国内外浅层地热能研究与利用的现状及发展
1.早期发展阶段
随着热泵技术的研究和发展，浅层地热能的研究和开发正在兴起。早在186年前(1824)，法国物理学家卡诺就奠定了热泵的理论基础。后来，英国物理学家焦耳证明了改变气体压力引起温度变化的原理。英国勋爵汤姆森教授首先提出了“热倍增器”可以供热的观点。瑞士苏黎世1912年成功安装了一套利用河水作为低品位热源进行供暖的热泵设备，并申请了专利。这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一个水源热泵系统。
在随后的几十年里，地源热泵基本处于实验研究阶段，先后有地表水源热泵、地下水源热泵和地源热泵系统问世和发展。地表水源热泵系统于20世纪30年代问世，是最早用于地源热泵的热泵系统之一。欧洲第一台大型热泵装置于1938至1939在瑞士苏黎世市政大厅投入运行。它以河水为热源，制热量为175 kW。在20世纪40-50年代，瑞士和英国使用的地下水源热泵系统不仅用于建筑供暖，还用于游泳池供暖、人造丝工厂工艺供暖和鞋厂空调。随后，欧洲其他一些国家开始安装地表水源热泵系统，热泵系统的供热量不断增加，性能系数也大大提高。
地下水源热泵也诞生于20世纪30年代。到1940年，美国已经安装了15台大型商用热泵，其中大部分使用井水作为热源。1937年，日本在大型办公楼安装了两台194k W压缩机和储热罐的地下水热泵系统，性能系数为4.4。从20世纪40年代到50年代，地源热泵主要在美国使用。
1941二战爆发后，空调和供暖的热泵技术研发受到影响而中断。二战结束后，热泵技术的研究和应用逐渐恢复。到1950年，美国已有20家制造商和10多家大学研究单位从事热泵开发和研究。在当时拥有的600台热泵中，50%用于住宅供暖。地源热泵技术最初是在美国和英国发展起来的。1950左右，两国开始利用地下管道吸收地热能作为热源为国内住宅供暖。1952年美国地区热泵出货约1000台，1954年热泵出货约2000台。由于地源热泵的成熟，有效地促进了浅层地热能的广泛应用。
1957年美军基地大量房屋采用热泵供暖代替燃气供暖，热泵产量达到2万套，1963年增加到7.6万套。到20世纪60年代初，美国已经安装了近80，000台热泵机组。但当时压缩机质量不达标，设备成本高影响了热泵供暖技术的普及，开始处于停滞状态。
到1964，热泵的可靠性已经成为一个非常严重的问题。20世纪60年代电价持续下降，导致电暖器的应用越来越多，限制了热泵的发展。
2.快速发展阶段
20世纪70年代，世界石油危机的出现，引起了人们对地下水源热泵的关注和兴趣，地下水源热泵大量安装使用，热泵行业进入黄金时代。在此期间，世界各国都非常重视热泵的研究工作。例如，国际能源署和欧洲国家制定了大规模的热泵发展计划，新的热泵技术层出不穷，热泵的用途也在不断探索，广泛应用于空调和工业领域，为节能环保发挥了重要作用。
热泵真正的商业应用只有近20年的历史。20世纪90年代以后，随着环保要求的进一步提高，地下水源热泵系统在美国的应用一直呈上升趋势。美国能源与信息部的一项调查显示，美国地下水源热泵的产量从1994年的5924台增加到1997年的9724台。再比如美国。截至1985，全国共有14000台平台源热泵，而1997安装了4.5万台，至今已安装40万台，年增长率为10%。1998美国商业建筑中的地源热泵系统已占空调总量的19%，其中30%在新建建筑中。目前每年安装地源热泵约5万台，其中开放系统占5%。美国热泵行业成立了美国地源热泵协会，由美国能源部、环境保护局、艾迪生电力研究所和众多地源热泵制造商组成。近年来，该协会将投资6543.8亿美元用于开发、研究和推广。
一些欧洲国家采取了积极的促进政策(包括财政补贴、减税、优惠电价和广告)，热泵市场发展迅速。1997年，欧洲发展基金会再次提出热泵发展计划。到2000年，欧洲用于供暖和热水供应的热泵总数约为46.7万台，其中地下水源热泵约占11.75%。与美国热泵的发展不同，瑞典、瑞士、奥地利、德国等中北欧国家主要利用浅层地热资源和地下埋管土壤的地源热泵进行室内地板辐射供暖和生活热水供应。据1999统计，地源热泵在国内采暖装置中的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
