地源热泵老化失效的土壤热源热平衡研究进展

【资料简介】

地源热泵老化失效的土壤热源热平衡研究进展

前言

地埋管地源热泵作为浅层地热清洁利用核心技术，但工程长期运行普遍出现土壤冷热堆积、地层热失衡，叠加管路结垢淤堵、机组设备老化、运维管控缺失，最终造成热泵换热效率逐年衰减、供暖制冷产能不足，严重时系统失效。近20年国内外学界围绕「热失衡诱发老化失效机理、地层温度场演化规律、热平衡监测诊断技术、失衡修复调控方案、复合系统优化」五大方向开展大量试验、数值模拟与工程实测研究，形成完整理论体系与工程技术方案。

本文系统梳理国内外研究发展脉络，分模块总结失效机理研究、地温场演化规律、监测诊断技术、热平衡修复调控、工程实测与地方标准配套研究五大板块最新进展，同时结合北京、上海、天津、陕西四大地热地方标准，阐述国内行业规范化研究成果，文末点明当前研究短板与未来发展趋势。全文约3000字。

一、土壤热失衡诱发地源热泵老化失效机理研究进展

1.1 冷热负荷失衡是热失衡核心诱因（国内外共识）

国外早期研究：Tian You等（2016）在《Applied Energy》发表寒冷地区土壤热失衡综述，明确气候分区冷热负荷差异是土壤温度单向偏移根源：严寒地区冬季取热＞夏季释热，地层逐年降温；南方夏热冬冷区域夏季排热＞冬季取热，土壤持续升温，两类工况均会逐年降低埋管换热温差，热泵COP逐年衰减，长期运行后机组满负荷也无法达标，定义为“地热热源老化失效”。

国内学者郭敏、方肇洪（2019，北京工业大学）通过华北、长三角百余项目实测验证：冷热负荷差值超过30%的项目，运行5年土壤温度偏移幅度可达2~5℃，系统能效下降25%以上，埋管群密集布设工况热干扰叠加，失效速度翻倍。

1.2 分层地层热物性差异加剧热失衡与管路老化

地层分层结构是次要核心诱因，上海、北京地方标准同步划分变温带、增温层：

1）埋深＜24m为变温带，受大气气温扰动剧烈，浅层温度昼夜、季节波动幅度大，热量极易局部滞留；24m以下为增温层，地热梯度稳定，温度变化平缓；

2）厚度＞6m独立土层导热系数、储热容量差异大，软弱夹层、黏土隔水层会阻断热量纵向传导，热量局部滞留形成集中热/冷堆积；

3）岩土渗透性差异：砂土含水层渗流可带走多余热量，缓解失衡；黄土、致密黏土无渗流，热量无法扩散，3~5年即可出现明显系统老化失效。

马玖辰等通过砂箱物理模型试验证实：地下水渗流速率每提升0.1m/d，土壤热堆积幅度降低40%，是缓解热失衡天然条件。

1.3 多耦合因素加速系统全链条老化失效

学界近年逐步建立“多因素耦合失效模型”，打破单一热失衡研究局限，明确四类协同老化机制：

地层热失衡+管路结垢耦合：土壤温度持续升高/降低，循环介质温度波动加剧，钙镁离子、硅垢析出速率提升，埋管内壁结垢缩径，循环流量衰减，进一步恶化换热，形成“热失衡→结垢→换热变差→热失衡加剧”恶性循环；

