地熱供暖系統用戶端室溫智能分區分級調控與節能研究

摘要

地熱集中供暖小區普遍存在樓棟、樓層、戶型冷熱不均的通病，向陽頂樓室溫超標嚴重，背陰低層住戶供暖溫度達不到供暖標準。傳統運維模式只能在機房統一調節供水總溫，為保障低溫區域達標，不得不抬高整體供水溫度，造成高溫戶型熱量浪費，系統整體能耗居高不下。本文構建機房總調控、樓棟分集水變頻調控、住戶室溫末端三級聯動調控體系，依托分戶室溫采集終端、樓棟電動流量調節閥、熱泵變頻機組形成閉環調控邏輯，根據不同樓棟、單元的室溫負荷動態分配供水流量與供水溫度，實現按需精準供熱。將該方案應用于縣域地熱住宅小區后，小區整體供暖能耗下降17.5%，樓棟室溫均勻性顯著提升，住戶供暖投訴率下降九成以上，在保障供暖舒適度的前提下實現系統性節能，十分適合存量地熱供暖小區智能化節能改造項目落地。

關鍵詞：地熱集中供暖；室溫不均；分區調控；變頻流量調節；按需供熱；供暖節能改造

一、引言

隨著我國北方清潔供暖政策落地，大量縣城、老舊小區完成燃煤鍋爐替代改造，采用中深層地熱井+板式換熱站的集中供暖模式。地熱供暖具備熱源穩定、運行無污染、基礎燃料成本低等優勢，成為區域集中供暖的主流形式。但在多年運行過程中，冷熱不均衡問題成為地熱供暖運維的一大頑疾。建筑受朝向、樓層高度、圍護結構保溫性能、外墻遮陽條件影響極大，冬季南側向陽戶型白天接收太陽輻射，室內熱量疊加地熱供暖熱量，室溫常常突破26℃，住戶只能開窗散熱，大量地熱資源白白浪費；北側戶型、一樓底層、頂樓屋面散熱大，即便機房提升供水溫度，室溫依舊達不到18℃的國家供暖標準，冷熱兩極分化現象十分突出。

換熱站統一溫控的粗放式管理模式是造成該問題的根本原因。換熱站僅依據室外環境溫度調節一次側地熱流體換熱溫度，二次側供水溫度、流量統一輸送至全部樓棟，無法針對各個樓棟的散熱特性差異化分配熱量。運維人員為解決低溫住戶投訴，只能被動提升整體供水溫度，加劇高溫樓棟的熱量浪費，形成“低溫不夠、高溫過剩、能耗攀升"的惡性循環。與此同時，地熱井取熱負荷長期處于高位，地層熱量過度開采，長期運行容易出現地層熱失衡，地熱井出水溫度逐年衰減，進一步加劇后續供暖壓力。

針對以上多重痛點，本文提出三級聯動智能分區調控方案，從換熱站總控、樓棟流量分配、住戶末端溫控三個層級搭建智能化調控網絡，根據實時室溫數據動態分配熱量，解決冷熱不均問題，降低系統整體能耗，同時減輕地熱井長期高負荷取熱壓力，兼顧供暖舒適度、節能效益與地熱井長效運行穩定性。

二、地熱供暖冷熱不均的主要成因分析

第一，建筑圍護結構散熱差異。頂層屋面直面外界冷空氣，底層地面與凍土接觸散熱快，北側樓棟外墻無日照保溫，墻體散熱系數遠高于向陽中間樓層，同等供水流量下室溫偏低。

第二，樓棟管網水力失衡。供暖管網存在管路沿程阻力差異，距離換熱站近的樓棟供水壓力大、流量足，遠端樓棟管路損耗大，供水流量不足，形成近端過熱、遠端偏冷的水力失調現象。

第三，運維調控方式單一。換熱站僅依靠室外氣溫進行粗放式溫度調節，沒有接入住戶室內室溫反饋信號，屬于開環控制，無法感知末端實際供暖效果，只能采取“一刀切"的供水溫度策略。

