基于數(shù)字孿生的地源熱泵全生命周期智能監(jiān)測與故障預(yù)判系統(tǒng)研究

摘要

傳統(tǒng)地源熱泵運維模式以人工定期巡檢、故障被動搶修為主，地埋管換熱衰減、管路微滲漏、水泵空轉(zhuǎn)、壓縮機過載等隱性故障難以被及時發(fā)現(xiàn)，往往發(fā)展為突發(fā)性系統(tǒng)停機故障，嚴(yán)重影響建筑冷暖供應(yīng)穩(wěn)定性，縮短設(shè)備整體使用壽命。數(shù)字孿生技術(shù)能夠構(gòu)建與實體地源熱泵系統(tǒng)一一映射的三維虛擬模型，集成地層溫度、機組運行參數(shù)、管路流量、設(shè)備振動等多維度物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實體系統(tǒng)運行狀態(tài)在虛擬端實時可視化復(fù)刻，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法完成故障智能預(yù)判、運維智能調(diào)度，推動熱泵運維由被動維修轉(zhuǎn)型為預(yù)測性維護(hù)。本文基于各類物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測終端、無線傳輸模塊搭建地源熱泵數(shù)字孿生智能監(jiān)測平臺，針對換熱衰減、管路堵塞、水泵故障、壓縮機過載四類高頻故障建立識別預(yù)判模型。項目實測數(shù)據(jù)表明，搭載數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)后，熱泵非計劃突發(fā)性停機故障降低72%，人工運維巡檢成本下降55%。該監(jiān)測系統(tǒng)可兼容閉式地埋管式、水源式等多種地源熱泵機型，為地源熱泵全生命周期長效智能化運維提供新一代技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；數(shù)字孿生；全生命周期監(jiān)測；機器學(xué)習(xí)故障預(yù)判；物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測；預(yù)測性運維

引言

地源熱泵系統(tǒng)是由地埋管換熱系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、熱泵主機、電氣控制系統(tǒng)組成的復(fù)雜機電耦合系統(tǒng)，服役年限普遍可達(dá)20年以上，全生命周期內(nèi)運維管理至關(guān)重要。傳統(tǒng)運維依靠運維人員月度、季度現(xiàn)場巡檢，只能發(fā)現(xiàn)已經(jīng)顯現(xiàn)的顯性故障；對于地層換熱逐年衰減、管路微小滲漏、水泵軸承磨損等緩慢發(fā)展的隱性故障無法識別，這類隱患累積到一定程度會引發(fā)機組突發(fā)停機故障，商業(yè)建筑、居民小區(qū)熱泵突發(fā)停機將直接造成極大的生產(chǎn)、生活影響。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、三維建模、人工智能技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于暖通設(shè)備運維領(lǐng)域，其虛實映射、實時仿真、趨勢預(yù)判的特性契合地源熱泵長期運維需求。目前國內(nèi)數(shù)字孿生熱泵系統(tǒng)大多應(yīng)用于大型商業(yè)熱泵項目，缺少適配中小型熱泵、通用化、低成本的數(shù)字孿生監(jiān)測方案。本文設(shè)計一套軟硬件結(jié)合的通用型數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，覆蓋不同類型地源熱泵，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)可視化、故障提前預(yù)判、運維工單智能派發(fā)。

1 數(shù)字孿生系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

整套系統(tǒng)分為三層架構(gòu)：底層物聯(lián)網(wǎng)感知硬件層、中端數(shù)據(jù)傳輸與算法分析層、上層數(shù)字孿生可視化運維平臺層。

硬件感知層：在地埋管環(huán)路布設(shè)地層溫度、進(jìn)出口水溫傳感器；在循環(huán)管路布設(shè)流量、壓力傳感器；在熱泵主機布設(shè)振動、電流、電壓傳感器；所有傳感器通過4G/工業(yè)無線總線將實時運行數(shù)據(jù)向外傳輸，采集系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析層：云端服務(wù)器接收硬件上傳的實時數(shù)據(jù)，建立機器學(xué)習(xí)故障識別模型，通過長期歷史運行數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，識別各類故障的前期特征參數(shù)（例如水泵軸承磨損會出現(xiàn)振動值緩慢上升、電流小幅波動；管路堵塞會出現(xiàn)進(jìn)出口壓差異常增大），實現(xiàn)故障提前7~30天預(yù)判預(yù)警。

孿生平臺層：構(gòu)建整套熱泵系統(tǒng)三維虛擬模型，將實時運行數(shù)據(jù)映射到虛擬模型上，運維人員通過電腦端、移動端小程序即可直觀查看地埋管地層溫度、機組運行負(fù)荷、管路流量等全部狀態(tài)；系統(tǒng)預(yù)判故障后自動生成運維工單，推送至運維人員移動端，標(biāo)注故障點位、故障類型、維修建議方案。

2 故障預(yù)判模型訓(xùn)練與系統(tǒng)試運行

選取兩套服役不同年限的閉式地埋熱泵系統(tǒng)開展為期一年的試運行，利用系統(tǒng)前三年歷史運維故障數(shù)據(jù)訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型，針對四大高頻故障建立特征閾值：①地層換熱衰減（地層溫度逐年走低，機組制熱效率持續(xù)下降）；②管路堵塞（管路壓差異常升高，流量降低）；③循環(huán)水泵故障（振動值、運行電流異常波動）；④壓縮機過載（機組運行電流超限、機體溫度驟升）。系統(tǒng)針對各類故障設(shè)置三級預(yù)警：提醒級（隱患萌芽）、關(guān)注級（隱患發(fā)展）、緊急預(yù)警級（短期內(nèi)極易突發(fā)故障），分級推送運維提醒。

