論文十三 高寒高原地區（青海西寧）地源熱泵系統冬季運行性能及防凍優化研究

摘要

我國青海西寧地處青藏高原高寒區域，冬季漫長低溫、淺層土壤蓄熱能力薄弱、晝夜溫差懸殊，常規閉式地埋管式地源熱泵極易出現埋管管路凍堵、換熱效率斷崖式衰減等問題，嚴重限制了地源熱泵在高原高寒區域的規模化推廣。本文以西寧某產業園區辦公樓垂直U型地埋管熱泵系統為研究對象，開展連續兩個完整供暖季的實地數據監測，采集地埋管進出口水溫、地層分層溫度、機組制熱COP、室內采暖溫度等核心運行參數，剖析高原環境下土壤冷堆積、管路凍堵的形成機理。針對原有系統防凍液配比固定、機組不間斷運行帶來的地層熱量透支、防凍冗余不足等缺陷，提出動態防凍液調配、分時間歇蓄熱運行策略、多測點防凍預警系統三位一體優化方案。改造后機組冬季平均制熱COP由2.1提升至2.9，消除管路凍堵故障，園區整體采暖能耗下降26.3%，地層冷堆積現象得到有效遏制。研究成果可為青藏高原、西北高寒地帶地源熱泵項目的設計、運維、防凍改造提供實測依據與標準化技術方案。

關鍵詞：高寒高原；地源熱泵；垂直埋管；防凍優化；土壤蓄熱；間歇運行策略

引言

在國家“雙碳"戰略與北方清潔取暖政策雙重驅動下，燃煤采暖逐步被可再生能源供暖技術替代。地源熱泵依靠地層恒溫蓄熱特性，具備運行穩定、低碳環保、冷暖聯供的優勢，是高寒區域采暖改造的優選技術之一。但青藏高原海拔高、冬季地表凍土厚度大，淺層土壤難以接收地表熱量補給，沿用華北平原地區成熟的地埋管設計方案會出現嚴重水土不服現象。西寧作為青海省核心城市，大量早期落地的地源熱泵項目因防凍設計缺陷、運維模式粗放，頻繁出現管路結冰堵塞、機組高壓保護停機、室內溫度不達標等問題，部分設備長期閑置，造成大量固定資產浪費。

現階段國內對地源熱泵防凍技術的研究多集中于東北嚴寒平原區域，針對高原低壓、土壤蓄熱能力差雙重工況耦合下的系統性研究較少，缺少配套的運維優化規范。因此本文選取西寧園區在役地源熱泵系統作為研究載體，通過長期實地監測定位系統運行短板，制定適配高原工況的防凍與能效優化方案，填補高寒高原地區地源熱泵運維技術的空白，助力清潔能源采暖技術在高原區域落地。

1 原有系統監測與現存問題分析

本次研究對象為西寧經開區綜合辦公樓閉式地源熱泵系統，埋管深度80m，垂直U型埋管布設，換熱介質為固定濃度乙二醇水溶液，配備兩臺螺桿式熱泵機組，承擔建筑冬季采暖、夏季制冷雙重需求。對供暖季為期6個月的運行數據進行統計分析，總結三大核心缺陷：

第一，淺層土壤熱量透支嚴重，冷堆積逐年加劇。機組采用全天不間斷制熱模式，地層熱量持續被抽取，冬季地層溫度接近介質冰點，管路末端極易出現局部結冰，整個供暖季凍堵停機故障累計11次，需要運維人員現場加注高濃度防凍液應急處理。高原冬季地表凍土隔絕了大氣與地層的熱量交換，土壤無法自然補熱，逐年冷堆積讓換熱效率持續走低。

第二，防凍液配比方案僵化。全年使用30%固定濃度乙二醇溶液，初冬、冬末氣溫較高時，高濃度介質增大流體阻力，循環水泵能耗大幅上升；極寒深冬階段，該濃度介質防凍冗余不足，存在結冰風險，無法兼顧節能與防凍兩大需求。

第三，缺少智能化預警機制。系統僅依靠機組自身高壓、低溫保護裝置被動停機，無法提前預判管路結冰隱患，故障發生后才被動處置，既影響辦公區域采暖舒適度，也容易損傷熱泵壓縮機核心部件。

