地源热泵竖直埋管地埋管群分布式光纤温度长期监测与热平衡调控

地源热泵竖直埋管地埋管群分布式光纤温度长期监测与热平衡调控

摘要

浅层竖直地埋管式地源热泵依靠地下地层作为蓄热载体实现冬季取热供暖、夏季排热制冷，大型商业综合体、产业园区地埋管群常年季节性冷热负荷不均衡运行，极易出现地层土壤热堆积或者热量亏空的热失衡问题，造成热泵机组逐年能效衰减、供热制冷效果大幅下降，是制约地源热泵系统长效稳定运行的行业关键痛点。传统地埋管测温仅选取少量埋管布设单点电子温度传感器，无法完整掌握整片埋管群地层三维温度场的分布与演化规律，难以精准定位局部热堆积区域。本文将铠装分布式测温光纤跟随竖直换热埋管同步下入地层，沿着埋管纵向全程布设光纤传感段，连续采集每根埋管沿线地层的时序温度数据，拼接形成整片地埋管群地层三维动态温度场模型。结合一年四季时序温度大数据，分析机组季节性冷热负荷对地层温度场的扰动规律，精准识别局部埋管过热热堆积区域；提出基于光纤温度大数据的埋管支路分区间歇启停调控策略，对热堆积严重的支路埋管进行夏季间歇停运自然散热，冬季热量亏空支路优先开启取热，动态平衡地层热量盈余与亏损。以大型商业综合体地源热泵埋管群作为工程案例，采用光纤测温智能分区调控方案之后，系统年均综合能效比提升12.7%，解决地层逐年热失衡问题。本文同时阐述光纤随埋管下放施工工艺、光纤接头防水抗压防护方案、地层三维温度场可视化软件搭建方法，为大型规模化地源热泵系统长效智能化运维提供成套监测与调控解决方案。

关键词：分布式光纤测温；地源热泵；竖直埋管群；土壤热失衡；三维温度场；分区调控；能效优化

1 引言

浅层地热能具备四季温度恒定、储量庞大、清洁低碳、就近取用的优势，竖直埋管式地源热泵是建筑区域冷暖联供的主流节能系统，广泛应用于商业综合体、写字楼、大型住宅小区、产业园区等建筑，能够一套系统同时满足冬季供暖、夏季空调制冷、全年生活热水供给三类需求，相比传统燃煤、燃气锅炉+中央空调系统，具备显著的节能减排与运行成本优势。

竖直换热埋管是地源热泵与地层换热的核心部件，数十根至上百根竖直埋管组成埋管群深埋于地下数十米地层内部，冬季热泵机组抽取地层内部蓄积的低温热量为建筑供暖，夏季建筑室内多余热量通过埋管排放至地层土壤之中。当建筑全年冷热负荷不均衡时，比如南方夏季制冷排热总量远大于冬季取热总量、北方冬季供暖取热远大于夏季排热，地层内部会逐年累积盈余热量或者出现热量持续性亏空，形成土壤热失衡现象。热堆积区域地层温度逐年升高，夏季埋管散热换热效率持续降低，空调制冷功耗大幅上升；热量亏空区域地层温度逐年走低，冬季埋管取热能力不足，供暖效果变差，热泵机组长期高负荷运转，设备故障率、运行电费成本逐年攀升，服役8~10年之后系统能效会衰减至出厂设计值的60%以下，系统近乎失效。

现阶段绝大多数地源热泵埋管群测温方式为抽样式单点测温，运维人员仅在少数几根埋管底部布设单点温度传感器，依靠少量离散温度数据粗略判断地层整体温度状态，无法识别整片埋管群内部局部埋管支路的过热热堆积盲区，不能针对性开展热量平衡调控，只能等到系统能效出现明显断崖式衰减之后，再采用外加辅助散热、补热系统进行改造，改造成本高昂，且前期多年系统低效运行造成大量能源浪费。

分布式光纤跟随埋管一体式布设，能够沿着单根埋管纵向采集全程地层温度，汇总所有埋管光纤时序温度数据即可构建地层三维动态温度场，直观看到整片埋管群不同区域地层热量盈余、亏空分布状态，运维系统根据光纤温度大数据动态控制不同埋管支路的启停工作状态，通过间歇式运行实现地层热量自然平衡，从运行调控层面土壤热失衡问题。本文依托商业综合体地源热泵埋管群实测工程，研究光纤测温在地层温度场监测、热平衡智能调控领域的应用方案。

