基于2D‑3D数字孪生一体化的浅层地源热泵机房智慧监控平台构建研究

【资料简介】

基于2D‑3D数字孪生一体化的浅层地源热泵机房智慧监控平台构建研究

摘要

针对浅层地源热泵机房设备分散、运行参数繁杂、冷负荷调控滞后、地下埋管故障排查困难、人工值守成本偏高、系统能效难以稳定管控等行业痛点，本文以北京鸿鸥成运仪器设备有限公司自主研发的地源热泵数字孪生监控系统为研究对象，探究2D组态可视化、3D实景数字孪生双模式软件架构，搭配自研全套数字化物联网监测硬件终端。平台秉承节能实用、就地控制的开发原则，实现冷水机组、地源侧循环水泵、空调侧循环水泵全点位运行监测、故障报警、手自模式识别；依托供回水温度、流量参数自动测算建筑空调冷负荷，智能调控热泵机组启停组合，保障系统维持较好的COP运行工况。通过对比传统人工巡检、普通组态软件管控模式，剖析2D平面运维、3D沉浸式虚实仿真、云端小程序远程管控的核心技术优势。结合多地浅层地热示范工程实测数据，验证软硬件一体化数字孪生平台实现机房无人值守、智能节能运维的可行性，为国内浅层地热能监测数字化升级提供成熟技术方案。

关键词：地源热泵；数字孪生；2D组态可视化；3D实景孪生；机房监控；物联网硬件；冷负荷智能调控；浅层地热；远程运维；能效优化

正文

1 引言

在国家“双碳”目标推进、清洁能源替代政策落地背景下，浅层地源热泵依靠可再生、冷暖双供、运行稳定、低碳环保等优势，广泛应用于住宅小区、商业综合体、公共场馆、产业园区集中能源站。现阶段国内绝大多数地热机房依旧沿用传统运维模式，依靠人工定时巡检、就地读取仪表数据，水泵启停、机组运行全凭操作人员经验管控。

地源侧、空调侧循环水泵启停状态、故障信号、手动自动切换模式无法集中管控；地下U型埋管地温场、管路压力、循环流量、室内外气象环境监测碎片化；建筑冷负荷变化无法实时精准计算，热泵机组频繁空载、低效运行，造成大量电能损耗；地下换热管路堵塞、渗漏、热堆积等隐蔽故障难以快速定位，后期运维难度大、排查周期长。

伴随智慧地热、物联网监测技术快速发展，2D可视化组态、3D数字孪生技术成为地热系统智能化升级的核心方向。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司长期深耕地热监测硬件、定制化监控软件研发，落地2D+3D双模式数字孪生整套解决方案，打通前端传感硬件、本地监控主机、三维仿真模型、云端移动端的数据链路，实现机房设备虚实联动、沉浸式可视化运维、AI智能节能调控，破解传统机房运维短板，推动浅层地源热泵运维模式向数字化、无人值守方向转型。

2 数字孪生监控平台整体架构

本套地源热泵数字孪生平台为软硬件一体化成套系统，硬件终端、软件平台全部由鸿鸥成运自主研发生产，整体分为四层架构。

第一，硬件感知层。部署自研耐高温防腐地温传感器、管路压力变送器、高精度电磁流量计、泵组运行状态采集模块、故障报警终端、手自一体信号采集器，全覆盖冷水机组、地源侧循环泵、空调侧循环水泵、地下U型地埋管、室内外环境监测点位。设备可适应地下潮湿、高温、腐蚀水环境，毫秒级采集设备运行台数、启停状态、故障信号、供回水温度、循环流量、地温场动态、室外温湿度气象参数，为孪生软件提供稳定实时数据源。

第二，本地软件管控层。包含2D组态可视化系统、管理员密码权限登录系统、本地数据存储模块、冷负荷智能分析算法、多级故障报警模块。2D组态界面1:1复刻机房管路、设备布局，运行参数、设备状态以图例形式直观展示；内置冷负荷计算算法，自动测算建筑实时冷负荷，智能匹配热泵机组启停台数。