3.发展趋势
近年来，各国浅层地热能开发利用的规模和速度都在迅速增加。美国和加拿大的一些大学和研究机构对地源热泵进行了深入的实验研究，并获得了一些重要数据。美国能源部、美国环境保护局、爱迪生电力研究所(EEI)、国家农业电力合作公司和其他财团组成了一个政府参与的国际工业设施集团，以推广热泵供暖系统。目前，从国外的发展趋势来看，浅层地热能的开发利用将是地热资源开发利用的主流和方向。
浅层地热能是一种宝贵的新能源。与风能、太阳能等不受人力控制的自然资源相比，浅层地热能是一种在开采利用时间内可以人为利用的可再生能源。它是集热、矿、水于一体的清洁、廉价、应用广泛的新能源。浅层地热能的开发利用可以降低常规能源消耗，减少环境污染，特别是大气污染，并对发展一些相关的工业经济和提高人民生活质量起到一定的作用，具有显著的商业价值。因此，它的开发和利用引起了各国的重视。特别是自1973世界能源危机以来，浅层地热能的勘探、开发和利用正在向深度和广度迅速发展。
4.地下水热迁移数值模拟研究进展
地下水源热泵运行后，回灌井注入含水层的冷热能在对流和热传导的作用下向抽水井迁移，对地下水温度场产生影响。因此，有必要对地下水热迁移过程进行深入研究。数值模拟方法因其高效、方便、灵活而逐渐成为研究这一问题的有效工具。鉴于此，本节综述了国内外地下水传热数值模拟的研究进展，为本课题的后续研究提供了依据和参考。
自20世纪70年代末以来，国外提出了许多描述含水层传热的数学模型。Mercer等人(1985)、Crawford等人(1982)、Mirza等人讨论过含水层储能的一些模拟技术。1985.P.Heijde和Y.Bachmat统计了当时热迁移的21个数学模型。这些模型都只考虑了对流和热传导，忽略了自然对流对热量迁移的影响。除两个模型为三维水流耦合模型外，其余均为一维和二维。Tsang等人(1981)和Sykes等人(1982)曾用有限差分数值模拟方法模拟了奥本大学地下含水层储能现场试验中水热迁移规律，模拟结果与实验观测结果基本一致。Buscheck等人(1983)利用奥布姆大学储能试验前两个循环的数据进行了二维数值模拟，并在模拟过程中考虑了自然对流的影响。Rouve等人(1988)利用有限元模拟方法对德国斯图加特大学的人工含水层季节性蓄能试验进行了二维数值模拟，优化了含水层中各充填子层的渗透率空间组合。Molson等人(1992)利用加拿大安大略省潜水含水层储能的试验数据，对试验过程进行了三维有限元模拟，其中考虑了自然对流的影响和密度随温度的变化。模型相对完整，但测试条件简单，连续性方程不完善。Forkeli等人(1995)利用二维轴对称模型和三维有限元模型模拟了人工含水层储能系统的储能效果，通过对比模拟确定了最佳的人工储能系统。Travi等人(1996)建立了二维非稳定流模型，通过数值计算给出了含水层剖面上的温度变化。Chevalier等人(1999)用随机解离法模拟多孔介质含水层的能量储存，发现区域地下水的流动可以加速储存的热能向下游含水层扩散，从而降低储存热能的回收率。Nagano(2002)通过实验室试验和有限差分数值模拟得出，如果回注水在蓄热期间温度较高(& amp；gt；50℃)，含水层中很可能会发生自然对流，这将极大地影响含水层储能的热回收率。Chounet等人(1999)采用混合有限元法模拟土壤中的水流和热量传递，提高了模拟精度，但采用的模型是有截面的二维模型。
国内对地热数值模拟的研究始于20世纪80年代末。张巨明等人(1982)用有限元法模拟了二维地热迁移问题，并给出了有限元程序。、王、等。平顶山八矿热水供应来源及条件。煤炭科学研究总院Xi分院调研报告。
