高寒高海拔地区闭式浅层地源热泵防冻保护与低温启动控制系统研究

摘要

我国青藏高原、川西高原、北方高寒山区海拔高、冬季低温持续时间长，夜间地表温度普遍低至-30℃以下，常规闭式浅层地源热泵系统极易出现换热介质冻结、管路冻裂、机组低温启动失败等问题，成为制约地源热泵在高寒高海拔区域推广的关键阻碍。传统单一防冻液加注防冻方案存在防冻液浓度过高导致流体黏度上升、系统泵送能耗激增、管材加速老化等缺陷。本文提出复合介质防冻换热流体+地埋管分段伴热保温+机组智能低温启动三级联动防冻控制系统，搭配基于环境温度、埋管介质温度、机组进出口水温多参数联动的智能调控逻辑，实现机组停机防冻保温、低温环境平稳启动、寒潮应急伴热防护三重功能。通过高寒高海拔野外试验场为期两个完整冬季的连续运行测试，该控制系统能够在-35℃低温环境下保障地埋管路无冻裂、热泵机组一次低温启动成功，系统综合泵送能耗相比高浓度防冻液方案降低21.3%，管材老化速率显著减缓，为高寒高海拔偏远乡镇、边防站点、高原文旅建筑推广浅层地源热泵供暖系统提供了成熟可靠的防冻成套控制方案。

关键词：高寒高海拔；闭式地源热泵；管路防冻；低温启动；伴热保温；智能控制系统

一、引言

高寒高海拔区域有着大面积乡镇民居、边防配套建筑、高原文旅设施，冬季漫长酷寒，传统燃煤供暖运输难度大、污染严重、燃料补给成本高，燃油、电直热供暖能耗与运行费用高昂。浅层闭式地源热泵依托地下岩土恒温特性，理论上非常适配高原高寒建筑清洁供暖需求，但低温防冻难题长期限制其落地应用。

常规地源热泵依靠乙二醇防冻液降低介质冰点实现防冻，为抵御高原低温，往往需要将防冻液配比提升至45%以上。高浓度防冻介质黏度大幅提升，循环水泵输送阻力急剧增大，系统循环能耗上涨明显；高浓度乙二醇介质还会对PE换热管材、管路密封件产生化学侵蚀，长期运行加速管路老化渗漏。除此之外，夜间寒潮突袭、机组临时停机检修时，地埋管露出地面的立管、机房内管路散热快，极易发生介质结冰膨胀，撑裂管路与换热器；低温状态下压缩机润滑油流动性变差，机组强行启动会出现润滑不足、压缩机烧毁故障，常规电控系统缺乏低温启动保护逻辑，设备故障率居高不下。

针对高寒地区地源热泵管路冻裂、介质黏度能耗高、机组低温启动失效三大痛点，本文设计三级联动防冻保护控制系统，优化换热流体配比，搭配分段式管路伴热保温结构与多参数智能启动控制策略，在保障防冻安全的前提下控制系统能耗，延长管路与机组设备使用寿命，打通高寒高海拔地区浅层地源热泵推广的技术壁垒。

二、高寒地区常规地源热泵防冻方案的多重缺陷

2.1 高浓度防冻液能耗与腐蚀双重问题

防冻液浓度越高，冰点越低，但流体运动黏度呈指数级上升，循环水泵需要输出更大扬程才能维持管路介质循环，系统辅机能耗大幅增加，抵消了热泵本身的节能优势；高浓度乙二醇长期循环会加速管路密封圈老化，容易出现管路渗漏问题，后期运维堵漏成本高。

2.2 裸露管路无应急防冻措施

地埋管地表立管、机房内部管路脱离地下恒温层，受外界气温影响极大，机组停机之后管路介质静止，热量快速散失，短时间内即可结冰胀裂管路，常规静态防冻液无法应对长时间停机寒潮工况。

2.3 机组缺乏低温启动保护逻辑

低温环境下压缩机润滑油黏稠度大幅升高，润滑性能急剧下降，传统电控系统只判断机组通电状态，未检测润滑油温、介质温度，低温下强行启动压缩机极易造成内部零部件干摩擦，直接损毁核心压缩机部件。

三、三级联动防冻保护系统整体设计

整套系统分为复合防冻换热介质优化、管路分段伴热保温防护、多参数智能低温启动控制系统三个层级，软硬件协同实现全天候防冻。

3.1 低黏度复合防冻换热介质

摒弃单一高浓度乙二醇方案，采用乙二醇与低黏度防冻助剂复配方案，在满足-38℃冰点防冻要求的同时，降低流体常温与低温状态下的黏度，兼顾防冻性能与循环流动性。日常运行依靠复合介质基础防冻能力抵御常规低温环境，无需采用超高浓度防冻液，从源头降低循环泵送能耗与管材腐蚀。

