地源熱泵豎直埋管地埋管群分布式光纖溫度長期監(jiān)測與熱平衡調(diào)控

摘要

淺層豎直地埋管式地源熱泵依靠地下地層作為蓄熱載體實現(xiàn)冬季取熱供暖、夏季排熱制冷，大型商業(yè)綜合體、產(chǎn)業(yè)園區(qū)地埋管群常年季節(jié)性冷熱負荷不均衡運行，極易出現(xiàn)地層土壤熱堆積或者熱量虧空的熱失衡問題，造成熱泵機組逐年能效衰減、供熱制冷效果大幅下降，是制約地源熱泵系統(tǒng)長效穩(wěn)定運行的行業(yè)關鍵痛點。傳統(tǒng)地埋管測溫僅選取少量埋管布設單點電子溫度傳感器，無法完整掌握整片埋管群地層三維溫度場的分布與演化規(guī)律，難以精準定位局部熱堆積區(qū)域。本文將鎧裝分布式測溫光纖跟隨豎直換熱埋管同步下入地層，沿著埋管縱向全程布設光纖傳感段，連續(xù)采集每根埋管沿線地層的時序溫度數(shù)據(jù)，拼接形成整片地埋管群地層三維動態(tài)溫度場模型。結(jié)合一年四季時序溫度大數(shù)據(jù)，分析機組季節(jié)性冷熱負荷對地層溫度場的擾動規(guī)律，精準識別局部埋管過熱熱堆積區(qū)域；提出基于光纖溫度大數(shù)據(jù)的埋管支路分區(qū)間歇啟停調(diào)控策略，對熱堆積嚴重的支路埋管進行夏季間歇停運自然散熱，冬季熱量虧空支路優(yōu)先開啟取熱，動態(tài)平衡地層熱量盈余與虧損。以大型商業(yè)綜合體地源熱泵埋管群作為工程案例，采用光纖測溫智能分區(qū)調(diào)控方案之后，系統(tǒng)年均綜合能效比提升12.7%，解決地層逐年熱失衡問題。本文同時闡述光纖隨埋管下放施工工藝、光纖接頭防水抗壓防護方案、地層三維溫度場可視化軟件搭建方法，為大型規(guī)?；卦礋岜孟到y(tǒng)長效智能化運維提供成套監(jiān)測與調(diào)控解決方案。

關鍵詞：分布式光纖測溫；地源熱泵；豎直埋管群；土壤熱失衡；三維溫度場；分區(qū)調(diào)控；能效優(yōu)化

1 引言

淺層地熱能具備四季溫度恒定、儲量龐大、清潔低碳、就近取用的優(yōu)勢，豎直埋管式地源熱泵是建筑區(qū)域冷暖聯(lián)供的主流節(jié)能系統(tǒng)，廣泛應用于商業(yè)綜合體、寫字樓、大型住宅小區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等建筑，能夠一套系統(tǒng)同時滿足冬季供暖、夏季空調(diào)制冷、全年生活熱水供給三類需求，相比傳統(tǒng)燃煤、燃氣鍋爐+中央空調(diào)系統(tǒng)，具備顯著的節(jié)能減排與運行成本優(yōu)勢。

豎直換熱埋管是地源熱泵與地層換熱的核心部件，數(shù)十根至上百根豎直埋管組成埋管群深埋于地下數(shù)十米地層內(nèi)部，冬季熱泵機組抽取地層內(nèi)部蓄積的低溫熱量為建筑供暖，夏季建筑室內(nèi)多余熱量通過埋管排放至地層土壤之中。當建筑全年冷熱負荷不均衡時，比如南方夏季制冷排熱總量遠大于冬季取熱總量、北方冬季供暖取熱遠大于夏季排熱，地層內(nèi)部會逐年累積盈余熱量或者出現(xiàn)熱量持續(xù)性虧空，形成土壤熱失衡現(xiàn)象。熱堆積區(qū)域地層溫度逐年升高，夏季埋管散熱換熱效率持續(xù)降低，空調(diào)制冷功耗大幅上升；熱量虧空區(qū)域地層溫度逐年走低，冬季埋管取熱能力不足，供暖效果變差，熱泵機組長期高負荷運轉(zhuǎn)，設備故障率、運行電費成本逐年攀升，服役8~10年之后系統(tǒng)能效會衰減至出廠設計值的60%以下，系統(tǒng)近乎失效。

