論文十：熱失衡老化地源熱泵土壤熱源物理+復合化學聯合修復技術研究

摘要

國內大量投運8~15年的存量地源熱泵系統普遍進入老化階段，長期季節性冷熱負荷不均衡引發土壤熱源熱失衡，同時地埋管外壁出現巖土結垢、回填層導熱性能劣化等問題，造成地埋管換熱效率大幅衰減，單純依靠監測軟件優化機組啟停調控策略僅能延緩換熱性能下滑，無法修復已經形成的不可逆地層換熱缺陷，老舊熱泵系統面臨運行失效、被迫重新鋪設埋管的高額改造難題。本文針對北京粉質黏土、上海高腐蝕軟土、天津沖淤地層、陜西黃土四類典型地層工況，提出水力脈沖物理疏通+高導熱復合材料回填的聯合式土壤熱源修復成套工藝方案；結合井下成像探測設備、地溫高精度監測硬件定位換熱薄弱管段與結垢區域，利用高壓脈沖水流破除管路外壁隔熱垢層，置換原有老化低效回填材料，填充高導熱防腐復合回填材料強化地層換熱能力；在地層修復完成之后，依托一體化監測軟件長期跟蹤地層溫度演化、管路換熱效率變化，驗證修復長效性。本文設置三組對照方案：僅軟件調控方案、單一物理疏通方案、物理化學聯合修復方案，開展為期三年長期性能監測，對比三類方案在地溫穩定性、系統換熱能效、全生命周期運維改造成本上的差異，并針對四省市不同地層制定差異化標準化修復施工與配套監測方案，為大面積老舊失效地源熱泵存量項目提質改造提供成套工程化硬件修復方案。

關鍵詞：地源熱泵；土壤熱失衡；巖土修復；水力脈沖疏通；導熱回填材料；老舊熱泵改造

一、引言

經過近二十年的規模化推廣，我國早期建成的一大批住宅小區、商業配套地源熱泵系統已經進入服役中后期。這類老舊系統大多建設時期行業運維體系不好，未配套長期地溫監測與智能調控軟件，常年固定模式運行，長期冬季取熱或者夏季排熱，巖土熱量收支嚴重失衡；加之地下水長期沖刷、巖土中礦物質析出，在地埋管外壁形成致密隔熱結垢層，原本的砂石回填層長期受地下水侵蝕出現空隙、板結現象，回填材料導熱系數顯著下降，雙重問題疊加造成地埋管換熱能力逐年斷崖式下滑。很多老舊項目機組COP由最初4.0以上衰減至2.5以下，能耗成倍增加，供熱供冷效果達不到設計標準。

現階段老舊地熱項目改造分為兩種傳統思路：第一種是不做地層改造，升級機房監控軟件、優化機組運行策略，該方案改造成本低，但無法消除管壁結垢、回填層劣化等硬件缺陷，只能小幅延緩換熱衰減，數年之后系統依舊會失效；第二種是廢棄原有埋管群，重新開挖鋪設全新地埋管，改造效果好，但開挖土建、管材采購、施工周期成本高，很多業主單位因資金壓力放棄改造，直接更換為燃氣鍋爐等傳統高污染供暖系統，違背了當初地熱項目低碳建設初衷。因此亟需一套兼顧改造成本與長期修復效果的地層土壤熱源聯合修復工藝，解決老舊地源熱泵熱失衡與換熱衰減雙重難題。

二、地層換熱老化與熱失衡機理分析

老舊地源熱泵地層失效分為兩大機理，一是熱力學層面的土壤熱失衡，二是巖土物理屬性層面的換熱結構劣化。

熱力學熱失衡：北方項目長期冬季集中抽取地層熱量，沒有在過渡季進行熱量補給，地層整體熱量虧空，巖土平均溫度逐年降低，換熱溫差不斷縮小；南方冷暖聯供項目夏季持續排熱，地層熱量堆積無法向外擴散，出現區域性高溫熱堆積，兩種情況都大幅降低換熱溫差。

巖土結構劣化：地下水含有鈣鎂離子、硫酸鹽等礦物質，長期在地埋管外壁析出形成堅硬垢層，垢層導熱性能極差，如同為管道穿上隔熱外衣，阻斷管道與周邊巖土熱量交換；原本的顆粒狀回填材料在地下水滲流、土體應力作用下出現板結、空洞，回填層和換熱管壁之間產生空氣間隙，空氣導熱能力極低，進一步惡化換熱效果；上海軟土地層還會伴隨腐蝕性離子侵蝕管材外壁，加速管路老化破損。

軟件調控只能改變機組取熱排熱節奏，無法清除管壁已經成型的硬質垢層，也無法修復板結老化的回填層，因此具備明顯局限性，必須配套物理、化學相結合的地層硬件修復工藝。

三、物理+化學聯合修復成套工藝與監測配套方案

整套聯合修復分為前期探測定位、水力脈沖物理疏通、復合導熱材料回填置換、修復后長期監測四大流程。

第一步，前期精準探測定位。采用井下成像設備伸入換熱豎井內部，直觀觀測管道外壁結垢厚度、管材腐蝕情況；利用多點地溫監測硬件采集埋管周邊地層溫度分布，定位換熱效率薄弱的埋管區段，精準劃定需要修復的管路范圍，避免無差別整體開挖施工，降低施工范圍與成本。