第四，住戶自主散熱行為不可控。高溫戶型開窗散熱后，管網回水溫度升高，換熱站無法識別末端開窗行為，依舊保持原有供熱功率，造成持續性能源浪費。

三、三級聯動智能分區分級調控系統架構

整套系統分為換熱站總調控層、樓棟分集水調控層、住戶末端感知層。

換熱站總調控層集成地熱換熱機組變頻控制系統、室外氣象監測終端、回水總管溫度監測模塊。系統結合室外溫度變化趨勢、全網平均室溫，設定換熱站基礎供水溫度閾值，不再盲目提升供水溫度上限，從熱源端杜絕整體熱量過剩問題。

樓棟分集水調控層為每一棟居民樓安裝獨立的電動變頻分集水閥門與樓棟溫度采集單元，實時采集樓棟公共回水溫度、典型住戶室溫。當樓棟整體室溫偏高時，系統自動關小樓棟進水閥門，降低供水流量；樓棟室溫偏低時增大流量，實現單樓棟熱量動態調配，解決管網水力失衡問題。

住戶末端感知層在每個戶型客廳安裝無線室溫采集終端，終端數據上傳至云端平臺。對于溫度常年超標的戶型，聯動室內溫控電磁閥，限制入戶供暖流量；低溫戶型則適度放開末端流量。平臺匯總全網所有室溫數據，反向反饋至換熱站總控系統，形成“熱源-樓棟-住戶"閉環溫控邏輯。

系統配套智能預警機制，當某樓棟多戶連續室溫偏低，系統自動推送管網堵塞、閥門故障等運維預警，便于運維人員及時檢修管網硬件故障。

四、小區工程應用效果分析

選取北方某縣域地熱供暖住宅小區作為試驗項目，小區共12棟高層住宅樓，此前冷熱不均問題突出，供暖季日均供水溫度維持在52℃以上。改造部署三級聯動調控系統后，連續一個完整供暖季開展運行監測。

數據顯示，換熱站平均供水溫度降至45℃，小區整體供暖總能耗相比上一供暖季下降17.5%；樓棟之間室溫差值由原來8℃縮小至2.3℃以內，絕大多數住戶室溫穩定在19℃~22℃的舒適區間；頂樓向陽戶型開窗散熱現象大幅減少，北側低層住戶全部達到供暖溫度標準，小區供暖相關投訴下降92%。在地熱井運行層面，供暖季整體取熱流量降低，地層熱量開采強度放緩，有利于維持地熱儲層溫度穩定，減緩地熱井出水溫度衰減速度。

從運維管理角度來看，平臺可直觀展示每一棟樓棟、每一戶室溫狀態，故障定位精準，運維人員無需逐棟上門排查溫度問題，運維人工成本下降約30%。

五、系統現存短板與優化策略

本系統短板體現在兩方面：一是老舊小區供暖支管銹蝕嚴重時，即便閥門全開，管路通流能力不足，流量調節效果受限；二是部分住戶私自改裝末端暖氣片，增大散熱面積，會對樓棟流量調控帶來干擾。

優化方案：對于銹蝕嚴重的老舊支管，分年度分批開展管網改造；在小區物業管理制度中明確禁止私自改裝供暖末端設備；增加住戶室溫權限分級管控，兼顧住戶個性化溫度微調需求，同時設置溫度上下限，杜絕住戶特種調高或調低室溫影響整棟樓水力平衡。后續可結合光伏余熱、淺層土壤儲熱系統，在供暖低谷時段儲存熱量，進一步降低地熱井基礎負荷。

六、結論

傳統地熱集中供暖機房統一溫控模式，無法適配建筑樓棟、戶型之間的散熱差異性，帶來冷熱不均、能源大量浪費、地熱井高負荷取熱多重問題。機房、樓棟、住戶末端三級聯動智能分區分級調控體系，以末端室溫實時數據作為調控依據，實現熱源溫度宏觀調控、樓棟流量精準分配、住戶末端精細化限流的閉環運行模式，從根源解決供暖水力失衡與冷熱不均現象。

實際小區改造項目運行結果表明，該調控方案能夠顯著均衡全網室溫，大幅降低地熱供暖系統整體能耗，減少地熱井不必要的熱量開采，保護地熱儲層溫度場穩定，延長地熱井高效供暖年限，同時降低供暖運維人工工作量，提升居民供暖滿意度。該調控系統硬件部署難度適中，可適配絕大多數存量地熱集中供暖小區，是兼顧民生供暖體驗、地熱資源可持續開發、系統節能降本的優良技術方案，在北方地熱供暖區域具備大范圍推廣應用價值。

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?！稖\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