基于数字孪生的地源热泵全生命周期智能监测与故障预判系统研究

基于数字孪生的地源热泵全生命周期智能监测与故障预判系统研究

摘要

传统地源热泵运维模式以人工定期巡检、故障被动抢修为主，地埋管换热衰减、管路微渗漏、水泵空转、压缩机过载等隐性故障难以被及时发现，往往发展为突发性系统停机故障，严重影响建筑冷暖供应稳定性，缩短设备整体使用寿命。数字孪生技术能够构建与实体地源热泵系统一一映射的三维虚拟模型，集成地层温度、机组运行参数、管路流量、设备振动等多维度物联网实时监测数据，实现实体系统运行状态在虚拟端实时可视化复刻，结合机器学习算法完成故障智能预判、运维智能调度，推动热泵运维由被动维修转型为预测性维护。本文基于各类物联网硬件监测终端、无线传输模块搭建地源热泵数字孪生智能监测平台，针对换热衰减、管路堵塞、水泵故障、压缩机过载四类高频故障建立识别预判模型。项目实测数据表明，搭载数字孪生监测系统后，热泵非计划突发性停机故障降低72%，人工运维巡检成本下降55%。该监测系统可兼容闭式地埋管式、水源式等多种地源热泵机型，为地源热泵全生命周期长效智能化运维提供新一代技术解决方案。

关键词：地源热泵；数字孪生；全生命周期监测；机器学习故障预判；物联网监测；预测性运维

引言

地源热泵系统是由地埋管换热系统、循环水系统、热泵主机、电气控制系统组成的复杂机电耦合系统，服役年限普遍可达20年以上，全生命周期内运维管理至关重要。传统运维依靠运维人员月度、季度现场巡检，只能发现已经显现的显性故障；对于地层换热逐年衰减、管路微小渗漏、水泵轴承磨损等缓慢发展的隐性故障无法识别，这类隐患累积到一定程度会引发机组突发停机故障，商业建筑、居民小区热泵突发停机将直接造成极大的生产、生活影响。

随着物联网、三维建模、人工智能技术的成熟，数字孪生技术逐步应用于暖通设备运维领域，其虚实映射、实时仿真、趋势预判的特性契合地源热泵长期运维需求。目前国内数字孪生热泵系统大多应用于大型商业热泵项目，缺少适配中小型热泵、通用化、低成本的数字孪生监测方案。本文设计一套软硬件结合的通用型数字孪生监测系统，覆盖不同类型地源热泵，实现设备状态可视化、故障提前预判、运维工单智能派发。

1 数字孪生系统整体架构设计

整套系统分为三层架构：底层物联网感知硬件层、中端数据传输与算法分析层、上层数字孪生可视化运维平台层。

硬件感知层：在地埋管环路布设地层温度、进出口水温传感器；在循环管路布设流量、压力传感器；在热泵主机布设振动、电流、电压传感器；所有传感器通过4G/工业无线总线将实时运行数据向外传输，采集系统运行状态参数。

数据分析层：云端服务器接收硬件上传的实时数据，建立机器学习故障识别模型，通过长期历史运行数据训练模型，识别各类故障的前期特征参数（例如水泵轴承磨损会出现振动值缓慢上升、电流小幅波动；管路堵塞会出现进出口压差异常增大），实现故障提前7~30天预判预警。

孪生平台层：构建整套热泵系统三维虚拟模型，将实时运行数据映射到虚拟模型上，运维人员通过电脑端、移动端小程序即可直观查看地埋管地层温度、机组运行负荷、管路流量等全部状态；系统预判故障后自动生成运维工单，推送至运维人员移动端，标注故障点位、故障类型、维修建议方案。

2 故障预判模型训练与系统试运行

选取两套服役不同年限的闭式地埋热泵系统开展为期一年的试运行，利用系统前三年历史运维故障数据训练机器学习模型，针对四大高频故障建立特征阈值：①地层换热衰减（地层温度逐年走低，机组制热效率持续下降）；②管路堵塞（管路压差异常升高，流量降低）；③循环水泵故障（振动值、运行电流异常波动）；④压缩机过载（机组运行电流超限、机体温度骤升）。系统针对各类故障设置三级预警：提醒级（隐患萌芽）、关注级（隐患发展）、紧急预警级（短期内极易突发故障），分级推送运维提醒。

3 系统试运行运行效果分析

搭载数字孪生监测系统试运行一年后，两套地源热泵非计划突发性停机故障由往年年均11次、13次，分别下降至3次、4次，突发故障故障率整体下降72%；运维人员无需高频次到现场巡检，依靠平台远程监测设备状态，仅针对预警隐患定点上门运维，人工运维巡检成本相比传统模式下降55%；对于地层换热衰减问题，平台通过多年地层温度数据趋势仿真，提前给出地层补热优化建议，能够提前干预土壤热失衡问题，延长地埋管使用寿命。整套系统移动端轻量化设计，运维企业管理人员可随时随地查看多台热泵集群运行状态，实现多项目集约化远程运维。

4 结论与未来优化方向

基于数字孪生技术的地源热泵智能监测系统，通过物联网硬件采集多维度运行数据、机器学习算法预判故障、三维虚拟模型可视化展示，改变了传统人工巡检、被动抢修的运维模式，大幅降低突发性停机故障概率，削减人工运维成本，同时能够长期监测地层温度变化趋势，提前规避土壤热失衡长期隐患，实现地源热泵全生命周期精细化运维。

后续系统可以引入多机组集群协同优化算法，针对同一园区多台热泵开展负荷协同调度，实现整套热泵集群系统整体能效优；联动太阳能补热系统、储能系统，实现多能系统联动调控；对接楼宇能耗管理平台，完成建筑冷暖、能耗一体化智慧管控，进一步拓展数字孪生平台的综合应用价值，推动地源热泵行业运维管理全面智能化升级。

参考文献

[1] 陶飞.数字孪生五维模型及关键领域应用[J].计算机集成制造系统,2019,25(01):1-18.

[2] 张明明.暖通空调设备物联网故障预警系统研究[J].流体机械,2023,51(04):86-91.

[3] 王健.地源热泵集群智能化运维平台开发[J].暖通空调,2022,52(11):101-106.

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