論文二：基于地溫場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guò)程中，土壤冷熱堆積、地層熱失衡成為制約地源熱泵長(zhǎng)效運(yùn)行的核心難題。單一依靠固定時(shí)序啟停控制策略，無(wú)法適配建筑季節(jié)性冷熱負(fù)荷變化與地層溫度動(dòng)態(tài)變化。本文以地溫場(chǎng)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)軟件持續(xù)采集分層地溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合室外氣象、建筑冷熱負(fù)荷參數(shù)建立調(diào)控模型，動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)組、循環(huán)水泵運(yùn)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(yùn)行能效。

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

一、引言

我國(guó)北方地區(qū)地源熱泵項(xiàng)目冬季長(zhǎng)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(xiàng)目冬夏負(fù)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(yán)重時(shí)項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)年便無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)組，不考慮地下巖土蓄熱狀態(tài)，缺乏對(duì)地溫場(chǎng)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(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)普及，通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)“負(fù)荷—?dú)庀蟆販?多因子聯(lián)動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)分為三類(lèi)：第一類(lèi)為運(yùn)行參數(shù)，包含地源熱泵機(jī)組運(yùn)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(lèi)為環(huán)境參數(shù)，室外氣溫、太陽(yáng)輻射、室內(nèi)目標(biāo)溫度；第三類(lèi)核心參數(shù)為分層地溫場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)線(xiàn)，實(shí)時(shí)計(jì)算溫度偏移量。

軟件平臺(tái)持續(xù)記錄全年地溫變化規(guī)律，區(qū)分供暖季、供冷季、過(guò)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(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配調(diào)控

軟件根據(jù)實(shí)時(shí)建筑冷熱負(fù)荷，優(yōu)化投入運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)，避免“大馬拉小車(chē)"低負(fù)荷低效運(yùn)行，降低基礎(chǔ)能耗。

基于地溫閾值的運(yùn)行干預(yù)策略

設(shè)置地層溫度預(yù)警閾值，當(dāng)?shù)販爻掷m(xù)低于基準(zhǔn)值（北方供暖區(qū)），軟件推薦采用間歇運(yùn)行、錯(cuò)峰運(yùn)行模式；具備條件的項(xiàng)目聯(lián)動(dòng)輔助散熱、輔助補(bǔ)熱設(shè)備，平衡巖土熱量。

過(guò)渡季調(diào)蓄策略

利用春秋過(guò)渡季，根據(jù)地溫偏差調(diào)整運(yùn)行模式，主動(dòng)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(duì)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(duì)比試驗(yàn)表明：傳統(tǒng)固定模式運(yùn)行項(xiàng)目，連續(xù)3~5年運(yùn)行后地層溫度偏移幅度可達(dá)3~6℃；采用地溫聯(lián)動(dòng)智能調(diào)控策略后，地層年度溫度波動(dòng)幅度顯著縮小，土壤冷熱堆積得到有效抑制。同時(shí)，系統(tǒng)全年綜合能效比提升，減少無(wú)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(xiàng)目升級(jí)改造，市場(chǎng)推廣優(yōu)勢(shì)明顯。但智能調(diào)控策略高度依賴(lài)穩(wěn)定、連續(xù)、精準(zhǔn)的地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)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(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guò)多參數(shù)聯(lián)動(dòng)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行模式，有效緩解土壤熱失衡問(wèn)題，保障地源熱泵長(zhǎng)期高效運(yùn)行。未來(lái)可結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，進(jìn)一步預(yù)測(cè)建筑負(fù)荷與地溫演變趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性調(diào)控，推動(dòng)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(cè)系統(tǒng)全分類(lèi)關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)研究對(duì)象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類(lèi)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?zé)犴?xiàng)目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項(xiàng)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(zhǔn)地溫場(chǎng)、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?zé)嵫h(huán)介質(zhì)

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機(jī)組衰減、熱泵壓縮機(jī)老化磨損、板式換熱器結(jié)垢堵塞、循環(huán)水泵揚(yáng)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(fù)荷差值超標(biāo)、無(wú)常態(tài)化地溫監(jiān)測(cè)、全年連續(xù)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開(kāi)裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地?zé)岜O(jiān)測(cè)地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵詞

標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)全稱(chēng)

DB11/T 1956-2022《地?zé)釀?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、DB12/T 608-2015天津《淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》、NB/T10278-2019國(guó)家淺層地?zé)岜O(jiān)測(cè)規(guī)范

四大標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一強(qiáng)制共性條款

三類(lèi)監(jiān)測(cè)孔標(biāo)準(zhǔn)化布設(shè)（換熱監(jiān)測(cè)孔、換熱影響監(jiān)測(cè)孔、常溫背景監(jiān)測(cè)孔）、厚度＞6m土層單獨(dú)分層布設(shè)測(cè)點(diǎn)、測(cè)溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測(cè)孔回填介質(zhì)與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時(shí)不間斷自動(dòng)采集、本地+云端雙備份存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)影像/時(shí)序數(shù)據(jù)作為竣工驗(yàn)收法定檔案、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議、年度地?zé)岜O(jiān)測(cè)報(bào)告強(qiáng)制歸檔、監(jiān)測(cè)孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)屬關(guān)鍵詞

北京地標(biāo)：變溫帶2m加密測(cè)點(diǎn)、深部地層10m等間距布設(shè)、冷熱平衡量化計(jì)算、地層溫度時(shí)序曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)直連市級(jí)地?zé)岜O(jiān)管平臺(tái)、大面積埋管群全域熱擾動(dòng)評(píng)估、北方供暖季地層降溫動(dòng)態(tài)預(yù)警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測(cè)

上海地標(biāo)：24m梯度分層測(cè)點(diǎn)（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測(cè)溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點(diǎn)測(cè)溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強(qiáng)制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測(cè)、市級(jí)統(tǒng)一地?zé)岽髷?shù)據(jù)平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補(bǔ)光測(cè)溫設(shè)備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標(biāo)：冷暖建筑面積分級(jí)配置監(jiān)測(cè)孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測(cè)溫保護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)化、管內(nèi)注水導(dǎo)熱工藝、中小型商用熱泵簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)配置、野外分體式便攜絞車(chē)、施工管材標(biāo)準(zhǔn)化圖集

陜西地標(biāo)：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護(hù)、淺層/中深層地?zé)崧?lián)合監(jiān)測(cè)、黃土高原地層溫升長(zhǎng)期觀測(cè)、監(jiān)測(cè)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(cè)資料

上海地標(biāo)四代測(cè)溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點(diǎn)模擬、精度±0.5℃、易信號(hào)干擾）、第二代PT1000單點(diǎn)模擬探頭、第三代數(shù)字多點(diǎn)分布式測(cè)溫、第四代可插拔模塊化多點(diǎn)測(cè)溫元件（大型示范項(xiàng)目標(biāo)配）

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

成套監(jiān)測(cè)主機(jī)系統(tǒng)

淺層地溫遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測(cè)控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺(tái)、野外低功耗NB-IoT無(wú)線(xiàn)RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機(jī)、淺層地?zé)針?biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)成套設(shè)備、分布式光纖DTS測(cè)溫系統(tǒng)

細(xì)分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測(cè)溫探頭、可插拔模塊化多點(diǎn)測(cè)溫元件、φ42細(xì)徑測(cè)溫探頭、316L/鈦合金防腐測(cè)溫保護(hù)管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測(cè)測(cè)井管、防腐耐磨鎧裝測(cè)井線(xiàn)纜、±1cm高精度深度編碼器、自動(dòng)排線(xiàn)電動(dòng)排線(xiàn)絞車(chē)、井下耐磨扶正器、野外太陽(yáng)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(jì)、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計(jì)量）、分層多點(diǎn)測(cè)溫電纜、孔口密封保護(hù)組件、自動(dòng)除霧加熱鏡頭模塊

