基于数字孪生技术的地源热泵地下地温场长期演化仿真与热平衡预警研究

【资料简介】

基于数字孪生技术的地源热泵地下地温场长期演化仿真与热平衡预警研究

摘要

浅层地源热泵长期持续取热、排热，容易造成地下岩土热堆积、冷堆积，地层温度失衡之后换热效率大幅衰减，是地热系统长期运行的重大隐患。本文依托北京鸿鸥成运仪器设备有限公司地源热泵数字孪生监测平台，通过埋管深层地温传感器长期采集地层温度数据，在3D孪生模型中仿真地温场一年四季演化趋势；搭建热平衡预警模型，当地层温差超出安全阈值之后及时预警；系统自动调整埋管启停、机组运行模式，均衡地下热量，规避热失衡问题。通过多年长期地温监测数据，探究地层温度演化规律，验证孪生仿真预警技术对地温场保护的作用，保障地源热泵数十年稳定换热。

关键词：地源热泵；数字孪生；地温场演化；土壤热平衡；热堆积预警；U型埋管；长期监测；岩土传热；仿真模拟；地热运维

正文

1 引言

浅层地源热泵依靠地下岩土储存的热量完成换热，常年夏季向地下排热、冬季从地下取热。当全年排热量和取热量失衡，会出现地下热堆积或者冷堆积，地层温度持续升高或降低，埋管换热效率逐年下降，热泵能耗持续上涨，严重时地热系统3‑5年就无法正常使用。

传统运维模式缺少长期地温场监测手段，地层热失衡问题发现滞后，难以提前干预。北京鸿鸥成运数字孪生系统搭载深层地温监测硬件、3D地温场仿真模块，实现地层温度长期监测、演化仿真、热平衡提前预警，保障地下岩土热量均衡。

2 地温场监测‑仿真‑预警系统架构

在地热井、U型埋管不同埋深部署多层高精度地温探头，采集地下5‑100米地层温度；3D数字孪生平台将所有深度温度数据载入三维地层模型，可视化展示地温场分布；系统存储多年温度数据，仿真一年四季地层温度演化趋势；内置热平衡研判算法，当年度取热排热差值过大、地层温度持续偏移，系统触发热堆积预警；自动调整埋管投入数量、机组运行时长，实现地下热量均衡。

3 地温场热平衡调控策略

夏季制冷阶段，控制向地下排热上限，避免地层快速升温；

冬季供暖阶段，控制地下取热量，防止地层温度过低；

全年冷热负荷失衡时，启停备用埋管管路，分摊换热负荷；

过渡季关停热泵机组，依靠自然地层散热恢复地温平衡。

4 长期监测应用效果

某住宅小区地热项目连续5年采用鸿鸥成运地温场孪生预警系统，地层全年温度波动控制在±3℃安全区间，没有出现热堆积问题，地源热泵换热效率常年稳定，没有出现能效衰减现象。

5 结语

地下地温场热平衡是地源热泵长期稳定运行的根本保障。依托数字孪生仿真预警技术，可以实现地层温度可视化、演化可预判、失衡可提前干预。北京鸿鸥成运持续优化深层地温监测硬件与仿真算法，助力浅层地热项目实现数十年长效稳定运行。

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一、设备硬件类

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二、监测技术类

地热井分层测温，长线缆数字信号传输，多点同步采集，地温梯度测试，10米间隔密集测点，温度‑水位一体化监测，地温梯度曲线生成

三、软件平台类

地热云监测平台，移动端小程序，无人值守在线监测，远程数据采集，温度异常AI预警，监测数据导出

四、行业应用类

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五、行业对比与技术突破类

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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。

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