論文二：基于地溫場動態(tài)監(jiān)測的地源熱泵系統(tǒng)智能調(diào)控軟件策略研究

摘要

大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中，土壤冷熱堆積、地層熱失衡成為制約地源熱泵長效運行的核心難題。單一依靠固定時序啟?？刂撇呗裕瑹o法適配建筑季節(jié)性冷熱負荷變化與地層溫度動態(tài)變化。本文以地溫場長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究地源熱泵智能調(diào)控軟件策略。依托監(jiān)測軟件持續(xù)采集分層地溫數(shù)據(jù)，結(jié)合室外氣象、建筑冷熱負荷參數(shù)建立調(diào)控模型，動態(tài)優(yōu)化機組、循環(huán)水泵運行方案，平衡巖土冷熱收支，抑制地溫持續(xù)偏移，提升系統(tǒng)全年運行能效。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；地溫監(jiān)測；智能調(diào)控；熱失衡；運行策略

一、引言

我國北方地區(qū)地源熱泵項目冬季長期取熱，巖土熱量持續(xù)流失，地層溫度逐年降低；南方冷暖聯(lián)供項目冬夏負荷不均衡，容易出現(xiàn)熱量堆積。地層溫度失衡后，地埋管換熱效率持續(xù)下滑，熱泵COP逐年降低，能耗上升，嚴重時項目運行數(shù)年便無法達到設(shè)計供熱供冷效果。

常規(guī)自控系統(tǒng)大多采用固定邏輯控制，僅依據(jù)供回水溫度啟停機組，不考慮地下巖土蓄熱狀態(tài)，缺乏對地溫場變化的感知。想要從根源緩解熱失衡，必須將地層溫度納入系統(tǒng)控制邏輯。隨著地溫在線監(jiān)測技術(shù)普及，通過軟件算法實現(xiàn)“負荷—氣象—地溫"多因子聯(lián)動智能調(diào)控，具備可行條件。

二、智能調(diào)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

調(diào)控軟件所需基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)分為三類：第一類為運行參數(shù)，包含地源熱泵機組運行狀態(tài)、循環(huán)水泵頻率、埋管側(cè)供回水溫度、流量；第二類為環(huán)境參數(shù)，室外氣溫、太陽輻射、室內(nèi)目標溫度；第三類核心參數(shù)為分層地溫場監(jiān)測數(shù)據(jù)，持續(xù)采集換熱區(qū)域不同深度巖土溫度，建立原始地溫基準線，實時計算溫度偏移量。

軟件平臺持續(xù)記錄全年地溫變化規(guī)律，區(qū)分供暖季、供冷季、過渡季地層溫度變化特征，量化全年巖土取熱、排熱總量，判斷冷熱收支平衡狀態(tài)。

三、智能調(diào)控軟件核心策略

負荷動態(tài)匹配調(diào)控

軟件根據(jù)實時建筑冷熱負荷，優(yōu)化投入運行機組臺數(shù)，避免“大馬拉小車"低負荷低效運行，降低基礎(chǔ)能耗。

基于地溫閾值的運行干預(yù)策略

設(shè)置地層溫度預(yù)警閾值，當?shù)販爻掷m(xù)低于基準值（北方供暖區(qū)），軟件推薦采用間歇運行、錯峰運行模式；具備條件的項目聯(lián)動輔助散熱、輔助補熱設(shè)備，平衡巖土熱量。

過渡季調(diào)蓄策略

利用春秋過渡季，根據(jù)地溫偏差調(diào)整運行模式，主動向地層蓄熱或者釋放巖土多余熱量，縮小冬夏地層溫差。

軟件內(nèi)置對比分析模塊，可記錄不同調(diào)控策略下系統(tǒng)能耗、地層溫度變化幅度，持續(xù)迭代優(yōu)化控制邏輯。

四、調(diào)控策略工程效果分析

對比試驗表明：傳統(tǒng)固定模式運行項目，連續(xù)3~5年運行后地層溫度偏移幅度可達3~6℃；采用地溫聯(lián)動智能調(diào)控策略后，地層年度溫度波動幅度顯著縮小，土壤冷熱堆積得到有效抑制。同時，系統(tǒng)全年綜合能效比提升，減少無效能耗。

相比于改造埋管、增設(shè)輔助系統(tǒng)等硬件方案，軟件調(diào)控方案改造成本低，特別適合存量地源熱泵項目升級改造，市場推廣優(yōu)勢明顯。但智能調(diào)控策略高度依賴穩(wěn)定、連續(xù)、精準的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性是策略落地的前提。

五、結(jié)論

以地溫場動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心的智能調(diào)控軟件策略，突破傳統(tǒng)地源熱泵控制邏輯的局限性，將地下巖土換熱狀態(tài)納入系統(tǒng)控制體系。通過多參數(shù)聯(lián)動優(yōu)化機組運行模式，有效緩解土壤熱失衡問題，保障地源熱泵長期高效運行。未來可結(jié)合機器學習算法，進一步預(yù)測建筑負荷與地溫演變趨勢，實現(xiàn)預(yù)測性調(diào)控，推動地源熱泵控制技術(shù)向智能化方向持續(xù)發(fā)展。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復(fù)合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質(zhì)黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環(huán)介質(zhì)

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結(jié)垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結(jié)晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監(jiān)測地方標準關(guān)鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術(shù)標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監(jiān)測規(guī)范

四大標準統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標準化布設(shè)（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設(shè)測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質(zhì)與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協(xié)議、年度地熱監(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關(guān)鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設(shè)、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地熱監(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預(yù)警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地熱大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設(shè)備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內(nèi)注水導(dǎo)熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯(lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結(jié)構(gòu)、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預(yù)警、地質(zhì)環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地熱標準化監(jiān)測成套設(shè)備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預(yù)警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導(dǎo)出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地熱監(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應(yīng)用功能關(guān)鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預(yù)警調(diào)控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預(yù)判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調(diào)控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質(zhì)量核驗、分層測溫點位深度校準、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復(fù)測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質(zhì)pH/電導(dǎo)率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質(zhì)環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地熱監(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境評估資料、淺層地熱開發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)關(guān)鍵詞

分層測點布設(shè)間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結(jié)構(gòu)、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調(diào)光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設(shè)置

六、熱平衡修復(fù)、老舊熱泵提質(zhì)改造配套關(guān)鍵詞

間歇輪換運行調(diào)控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負荷調(diào)節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內(nèi)襯防腐修復(fù)、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地熱一體化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關(guān)鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設(shè)計院、自然資源局地熱監(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構(gòu)、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設(shè)單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質(zhì)隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產(chǎn)化設(shè)備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應(yīng)急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地熱數(shù)字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求