第二步，水力脈沖物理疏通工藝。向換熱管路內部通入高頻高壓脈沖水流，利用脈沖水錘沖擊作用，逐步剝落管道外壁附著的礦物質硬質垢層，打通管壁與巖土之間的換熱通道；脈沖水壓根據管材材質、地層土體硬度動態調節，在保證除垢效果的同時，避免高壓水流損傷原有換熱管材。疏通完成后將管內垢體殘渣、污水抽出豎井。

第三步，高導熱復合化學回填材料置換。抽出豎井內部原有老化板結回填材料，根據項目所在地層工況定制回填材料：華北粉質黏土采用石墨-石英砂復合回填料，提升導熱性；上海高腐蝕地層添加防腐填料的膨潤土復合回填材料，兼具高導熱與抗地下水腐蝕性能；陜西黃土區域采用膨脹補償型導熱回填材料，適配黃土遇水膨脹形變特性。新回填材料密實填充管道與豎井井壁空隙，消除空氣隔熱間隙，從結構層面恢復換熱性能。

第四步，修復后配套監測體系升級。為修復后的埋管區域加裝分層地溫監測硬件，配套一體化智能調控軟件，在后續運行周期內利用過渡季開展土壤蓄熱平衡調控，防止地層再次出現季節性熱失衡，鞏固地層修復長期效果。

四、三組修復方案三年對照試驗結果

選取同一小區三套老舊地熱換熱片區開展對照試驗，A組僅升級軟件調控系統、不做地層修復；B組僅采用水力脈沖物理疏通；C組采用物理疏通+復合回填聯合修復方案，連續監測三年系統能效與地層溫度。

A組第一年機組COP小幅回升至2.9，第二年管壁垢層再次堆積，COP回落至2.4，地層熱失衡問題持續加劇；B組物理疏通后第一年COP恢復至3.4，但原有回填層板結問題未解決，兩年后換熱間隙再次形成，能效逐年衰減；C組聯合修復完成后第一年機組COP恢復至3.8，接近系統初始設計性能，三年運行周期內管壁結垢速率大幅放緩，復合回填層結構穩定，配合軟件過渡季蓄熱調控，地層溫度波動控制在合理區間，換熱能效無明顯衰減，長期修復效果優。

從全生命周期成本核算來看，聯合修復改造成本僅為重新鋪設埋管方案的35%，系統服役壽命可延長10年以上，綜合經濟效益高。

五、分區域地層差異化修復選型建議

結合四省市地層特點制定標準化修復細則：北京、天津地層以粉質黏土、沖淤土層為主，重點采用常規脈沖疏通+石墨石英砂導熱回填，搭配年度預防性脈沖除垢維護；上海軟土高腐蝕地層必須采用防腐型復合回填材料，縮短硬件傳感器年度校準周期；陜西黃土地層優先選用形變自適應回填材料，井口增加土體防水密封結構，防止地表水滲入黃土造成土體形變。同時要求所有修復完成項目必須配套地溫長期監測系統與智能調控軟件，作為地層長效保護的兜底措施。

六、結論

針對存量老舊地源熱泵系統土壤熱失衡、管路結垢、回填層劣化多重老化問題，單一軟件調控只能短期緩解故障，無法解決巖土硬件層面的不可逆換熱缺陷。水力脈沖物理疏通結合高導熱復合回填材料的聯合修復工藝，能夠從硬件結構層面清除管壁隔熱垢層、替換老化低效回填層，根本性恢復地埋管換熱性能；再搭配地溫監測硬件與智能調控軟件開展長期地層熱平衡運維，形成“硬件修復+軟件長效保護"的完整老舊系統改造方案，既規避了廢棄舊管路新建埋管的高昂成本，又實現了地熱系統換熱性能的長效恢復。

該聯合修復工藝適配我國京滬津陜各類典型地層工況，可規模化應用于全國存量老化地源熱泵提質改造項目，能夠盤活大量瀕臨報廢的地熱系統，延續地熱低碳供能的服役周期，避免老舊地熱系統淘汰后換回高污染化石能源供熱模式，對于地熱行業存量資產盤活、建筑領域節能減排具備重要工程價值與社會效益。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

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、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、超低能耗/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、土壤導熱系數、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、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、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、地熱循環介質

系統老化失效誘因

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

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、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、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

上海地標：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℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

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

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

上海地標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（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

淺層地溫遠程監測系統、地源熱泵一體化監測控制柜、多參數綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業觸控采集主機、淺層地熱標準化監測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統

細分硬件配件

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細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監測測井管、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系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、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）

土壤熱失衡智能預警調控

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

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、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測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

分層測點布設間距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構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、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卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求