壹、國外研究利用現狀與發展趨勢
1.早期發展階段
淺層地熱能的研究與開發利用是隨著熱泵技術的研究與開發而興起的。早在186年前（1824年）法國物理學家卡諾奠定了熱泵理論基礎。之後英國的物理學家焦耳論證了改變氣體的壓力引起溫度變化的原理。英國勛爵湯姆遜教授首先提出了“熱量倍增器”可以供暖的設想。1912年，瑞士蘇黎世已成功安裝了壹套以河水作為低品位熱源的熱泵設備用於供暖，並以此申報專利，這就是早期的水源熱泵系統，也是世界上第壹個水源熱泵系統。
在此之後的幾十年，地源熱泵基本處於實驗研究階段，並先後有地表水源熱泵、地下水源熱泵及土壤源熱泵系統的問世與發展。20世紀30年代地表水源熱泵系統問世，是地源熱泵中最早使用的熱泵系統形式之壹。歐洲第壹臺較大的熱泵裝置是1938～1939年間在瑞士蘇黎世市政大廳投入運行的，它以河水作為熱源，供熱能力175k W；20世紀40～50年代，瑞士、英國早期使用的地表水源熱泵地下水源熱泵系統除了用於建築物采暖外，還用於遊泳池加熱和人造絲廠工藝加熱和鞋廠空調等。隨後歐洲其他壹些國家也開始安裝地表水源熱泵系統，熱泵系統的供熱量不斷增大，性能系數也有很大提高。
地下水源熱泵也誕生於20世紀30年代，到1940年美國已安裝了15臺大型商用熱泵，其中大部分是以井水為熱源。1937年，日本在大型辦公樓內安裝了2臺194k W 壓縮機帶有蓄熱箱的地下水熱泵系統，其性能系數達4.4。至20世紀40～50年代，美國應用的主要是地下水地源熱泵。
1941年，第二次世界大戰爆發後，影響和中斷了空調供暖用熱泵技術的研究和發展。二戰結束後，熱泵技術研究及應用逐步恢復，至1950年美國已有20個廠商和10余所大學研究單位從事熱泵開發研究，在當時擁有的600臺熱泵中，50%用於房屋供暖。地埋管式地源熱泵技術初始於美國和英國。1950年前後，兩國開始使用地埋管吸收地熱作為熱源為家用房屋供暖的小型土壤熱泵。1952年，美國約出廠1000套熱泵，1954年出廠約2000套熱泵。由於地源熱泵的日趨成熟，有力地促進了淺層地熱能的廣泛應用。
1957年，美國軍用基地住房大量采用熱泵供暖代替燃氣供熱方案，熱泵產量達2萬套，1963年年產量增加到7.6萬套。至20世紀60年代初，美國安裝的熱泵機組已達近8萬臺。但當時壓縮機質量尚不過關，設備費用高而影響了熱泵供暖技術的推廣，開始處於停頓狀態。
到1964年，熱泵可靠性的問題已成為壹個十分嚴峻的問題。60年代電價持續下降，使得電加熱器的應用不斷增加，限制了熱泵的發展。
2.迅速發展階段
20世紀70年代，世界石油危機的出現，又引起人們對地下水源熱泵的關註與興趣，又開始大量安裝與使用地下水源熱泵，熱泵工業進入了黃金時期。這壹時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲***同體都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷地開拓，並廣泛應用於空調和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。
熱泵真正意義的商業應用也只有近20年的歷史。20世紀90年代後，隨著環保要求的進壹步提高，美國地下水源熱泵系統的應用壹直呈上升趨勢。美國能源信息部的調查表明：美國地下水源熱泵的生產量從1994年的5924臺上升到1997年的9724臺。再如美國，截止到1985年全國***有1.4萬臺地源熱泵，而1997年就安裝了4.5萬臺，到目前為止已安裝了40萬臺，而且每年以10%的速度穩步增長。1998年美國商業建築中地源熱泵系統已占空調總保有量的19%，其中在新建築中占30%。目前，每年大約有5萬套地源熱泵在安裝，其中開式系統占5%。美國熱泵工業已經成立了由美國能源部、環保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協會，該協會在近年中將投入1億美元從事開發、研究和推廣工作。
