地源热泵3D数字孪生虚实映射技术与地下U型埋管故障可视化定位研究

【资料简介】

地源热泵3D数字孪生虚实映射技术与地下U型埋管故障可视化定位研究

摘要

地下U型换热埋管是浅层地源热泵核心换热构件，管路堵塞、泥沙淤积、渗漏、热堆积等隐蔽故障长期存在排查难、定位慢、检修周期长等难题。本文基于北京鸿鸥成运仪器设备有限公司3D数字孪生系统，研究机房‑地下埋管虚实映射建模技术，结合自研地下温度、压力、流量传感硬件，构建1:1三维实景仿真模型。通过实时采集埋管进出口温度、压差、流量参数，在三维孪生模型上实现故障点位精准标记、管路流动状态可视化；对比传统人工打压、分段排查模式，分析3D孪生技术在故障溯源、换热性能监测、埋管热平衡预警方面的优势。依托实际地热工程案例，验证该技术可大幅缩短地下埋管故障排查时长，保障地源热泵长期稳定换热，为地下换热管路智慧运维提供新思路。

关键词：地源热泵；3D数字孪生；虚实映射；U型地埋管；管路堵塞渗漏；故障定位；BIM建模；物联网监测；岩土热平衡；智慧运维

正文

1 引言

浅层地源热泵依靠地下U型埋管与地层岩土完成热量交换，是实现建筑供暖供冷的核心载体。在长期运行过程中，地下水杂质淤积造成管路堵塞、管材老化渗漏、冷热堆积引发地层热失衡，直接降低换热效率，造成热泵机组能耗飙升。

传统埋管故障检测主要依靠人工打压测试、分段关停管路、逐路测温排查，地下管路属于隐蔽工程，排查周期长、人力投入大、定位精度差，严重影响地热机房正常运行。伴随三维仿真、物联网传感技术成熟，3D数字孪生虚实映射技术可以复刻机房设备、地下埋管实景，将地下运行参数挂载三维模型，实现隐蔽故障可视化定位。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司深耕地热监测软硬件研发，将高精度地下传感硬件与3D数字孪生技术深度融合，搭建地下埋管虚实映射仿真系统，解决换热管路故障排查痛点，推动地下换热系统运维可视化升级。

2 3D数字孪生虚实映射系统整体架构

整套系统分为地下感知层、数据传输层、三维建模层、故障研判层、云端管控层。

地下感知层采用鸿鸥成运自研耐高温防腐传感器，在每一路U型埋管进出口安装温度探头、压力变送器、流量传感器，全天候采集单路埋管进出口水温、压差、循环流量，捕捉管路堵塞、渗漏带来的参数异常波动。

数据传输层通过屏蔽铠装线缆、4G无线传输模块，将地下实时参数上传至本地监控主机。

三维建模层基于BIM技术1:1复刻机房管路、水泵机组、全部地下U型埋管空间位置、埋深、排布间距，搭建完整三维实景模型，完成物理实体与虚拟模型实时虚实映射。

故障研判层内置管路故障算法，当单路埋管流量下降、压差异常、进出口温差异常，系统自动判定堵塞、渗漏故障，在3D孪生模型上高亮标记故障埋管点位。

云端管控层对接小程序、APP，管理人员远程查看三维模型，定位地下故障管路。

3 虚实映射建模与故障定位关键技术

3.1 地下埋管精细化BIM建模

建模过程严格按照项目施工图纸，还原埋管埋深、管路走向、管路间距、埋管长度、机房分水器布局，区分地源侧供水、回水管道，搭建可交互三维仿真场景，支持视角缩放、管路点击查看实时参数。

3.2 多源传感数据实时虚实映射

将每一路埋管温度、压力、流量数据绑定至对应三维管路，管路参数实时刷新，流量大小通过三维管路流体动画直观展示，管理人员可直观观察各路埋管换热状态。

3.3 多参数耦合故障识别算法

系统依托进出口温差、管路压差、循环流量三项核心参数耦合研判：管路堵塞时流量降低、压差升高；管路渗漏时流量异常损耗、压力下降；地层热堆积时进出口整体温差缩小。系统自动识别故障类型，三维高亮预警。

4 工程应用效果分析

在某住宅小区浅层地源热泵能源站项目中，项目共计86路U型埋管，以往管路堵塞排查需要3‑5天人工逐路检测。搭载鸿鸥成运3D数字孪生系统之后，系统10分钟内即可锁定故障埋管点位，排查效率大幅提升。同时系统长期监测各路埋管换热温差，提前预警地层热堆积问题，提前调整热泵运行模式，规避地层热失衡。

5 结语

地下U型埋管故障是浅层地源热泵运维的主要难题。北京鸿鸥成运3D数字孪生虚实映射技术，依托高精度地下传感硬件、精细化三维建模技术，实现隐蔽地下管路故障可视化、精准化定位，大幅降低运维成本。未来企业将依托AI故障诊断算法，实现埋管寿命预测、热平衡长期仿真，全面提升地源热泵地下换热系统运维智能化水平。

地源热泵+2D/3D数字孪生全套分类关键词

一、核心技术类

地源热泵、浅层地热能、中深层地热、复合热泵、数字孪生、2D组态可视化、3D实景孪生、虚实映射、BIM建模、物联网监测、边缘计算、Modbus‑RTU协议、无线传输、4G远程通信、AI故障研判、负荷预测、能效优化、仿真模拟、岩土传热、热平衡预警

二、设备硬件类

地热监测硬件、耐高温防腐传感器、地温探头、压力变送器、电磁流量计、泵组状态采集终端、手自一体信号采集器、铠装屏蔽线缆、航空防水接头、U型地埋管、循环水泵、热泵机组、分水器、地下换热井、井下成像系统、深层测温探头

三、系统功能类

机房智慧监控、就地节能控制、冷负荷测算、COP能效监测、泵组智能启停、管路故障定位、堵塞渗漏预警、地温场监测、地温场演化、数据采集存储、多级故障报警、云端管控、微信小程序运维、移动端监控、多项目集中管控、无人值守、历史曲线溯源

四、应用工况与场景类

地热能源站、商业综合体、住宅小区、学校医院、产业园、公共场馆、盐碱地层、高温地热井、泥沙地层、复杂地层、浅层埋管、深层换热井、隐蔽工程运维、冷暖双供、土壤热堆积、冷堆积

五、行业政策与工程类

双碳目标、清洁能源、地热开发、地热勘查、地热示范工程、智慧能源、地热数字化、地热运维、节能改造、成套解决方案、软硬件一体化、定制化软件开发、模块化开发、项目适配、工程案例

六、长尾短视频/推广标签词

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

4.0-2000米NB型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

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