建立了平顶山地热场的二维和三维数学模型，并用有限元法求解，但该模型只是一个稳定模型，没有研究水流场的变化规律。薛玉群等(1987)建立了上海储能试验的三维数学模型，考虑了热力弥散。而水流模型是一个稳定的模型，用一个简单的解析表达式代替水流模型，没有考虑水密度和水动力粘性系数随温度的变化。张巨明(1994)建立了地温场的三维数学模型，提出了有限元解法，但没有考虑水流方程。胡百庚胡百庚。1995.地热田传热传质研究。北京:清华大学的博士论文。
利用二维双重孔隙介质模型模拟了地热田的传热传质过程，并分别模拟了西藏那曲地热田和羊八井地热田的传热传质规律。任丽等人(1998)用交替方向有限差分法研究了二维土壤水热运移规律。何满超等(2002)首先研究了地下热水回灌过程中渗透系数的变化规律，然后根据单井和双井回灌过程中渗流场的动态变化，建立了地热回灌渗流场的数学模型，推导了渗透系数恒定和可变条件下的单井和双井回灌理论公式。
国内外专家也专门针对水源热泵做过一些地下水传热的模拟研究。Gringarten等人(1975)从理论上研究了地下水流均匀条件下含水层的热能收集。通过简化边界条件和适当的假设，建立了向井系统传热的数学模型，并利用该模型对不同给定条件下的热突破事件进行了定量评价，为法国井能量回收系统的合理布局设计提供了有效指导。为了定量评价目标含水层系统的热运移特征，指导能量回收系统的设计，Wiberg应用有限元方法对理想含水层系统在纯热传导和传导对流共存两种不同假设下的地热场分布特征进行了对比模拟研究。Andrews(1978)根据美国威斯康辛州冷热负荷的要求，应用二维有限元模型，定量评价和预测水源热泵利用对地下温度场的影响。模拟结果表明，当区域地下水以一定速度流动时，冬灌井周围温降相对较小，但影响半径增大，温度扰动区沿水流方向移动。Rahman(1984)通过假设含水层条件，建立了井回灌系统模拟模型，对不同回灌量、含水层厚度、油藏初始温度、井距等影响条件进行了定量模拟研究。结果表明，除补给量和井对间距外，含水层厚度对热突破时间有显著影响。然而，含水层的储水率和渗透系数对热突破事件的影响并不显著。为了确定生产井和回灌井之间的合理布局，Paksoy(2000)利用CONFLOW程序定量模拟了含水层能量回收过程中热锋的运移特征。通过限制生产井和回灌井水位的幅度，并保证不发生热突破，最终确定上述约束条件下生产井和回灌井的最小距离。天马建立了一个理想的井排模型，利用FEHM软件对不同的开采和回灌速度、水井滤管的长度和位置以及作业周期进行了定量对比和模拟。结果表明，前两个因素是控制模型温度变化范围的主要因素。在国内，辛等(2002)利用美国地质调查局编制的HST3D程序模拟了一个典型的双井承压含水层全年的速度场和温度场。由于程序的限制，模拟中采用了全年定流量、定温度的方法。周坚卫等(2008)利用基于HST3D的Flowheat程序模拟了武汉某地下水源热泵系统，分析了布井和抽灌组合的合理性。张等(1998)模拟了大口径井水源热泵冬季运行情况，结果表明大口径井井水流量均匀下降。
二、国内研究现状及发展趋势
1.早期热泵的应用及初期(1949 ~ 1966)
与世界热泵的发展相比，我国热泵的研究工作大约晚了20 ~ 30年。20世纪50年代，天津大学热能研究所的陆灿仁教授开始了中国最早的热泵研究。陆教授在1956中撰写的《热泵及其在我国的应用》一文，是我国现存最早的热泵研究文献。20世纪60年代，我国开始在暖通空调领域应用和发展热泵，并取得了很多成果。1960同济大学吴申义教授发表《热泵供暖简介及济南尝试热泵供暖的建议》；1963原华东建筑设计院和上海空调器厂开始研发热泵空调。1965上海冰箱厂研制成功国内第一台制热能力为3720W的CKT-3A热泵窗式空调。1965天津大学、天津空调器厂研制成功国内首台地下水源热泵空调机组；1966天津大学与铁道部四方车辆研究所合作开展干线客车空气/空气热泵试验；1965哈尔滨建筑工程学院徐邦玉教授和吴教授领导的研究团队根据热泵理论，首次提出了利用辅助冷凝器作为恒温恒湿空调机组二级加热器的新工艺，这在国际上尚属首次。重庆建筑大学、天津商学院等单位也对地下盘管地源热泵进行了多年的研究。中科院广州能源研究所等单位也多次举办热泵技术开发与应用的全国性研讨会。清华大学和天津大学分别与相关企业组成产学研联合体，开发具有中国品牌的地源热泵系统，并已建成多个示范工程。越来越多的中国用户已经熟悉了热泵，并对其应用产生了兴趣。
