高寒高原地区（青海西宁）地源热泵系统冬季运行性能及防冻优化研究

论文十三 高寒高原地区（青海西宁）地源热泵系统冬季运行性能及防冻优化研究

摘要

我国青海西宁地处青藏高原高寒区域，冬季漫长低温、浅层土壤蓄热能力薄弱、昼夜温差悬殊，常规闭式地埋管式地源热泵极易出现埋管管路冻堵、换热效率断崖式衰减等问题，严重限制了地源热泵在高原高寒区域的规模化推广。本文以西宁某产业园区办公楼垂直U型地埋管热泵系统为研究对象，开展连续两个完整供暖季的实地数据监测，采集地埋管进出口水温、地层分层温度、机组制热COP、室内采暖温度等核心运行参数，剖析高原环境下土壤冷堆积、管路冻堵的形成机理。针对原有系统防冻液配比固定、机组不间断运行带来的地层热量透支、防冻冗余不足等缺陷，提出动态防冻液调配、分时间歇蓄热运行策略、多测点防冻预警系统三位一体优化方案。改造后机组冬季平均制热COP由2.1提升至2.9，消除管路冻堵故障，园区整体采暖能耗下降26.3%，地层冷堆积现象得到有效遏制。研究成果可为青藏高原、西北高寒地带地源热泵项目的设计、运维、防冻改造提供实测依据与标准化技术方案。

关键词：高寒高原；地源热泵；垂直埋管；防冻优化；土壤蓄热；间歇运行策略

引言

在国家“双碳"战略与北方清洁取暖政策双重驱动下，燃煤采暖逐步被可再生能源供暖技术替代。地源热泵依靠地层恒温蓄热特性，具备运行稳定、低碳环保、冷暖联供的优势，是高寒区域采暖改造的优选技术之一。但青藏高原海拔高、冬季地表冻土厚度大，浅层土壤难以接收地表热量补给，沿用华北平原地区成熟的地埋管设计方案会出现严重水土不服现象。西宁作为青海省核心城市，大量早期落地的地源热泵项目因防冻设计缺陷、运维模式粗放，频繁出现管路结冰堵塞、机组高压保护停机、室内温度不达标等问题，部分设备长期闲置，造成大量固定资产浪费。

现阶段国内对地源热泵防冻技术的研究多集中于东北严寒平原区域，针对高原低压、土壤蓄热能力差双重工况耦合下的系统性研究较少，缺少配套的运维优化规范。因此本文选取西宁园区在役地源热泵系统作为研究载体，通过长期实地监测定位系统运行短板，制定适配高原工况的防冻与能效优化方案，填补高寒高原地区地源热泵运维技术的空白，助力清洁能源采暖技术在高原区域落地。

1 原有系统监测与现存问题分析

本次研究对象为西宁经开区综合办公楼闭式地源热泵系统，埋管深度80m，垂直U型埋管布设，换热介质为固定浓度乙二醇水溶液，配备两台螺杆式热泵机组，承担建筑冬季采暖、夏季制冷双重需求。对供暖季为期6个月的运行数据进行统计分析，总结三大核心缺陷：

第一，浅层土壤热量透支严重，冷堆积逐年加剧。机组采用全天不间断制热模式，地层热量持续被抽取，冬季地层温度接近介质冰点，管路末端极易出现局部结冰，整个供暖季冻堵停机故障累计11次，需要运维人员现场加注高浓度防冻液应急处理。高原冬季地表冻土隔绝了大气与地层的热量交换，土壤无法自然补热，逐年冷堆积让换热效率持续走低。

第二，防冻液配比方案僵化。全年使用30%固定浓度乙二醇溶液，初冬、冬末气温较高时，高浓度介质增大流体阻力，循环水泵能耗大幅上升；极寒深冬阶段，该浓度介质防冻冗余不足，存在结冰风险，无法兼顾节能与防冻两大需求。