歐洲壹些國家由於采取積極的促進政策（包括財政補貼、減稅、優惠電價和廣告宣傳等），熱泵市場得到快速發展。1997年，歐洲發展基金會重新提出熱泵發展計劃。到2000年，歐洲用於供熱、熱水供應的熱泵總數約為46.7萬臺，其中地下水源熱泵約占11.75%。與美國的熱泵發展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺部地熱資源，地下土壤埋盤管的地源熱泵，用於室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年的統計，在家用的供熱裝置中地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。
3.發展趨勢
近年來，各國淺層地熱能的開發利用規模和發展速度都在快速增長。美國和加拿大壹些大學和研究機構，對於土壤源熱泵進行了較深入的試驗研究，取得了壹些重要數據。美國能源部（DOE）、美國環保局（EPA）及愛迪生電器學會（EEI）、國家農業電力合作公司等財團組成壹家政府參與的工業設施國際集團，推廣熱泵供暖系統。目前從國外發展趨勢看，開發利用淺層地熱能，將是地熱資源開發利用的主流和方向。
淺層地熱能是寶貴的新型能源。與風能、太陽能等非人力控制的自然資源相比，淺層地熱能是壹種在開采利用時間上，可人為控制使用的可再生能源，是集熱、礦、水為壹體，具有潔凈、廉價、用途廣泛的新能源。開發利用淺層地熱能可以降低常規能源消耗，減少環境汙染，尤其是大氣汙染，又可以在發展某些相關產業經濟與提高人們生活質量方面發揮作用，具有顯著的商業價值。因此，引起了各國對其開發利用的重視。特別是1973年世界能源危機以來，淺層地熱能的勘查與開發利用正在迅速向深度和廣度發展。
4.地下水熱運移數值模擬研究進展
地下水源熱泵運行後，回灌井註入含水層的冷熱能會在對流和熱傳導的作用下向抽水井運移，從而對地下水溫度場產生影響，因此有必要對地下水熱運移過程進行深入研究。數值模擬方法以其高效性、便捷性和靈活性等眾多優勢，逐漸成為研究這壹問題的有效工具。鑒於此，本節對國內外地下水熱運移數值模擬研究進展進行回顧，為本專題的後續研究提供基礎和參考。
從20世紀70年代末開始，國外提出了許多描述含水層中熱量運移的數學模型.Mercer等（1985）、Crawford等（1982）以及Mirza等對含水層儲能的壹些模擬技術進行了討論。1985年.P.Heijde和Y.Bachmat等統計了當時已有的21個熱運移數學模型，所有這些模型均只考慮對流和熱傳導作用，忽略了自然對流對熱運移的影響，除了兩個是三維水流耦合模型外，其余均為壹維和二維的。Tsang等（1981）和Sykes等（1982）曾先後利用有限差數值模擬方法，對Auburn大學第二期地下含水層儲能野外試驗中水和熱量運移規律進行了模擬研究，模擬結果與試驗觀測結果基本吻合。Buscheck等（1983）利用Aubum大學儲能試驗前兩個周期的資料進行了二維數值模擬，並在模擬過程中考慮了自然對流的影響。Rouve等（1988）應用有限元模擬方法對德國Stuttgart大學的人工含水層季節性儲能試驗進行了二維數值模擬，並對含水層中各填充亞層的滲透性空間組合進行了優化。Molson等（1992）利用加拿大Ontario武裝基地潛水含水層儲能試驗數據，對該試驗過程進行了三維有限元模擬，其中考慮了自然對流影響和密度隨溫度的變化，該模型相對比較完整，但是試驗條件比較簡單，且連續性方程不盡完善。Forkeli等（1995）利用二維軸對稱模型和三維有限元模型對人工含水層儲能系統的儲能效果進行了模擬研究，並通過對比模擬確定了效果最佳的人工儲能系統。Travi等（1996）建立了二維非穩定流模型，通過數值計算給出了壹個含水層剖面上溫度的變化。Chevalier等（1999）應用隨機遊離法對多孔介質含水層儲能進行了模擬研究，發現區域地下水的流動能夠加速所儲熱能向下遊含水層中擴散，從而降低所儲熱能的回采率。Nagano（2002）通過實驗室試驗和有限差分數值模擬研究得出，如果儲熱過程中回灌水的溫度較高（>；50℃），含水層中將很可能發生自然對流現象，從而使得利用含水層儲能的熱回收率將受到較大影響。Chounet等（1999）利用混合有限元法對土壤中水流和熱量運移進行模擬，提高了模擬精度，但所用模型是壹個剖面的二維模型。
國內對地熱數值模擬研究始於20世紀80年代後期，張菊明等（1982）用有限元法模擬了二維地熱運移問題，並給出了有限元程序。李競生等
李競生，王廣才 1989.平頂山八礦熱水補給來源及條件方式.煤炭科學研究總院西安分院科研報告.