中国早期热泵经历了17年的发展历程，经过了漫长的初期发展阶段。其特点可以概括为:①对于新中国来说，起步早，起步高，有些研究达到了世界先进水平；②由于当时工业基础薄弱，能源结构和价格的特殊性，热泵空调在中国的应用和发展始终缓慢；(3)在借鉴国外的基础上走创新之路，为今后我国热泵研究的发展指明了方向。
2.热泵应用发展停滞期(1966 ~ 1977)
这一时期处于“十年动乱”时期，期间热泵的应用和发展基本处于停滞状态。在此期间，没有关于热泵的学术论文发表，也没有关于热泵的翻译和著作正式出版。中国从来没有过热泵学术研讨会，也没有派人参加过任何热泵国际学术会议，与世隔绝了10多年。只有哈尔滨建筑工程学院徐邦玉、吴带领的科研团队，从1966坚持到1969完成了LHR20热泵机组研制的最后工作，并在1969通过了技术鉴定，这是文革时期我国唯一的热泵科研工作。接着，哈尔滨空调机器厂开始小批量生产，第一台机组安装在黑龙江省安达机器修理总厂的精加工车间。现场实测运行效果完全达到了(20 1)℃、( 60 10)%的恒温恒湿要求。这是国内首个由热泵机组实现的恒温恒湿工程。
3.热泵应用发展的恢复和繁荣期(1978 ~ 1999)
从1978到1988，我国热泵的应用和发展进入全面恢复阶段。在此期间，为了全面了解国外热泵发展的现状和进展，出版了大量相关著作，国内刊物积极出版热泵译著，测试分析国外热泵产品，积极参与国际学术交流。与此同时，一些国外知名热泵制造商开始在中国投资建厂。例如，美国开利公司是最早在中国投资的外国公司之一，并于1987率先在上海成立了合资公司。
1989 ~ 1999期间，我国热泵迎来了新的发展历程。中国使用的热泵形式开始多样化，包括空气-空气热泵、空气-水热泵、水-空气热泵和水-水热泵。在此期间，国内国有、民营、独资、合资等空调生产企业不下300家，逐步形成了我国完整的热泵空调产业体系，水源热泵空调系统在我国得到了广泛应用。据统计，到1999年，全国约有100个项目，2万台地下水源热泵在运行。90年代初，大量生产空气源热泵冷热水机组；90年代中期，开发了地下水热泵冷热水机组；而在90年代后期，污水源热泵系统开始出现。土壤耦合热泵的研究已成为国内暖通空调领域的研究热点。国内的研究方向和内容主要集中在地下换热器方面，是在国外技术基础上的创新。
1978-1999中国制冷学会第二专业委员会承办第九届全国余热制冷与热泵技术学术会议。1988中国科学院广州能源研究所主办中国热泵应用与发展专家研讨会。从上世纪90年代开始，中国建筑学会、中国制冷学会暖通空调专业委员会在全国暖通空调制冷年会中专门增加了“热泵”一项。
1988年，中国建筑工业出版社出版了徐邦玉教授编写的教材《热泵》。于教授主编的《热泵原理与应用》机械工业出版社1993出版，蒋能昭教授主编的《空调用热泵技术与应用》1997出版，郑祖义博士主编的《热泵技术在空调中的应用》1998出版。1994华中科技大学出版社出版郑祖义《热泵空调系统的设计与创新》。从1989到1999，共正式发表热泵相关论文270篇，热泵专利161，发明专利77项。这些教材、著作、译著和论文的出版以及专利技术的应用，促进了热泵技术在中国的普及和推广。
4.热泵技术的快速发展时期
