论文八：基于数字孪生技术的地源热泵地埋管群全生命周期运维平台研究

论文八：基于数字孪生技术的地源热泵地埋管群全生命周期运维平台研究

摘要

地埋管换热管路是地源热泵系统的核心换热构件，深埋于地下数十米岩土内部，属于典型地下隐蔽工程。传统运维模式无法直观掌握地下管路运行状态，管路渗漏、管外壁岩土结垢堵塞、埋管换热效率逐年衰减等故障难以被快速定位，仅能依靠地上机组运行参数间接推测故障问题，运维效率低下，严重影响地源热泵全生命周期运行稳定性。本文将数字孪生BIM技术与地源热泵原有软硬件监测体系相结合，搭建虚实联动的地埋管群全生命周期运维平台。平台依托项目施工阶段BIM竣工图纸搭建地下埋管三维虚拟数字模型，接入地层地温传感器、管路流量压力传感器、机房机组PLC等前端硬件的实时运行数据，实现物理埋管系统与虚拟数字模型的实时数据映射。平台可完成管路堵塞故障可视化定位、埋管渗漏点位仿真识别、地层热力场长期演化仿真、系统全生命周期运维方案智能生成等功能。本文阐述数字孪生平台三层整体架构、虚实数据交互通信方案、故障仿真预警核心算法，结合园区商业地源热泵项目开展工程验证，分析平台在故障排查、换热性能维护、运维成本管控等方面的应用价值，为地下隐蔽式地埋管系统智能化无人值守运维提供全新技术方案。

关键词：地源热泵；数字孪生；BIM；地埋管群；全生命周期运维；虚实映射

一、引言

地埋管换热系统分为竖直埋管与水平埋管两类，竖直埋管深度普遍在60~120米，水平埋管铺设于地表浅层土体当中，管路长期处于高温差、地下水腐蚀、土体挤压的复杂地下环境。在地源热泵数十年的服役周期内，埋管管路会出现多种隐患：地下水携带泥沙附着在管道外壁形成隔热垢层，降低换热效率；管路接头受土体挤压、管材老化出现渗漏，换热介质流失；局部区域地层长期冷热失衡，造成管路换热性能区域性衰减。

由于管路埋藏于地下，运维人员无法直接观测管路状态。传统运维方式只能根据机组进出水温差、系统流量、机组能耗等地上参数，凭借运维人员经验粗略判断地下管路是否存在故障，不仅故障定位精度差，还往往错过最佳维修窗口期；当发现换热效率大幅下降时，地下管路故障已经大范围扩散，维修开挖成本高，甚至只能废弃原有埋管重新铺设，造成巨大经济损失。

常规的地温监测软件、机房监控软件只能实现数据数值展示，无法将分散的点位监测数据与地下管路空间位置结合起来，不能实现可视化运维。数字孪生技术能够完成物理实体与虚拟模型的实时联动映射，在虚拟空间复刻整套地埋管群的空间布局与运行状态，将各类监测硬件采集的时序数据挂载在三维模型对应点位上，实现地下隐蔽设备可视化运维。当前国内数字孪生在地源热泵领域大多停留在理论仿真层面，缺少结合现场监测软硬件、适配运维流程的落地化平台体系，因此研发地埋管数字孪生运维平台具有强的工程实用价值。

二、数字孪生运维平台三层整体架构

平台整体分为物理感知硬件层、数据传输交互层、数字孪生虚拟软件应用层三层架构，三层架构相互协同，完成虚实联动运行。

物理感知硬件层包含整套采集硬件：分布于各个埋管竖井内的分层地温监测探头、管路进出口流量与压力传感器、地源侧循环水泵运行状态采集终端、热泵机组PLC控制系统、室外气象监测设备。各类硬件实时采集管路流量、管内压力、不同深度地层温度、机组运行功率、环境气象等物理运行参数，为虚拟模型提供原始真实数据。硬件沿用成熟耐高温防腐传感设备，保障长期稳定采集数据，为虚实映射奠定数据基础。

数据传输交互层作为桥梁，统一采用标准化Modbus通信协议汇聚全部硬件采集数据，通过有线局域网或者4G/5G无线传输方式将时序数据同步上传至孪生平台服务器；同时平台可向下发送调控指令，下发至机房水泵、热泵机组等执行硬件，实现“物理设备采集数据-虚拟平台运算决策-下发调控指令改变物理设备运行状态"的闭环联动。传输系统配备数据校验、断点续传功能，避免传输过程中数据失真、丢失。