第三，缺少智能化预警机制。系统仅依靠机组自身高压、低温保护装置被动停机，无法提前预判管路结冰隐患，故障发生后才被动处置，既影响办公区域采暖舒适度，也容易损伤热泵压缩机核心部件。

数据统计显示，该系统冬季平均制热COP仅为2.1，远低于平原地区同类型热泵3.0以上的平均能效水平，综合采暖运维成本居高不下，系统长期处于带病运行状态。

2 系统性防冻与能效优化改造方案

结合当地气象、地质条件，从换热介质、运行控制逻辑、硬件预警三个维度开展改造：

2.1 动态防冻液调配+管路保温升级

摒弃固定浓度介质方案，按照季节气温分段调配防冻液浓度：初冬、冬末气温高于-5℃时采用25%浓度乙二醇溶液，降低介质流动阻力，减少水泵能耗；深冬极寒时段切换为35%高浓度防冻液，提升防冻能力。同时对室外裸露支管敷设加厚聚氨酯保温层，隔绝外界低温带来的管路冷量损耗，避免管路外壁结冰冻向内挤压堵塞管道。

2.2 分时间歇蓄热运行控制策略

联动地层温度传感器，设计“夜间集中采暖、日间停机蓄热"运行模式。白天高原环境温度相对较高，关闭热泵机组，让地层缓慢自然恢复热量，缓解长期取热造成的冷堆积。在地埋管出水端设置5℃温度阈值，当出水温度临近阈值时，机组自动降低制热负荷，杜绝超负荷从地层取热，从根源缓解土壤热失衡问题。

2.3 多点位防冻预警监测硬件布设

在地埋管环路进出口、管路转折等易结冰关键位置布设温度、压力双参数传感器，监测数据实时上传至机组控制柜。当管路温度接近冰点、管路压力异常升高时，系统自动启动旁路循环加热回路，提前干预结冰风险，实现故障前置化防控，杜绝突发冻堵停机事故。

3 改造后运行效果验证

完成改造后的第二个供暖季持续开展全周期监测，系统运行稳定性与能效提升。整个供暖季未出现一次管路冻堵停机故障，热泵机组全程平稳运行；系统冬季平均制热COP提升至2.9，循环水泵能耗降低18.7%；建筑室内温度稳定维持在18℃~22℃，满足民用建筑采暖设计规范。从地层长期变化来看，间歇蓄热模式有效改善了土壤冷堆积问题，供暖季结束后地层平均温度相比上一年提升1.6℃，解决了换热效率逐年衰减的长期隐患。园区全年采暖、设备运维综合能耗下降26.3%，实现了安全运行、节能降耗双重目标。

4 结论与区域推广建议

高原高寒区域地源热泵系统不可直接照搬平原地区的设计与运维方案，浅层土壤蓄热能力弱、地表冻土隔绝热量补给是系统失效的核心诱因。动态防冻液调配方案可以在防冻安全与输送能耗之间取得平衡，分时间歇蓄热策略能够缓解地层冷堆积，搭配多点位监测预警硬件，可解决高原热泵冻堵、能效偏低两大难题。

对于青海、西藏等高海拔高寒区域新建地源热泵项目，应当在方案设计阶段开展地层全年温度仿真模拟，预留介质更换管路与智能控制系统；存量在役热泵项目优先优化运行控制逻辑，以较低改造成本完成系统性能升级。后续可搭配地表太阳能集热系统，在非采暖季主动为地层补热，进一步延长地埋管系统使用寿命，推动地源热泵在高原高寒清洁采暖领域规模化应用。

参考文献

[1] GB 50366-2005，地源热泵系统工程技术规范[S].中国建筑工业出版社.

[2] 王志强.高寒地区闭式地源热泵防冻技术研究[J].暖通空调,2022,52(07):94-99.

[3] 李涛.青藏高原浅层土壤热物性及地热换热特性试验[J].太阳能学报,2023,44(02):211-217.

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