复合型地源热泵系统在公共游泳馆恒温池水供热节能应用研究

摘要

公共游泳馆池水需要全年维持恒定水温，传统游泳馆大多采用燃气锅炉作为池水恒温热源，燃料成本高昂、碳排放量大，运行经济性差；单一浅层地埋管式地源热泵受季节土壤温度影响，冬季浅层地层温度偏低，制热出力不足难以维持池水恒温，夏季连续制冷又会造成地层热量堆积，土壤逐年升温，换热性能衰减。本文提出浅层地埋管换热系统搭配中深层地热井热源的复合型地源热泵系统，分季节采用差异化运行策略：春秋过渡季节、夏季依靠浅层地埋管完成池水恒温换热，将制冷余热回灌地层补充土壤热量；冬季浅层地层换热能力不足时，切换启用中深层地热井稳定高温热源保障池水制热需求；同时将游泳馆换热后的废弃温水定向回灌至浅层地埋管地层，实现地层季节性热量补给，平衡浅层土壤温度场。结合池水恒温负荷动态调控算法，实现游泳馆全年池水精准恒温运行。经过游泳馆项目一整年运行对比，复合型系统相比原有燃气锅炉系统全年能耗下降46.2%，碳排放大幅降低，同时解决单一浅层地源热泵地层冷热堆积问题，为体育场馆类恒温水体场所提供了地热复合型节能供热成套解决方案。

关键词：公共游泳馆；池水恒温；复合型地源热泵；季节性地层补热；场馆节能；余热回灌

一、引言

公共游泳馆属于体育公共配套设施，常年面向大众开放，泳池池水必须稳定维持在26℃~28℃的国家标准恒温区间，冬季外界气温低，池水散热损耗极大，恒温热源能耗是游泳馆运营成本的主要组成部分。目前国内绝大多数中小型游泳馆采用天然气燃气锅炉加热池水，燃气价格受市场波动影响较大，冬季用气高峰期燃气单价上浮，极大增加游泳馆运营压力；燃气燃烧排放二氧化碳、氮氧化物，不符合公共建筑低碳节能改造政策要求。

部分新建游泳馆尝试采用单一浅层地源热泵系统恒温池水，但该方案存在明显季节性短板：夏季游泳馆池水制冷，热泵持续向浅层土壤排放热量，长年夏季排热会造成地层热量堆积，土壤温度逐年升高，夏季制冷效率下降；冬季外界低温，浅层地层土体本身温度偏低，地埋管取热温差小，热泵制热出力不足，无法抵消池水大面积散热损耗，池水温度难以达标，很多场馆最终不得不额外增设燃气锅炉作为备用热源，两套设备并存反而增加设备投资与运维复杂度。

中深层地热井出水常年具备稳定高温，不受外界季节气温波动影响，制热能力稳定充沛，但长期单独使用地热井持续取水，若回灌不充分容易造成地层水位、温度衰减。结合浅层地埋管季节性换热灵活、中深层地热井热源稳定的双重优势，构建复合型地源热泵系统，分季节切换热源、利用换热余热为浅层地层补热，既满足游泳馆全年池水恒温需求，又兼顾浅层地层热平衡与中深层地热井长效运行，实现节能、低碳、设备长效运行多重效益。

二、游泳馆池水恒温的负荷特点与单一热源短板

2.1 游泳馆负荷特点

泳池水体容积大，池水水面与空气接触面积大，冬季馆内通风换气会带走大量池水热量，热负荷峰值高；夏季馆内室温偏高，池水需要降温制冷；春秋季节池水散热负荷适中，冷热负荷偏低，具备浅层地埋管独立运行条件。全年冷热负荷不均衡，是游泳馆热源选型的难点。

2.2 各类单一热源短板

燃气锅炉：运行燃料成本高、碳排放高，存在燃气泄漏消防安全隐患；浅层地源热泵：冬夏冷热负荷失衡引发地层热堆积，冬季制热能力不足；仅使用中深层地热井：常年不间断取水，回灌压力大，易出现地热储层衰竭，地热井出水温度逐年降低。

三、复合型地源热泵系统结构与分季节运行策略

整套复合型系统包含浅层竖直地埋管换热环路、中深层地热井取水回灌系统、双热源板式换热机组、泳池池水恒温换热末端、地层温度监测控制系统五大组成部分。控制系统根据季节、池水温度、浅层地层温度三个参数自动切换热源模式，分为三套运行逻辑。

