地热供暖系统用户端室温智能分区分级调控与节能研究

摘要

地热集中供暖小区普遍存在楼栋、楼层、户型冷热不均的通病，向阳顶楼室温超标严重，背阴低层住户供暖温度达不到供暖标准。传统运维模式只能在机房统一调节供水总温，为保障低温区域达标，不得不抬高整体供水温度，造成高温户型热量浪费，系统整体能耗居高不下。本文构建机房总调控、楼栋分集水变频调控、住户室温末端三级联动调控体系，依托分户室温采集终端、楼栋电动流量调节阀、热泵变频机组形成闭环调控逻辑，根据不同楼栋、单元的室温负荷动态分配供水流量与供水温度，实现按需精准供热。将该方案应用于县域地热住宅小区后，小区整体供暖能耗下降17.5%，楼栋室温均匀性显著提升，住户供暖投诉率下降九成以上，在保障供暖舒适度的前提下实现系统性节能，十分适合存量地热供暖小区智能化节能改造项目落地。

关键词：地热集中供暖；室温不均；分区调控；变频流量调节；按需供热；供暖节能改造

一、引言

随着我国北方清洁供暖政策落地，大量县城、老旧小区完成燃煤锅炉替代改造，采用中深层地热井+板式换热站的集中供暖模式。地热供暖具备热源稳定、运行无污染、基础燃料成本低等优势，成为区域集中供暖的主流形式。但在多年运行过程中，冷热不均衡问题成为地热供暖运维的一大顽疾。建筑受朝向、楼层高度、围护结构保温性能、外墙遮阳条件影响极大，冬季南侧向阳户型白天接收太阳辐射，室内热量叠加地热供暖热量，室温常常突破26℃，住户只能开窗散热，大量地热资源白白浪费；北侧户型、一楼底层、顶楼屋面散热大，即便机房提升供水温度，室温依旧达不到18℃的国家供暖标准，冷热两极分化现象十分突出。

换热站统一温控的粗放式管理模式是造成该问题的根本原因。换热站仅依据室外环境温度调节一次侧地热流体换热温度，二次侧供水温度、流量统一输送至全部楼栋，无法针对各个楼栋的散热特性差异化分配热量。运维人员为解决低温住户投诉，只能被动提升整体供水温度，加剧高温楼栋的热量浪费，形成“低温不够、高温过剩、能耗攀升"的恶性循环。与此同时，地热井取热负荷长期处于高位，地层热量过度开采，长期运行容易出现地层热失衡，地热井出水温度逐年衰减，进一步加剧后续供暖压力。

针对以上多重痛点，本文提出三级联动智能分区调控方案，从换热站总控、楼栋流量分配、住户末端温控三个层级搭建智能化调控网络，根据实时室温数据动态分配热量，解决冷热不均问题，降低系统整体能耗，同时减轻地热井长期高负荷取热压力，兼顾供暖舒适度、节能效益与地热井长效运行稳定性。

二、地热供暖冷热不均的主要成因分析

第一，建筑围护结构散热差异。顶层屋面直面外界冷空气，底层地面与冻土接触散热快，北侧楼栋外墙无日照保温，墙体散热系数远高于向阳中间楼层，同等供水流量下室温偏低。

第二，楼栋管网水力失衡。供暖管网存在管路沿程阻力差异，距离换热站近的楼栋供水压力大、流量足，远端楼栋管路损耗大，供水流量不足，形成近端过热、远端偏冷的水力失调现象。

第三，运维调控方式单一。换热站仅依靠室外气温进行粗放式温度调节，没有接入住户室内室温反馈信号，属于开环控制，无法感知末端实际供暖效果，只能采取“一刀切"的供水温度策略。