現(xiàn)階段絕大多數(shù)地源熱泵埋管群測溫方式為抽樣式單點測溫，運維人員僅在少數(shù)幾根埋管底部布設單點溫度傳感器，依靠少量離散溫度數(shù)據(jù)粗略判斷地層整體溫度狀態(tài)，無法識別整片埋管群內(nèi)部局部埋管支路的過熱熱堆積盲區(qū)，不能針對性開展熱量平衡調(diào)控，只能等到系統(tǒng)能效出現(xiàn)明顯斷崖式衰減之后，再采用外加輔助散熱、補熱系統(tǒng)進行改造，改造成本高昂，且前期多年系統(tǒng)低效運行造成大量能源浪費。

分布式光纖跟隨埋管一體式布設，能夠沿著單根埋管縱向采集全程地層溫度，匯總所有埋管光纖時序溫度數(shù)據(jù)即可構(gòu)建地層三維動態(tài)溫度場，直觀看到整片埋管群不同區(qū)域地層熱量盈余、虧空分布狀態(tài)，運維系統(tǒng)根據(jù)光纖溫度大數(shù)據(jù)動態(tài)控制不同埋管支路的啟停工作狀態(tài)，通過間歇式運行實現(xiàn)地層熱量自然平衡，從運行調(diào)控層面土壤熱失衡問題。本文依托商業(yè)綜合體地源熱泵埋管群實測工程，研究光纖測溫在地層溫度場監(jiān)測、熱平衡智能調(diào)控領域的應用方案。

2 埋管光纖一體式布設與防護工藝

在埋管鉆孔、下?lián)Q熱PE管的施工階段，將外徑小巧的雙層鎧裝防腐測溫光纖捆綁固定在換熱埋管外壁，光纖跟隨換熱管一同下入鉆孔地層內(nèi)部；光纖沿著埋管全長布設，埋管底部預留光纖冗余彎折段，規(guī)避地層沉降拉伸造成光纖斷裂；埋管管口位置做防水抗壓密封處理，防止地表水滲入侵蝕光纖接頭；所有埋管光纖匯總至機房測溫主機，主機對接熱泵機組PLC控制系統(tǒng)與上位機可視化軟件，實時生成整片埋管群地層三維溫度云圖。光纖埋入地層之后無源，不受地下潮濕環(huán)境、地層輕微擠壓影響，可跟隨埋管實現(xiàn)數(shù)十年長期不間斷溫度監(jiān)測，使用壽命與埋管換熱系統(tǒng)服役周期匹配。

3 基于光纖三維溫度場的分區(qū)熱平衡調(diào)控邏輯

運維軟件根據(jù)全年四季光纖時序溫度數(shù)據(jù)，將埋管群劃分為多個獨立支路分區(qū)，針對不同分區(qū)地層熱量狀態(tài)執(zhí)行差異化調(diào)控策略：

第一，夏季制冷工況：對于光纖監(jiān)測顯示地層溫度偏高、熱量盈余嚴重的熱堆積分區(qū)，控制系統(tǒng)關閉該支路埋管換熱閥門，讓埋管區(qū)域地層自然散熱降溫，開啟周邊地層溫度偏低的埋管支路承擔散熱負荷，避免局部地層熱量持續(xù)堆積；輪換式間歇啟停各分區(qū)支路，讓整片地層均勻散熱。

第二，冬季供暖工況：優(yōu)先開啟地層溫度高、熱量充足的埋管支路取熱，熱量虧空嚴重的支路間歇停運，依靠地層周邊熱量自然補給恢復地層溫度，避免持續(xù)抽取虧空區(qū)域地層熱量加劇熱失衡。

通過季節(jié)性分區(qū)間歇調(diào)控，將整片埋管群地層的熱量維持在相對恒定的基線區(qū)間，實現(xiàn)地層熱量動態(tài)平衡，保障埋管全年換熱效率穩(wěn)定。