3 系統(tǒng)試運行運行效果分析

搭載數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)試運行一年后，兩套地源熱泵非計劃突發(fā)性停機故障由往年年均11次、13次，分別下降至3次、4次，突發(fā)故障故障率整體下降72%；運維人員無需高頻次到現(xiàn)場巡檢，依靠平臺遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，僅針對預(yù)警隱患定點上門運維，人工運維巡檢成本相比傳統(tǒng)模式下降55%；對于地層換熱衰減問題，平臺通過多年地層溫度數(shù)據(jù)趨勢仿真，提前給出地層補熱優(yōu)化建議，能夠提前干預(yù)土壤熱失衡問題，延長地埋管使用壽命。整套系統(tǒng)移動端輕量化設(shè)計，運維企業(yè)管理人員可隨時隨地查看多臺熱泵集群運行狀態(tài)，實現(xiàn)多項目集約化遠(yuǎn)程運維。

4 結(jié)論與未來優(yōu)化方向

基于數(shù)字孿生技術(shù)的地源熱泵智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)硬件采集多維度運行數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)算法預(yù)判故障、三維虛擬模型可視化展示，改變了傳統(tǒng)人工巡檢、被動搶修的運維模式，大幅降低突發(fā)性停機故障概率，削減人工運維成本，同時能夠長期監(jiān)測地層溫度變化趨勢，提前規(guī)避土壤熱失衡長期隱患，實現(xiàn)地源熱泵全生命周期精細(xì)化運維。

后續(xù)系統(tǒng)可以引入多機組集群協(xié)同優(yōu)化算法，針對同一園區(qū)多臺熱泵開展負(fù)荷協(xié)同調(diào)度，實現(xiàn)整套熱泵集群系統(tǒng)整體能效優(yōu)；聯(lián)動太陽能補熱系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)多能系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)控；對接樓宇能耗管理平臺，完成建筑冷暖、能耗一體化智慧管控，進(jìn)一步拓展數(shù)字孿生平臺的綜合應(yīng)用價值，推動地源熱泵行業(yè)運維管理全面智能化升級。

參考文獻(xiàn)

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地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地?zé)犴椖俊⒊湍芎?零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復(fù)合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質(zhì)黏土、土壤原始基準(zhǔn)地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地?zé)嵫h(huán)介質(zhì)

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結(jié)垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結(jié)晶垢堵、冷熱負(fù)荷差值超標(biāo)、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負(fù)荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地?zé)岜O(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵詞

標(biāo)準(zhǔn)編號全稱

DB11/T 1956-2022《地?zé)釀討B(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、DB12/T 608-2015天津《淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范

四大標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標(biāo)準(zhǔn)化布設(shè)（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設(shè)測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質(zhì)與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議、年度地?zé)岜O(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標(biāo)準(zhǔn)專屬關(guān)鍵詞

北京地標(biāo)：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設(shè)、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地?zé)岜O(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預(yù)警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標(biāo)：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地?zé)岽髷?shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設(shè)備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標(biāo)：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)化、管內(nèi)注水導(dǎo)熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標(biāo)準(zhǔn)化圖集

陜西地標(biāo)：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護(hù)、淺層/中深層地?zé)崧?lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結(jié)構(gòu)、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預(yù)警、地質(zhì)環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標(biāo)四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標(biāo)配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地?zé)針?biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測成套設(shè)備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細(xì)分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細(xì)徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護(hù)管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護(hù)組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地?zé)岜O(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預(yù)警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標(biāo)準(zhǔn)化工程驗收報告導(dǎo)出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地?zé)岜O(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應(yīng)用功能關(guān)鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準(zhǔn)測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預(yù)警調(diào)控

冷熱負(fù)荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預(yù)判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調(diào)控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質(zhì)量核驗、分層測溫點位深度校準(zhǔn)、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復(fù)測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地?zé)崛∷S可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進(jìn)出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質(zhì)pH/電導(dǎo)率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地?zé)豳Y源年度普查、礦山地質(zhì)環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風(fēng)險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地?zé)岜O(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境評估資料、淺層地?zé)衢_發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)關(guān)鍵詞

分層測點布設(shè)間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結(jié)構(gòu)、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調(diào)光源、0.05mm級細(xì)微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設(shè)置

六、熱平衡修復(fù)、老舊熱泵提質(zhì)改造配套關(guān)鍵詞

間歇輪換運行調(diào)控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負(fù)荷調(diào)節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學(xué)酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內(nèi)襯防腐修復(fù)、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地?zé)嵋惑w化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關(guān)鍵詞

地?zé)衢_發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設(shè)計院、自然資源局地?zé)岜O(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構(gòu)、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設(shè)單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地?zé)豳Y源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質(zhì)隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產(chǎn)化設(shè)備替代進(jìn)口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應(yīng)急售后、年度免費傳感器校準(zhǔn)防腐維護(hù)、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地?zé)釘?shù)字化管控、雙碳目標(biāo)能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求