對平頂山地溫場分別建立了二維和三維溫度場數學模型，並采用有限元法求解，但是此模型僅是壹個穩定的模型，並沒有對水流場的變化規律進行研究。薛禹群等（1987）對上海儲能試驗建立了三維數學模型，且考慮了熱機械彌散，但水流模型是壹個穩定模型，用簡單的解析表達式代替水流模型，沒有考慮水密度隨溫度的變化和水動力黏滯系數隨溫度的變化。張菊明（1994）建立了三維地溫場數學模型並提出了有限元解法，但沒有考慮水流方程。胡柏耿胡柏耿.1995.地熱田中的傳熱傳質研究.北京：清華大學博士學位論文.
采用二維雙孔隙介質模型模擬了地熱田中傳熱和傳質過程，並分別模擬了西藏那曲地熱田和羊八井地熱田的熱質運移規律。任理等（1998）用交替方向有限差分法研究了土壤二維水熱運移規律。何滿潮等（2002）首先研究了地下熱水回灌過程中滲透系數變化規律，然後針對單井、對井回灌過程中滲流場的動態變化建立了地熱回灌滲流場數學模型，推導了滲透系數恒定與變化不同條件下的單井、對井回灌的理論公式。國內外專家對於專門針對水源熱泵的地下水熱運移也進行了壹定的模擬研究。Gringarten等（1975）對地下水均勻流動條件下的含水層熱能采集進行了理論研究。通過對邊界條件的簡化和進行適當的條件假設，建立了對井系統的熱傳遞數學模型，並利用該模型對不同給定條件下的熱突破事件進行了定量評價，為法國的對井采能系統的合理布局設計提供了有效的指導。為了定量評價目標含水層系統中熱量的運移特征，從而指導采能系統的設計，Wiberg應用有限單元法，對單純的熱傳導和傳導－對流並存兩種不同假設條件下，理想含水層系統中地溫場的分布特征進行了對比模擬研究。根據美國威斯康星州的供暖和制冷負荷要求，Andrews（1978）應用二維有限元模型，定量評價預測了水源熱泵利用對地下溫度場的影響。模擬結果表明，與區域地下水處於靜止狀態的情況相比，當區域地下水以壹定的速度流動時，冬灌井周圍的溫度降幅相對較小，而影響半徑有所增加，並且溫度擾動帶沿水流方向發生壹定的偏移。Rahman（1984）通過對含水層條件進行假設，建立了對井回灌系統的模擬模型，並對不同的回灌量、含水層厚度、初始儲層溫度和井距影響條件分別進行了定量模擬研究。研究結果表明，除回灌量和井對之間的距離外，含水層厚度對熱突破的時間影響比較顯著；而含水層的儲水率和滲透系數對熱突破事件的影響並不顯著。為了確定開采井群和回灌井群之間的合理布局，Paksoy（2000）應用CONFLOW程序，對含水層采能過程中熱鋒面的運移特征進行了定量模擬研究。通過限定開采井和回灌井的水位變幅，同時確保不出現熱突破，最終確定上述約束條件下開采井群和回灌井群之間的最小距離。Tenma建立了壹個理想的對井模型，利用FEHM軟件對不同的開采與回灌量、水井濾管長度與位置和運行周期情況進行定量對比模擬。研究結果表明，前兩個因素是控制模型溫度變化幅度的主要影響因素。在國內，辛長征等（2002）利用美國地質調查局編寫的HST3D程序，對壹典型雙井承壓含水層的速度場和溫度場進行了全年運行模擬，由於程序的限制，模擬時采用全年固定流量和固定溫度的辦法。周建偉等（2008）利用基於HST3D的Flowheat程序對武漢市某地下水源熱泵系統進行了模擬，並對布井方式和抽灌組合的合理性進行了分析。張昆峰等（1998）模擬了大口徑井水源熱泵的冬季運行工作情況，結果表明，大口徑井中的井水流動為均勻下降。
二、國內研究現狀及發展趨勢
1.早期熱泵的應用與起步階段（1949～1966年）