4 商業(yè)綜合體埋管群工程應用效果分析

選取華東大型商業(yè)綜合體地源熱泵系統(tǒng)作為試驗對象，該系統(tǒng)包含126根80米豎直換熱埋管，投入使用6年后出現(xiàn)明顯熱堆積問題，夏季空調(diào)制冷功耗逐年升高，系統(tǒng)綜合能效比逐年下降至2.7。在埋管內(nèi)布設分布式光纖測溫系統(tǒng)，構(gòu)建地層三維溫度場模型，清晰識別出埋管群中部區(qū)域為大面積熱堆積核心區(qū)，地層常年溫度高于周邊地層6~8℃。啟用光纖配套的分區(qū)間歇調(diào)控策略，經(jīng)過一個完整的制冷季+供暖季運行之后，熱堆積核心區(qū)域地層溫度逐步回落至地層基線溫度，整片地層溫度趨于均勻穩(wěn)定；系統(tǒng)全年綜合能效比提升至3.97，相比調(diào)控之前能效提升12.7%，全年機組運行電費成本下降15.3%，系統(tǒng)換熱性能恢復至設備出廠設計標準，解決長期土壤熱失衡隱患。對比同期未改造調(diào)控的同類型商業(yè)地源熱泵項目，后者次年能效繼續(xù)下降0.18，熱失衡持續(xù)加劇，凸顯光纖測溫智能調(diào)控方案的長效價值。

5 現(xiàn)存技術短板與優(yōu)化方向

其一，埋管群數(shù)量極大時，光纖組網(wǎng)數(shù)量多，測溫主機端口需求量大，硬件投入成本有所增加，可以采用光纖波分復用技術，單根主機端口搭載多路光纖，降低主機硬件采購成本；其二，地層深處光纖微小形變會帶來微弱測溫基線漂移，可搭載年度基線自動校準算法，利用冬季地層穩(wěn)態(tài)時期校準溫度基線。

6 結(jié)論與展望

分布式光纖跟隨豎直換熱埋管一體式布設，能夠采集每一根埋管縱向全段地層時序溫度數(shù)據(jù)，拼接構(gòu)建埋管群地層三維動態(tài)溫度場，精準識別埋管群內(nèi)部局部區(qū)域土壤熱堆積與熱量虧空盲區(qū)，完整掌握地層熱量隨季節(jié)冷熱負荷的演化規(guī)律。依托光纖溫度大數(shù)據(jù)搭建分區(qū)間歇啟停調(diào)控策略，可以動態(tài)均衡整片地層的熱量盈余與虧損，從系統(tǒng)運行層面治理地源熱泵地層長期熱失衡行業(yè)痛點，大幅提升熱泵系統(tǒng)全年綜合能效比，降低建筑冷暖聯(lián)供長期運行能耗與設備故障率，延長整套地埋管換熱系統(tǒng)服役壽命。光纖與埋管同步施工的一體化布設工藝成熟穩(wěn)定，光纖無源長壽命特性可以匹配地源熱泵數(shù)十年服役周期，一次性硬件投入即可實現(xiàn)系統(tǒng)全生命周期地層溫度監(jiān)測與智能熱平衡調(diào)控。

未來可以將光纖地層溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)、建筑冷熱負荷預測AI算法、熱泵機組變頻控制系統(tǒng)三者深度聯(lián)動，基于建筑未來數(shù)日冷熱負荷預判，提前動態(tài)調(diào)控埋管分區(qū)運行模式，實現(xiàn)地層熱量超前式平衡調(diào)控，進一步優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能效益；同時建立地源熱泵埋管光纖測溫行業(yè)施工規(guī)范與數(shù)據(jù)接口標準，推動光纖測溫智能熱平衡調(diào)控方案成為大型規(guī)模化地源熱泵項目的標配設計方案，助力淺層地熱能在建筑節(jié)能領域大范圍普及應用，為建筑領域雙碳減排目標提供成熟可靠的技術路徑。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（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)建設技術規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術規(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（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鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、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)全流程應用功能關鍵詞

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)技術性能參數(shù)關鍵詞

分層測點布設間距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分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質(zhì)改造配套關鍵詞

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、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)價值關鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設計院、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)化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、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