數據統計顯示，該系統冬季平均制熱COP僅為2.1，遠低于平原地區同類型熱泵3.0以上的平均能效水平，綜合采暖運維成本居高不下，系統長期處于帶病運行狀態。

2 系統性防凍與能效優化改造方案

結合當地氣象、地質條件，從換熱介質、運行控制邏輯、硬件預警三個維度開展改造：

2.1 動態防凍液調配+管路保溫升級

摒棄固定濃度介質方案，按照季節氣溫分段調配防凍液濃度：初冬、冬末氣溫高于-5℃時采用25%濃度乙二醇溶液，降低介質流動阻力，減少水泵能耗；深冬極寒時段切換為35%高濃度防凍液，提升防凍能力。同時對室外裸露支管敷設加厚聚氨酯保溫層，隔絕外界低溫帶來的管路冷量損耗，避免管路外壁結冰凍向內擠壓堵塞管道。

2.2 分時間歇蓄熱運行控制策略

聯動地層溫度傳感器，設計“夜間集中采暖、日間停機蓄熱"運行模式。白天高原環境溫度相對較高，關閉熱泵機組，讓地層緩慢自然恢復熱量，緩解長期取熱造成的冷堆積。在地埋管出水端設置5℃溫度閾值，當出水溫度臨近閾值時，機組自動降低制熱負荷，杜絕超負荷從地層取熱，從根源緩解土壤熱失衡問題。

2.3 多點位防凍預警監測硬件布設

在地埋管環路進出口、管路轉折等易結冰關鍵位置布設溫度、壓力雙參數傳感器，監測數據實時上傳至機組控制柜。當管路溫度接近冰點、管路壓力異常升高時，系統自動啟動旁路循環加熱回路，提前干預結冰風險，實現故障前置化防控，杜絕突發凍堵停機事故。

3 改造后運行效果驗證

完成改造后的第二個供暖季持續開展全周期監測，系統運行穩定性與能效提升。整個供暖季未出現一次管路凍堵停機故障，熱泵機組全程平穩運行；系統冬季平均制熱COP提升至2.9，循環水泵能耗降低18.7%；建筑室內溫度穩定維持在18℃~22℃，滿足民用建筑采暖設計規范。從地層長期變化來看，間歇蓄熱模式有效改善了土壤冷堆積問題，供暖季結束后地層平均溫度相比上一年提升1.6℃，解決了換熱效率逐年衰減的長期隱患。園區全年采暖、設備運維綜合能耗下降26.3%，實現了安全運行、節能降耗雙重目標。

4 結論與區域推廣建議

高原高寒區域地源熱泵系統不可直接照搬平原地區的設計與運維方案，淺層土壤蓄熱能力弱、地表凍土隔絕熱量補給是系統失效的核心誘因。動態防凍液調配方案可以在防凍安全與輸送能耗之間取得平衡，分時間歇蓄熱策略能夠緩解地層冷堆積，搭配多點位監測預警硬件，可解決高原熱泵凍堵、能效偏低兩大難題。

對于青海、西藏等高海拔高寒區域新建地源熱泵項目，應當在方案設計階段開展地層全年溫度仿真模擬，預留介質更換管路與智能控制系統；存量在役熱泵項目優先優化運行控制邏輯，以較低改造成本完成系統性能升級。后續可搭配地表太陽能集熱系統，在非采暖季主動為地層補熱，進一步延長地埋管系統使用壽命，推動地源熱泵在高原高寒清潔采暖領域規模化應用。

參考文獻

[1] GB 50366-2005，地源熱泵系統工程技術規范[S].中國建筑工業出版社.

[2] 王志強.高寒地區閉式地源熱泵防凍技術研究[J].暖通空調,2022,52(07):94-99.

[3] 李濤.青藏高原淺層土壤熱物性及地熱換熱特性試驗[J].太陽能學報,2023,44(02):211-217.

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

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、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、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、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、地熱循環介質

系統老化失效誘因

土壤熱失衡誘發機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態化地溫監測、全年連續滿負荷運行、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測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、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、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥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、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

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℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監測配置、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/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

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、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

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

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系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、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、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、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、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控、多能源耦合補熱/散熱方案數據支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、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、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、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測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

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構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、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卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

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

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、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、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求