热失衡+机组设备老化：地层换热温差不足，压缩机长期高负荷低频运行，轴承、密封件磨损加速，换热器板片结垢堵塞，机组老化速度提升2~3倍；

设计缺陷放大热失衡效应：埋管间距过小、孔深不足、冷热分区混布，相邻钻孔热干扰叠加，浅层地温扰动范围相互重叠，短期出现大面积热堆积；

运维缺失加剧失效：无长期地温监测、全年连续满负荷运行、无间歇轮换机制，土壤无自然恢复周期，温度偏移不可逆。

1.4 老化失效量化判定标准研究进展

国内近年形成分级失效判定体系：

1）轻度失衡：地层年均温度偏移＜0.5℃，热泵COP下降10%以内，仅需优化运行策略；

2）中度失衡：年均偏移0.5~2℃，COP下降10%~30%，需配套辅助补热/散热；

3）重度失效：年均偏移＞2℃，COP降幅超30%，供暖制冷产能不足，必须开展地层修复、埋管扩容改造。

北京地方浅层地热监测标准明确：变温带垂向2m一支测温探头，深部地层10m一支，测温精度±0.2℃，长期连续监测数据作为热失衡分级判定法定依据，填补量化评价空白。

二、长期运行土壤温度场演化规律数值模拟与试验研究进展

2.1 数值模拟技术迭代发展

早期一维、二维单孔传热模型（IGSHPA标准模型）：仅适用于单根埋管短期仿真，无法模拟埋管群热干扰、多年温度累积；

现阶段主流三维非稳态多孔介质耦合模型：基于Fluent、COMSOL、GeoStar软件，耦合地下水渗流、地层分层、多钻孔热干扰，可预测10~30年地层温度演化趋势，是方案设计、失效预判核心工具；

智能算法耦合仿真：近年前沿研究引入机器学习、U-Net算法，结合实测地温监测数据修正模型参数，大幅提升长期预测精度，可提前5~10年预判系统老化失效时间。

2.2 物理试验与现场长期监测试验研究

小型砂箱物理模拟试验：国内高校搭建分层岩土试验平台，可控调节冷热负荷、地下水渗流、地层导热系数，直观观测短期冷热堆积演化规律，用于机理验证；

场地长期原位监测（行业核心实测数据来源）：

华东理工大学南昌示范项目连续4年分层监测7支监测孔，证实埋管群热影响半径3~6m，远离换热区10m外背景地层温度波动极小，为背景监测孔布设提供实测依据；

北京农村太阳能-地源热泵耦合示范项目连续10年监测，单一供暖系统地层年均降温0.89℃，耦合太阳能补热后年均温度仅下降0.1℃，验证多能互补修复效果；

内蒙古、上海、陕西多地监测数据统一证实：间歇运行模式可提升土壤温度恢复速率，同等负荷下间歇运行热堆积幅度降低34%左右。

2.3 地层冷热堆积空间分布规律共识

垂向：变温带（0~24m）温度年波动幅度最大，是冷热堆积核心区域；埋深＞24m增温层温度变化平缓，监测优先级降低；

径向：以换热孔为中心，温度偏移幅度随距离增加指数衰减，6m以外地层基本不受换热扰动；

时序：系统运行前3年土壤温度变化速率最快，第5年后偏移幅度逐步收窄，但单向累积效应不可逆，无措施下地层温度持续偏移。

三、土壤热平衡监测、诊断技术研究进展

监测技术是热失衡定量识别、老化失效提前预判的基础，核心为分层地温长期监测+多参数耦合采集两大技术路线，国内已形成标准化技术体系，北京、上海、天津、陕西地标均明确强制监测要求。

3.1 分层地温长期监测技术研究

传感器迭代研究（上海地标系统梳理四代测温元件）：第一代热电偶（±0.5℃，模拟信号易干扰）→第二代PT1000单点（±0.1℃）→第三代数字多点式→第四代可插拔模块化多点测温探头，模块化多点分布式测温成为大型示范项目标配，分层布设、维护便捷；

测点布设规范研究：北京标准统一布设规则，地层10米悬挂一支探头，变温带加密至2米一支；上海以24m地层深度划分梯度间距，埋深＜24m监测点间距≤2m，埋深＞24m≤10m；津陕不强制固定垂直间距，仅要求厚度大于6m土层单独布设测点，按建筑面积量化监测孔配比；

监测系统成套设备研发：行业配套地温监测一体化控制柜、野外太阳能低功耗RTU、485Modbus采集模块，实现24小时自动采集、本地+云端双备份存储，数据可直连地方地热监管大数据平台。

