期性能监测，对比三类方案在地温稳定性、系统换热能效、全生命周期运维改造成本上的差异，并针对四省市不同地层制定差异化标准化修复施工与配套监测方案，为大面积老旧失效地源热泵存量项目提质改造提供成套工程化硬件修复方案。

关键词：地源热泵；土壤热失衡；岩土修复；水力脉冲疏通；导热回填材料；老旧热泵改造

一、引言

经过近二十年的规模化推广，我国早期建成的一大批住宅小区、商业配套地源热泵系统已经进入服役中后期。这类老旧系统大多建设时期行业运维体系不好，未配套长期地温监测与智能调控软件，常年固定模式运行，长期冬季取热或者夏季排热，岩土热量收支严重失衡；加之地下水长期冲刷、岩土中矿物质析出，在地埋管外壁形成致密隔热结垢层，原本的砂石回填层长期受地下水侵蚀出现空隙、板结现象，回填材料导热系数显著下降，双重问题叠加造成地埋管换热能力逐年断崖式下滑。很多老旧项目机组COP由最初4.0以上衰减至2.5以下，能耗成倍增加，供热供冷效果达不到设计标准。

现阶段老旧地热项目改造分为两种传统思路：第一种是不做地层改造，升级机房监控软件、优化机组运行策略，该方案改造成本低，但无法消除管壁结垢、回填层劣化等硬件缺陷，只能小幅延缓换热衰减，数年之后系统依旧会失效；第二种是废弃原有埋管群，重新开挖铺设全新地埋管，改造效果好，但开挖土建、管材采购、施工周期成本高，很多业主单位因资金压力放弃改造，直接更换为燃气锅炉等传统高污染供暖系统，违背了当初地热项目低碳建设初衷。因此亟需一套兼顾改造成本与长期修复效果的地层土壤热源联合修复工艺，解决老旧地源热泵热失衡与换热衰减双重难题。

二、地层换热老化与热失衡机理分析

老旧地源热泵地层失效分为两大机理，一是热力学层面的土壤热失衡，二是岩土物理属性层面的换热结构劣化。

热力学热失衡：北方项目长期冬季集中抽取地层热量，没有在过渡季进行热量补给，地层整体热量亏空，岩土平均温度逐年降低，换热温差不断缩小；南方冷暖联供项目夏季持续排热，地层热量堆积无法向外扩散，出现区域性高温热堆积，两种情况都大幅降低换热温差。

岩土结构劣化：地下水含有钙镁离子、硫酸盐等矿物质，长期在地埋管外壁析出形成坚硬垢层，垢层导热性能极差，如同为管道穿上隔热外衣，阻断管道与周边岩土热量交换；原本的颗粒状回填材料在地下水渗流、土体应力作用下出现板结、空洞，回填层和换热管壁之间产生空气间隙，空气导热能力极低，进一步恶化换热效果；上海软土地层还会伴随腐蚀性离子侵蚀管材外壁，加速管路老化破损。

软件调控只能改变机组取热排热节奏，无法清除管壁已经成型的硬质垢层，也无法修复板结老化的回填层，因此具备明显局限性，必须配套物理、化学相结合的地层硬件修复工艺。

三、物理+化学联合修复成套工艺与监测配套方案

整套联合修复分为前期探测定位、水力脉冲物理疏通、复合导热材料回填置换、修复后长期监测四大流程。

第一步，前期精准探测定位。采用井下成像设备伸入换热竖井内部，直观观测管道外壁结垢厚度、管材腐蚀情况；利用多点地温监测硬件采集埋管周边地层温度分布，定位换热效率薄弱的埋管区段，精准划定需要修复的管路范围，避免无差别整体开挖施工，降低施工范围与成本。

第二步，水力脉冲物理疏通工艺。向换热管路内部通入高频高压脉冲水流，利用脉冲水锤冲击作用，逐步剥落管道外壁附着的矿物质硬质垢层，打通管壁与岩土之间的换热通道；脉冲水压根据管材材质、地层土体硬度动态调节，在保证除垢效果的同时，避免高压水流损伤原有换热管材。疏通完成后将管内垢体残渣、污水抽出竖井。

第三步，高导热复合化学回填材料置换。抽出竖井内部原有老化板结回填材料，根据项目所在地层工况定制回填材料：华北粉质黏土采用石墨-石英砂复合回填料，提升导热性；上海高腐蚀地层添加防腐填料的膨润土复合回填材料，兼具高导热与抗地下水腐蚀性能；陕西黄土区域采用膨胀补偿型导热回填材料，适配黄土遇水膨胀形变特性。新回填材料密实填充管道与竖井井壁空隙，消除空气隔热间隙，从结构层面恢复换热性能。

第四步，修复后配套监测体系升级。为修复后的埋管区域加装分层地温监测硬件，配套一体化智能调控软件，在后续运行周期内利用过渡季开展土壤蓄热平衡调控，防止地层再次出现季节性热失衡，巩固地层修复长期效果。

四、三组修复方案三年对照试验结果

选取同一小区三套老旧地热换热片区开展对照试验，A组仅升级软件调控系统、不做地层修复；B组仅采用水力脉冲物理疏通；C组采用物理疏通+复合回填联合修复方案，连续监测三年系统能效与地层温度。

A组第一年机组COP小幅回升至2.9，第二年管壁垢层再次堆积，COP回落至2.4，地层热失衡问题持续加剧；B组物理疏通后第一年COP恢复至3.4，但原有回填层板结问题未解决，两年后换热间隙再次形成，能效逐年衰减；C组联合修复完成后第一年机组COP恢复至3.8，接近系统初始设计性能，三年运行周期内管壁结垢速率大幅放缓，复合回填层结构稳定，配合软件过渡季蓄热调控，地层温度波动控制在合理区间，换热能效无明显衰减，长期修复效果优。

从全生命周期成本核算来看，联合修复改造成本仅为重新铺设埋管方案的35%，系统服役寿命可延长10年以上，综合经济效益高。

五、分区域地层差异化修复选型建议

结合四省市地层特点制定标准化修复细则：北京、天津地层以粉质黏土、冲淤土层为主，重点采用常规脉冲疏通+石墨石英砂导热回填，搭配年度预防性脉冲除垢维护；上海软土高腐蚀地层必须采用防腐型复合回填材料，缩短硬件传感器年度校准周期；陕西黄土地层优先选用形变自适应回填材料，井口增加土体防水密封结构，防止地表水渗入黄土造成土体形变。同时要求所有修复完成项目必须配套地温长期监测系统与智能调控软件，作为地层长效保护的兜底措施。

六、结论

针对存量老旧地源热泵系统土壤热失衡、管路结垢、回填层劣化多重老化问题，单一软件调控只能短期缓解故障，无法解决岩土硬件层面的不可逆换热缺陷。水力脉冲物理疏通结合高导热复合回填材料的联合修复工艺，能够从硬件结构层面清除管壁隔热垢层、替换老化低效回填层，根本性恢复地埋管换热性能；再搭配地温监测硬件与智能调控软件开展长期地层热平衡运维，形成“硬件修复+软件长效保护"的完整老旧系统改造方案，既规避了废弃旧管路新建埋管的高昂成本，又实现了地热系统换热性能的长效恢复。

该联合修复工艺适配我国京沪津陕各类典型地层工况，可规模化应用于全国存量老化地源热泵提质改造项目，能够盘活大量濒临报废的地热系统，延续地热低碳供能的服役周期，避免老旧地热系统淘汰后换回高污染化石能源供热模式，对于地热行业存量资产盘活、建筑领域节能减排具备重要工程价值与社会效益。

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