配套專(zhuān)用分析軟件

HO系列淺層地?zé)岜O(jiān)測(cè)分析軟件、地層溫度時(shí)序存儲(chǔ)系統(tǒng)、360°地層剖面自動(dòng)生成工具、土壤熱平衡自動(dòng)測(cè)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(duì)比工具、標(biāo)準(zhǔn)化工程驗(yàn)收?qǐng)?bào)告導(dǎo)出工具、多參數(shù)聯(lián)動(dòng)分析平臺(tái)、支持二次開(kāi)發(fā)對(duì)接地方地?zé)岜O(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線(xiàn)單機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測(cè)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(cè)

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動(dòng)長(zhǎng)期跟蹤、深部恒溫地層基準(zhǔn)測(cè)溫、原始背景地層溫度對(duì)比、冷熱堆積厚度量化測(cè)算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計(jì)、巖土熱承載力評(píng)估、土壤熱平衡分級(jí)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(fù)荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動(dòng)報(bào)警、熱短路空洞識(shí)別、提前預(yù)判機(jī)組能效衰減、輔助間歇輪換運(yùn)行調(diào)控、多能源耦合補(bǔ)熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢(shì)建檔

工程施工與竣工驗(yàn)收配套

監(jiān)測(cè)孔成井施工質(zhì)量核驗(yàn)、分層測(cè)溫點(diǎn)位深度校準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)孔回填工藝核驗(yàn)、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復(fù)測(cè)、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評(píng)審、地?zé)崛∷S可年度核查、水資源稅計(jì)量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測(cè)、熱泵機(jī)組用電能耗同步采集、埋管進(jìn)出水溫一體化采集、地下水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、取灌水量同步計(jì)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(cè)、水質(zhì)pH/電導(dǎo)率在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

環(huán)保、自然資源合規(guī)長(zhǎng)效歸檔

淺層地?zé)豳Y源年度普查、礦山地質(zhì)環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動(dòng)核算、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)管控、不可篡改時(shí)序數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)、政府地?zé)岜O(jiān)管平臺(tái)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境評(píng)估資料、淺層地?zé)衢_(kāi)發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

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

分層測(cè)點(diǎn)布設(shè)間距2m/10m、測(cè)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(zhǎng)線(xiàn)纜數(shù)字無(wú)損傳輸、無(wú)畫(huà)面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺(tái)同步定向補(bǔ)光、5級(jí)亮度可調(diào)光源、0.05mm級(jí)細(xì)微裂隙清晰識(shí)別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽(yáng)能三供電模式、全天候自動(dòng)定時(shí)采集、NB-IoT低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲(chǔ)、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測(cè)孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級(jí)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(yùn)行調(diào)控、分區(qū)分時(shí)換熱管控、錯(cuò)峰負(fù)荷調(diào)節(jié)、太陽(yáng)能輔助補(bǔ)熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲(chǔ)熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機(jī)械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學(xué)酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴(kuò)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(jī)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(cè)系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級(jí)、淺層地?zé)嵋惑w化監(jiān)測(cè)改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價(jià)值關(guān)鍵詞

地?zé)衢_(kāi)發(fā)運(yùn)維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)院、自然資源局地?zé)岜O(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測(cè)機(jī)構(gòu)、高校巖土實(shí)驗(yàn)室、零碳園區(qū)建設(shè)單位、鄉(xiāng)村供暖改造項(xiàng)目、淺層地?zé)豳Y源普查單位

可視化定量監(jiān)測(cè)、摒棄人工間斷測(cè)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(zhǎng)地源熱泵穩(wěn)定運(yùn)行壽命、降低建筑冷暖能耗、國(guó)產(chǎn)化設(shè)備替代進(jìn)口、同等性能采購(gòu)成本降低40%、24小時(shí)全國(guó)駐場(chǎng)應(yīng)急售后、年度免費(fèi)傳感器校準(zhǔn)防腐維護(hù)、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測(cè)解決方案、智慧地?zé)釘?shù)字化管控、雙碳目標(biāo)能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地?zé)岜O(jiān)測(cè)規(guī)范、滿(mǎn)足自然資源廳年度評(píng)審歸檔要求