1.夏季运行模式：停用中深层地热井热源，依靠浅层地埋管热泵为池水降温制冷，热泵把池水多余热量排入浅层土壤，适度补充地层热量，避免地层冬季热量匮乏。

2.春秋过渡季模式：浅层地层温度适中，浅层地埋管独立完成池水恒温换热，系统低能耗运行，地热井系统处于待机备用状态。

3.冬季运行模式：控制系统监测浅层地层温度偏低、地埋管制热出力不足时，自动切换启用中深层地热井高温流体作为主热源，为池水快速制热；同时将换热完成后的低温地热尾水导入浅层地埋管管路，向浅层地层输送余热，完成浅层地层季节性补热，平衡土壤全年温度场，解决浅层地埋管冬季热量不足、夏季热量堆积的固有问题。

地层多点温度监测终端实时反馈浅层土壤温度变化，控制系统动态调整地热尾水通入地埋管的流量，精准控制地层补热热量，维持土壤温度长期稳定。

四、游泳馆项目实测节能效果

选取一座标准室内公共游泳馆进行复合型热泵系统改造，拆除原有燃气锅炉，搭建浅层地埋管+中深层地热井复合型系统，开展为期一整年的全周期运行监测，与上一年燃气锅炉运行数据做对比分析。

运行数据显示：夏季、春秋季节依靠浅层地埋管完成池水恒温，无需消耗化石能源；冬季依靠地热井稳定热源制热，同时地热尾水为浅层地层补热，第二年冬季浅层地层基础温度提升3.1℃，浅层地埋管冬季辅助制热能力明显增强。整套系统全年综合能耗相比原燃气锅炉系统下降46.2%，不再消耗天然气燃料，场馆运营燃料成本大幅下降，无燃气烟气排放，满足公共建筑低碳考核指标；浅层地层全年温度波动控制在合理区间，无明显热量堆积或热量匮乏现象，两套换热设备长期运行性能稳定，无需额外备用锅炉。

从运维角度来看，复合型系统自动化程度高，热源自动切换，减少了锅炉值守人员，降低人工运维成本；地热井采用等量尾水回灌方案，地热储层水位与温度保持稳定，地热井可持续长期使用。

五、系统实施注意事项与优化方案

第一，地热尾水进入浅层地埋管管路时增设温控阀门，防止尾水温度过高破坏浅层地层原有换热结构；第二，地热井配套完备的回灌系统，做到取热等量回灌，保护中深层地热储层；第三，泳池末端换热管路设置除垢装置，避免池水矿物质在换热器结垢影响换热效率；第四，控制系统联动游泳馆通风系统，根据通风散热负荷动态调节热源出力，进一步优化节能效果。

对于大型连锁游泳馆园区，可以共用一口中深层地热井，搭配多组浅层地埋管，实现热源集约化利用，降低单馆地热井钻探投资成本。

六、结论

公共游泳馆全年池水恒温冷热负荷差异极大，燃气锅炉热源运营成本高、碳排放大，单一浅层地源热泵会因冬夏冷热负荷失衡造成地层热量堆积、冬季制热能力不足，单独长期使用中深层地热井又存在储层衰竭风险，三类单一热源均无法适配游泳馆长期运营需求。浅层地埋管与中深层地热井结合的复合型地源热泵系统，能够根据四季冷热负荷与地层温度状态动态切换主辅热源：温和季节依靠浅层地埋管低能耗完成池水恒温；冬季借助地热井稳定高温热源补足制热负荷，同时利用地热换热尾水为浅层地层季节性补热，平衡浅层土壤温度场，从根本上解决浅层地埋管地层热失衡的行业痛点。

实体游泳馆全年改造运行数据验证，复合型地热系统能够在保障池水恒温达标的前提下，实现接近半数的能耗降幅，淘汰化石燃气热源，降低场馆燃料与运维人工成本，同时兼顾浅层地层换热长效稳定、中深层地热储层可持续开发多重优势。该复合型热源方案适配各类室内游泳馆、恒温水上乐园等恒温水体公共建筑，是体育场馆类恒温水体场所实现低碳节能改造的优良技术方案，契合公共建筑绿色低碳发展政策，具备很强的行业推广价值。

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