数字孪生驱动下地源热泵系统COP能效动态监测与智能优化策略研究

摘要

地源热泵系统COP能效受建筑冷热负荷、地下地温场、循环水泵运行模式、环境温度多重因素影响，人工管控模式下系统长期处于低效工况运行。本文依托北京鸿鸥成运仪器设备有限公司数字孪生监测平台，实时采集机组功耗、供回水温度、循环流量参数，动态计算系统实时COP能效；搭建能效研判模型，通过调控热泵机组启停台数、循环水泵频率、埋管管路启停组合优化换热效率。对比传统固定模式运行，探究数字孪生动态能效监测‑智能调控策略对系统节能效果的提升作用。通过长期实测数据分析，总结不同季节、不同负荷下的能效优化方案，为地源热泵系统高能效运行提供技术支撑。

关键词：地源热泵；数字孪生；COP能效；能效监测；冷热源优化；泵组调控；负荷预测；节能算法；浅层地热；能耗管控

正文

1 引言

地源热泵综合性能系数COP是评判系统节能水平的核心指标。在一年四季运行过程中，夏季制冷、冬季供暖、过渡季负荷波动，地层岩土温度发生变化，固定的机组、水泵运行模式无法适配动态工况，系统COP下降，能耗升高。

想要长期维持高能效运行，需要实时监测整套系统能效，动态调整运行策略。北京鸿鸥成运数字孪生平台依托全套传感硬件，全参数采集能耗、温度、流量数据，实时测算COP数值，依托智能算法动态优化设备运行模式，实现地源热泵系统长期高能效运行。

2 COP能效监测与优化系统架构

硬件层采集热泵机组输入功率、地源侧/空调侧供回水温度、循环水流量、各路埋管换热参数；2D、3D数字孪生平台实时汇总所有参数，动态计算机组COP、机房整体综合能效；内置能效优化算法，根据实时负荷、地温状态，自动调整热泵机组开启台数、循环水泵运行频率、投入使用的埋管数量；孪生平台可视化展示能效曲线，管理人员直观查看节能效果。

3 多工况下能效智能优化策略

夏季制冷高负荷阶段：开启全部主力热泵机组，调整水泵频率，加大地源侧循环流量，强化地下散热；

冬季供暖低负荷阶段：减少机组开启台数，低频率运行循环水泵，规避水泵功耗浪费；

过渡季冷热负荷较低：开启单台小负荷机组，关停多余埋管管路，降低管路损耗；

当地温场出现热堆积、冷堆积，系统调整埋管启停组合，均衡地层热量，保障换热效率稳定。

4 实测节能效果

某商业综合体地热能源站，采用数字孪生能效优化策略之后，全年系统平均COP由3.2提升至4.1，全年整体耗电量下降23%，节能效益显著。

5 结语

基于数字孪生的动态COP监测与智能调控，是地源热泵节能运行的关键技术。北京鸿鸥成运软硬件一体化平台实现能效可视化、调控智能化。后续引入AI负荷预测算法，提前预判建筑冷热负荷，实现超前节能调控，进一步提升地热系统能效水平。

全套汇总分类关键词

一、设备硬件类

800米深井测温系统，高精度数字温度变送器，深井耐压传感器，屏蔽式耐高温传输电缆，多路信号采集主机，电动绞车下放装置，水位传感模块，低功耗物联网模块，4G无线传输模块

二、监测技术类

地热井分层测温，长线缆数字信号传输，多点同步采集，地温梯度测试，10米间隔密集测点，温度‑水位一体化监测，地温梯度曲线生成

三、软件平台类

地热云监测平台，移动端小程序，无人值守在线监测，远程数据采集，温度异常AI预警，监测数据导出

四、行业应用类

地源热泵，浅层地热资源，复合热泵系统，地热换热井，井筒结垢堵塞故障诊断，回灌通道监测，地热井洗井运维，水文地质勘察，冀中坳陷地热勘察

五、行业对比与技术突破类

友商浅层测温瓶颈（150‑300m），北京鸿鸥成运，国产化深井监测装备，800m深度技术突破，地下空间分层检测升级，中深层地热井监测研发

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

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1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

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5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

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