第三，3D数字孪生仿真层。1:1搭建机房管道、水泵、热泵机组、地下U型埋管实景三维模型，实现物理设备与虚拟模型实时数据映射，温度、压力、流量参数挂载三维管线之上，故障点位三维精准定位，完成沉浸式立体运维。

第四，云端移动端管控层。搭建专属地热云平台、微信小程序、手机APP，支持短信、邮件、APP推送故障告警，管理人员不受场地限制，随时随地远程查看机房数据、远程调控设备。

3 平台核心功能与运行逻辑

3.1 全点位设备运行状态实时监测

平台可实时监测冷水机组运行台数；地源侧、空调侧循环水泵启停、故障报警、手动‑自动切换模式；采集冷冻水供回水温度、循环水总流量、管路压力、室内温度、室外气象参数、地下多层地温场变化数据，所有参数实时刷新，2D组态界面可视化展示。

3.2 冷负荷智能计算与机组节能优化调控

软件依托冷冻水供回水温差、回水总流量精准计算建筑空调实时冷负荷，根据负荷动态变化，自动调整地源热泵机组启停组合、运行台数，规避设备空载、低效运行，提升系统COP能效，降低机房整体电耗。

3.3 采集‑存储‑分析‑报警一体化管控

平台实时采集液位、流量、泵体温度、深层地温数据；当参数超限、设备故障、非法开机、管路压力异常时，触发本地声光、短信、邮件多级报警；实时数据、历史运行数据、通讯日志采用本地+云端双重存储；系统自动生成日报、月报、年报，支持导出打印、长期数据溯源。

3.4 2D平面运维+3D沉浸式孪生可视化

2D组态界面适配日常快速巡检、参数查看、本地操控；3D数字孪生还原整套机房及地下埋管实景，管路介质流动、设备启停状态三维可视化，快速排查埋管堵塞、渗漏故障，解决地下隐蔽工程运维难题。

3.5 多终端远程管控与分级权限管理

系统设置管理员分级密码权限，管控监测点位、设备参数、账号信息；软件可对接省市级水利、地热监管平台；配套微信小程序、手机APP，实现异地远程监控、故障告警推送、远程设备操控。

4 平台技术优势与工程应用价值

传统地源热泵机房管控分散、参数读取繁琐、冷负荷调控依赖人工经验、地下埋管故障排查效率低下、无法全天候远程监管。鸿鸥成运软硬件一体化2D+3D数字孪生平台，硬件终端适配复杂地层，耐高温、抗腐蚀；软件可根据不同地热项目定制开发，遵循节能实用、就地控制原则，虚实联动实现整套系统可视化、智能化、节能化运维。

该平台现已在多地浅层地热冷暖供应示范项目落地应用，实测机房整体能效提升15%~22%，人工值守成本降低80%，地下埋管故障排查效率提升70%以上。在浅层地热能规模化推广背景下，该数字孪生监测方案具备工程推广价值，助力地热能源站实现智慧化、无人值守运行。

5 结语

浅层地源热泵智能化运维是地热行业未来必然发展趋势。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司依托自研全套监测硬件、2D组态+3D数字孪生软件系统，打造成熟的地源热泵机房智慧管控整体解决方案，解决传统运维模式各类痛点。后续企业将持续优化孪生仿真算法、AI负荷预测、埋管热平衡预警功能，为全国浅层、中深层地热项目提供一体化数字化监测技术支撑。

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

地热井监测、地埋管检测、地源热泵节能、机房可视化、地下地温监测、地热远程运维、3D数字孪生地热、浅层地热智慧管控、中深层地热监测、U型埋管故障排查

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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）

有此类深井地温项目，欢迎新老客户朋友垂询！北京鸿鸥成运仪器设备有限公司

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