第四，住户自主散热行为不可控。高温户型开窗散热后，管网回水温度升高，换热站无法识别末端开窗行为，依旧保持原有供热功率，造成持续性能源浪费。

三、三级联动智能分区分级调控系统架构

整套系统分为换热站总调控层、楼栋分集水调控层、住户末端感知层。

换热站总调控层集成地热换热机组变频控制系统、室外气象监测终端、回水总管温度监测模块。系统结合室外温度变化趋势、全网平均室温，设定换热站基础供水温度阈值，不再盲目提升供水温度上限，从热源端杜绝整体热量过剩问题。

楼栋分集水调控层为每一栋居民楼安装独立的电动变频分集水阀门与楼栋温度采集单元，实时采集楼栋公共回水温度、典型住户室温。当楼栋整体室温偏高时，系统自动关小楼栋进水阀门，降低供水流量；楼栋室温偏低时增大流量，实现单楼栋热量动态调配，解决管网水力失衡问题。

住户末端感知层在每个户型客厅安装无线室温采集终端，终端数据上传至云端平台。对于温度常年超标的户型，联动室内温控电磁阀，限制入户供暖流量；低温户型则适度放开末端流量。平台汇总全网所有室温数据，反向反馈至换热站总控系统，形成“热源-楼栋-住户"闭环温控逻辑。

系统配套智能预警机制，当某楼栋多户连续室温偏低，系统自动推送管网堵塞、阀门故障等运维预警，便于运维人员及时检修管网硬件故障。

四、小区工程应用效果分析

选取北方某县域地热供暖住宅小区作为试验项目，小区共12栋高层住宅楼，此前冷热不均问题突出，供暖季日均供水温度维持在52℃以上。改造部署三级联动调控系统后，连续一个完整供暖季开展运行监测。

数据显示，换热站平均供水温度降至45℃，小区整体供暖总能耗相比上一供暖季下降17.5%；楼栋之间室温差值由原来8℃缩小至2.3℃以内，绝大多数住户室温稳定在19℃~22℃的舒适区间；顶楼向阳户型开窗散热现象大幅减少，北侧低层住户全部达到供暖温度标准，小区供暖相关投诉下降92%。在地热井运行层面，供暖季整体取热流量降低，地层热量开采强度放缓，有利于维持地热储层温度稳定，减缓地热井出水温度衰减速度。

从运维管理角度来看，平台可直观展示每一栋楼栋、每一户室温状态，故障定位精准，运维人员无需逐栋上门排查温度问题，运维人工成本下降约30%。

五、系统现存短板与优化策略

本系统短板体现在两方面：一是老旧小区供暖支管锈蚀严重时，即便阀门全开，管路通流能力不足，流量调节效果受限；二是部分住户私自改装末端暖气片，增大散热面积，会对楼栋流量调控带来干扰。

优化方案：对于锈蚀严重的老旧支管，分年度分批开展管网改造；在小区物业管理制度中明确禁止私自改装供暖末端设备；增加住户室温权限分级管控，兼顾住户个性化温度微调需求，同时设置温度上下限，杜绝住户特种调高或调低室温影响整栋楼水力平衡。后续可结合光伏余热、浅层土壤储热系统，在供暖低谷时段储存热量，进一步降低地热井基础负荷。

六、结论

传统地热集中供暖机房统一温控模式，无法适配建筑楼栋、户型之间的散热差异性，带来冷热不均、能源大量浪费、地热井高负荷取热多重问题。机房、楼栋、住户末端三级联动智能分区分级调控体系，以末端室温实时数据作为调控依据，实现热源温度宏观调控、楼栋流量精准分配、住户末端精细化限流的闭环运行模式，从根源解决供暖水力失衡与冷热不均现象。

实际小区改造项目运行结果表明，该调控方案能够显著均衡全网室温，大幅降低地热供暖系统整体能耗，减少地热井不必要的热量开采，保护地热储层温度场稳定，延长地热井高效供暖年限，同时降低供暖运维人工工作量，提升居民供暖满意度。该调控系统硬件部署难度适中，可适配绝大多数存量地热集中供暖小区，是兼顾民生供暖体验、地热资源可持续开发、系统节能降本的优良技术方案，在北方地热供暖区域具备大范围推广应用价值。

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