进入21世纪后，由于城市化进程的加快和人均GDP的增长，推动了我国空调市场的发展，热泵在我国的应用范围也越来越广泛。热泵的发展非常迅速，热泵技术的研究也不断创新。热泵的应用和研究空前活跃，成果丰硕。从2000年到2003年，专利总数为287件，是1989到1999年平均专利数的4.9倍。从2000年到2003年，共有***119件发明专利，是平均1989 ~ 1999件发明专利的4.25倍。从2000年到2003年，热泵文献数量急剧增加，比如2003年的文献数量是1999的5倍。国内几乎所有省市都有应用热泵技术的工程实例。热泵技术的研究更加活跃，创新成果层出不穷。短短几年，就有三项世界领先的创新成果，包括:同井回灌热泵系统、土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、面向寒冷地区的双级耦合热泵系统。
5.地源热泵的应用与研究
我国对地源热泵的研究始于20世纪80年代。起初，一些大学和科研机构对地源热泵的相关技术进行了专项研究。例如，北京工业大学对深层地热水进行了研究，设计了多个垂直埋管和水平埋管的地源热泵测试系统。哈工大水环热泵空调系统应用基础研究与评价，土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统数值模拟与实验研究，地源热泵系统地埋管热与渗流耦合理论及关键技术研究；湖南大学建造了水平地源热泵系统。此外，青岛建筑工程学院、山东建筑工程学院、上海同济大学、天津商学院、重庆建筑大学等高校也进行了这方面的研究。近年来，我国有几所大学开展了地源热泵系统和水源热泵系统的实验研究，并取得了一些重要成果。
目前，我国浅层地热能开发利用研究发展迅速。经过近20年的研究和发展，热泵技术在我国取得了长足的进步，尤其是地源热泵技术发展迅速。初步建立了各种地下水源热泵系统的水源井施工工艺和技术要求、井组设计计算方法、水质评价和处理方法、环境评价方法。
截至2008年10年底，我国浅层地热能应用面积超过1×108 m2(地源热泵2009年5月刊)。遍布北京、上海、天津、河北、河南、山西、辽宁、四川、湖南、西藏、新疆等地。使用的建筑类型有酒店、住宅、商场、写字楼、学校、体育场(馆)、医院、展览馆、军营、别墅、工厂等。，具有广阔的应用前景。
6.浅层地热能的开发利用及其发展趋势
浅层地热能的开发利用涉及城市能源结构、环境保护和提高人民生活质量。特别是浅层地下水源热泵和地源热泵的可再生能源采集系统是解决上述主要问题的关键，其能量采集基本不受使用区域和四季气候的影响。浅层地热能作为建筑冷热源的初始集合，更具有推广价值。
浅层地热能的开发利用不仅受到学术界和企业界的关注，也越来越受到政府的重视。《中华人民共和国可再生能源法》明确指出，国家将可再生能源的科学技术研究和产业化发展列为科技发展和高新技术发展的优先领域。国家财政支持可再生能源资源的调查和评估以及相关信息系统的建设。该法的实施为浅层地热能的调查、评价和开发提供了有力的依据和保障。国土资源部、中国地质调查局等部门多次召开浅层地热能勘查开发经验交流会和技术研讨会，编制颁布了浅层地热能勘查评价规范，使浅层地热能勘查开发有标准可循。近年来，随着国家建设“资源节约型、环境友好型”社会，实现节能减排目标，国家从中央财政安排专项资金支持可再生能源建筑应用示范推广，财政部、建设部批准了包括浅层地热能利用在内的三批可再生能源建筑应用示范推广项目。各地还出台了支持浅层地热能开发利用的项目。例如，2006年5月31日，北京市发改委会同市水利局、国土局联合发文，对使用地源热泵系统的供热供冷项目按照每平方米35元的标准进行补贴，对使用地源热泵系统的供热供冷项目按照每平方米50元的标准进行补贴；在沈阳市出台的《关于地源热泵系统建设应用的实施意见》中，要求在沈阳市三环以内455km2的核心区域，原则上规划研究409km2范围内符合应用地下水热泵技术的建筑。
进入21世纪，随着我国经济的快速发展，人们对生活质量和舒适度的要求不断提高，城市能源结构发生变化，巨大的建筑市场为浅层地热能开发利用技术的普及创造了前所未有的机遇。我国在理论研究、实验研究、产品开发和工程项目应用等方面取得了可喜的成绩。
目前，我国已建立了较为完善的浅层地热能开发利用工程技术、机械设备、监控系统，但回灌对水库和水管影响的水质控制与评价、堵塞井的处理技术、井群采灌系统温度场、化学场、压力场的模拟计算方法、参数获取方法等仍在研究中。