数字孪生软件应用层是平台核心，分为BIM三维可视化模块、实时虚实映射模块、故障仿真研判模块、全生命周期运维台账模块四大功能模块。首先依托项目竣工BIM图纸，完整复刻地下每一根换热管路的空间位置、管路管径、管材材质、管路接头位置、埋管深度、回填材料等基础信息，搭建1:1三维虚拟地埋管群模型；硬件实时监测数据实时挂载在模型对应管路点位，运维人员可在电脑、移动端大屏上查看任意一段管路的流量、压力、周边地层温度等运行参数。

三、平台核心功能设计

第一，管路故障可视化定位功能。平台内置故障研判算法，当某段管路流量异常下降、管路进出口压力差值显著增大、周边地层温度变化异常时，结合三维模型空间位置锁定故障管路区段，精准判断故障为管路外壁结垢堵塞还是管路介质渗漏，给出故障开挖维修的精准坐标，大幅降低故障排查时间与开挖范围。传统人工排查往往需要大面积开挖土体排查，而孪生平台可将故障定位精度控制在单根埋管区段内。

第二，地层热力场仿真演化功能。平台根据长期连续的地层温度监测数据，仿真模拟未来1~3个运行周期内地层热力场变化趋势，预判区域性土壤冷热堆积风险，联动机房调控软件提前调整机组运行策略，预防大范围热失衡问题。

第三，全生命周期运维智能台账功能。平台自动记录整套系统从竣工投运以来所有运行数据、故障记录、维修记录、硬件校准记录，结合管材、传感器等设备的服役寿命参数，智能推送硬件定期校准、管路预防性维护计划，实现由“故障后被动维修"转变为“预测性预防性运维"。

第四，存量老旧系统轻量化改造适配功能。对于建成多年无BIM图纸的老旧地源热泵项目，平台支持通过实地勘测、管路点位检测逆向搭建简易三维孪生模型，加装监测硬件后即可实现基础的虚实运维功能，适配存量项目改造需求。

四、工程应用效果分析

选取商业园区地源热泵项目开展为期一年的平台应用试验，对比传统运维模式与数字孪生平台运维模式的各项指标。在故障排查方面，试验期间出现两次管路局部堵塞隐患，传统运维模式耗费7个工作日、大范围开挖土体才锁定故障位置；孪生平台仅用时2小时精准定位故障区段，小范围开挖完成管路疏通维修，故障处置效率提升85%以上，开挖施工成本降低70%。在地层热平衡运维层面，平台通过热力场仿真提前预判局部地层热量堆积，联动调控软件优化机组运行模式，避免了区域性换热效率衰减。在运维人力层面，平台自动化生成运维计划、运行台账，减少了运维人员日常巡检频次，运维人工成本下降约55%。同时平台完整保存全生命周期运行数据，项目开展地热年度核查、合规验收时，可直接调取虚拟模型与配套时序监测数据，满足属地地热监管部门归档要求。

五、平台现存不足与优化方向

当前地埋管数字孪生运维平台存在两处短板：其一，完整BIM建模对于新建项目友好，但老旧项目逆向建模工作量较大，建模精度受现场勘测条件限制；其二，大规模埋管群场景下，海量时序监测数据同步至虚拟模型，对服务器算力、网络传输稳定性要求较高。针对老旧项目问题，可以开发轻量化快速建模工具，结合管路布设施工资料、关键点位探测数据快速搭建基础孪生模型，满足基础运维需求；针对算力问题采用“边缘端本地孪生+云端总平台"架构，边缘终端完成单站点基础虚实映射与故障研判，云端平台负责多站点集中管理、长期大数据仿真，降低云端算力压力。后续可结合机器学习算法，不断优化故障研判、热力仿真算法模型，进一步提升故障预判准确率。

六、结论

数字孪生运维平台打通了地下地埋管物理实体与三维虚拟模型的虚实联动壁垒，解决了地埋管作为地下隐蔽工程运维可视性差、故障排查难度大、运维被动滞后的长期行业痛点。平台融合BIM建模、硬件实时感知、大数据仿真、智能运维台账多项技术，不仅能够精准定位管路渗漏、堵塞等显性故障，还可以提前仿真预判地层热力失衡等隐性长期风险，实现地源热泵地埋管群从建设、投运、运维到老化报废的全生命周期精细化管理。

平台对于新建地源热泵项目可在施工阶段同步搭建，对于存量老旧地热系统也能够完成轻量化改造适配，兼具通用性与落地性。随着地热行业智能化运维需求提升、BIM数字化竣工规范普及，数字孪生运维平台将会成为大型园区、连片住宅小区地源热泵项目的标配运维系统，推动地源热泵运维模式由传统人工经验运维向数字化、可视化、预测式无人值守运维转型升级，保障地埋管换热系统数十年长效稳定运行。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求