基于數字孿生的地源熱泵全生命周期智能監測與故障預判系統研究

摘要

傳統地源熱泵運維模式以人工定期巡檢、故障被動搶修為主，地埋管換熱衰減、管路微滲漏、水泵空轉、壓縮機過載等隱性故障難以被及時發現，往往發展為突發性系統停機故障，嚴重影響建筑冷暖供應穩定性，縮短設備整體使用壽命。數字孿生技術能夠構建與實體地源熱泵系統一一映射的三維虛擬模型，集成地層溫度、機組運行參數、管路流量、設備振動等多維度物聯網實時監測數據，實現實體系統運行狀態在虛擬端實時可視化復刻，結合機器學習算法完成故障智能預判、運維智能調度，推動熱泵運維由被動維修轉型為預測性維護。本文基于各類物聯網硬件監測終端、無線傳輸模塊搭建地源熱泵數字孿生智能監測平臺，針對換熱衰減、管路堵塞、水泵故障、壓縮機過載四類高頻故障建立識別預判模型。項目實測數據表明，搭載數字孿生監測系統后，熱泵非計劃突發性停機故障降低72%，人工運維巡檢成本下降55%。該監測系統可兼容閉式地埋管式、水源式等多種地源熱泵機型，為地源熱泵全生命周期長效智能化運維提供新一代技術解決方案。

關鍵詞：地源熱泵；數字孿生；全生命周期監測；機器學習故障預判；物聯網監測；預測性運維

引言

地源熱泵系統是由地埋管換熱系統、循環水系統、熱泵主機、電氣控制系統組成的復雜機電耦合系統，服役年限普遍可達20年以上，全生命周期內運維管理至關重要。傳統運維依靠運維人員月度、季度現場巡檢，只能發現已經顯現的顯性故障；對于地層換熱逐年衰減、管路微小滲漏、水泵軸承磨損等緩慢發展的隱性故障無法識別，這類隱患累積到一定程度會引發機組突發停機故障，商業建筑、居民小區熱泵突發停機將直接造成極大的生產、生活影響。

隨著物聯網、三維建模、人工智能技術的成熟，數字孿生技術逐步應用于暖通設備運維領域，其虛實映射、實時仿真、趨勢預判的特性契合地源熱泵長期運維需求。目前國內數字孿生熱泵系統大多應用于大型商業熱泵項目，缺少適配中小型熱泵、通用化、低成本的數字孿生監測方案。本文設計一套軟硬件結合的通用型數字孿生監測系統，覆蓋不同類型地源熱泵，實現設備狀態可視化、故障提前預判、運維工單智能派發。

1 數字孿生系統整體架構設計

整套系統分為三層架構：底層物聯網感知硬件層、中端數據傳輸與算法分析層、上層數字孿生可視化運維平臺層。

硬件感知層：在地埋管環路布設地層溫度、進出口水溫傳感器；在循環管路布設流量、壓力傳感器；在熱泵主機布設振動、電流、電壓傳感器；所有傳感器通過4G/工業無線總線將實時運行數據向外傳輸，采集系統運行狀態參數。

數據分析層：云端服務器接收硬件上傳的實時數據，建立機器學習故障識別模型，通過長期歷史運行數據訓練模型，識別各類故障的前期特征參數（例如水泵軸承磨損會出現振動值緩慢上升、電流小幅波動；管路堵塞會出現進出口壓差異常增大），實現故障提前7~30天預判預警。

孿生平臺層：構建整套熱泵系統三維虛擬模型，將實時運行數據映射到虛擬模型上，運維人員通過電腦端、移動端小程序即可直觀查看地埋管地層溫度、機組運行負荷、管路流量等全部狀態；系統預判故障后自動生成運維工單，推送至運維人員移動端，標注故障點位、故障類型、維修建議方案。

2 故障預判模型訓練與系統試運行

選取兩套服役不同年限的閉式地埋熱泵系統開展為期一年的試運行，利用系統前三年歷史運維故障數據訓練機器學習模型，針對四大高頻故障建立特征閾值：①地層換熱衰減（地層溫度逐年走低，機組制熱效率持續下降）；②管路堵塞（管路壓差異常升高，流量降低）；③循環水泵故障（振動值、運行電流異常波動）；④壓縮機過載（機組運行電流超限、機體溫度驟升）。系統針對各類故障設置三級預警：提醒級（隱患萌芽）、關注級（隱患發展）、緊急預警級（短期內極易突發故障），分級推送運維提醒。

3 系統試運行運行效果分析

搭載數字孿生監測系統試運行一年后，兩套地源熱泵非計劃突發性停機故障由往年年均11次、13次，分別下降至3次、4次，突發故障故障率整體下降72%；運維人員無需高頻次到現場巡檢，依靠平臺遠程監測設備狀態，僅針對預警隱患定點上門運維，人工運維巡檢成本相比傳統模式下降55%；對于地層換熱衰減問題，平臺通過多年地層溫度數據趨勢仿真，提前給出地層補熱優化建議，能夠提前干預土壤熱失衡問題，延長地埋管使用壽命。整套系統移動端輕量化設計，運維企業管理人員可隨時隨地查看多臺熱泵集群運行狀態，實現多項目集約化遠程運維。

4 結論與未來優化方向

基于數字孿生技術的地源熱泵智能監測系統，通過物聯網硬件采集多維度運行數據、機器學習算法預判故障、三維虛擬模型可視化展示，改變了傳統人工巡檢、被動搶修的運維模式，大幅降低突發性停機故障概率，削減人工運維成本，同時能夠長期監測地層溫度變化趨勢，提前規避土壤熱失衡長期隱患，實現地源熱泵全生命周期精細化運維。

后續系統可以引入多機組集群協同優化算法，針對同一園區多臺熱泵開展負荷協同調度，實現整套熱泵集群系統整體能效優；聯動太陽能補熱系統、儲能系統，實現多能系統聯動調控；對接樓宇能耗管理平臺，完成建筑冷暖、能耗一體化智慧管控，進一步拓展數字孿生平臺的綜合應用價值，推動地源熱泵行業運維管理全面智能化升級。

參考文獻

[1] 陶飛.數字孿生五維模型及關鍵領域應用[J].計算機集成制造系統,2019,25(01):1-18.

[2] 張明明.暖通空調設備物聯網故障預警系統研究[J].流體機械,2023,51(04):86-91.

[3] 王健.地源熱泵集群智能化運維平臺開發[J].暖通空調,2022,52(11):101-106.

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