2 埋管光纤一体式布设与防护工艺

在埋管钻孔、下换热PE管的施工阶段，将外径小巧的双层铠装防腐测温光纤捆绑固定在换热埋管外壁，光纤跟随换热管一同下入钻孔地层内部；光纤沿着埋管全长布设，埋管底部预留光纤冗余弯折段，规避地层沉降拉伸造成光纤断裂；埋管管口位置做防水抗压密封处理，防止地表水渗入侵蚀光纤接头；所有埋管光纤汇总至机房测温主机，主机对接热泵机组PLC控制系统与上位机可视化软件，实时生成整片埋管群地层三维温度云图。光纤埋入地层之后无源，不受地下潮湿环境、地层轻微挤压影响，可跟随埋管实现数十年长期不间断温度监测，使用寿命与埋管换热系统服役周期匹配。

3 基于光纤三维温度场的分区热平衡调控逻辑

运维软件根据全年四季光纤时序温度数据，将埋管群划分为多个独立支路分区，针对不同分区地层热量状态执行差异化调控策略：

第一，夏季制冷工况：对于光纤监测显示地层温度偏高、热量盈余严重的热堆积分区，控制系统关闭该支路埋管换热阀门，让埋管区域地层自然散热降温，开启周边地层温度偏低的埋管支路承担散热负荷，避免局部地层热量持续堆积；轮换式间歇启停各分区支路，让整片地层均匀散热。

第二，冬季供暖工况：优先开启地层温度高、热量充足的埋管支路取热，热量亏空严重的支路间歇停运，依靠地层周边热量自然补给恢复地层温度，避免持续抽取亏空区域地层热量加剧热失衡。

通过季节性分区间歇调控，将整片埋管群地层的热量维持在相对恒定的基线区间，实现地层热量动态平衡，保障埋管全年换热效率稳定。

4 商业综合体埋管群工程应用效果分析

选取华东大型商业综合体地源热泵系统作为试验对象，该系统包含126根80米竖直换热埋管，投入使用6年后出现明显热堆积问题，夏季空调制冷功耗逐年升高，系统综合能效比逐年下降至2.7。在埋管内布设分布式光纤测温系统，构建地层三维温度场模型，清晰识别出埋管群中部区域为大面积热堆积核心区，地层常年温度高于周边地层6~8℃。启用光纤配套的分区间歇调控策略，经过一个完整的制冷季+供暖季运行之后，热堆积核心区域地层温度逐步回落至地层基线温度，整片地层温度趋于均匀稳定；系统全年综合能效比提升至3.97，相比调控之前能效提升12.7%，全年机组运行电费成本下降15.3%，系统换热性能恢复至设备出厂设计标准，解决长期土壤热失衡隐患。对比同期未改造调控的同类型商业地源热泵项目，后者次年能效继续下降0.18，热失衡持续加剧，凸显光纤测温智能调控方案的长效价值。

5 现存技术短板与优化方向

其一，埋管群数量极大时，光纤组网数量多，测温主机端口需求量大，硬件投入成本有所增加，可以采用光纤波分复用技术，单根主机端口搭载多路光纤，降低主机硬件采购成本；其二，地层深处光纤微小形变会带来微弱测温基线漂移，可搭载年度基线自动校准算法，利用冬季地层稳态时期校准温度基线。

6 结论与展望

分布式光纤跟随竖直换热埋管一体式布设，能够采集每一根埋管纵向全段地层时序温度数据，拼接构建埋管群地层三维动态温度场，精准识别埋管群内部局部区域土壤热堆积与热量亏空盲区，完整掌握地层热量随季节冷热负荷的演化规律。依托光纤温度大数据搭建分区间歇启停调控策略，可以动态均衡整片地层的热量盈余与亏损，从系统运行层面治理地源热泵地层长期热失衡行业痛点，大幅提升热泵系统全年综合能效比，降低建筑冷暖联供长期运行能耗与设备故障率，延长整套地埋管换热系统服役寿命。光纤与埋管同步施工的一体化布设工艺成熟稳定，光纤无源长寿命特性可以匹配地源热泵数十年服役周期，一次性硬件投入即可实现系统全生命周期地层温度监测与智能热平衡调控。

未来可以将光纤地层温度监测数据、建筑冷热负荷预测AI算法、热泵机组变频控制系统三者深度联动，基于建筑未来数日冷热负荷预判，提前动态调控埋管分区运行模式，实现地层热量超前式平衡调控，进一步优化系统节能效益；同时建立地源热泵埋管光纤测温行业施工规范与数据接口标准，推动光纤测温智能热平衡调控方案成为大型规模化地源热泵项目的标配设计方案，助力浅层地热能在建筑节能领域大范围普及应用，为建筑领域双碳减排目标提供成熟可靠的技术路径。

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