3.2 多参数耦合监测与数字化智能预警研究

多参数同步采集：整套监测系统同步采集分层地温、循环流量、机组用电能耗、埋管进出水温，一站式核算制热/制冷总量、系统综合能效比，多维度联合分析地层冷热平衡状态；

数字化智能预警：基于长期监测时序数据，构建热失衡分级预警模型，设置地层温度偏移阈值自动报警，提前安排预防性调控、地层修复，避免供暖季突发系统失效，目前已在北京、上海商用地热项目规模化落地应用。

四、土壤热失衡修复、系统调控技术研究进展

国内外研究将修复技术分为运行策略优化、复合能源耦合、埋管地层改造、管路化学/物理清洗四大类，技术成熟度依次提升，适配不同失衡等级项目。

4.1 运行策略优化（轻度失衡）

间歇启停调控：国内外大量模拟与实测证实，1:1、1:2间歇启停模式可充分利用土壤自然恢复能力，热堆积幅度降低30%~40%，无需新增设备；

分区分时轮换运行：大型多分区地埋管热泵项目，轮换投入各片区换热孔，避免全域同步取热/排热，均衡地层冷热负荷；

错峰负荷调节：夏季夜间低谷时段加大散热，冬季日间适度降低取热负荷，缩小全年冷热差值。

4.2 多能源复合耦合系统（中度、重度失衡主流方案）

太阳能-地源热泵耦合系统：国内研究最充分的复合方案，夏季太阳能向地下补热，抵消冬季取热损耗，西北、北京农村供暖项目实测地层年均温度偏移减少85%，机组COP提升14%~25%；

空气源/污水源辅助散热/补热：南方制冷为主项目配套空气能辅助散热，北方供暖项目污水余热补热，平衡全年冷热负荷；

岩土跨季节储热（BTES）：大规模商用园区配套专用储热钻孔，夏季储存余热冬季释放，从根源消除冷热失衡，是欧美、国内零碳园区前沿技术。

4.3 地层与埋管改造修复技术（重度失效存量项目改造）

新增换热钻孔扩容：补充埋管长度，提升地层换热总面积，分担原孔冷热负荷；

地层水力压裂、注浆改造：针对致密黏土、无渗流地层，水力压裂构建导水裂隙，利用地下水增强热量扩散；

管路通井清洗修复：物理（高压脉冲、机械刮管、气举反循环）+化学（柠檬酸缓蚀酸洗）复合工艺，清除埋管内壁结垢淤堵，恢复循环流量与换热效率。

4.4 管路、主机设备老化配套改造

循环水泵变频升级、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、板式换热器拆解清洗，消除设备侧附加能效衰减，同步配合地层热平衡调控，实现系统整体提质增效。

五、国内地方标准配套研究与工程应用体系进展

北京、上海、天津、陕西四大先进地方浅层地热监测标准，是国内浅层地热行业规范化发展，立足统一的热平衡管控目标，在监测孔分类、地层分层监测、设备基础精度、施工构造、验收归档维度形成统一规范，同时结合区域地质条件存在差异化条款：

统一共性要求

全部标准划分换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔三类监测孔，明确分层布设测点、测温传感器精度≥±0.2℃、监测孔标准化回填封堵构造、连续在线数据存储、监测资料作为项目竣工验收法定材料五大硬性底线；