3.2 地表管路分段伴热保温应急防冻

对地埋管外露立管、机房换热管路采用双层聚氨酯保温结构，内部埋设柔性低温伴热带，伴热带由控制系统联动管控。系统实时采集管路外壁温度与介质温度，当管路介质温度接近结冰临界温度、机组处于停机状态时，自动开启对应管路段伴热带进行低温保温；介质温度回升至安全区间后自动关停伴热，仅在寒潮、停机等特殊工况启用，大幅降低伴热设备长期耗电。伴热带分段独立控制，单段管路故障不会影响整个系统防冻保护。

3.3 多参数智能低温启动控制逻辑

控制系统采集环境温度、换热介质温度、压缩机润滑油温度三组核心参数，设置分级启动策略：当润滑油温度低于低温阈值时，机组不会启动压缩机，先开启润滑油预热模块与介质循环泵，带动管路介质循环换热，利用地下岩土热量提升介质与润滑油温度；各项温度指标全部达到安全启动区间后，控制系统逐级开启循环泵、板式换热器、压缩机，实现平稳低温启动；运行过程中持续监测各项温度参数，一旦介质温度异常走低，自动提高介质循环流量、启动管路伴热作为应急防护。

系统同时配备断电备用低温电池，外部市电断电时，备用电池驱动关键管路伴热带与温度监测模块，避免市电中断寒潮天气下管路冻裂。

四、高原高寒试验场实测运行结果

将整套三级联动防冻控制系统搭载于闭式地源热泵样机，放置于川西高寒高海拔野外试验场，连续开展两个冬季完整工况测试。对照组采用传统高浓度单一乙二醇防冻液热泵系统，实验组为本文设计的复合介质+伴热保温+智能启动系统。

实测数据显示：在低温-35℃寒潮天气、机组停机48小时工况下，实验组管路介质未出现结冰现象，地表立管依靠伴热系统稳定保温；机组低温启动成功率高，不存在压缩机启动故障。对照组高浓度防冻液系统虽然未冻裂管路，但循环水泵能耗相比实验组高出21.3%；连续运行一个冬季后，对照组管路密封圈出现轻微腐蚀渗漏，实验组管材、密封件无明显老化痕迹。在常规冬季低温工况下，伴热系统极少启动，整体系统全年辅机能耗增幅不足3%，不会影响地源热泵整体节能效益。

五、系统优化与工程落地建议

对于海拔超过4000米的超高寒站点，可在机房增设小型储热缓冲罐，储存管路循环余热，进一步降低伴热系统启动频次；地埋管立管部分深埋防冻土层之下，减少裸露管段长度，降低伴热能耗；控制系统接入远程物联网模块，运维人员可远程查看管路介质温度、机组状态，远程启停预热程序，适配高原偏远站点无人值守运行场景。

施工阶段需要做好伴热带绝缘防水处理，防止高原雨雪天气造成电路短路；伴热电路设置过载、漏电保护装置，提升电气运行安全性。

六、结论

高寒高海拔区域低温环境、长时间停机寒潮工况、低温下压缩机启动困难三大问题，使得传统高浓度防冻液地源热泵方案存在能耗偏高、管路设备易老化损毁的短板，难以长期稳定运行。本文研发的复合低黏度防冻换热介质、地表管路分段应急伴热保温、多参数联动智能低温启动三级联动防冻控制系统，区分常规低温运行防冻与停机寒潮应急防冻两种工况，既依靠复合介质满足日常防冻需求，又通过可控式伴热系统应对突发低温，搭配带有预热流程的压缩机智能启动逻辑，解决了管路冻裂、系统能耗高、机组启动损毁三大核心痛点。

高原野外两个冬季的连续工况测试验证了整套系统的稳定性与节能性，在满足高寒防冻安全要求的前提下，有效降低了循环辅机能耗，减缓管材与密封部件老化速度，延长整套热泵系统服役年限。同时系统可搭载物联网远程运维功能，适配高原偏远建筑无人值守供暖场景。该三级联动防冻控制系统，突破了高寒高海拔地区浅层闭式地源热泵的技术瓶颈，为我国高原乡镇、边防设施、高原文旅建筑推广清洁低碳的地源热泵供暖模式提供了可靠、经济的成套技术方案，对于高寒区域实现化石能源替代、清洁供暖基础设施有着重要的工程应用价值。

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