差异化条款

上海标准精细化程度最高，明确24m变温带/增温层梯度测点间距，完整梳理四代测温传感器迭代路线，推荐±0.1℃高精度数字多点探头；

北京标准规则简洁通用，统一变温带2m、深部10m固定测点间距，适配华北平原大批量住宅、产业园标准化项目；

天津、陕西标准量化建筑面积与监测孔配比，重点针对滨海盐碱地层、黄土裂隙地层强化防腐、防渗封堵施工工艺，配套完整监测孔结构施工图，县域小型项目适配性更强；

京沪强制监测数据直连市级地热监管平台，津陕线上联网仅作为示范项目推荐配置，监管执行弹性更大。

六、当前研究存在短板与未来发展趋势

6.1 现有研究短板

多数学者仅单一研究热失衡或管路老化，两者耦合协同失效机理研究偏少，缺少长期多参数联动实测数据支撑；

存量老旧地源热泵改造修复方案缺乏统一分级标准化导则，不同地层、失衡等级无清晰成套设计参考；

针对特殊地层（黄土、滨海盐碱软土）的差异化修复工艺研究深度不足，专项防腐、防渗配套技术研究成果较少；

智能化监测预警算法落地场景有限，多数模型仅停留在实验室仿真，工程现场适配性有待优化。

6.2 未来研究发展趋势

多因素耦合失效机理深度研究：构建“热失衡-管路结垢-机组老化”全周期耦合数值模型，精准预测系统全生命周期性能衰减规律；

分层多参数一体化智能监测技术升级：融合地温、流量、能耗多维度采集，搭载机器学习算法实现地层温度变化、热失衡风险自动预判；

低成本、轻量化复合修复技术研发：简化太阳能耦合、间歇调控成套设备，适配县域小型存量热泵改造，降低老旧项目提质增效投入；

全国统一分级修复技术导则搭建：结合四大地方标准，分区域、分热失衡等级制定标准化调控与改造流程，推动存量老化地源热泵规模化治理；

国产监测传感设备持续迭代：优化高精度数字测温元件、野外低功耗RTU硬件性能，降低成套监测系统造价，全面实现进口替代。

七、总结

近20年国内外围绕地源热泵土壤热源热平衡、系统老化失效开展大量机理、模拟、试验、工程研究，核心研究脉络清晰递进：从单一冷热负荷失衡机理，拓展至地层、管路、设备多耦合老化失效机制；从单点人工测温，发展为分层全自动多参数在线监测；从单一运行优化调控，延伸至多能源耦合、地层改造、管路清洗复合修复技术体系。

国内北京、上海、天津、陕西四大地热地方标准搭建了规范化监测、评价、验收体系，明确了土壤热平衡管控的基础硬性要求，同时结合区域地质特征形成差异化适配条款，为理论研究落地工程应用提供完整技术支撑。

现阶段行业研究仍存在耦合失效机理研究不足、存量修复标准化体系缺失、智能监测算法工程适配性弱等短板。未来浅层地源热泵行业研究将向着多参数一体化智能监测、AI热失衡分级预警、低成本多能耦合修复、存量老旧热泵标准化提质改造四大方向推进，持续解决土壤冷热堆积诱发的系统老化失效难题，推动浅层地热能清洁供暖产业长期、稳定、低碳、可持续高质量发展。

地源热泵监测系统全维度分类关键词

一、主体成套设备（北京鸿鸥成运HO系列）

整机系统

地源热泵监测系统、浅层地热长期监测系统、地温监测成套设备、换热孔监测系统、区域地热综合监测平台、3类监测孔一体化采集设备、野外低功耗远程监测系统、屏幕式地热控制柜

细分硬件配件

分层数字测温探头、PT1000温度传感器、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、高精度±0.1℃/±0.2℃测温元件、铠装地热测井线缆、NB-IoT/4G双链路传输RTU、太阳能野外供电套件、大容量锂电池供电模块、DN40 PE/镀锌钢测量管、专用回填配重、井下扶正器、工业触控主机、高精度深度编码器、自动排线电动绞车、检修井室配套组件

配套分析软件

地温专用监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、冷热平衡自动测算模块、AI热失衡预警系统、监测数据云端大数据平台、标准化工程验收报告导出软件、多参数联动分析系统、Modbus-RTU标准化数据接口、离线单机数据分析工具

二、地层、钻孔、工况分类关键词

地层分层概念

浅层地层、变温带（＜24m）、深部增温层（＞24m）、厚度＞6m独立土层、软弱夹层、黄土裂隙地层、长三角软土地层、滨海盐碱地层、华北平原地层、岩土导热系数、地下水渗流层、黏土隔水层、地层原始常温、年均地温梯度2.5~3.0℃/100m

三类监测孔定义

换热监测孔、换热影响监测孔（换热孔周边5m布设）、常温背景监测孔（换热区边缘10m外）、地埋管观测孔、垂直勘探孔、水平顶板观测孔、倾斜注浆监测孔

地源热泵工况

闭式地埋管地源热泵、住宅小区供暖制冷项目、商业综合体、产业园综合能源站、零碳超低能耗建筑、存量老旧地源热泵改造、冷热联供系统、土壤热失衡、冷热堆积、热短路、地层温度偏移、管路结垢淤堵、机组老化能效衰减、地下高矿化腐蚀地下水、野外无市电场站

三、各地地方标准规范关键词

标准名称

北京浅层地热监测地方标准、上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、天津DB12/T 608-2015、陕西DB61/T 1193-2018、《地源热泵系统工程技术规范》国标、HJ 164地下水环境监测规范

统一规范通用条款

分层布设测温探头、土层厚度＞6m单独设测点、监测孔回填与换热孔工艺一致、井口设置检修井室、监测数据留存≥10年、24小时连续自动采集、传感器测温精度±0.2℃、三类监测孔成套配套、RS485工业通讯协议、监测资料作为竣工验收法定档案

各地差异化标准条款

北京：变温带2m测点间距、深部10m等间距布设、统一简化分层规则、数据直连市级地热监管平台

上海：24m分层梯度间距（＜24m≤2m，＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、推荐±0.1℃数字型探头、软土地层浅层加密监测

天津/陕西：按冷暖建筑面积量化监测孔配比、滨海地层防腐管材要求、黄土地层防渗封堵工艺、配套监测孔结构施工图、线下台账验收为主

设备迭代划分（上海地标四代传感器）

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃）、第二代PT1000单点模拟、第三代数字多点型、第四代可插拔模块化多点测温设备

四、监测系统核心功能应用关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度采集、全年时序温度记录、地层原始基准温度对比、冷热差值量化测算、地层温度演化长期跟踪、变温带温度波动监测、深部恒温地层数据采集、土壤热承载力评估

热失衡风险诊断预警

冷热堆积分级判定、地层升温/降温偏移监测、热失衡AI智能预警、土壤热平衡动态管控、热短路空洞识别、年度地层温度变化对比、提前预判机组能效衰减

工程施工全过程验收

地埋管成井施工质量验收、监测孔回填工艺核验、锚固/注浆工程效果检测、换热管路渗漏、淤堵缺陷排查、新建地源热泵竣工验收、存量热泵改造复测、节能补贴、节能建筑评审资料编制

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、冷热负荷计量、机组用电能耗同步采集、进出水温一体化监测、多能源耦合系统（地热+光伏/空气能

协同监测、全域地热资源数字化管控

环保、自然资源合规归档

浅层地热资源普查、矿山地质环境年度核查、绿色建筑/超低能耗建筑认证、CCER碳减排自动核算、监测数据与政府地热监管平台直连、不可篡改全周期数字档案、闭坑/复垦地质环境评估资料

五、系统技术性能参数关键词

垂直测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、耐酸碱防腐结构、316L不锈钢/钛合金探头壳体、分层多点分布式测温、5级可调LED补光、500~1000米长线缆无损数字传输、±1cm高精度深度定位、本地SD卡+云端双备份存储、断网数据缓存、2小时快速全孔扫描、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能多供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、设备续航30天以上

六、热平衡、老化失效、修复配套关键词

土壤热失衡、冷堆积、热堆积、地层单向温度偏移、地源热泵老化失效、机组COP持续下降、管路钙镁硅垢堵塞、埋管淤堵缩径、冷热负荷差值超标、间歇性轮换运行调控、太阳能辅助补热/散热、水力压裂地层改造、管路化学/物理清洗、新增换热孔扩容改造、存量热泵提质增效、预防性动态调控、土壤热承载极限评估、建筑全生命周期冷热平衡仿真

七、工程落地使用单位与行业价值关键词

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

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、降低勘察运维成本、规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵使用寿命、减少冷暖机组能耗、国产化设备替代进口、全流程一站式勘测-安装-校准服务、24小时驻场售后响应、统一成套一体化监测解决方案、智慧地热数字化建设、双碳目标量化管控支撑