相對於世界熱泵的發展，我國熱泵的研究工作起步約晚20～30年左右。20世紀50年代天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1956年呂教授的《熱泵及其在我國應用的前途》壹文是我國熱泵研究現存的最早文獻。20世紀60年代，我國開始在暖通空調中應用發展熱泵，並取得了壹大批成果。1960年同濟大學吳沈釔教授發表了《簡介熱泵供暖並建議濟南市試用熱泵供暖》；1963年原華東建築設計院與上海冷氣機廠開始研制熱泵式空調器；1965年上海冰箱廠研制成功了我國第壹臺制熱量為3720W的CKT-3A熱泵型窗式空調器；1965年天津大學與天津冷氣機廠研制成功國內第壹臺地下水熱泵空調機組；1966年天津大學又與鐵道部四方車輛研究所***同合作，進行幹線客車的空氣/空氣熱泵試驗；1965年，由原哈爾濱建築工程學院徐邦裕教授、吳元煒教授領導的科研小組，根據熱泵理論首次提出應用輔助冷凝器作為恒溫濕空調機組的二次加熱器的新流程，這是世界首創的新流程；重慶建築大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發展與應用的專題研討會。清華大學、天津大學分別與有關企業結成產學研聯合體，開發出中國品牌的地源熱泵系統，已建成多個示範工程，越來越多的中國用戶開始熟悉熱泵，並對其應用產生了濃厚的興趣。
我國早期熱泵經歷了17年的發展歷程，度過壹段漫長的起步發展階段。其特點可歸納為：①對新中國而言，起步較早，起點高，某些研究具有世界先進水平；②由於受當時工業基礎薄弱，能源結構與價格的特殊性等因素的影響，熱泵空調在我國的應用與發展始終很緩慢；③在學習外國基礎上走創新之路，為我國今後熱泵研究工作的開展指明了方向。
2.熱泵應用與發展的停滯期（1966～1977年）
這壹時期正處於“十年動亂”期間，在此期間熱泵的應用與發展基本處於停滯狀態。該期間沒有壹篇有關熱泵方面的學術論文發表和正式出版過有關熱泵的譯作和著作等；國內沒有舉辦過壹次有關熱泵的學術研討會，也沒有派人參加過任何壹次國際熱泵學術會議，與世隔絕10余年。只有原哈爾濱建築工程學院徐邦裕、吳元煒領導的科研小組在1966～1969年期間，堅持了LHR20熱泵機組的研制收尾工作，於1969年通過技術鑒定，這是在“文革”時期全國唯壹的壹項熱泵科研工作。而後，哈爾濱空調機廠開始小批量生產，首臺機組安裝在黑龍江省安達市總機修廠精加工車間，現場實測的運行效果完全達到（20±1）℃，（60±10）%的恒溫恒濕的要求.這是我國第壹例以熱泵機組實現的恒溫恒濕工程。
3.熱泵應用發展的復蘇與興旺期（1978～1999年）
1978～1988年，我國熱泵應用與發展進入全面復蘇階段。在此期間，為了充分了解國外熱泵發展的現狀與進展，大量出版有關著作，國內刊物積極刊登有關熱泵的譯文，對國外熱泵產品進行測試與分析，積極參加國際學術交流。同時，壹些國外知名熱泵生產廠家開始來中國投資建廠。例如美國開利公司是最早來中國投資的外國公司之壹，於1987年率先在上海成立合資企業。
1989～1999年期間，我國熱泵又迎來了新的發展歷程。在我國應用的熱泵形式開始多樣化，有空氣－空氣熱泵、有空氣－水熱泵、水－空氣熱泵和水－水熱泵等。在此期間國內已有國有、民營、獨資、合資等不少於300家家用空調器廠家，逐步形成我國熱泵空調器的完整工業體系，且水源熱泵空調系統在我國得到廣泛應用。據統計，到1999年全國約有100個項目，2萬臺地下水源熱泵在運行。20世紀90年代初開始大量生產空氣源熱泵冷熱水機組，90年代中期開發出地下水熱泵冷熱水機組，90年代末又開始出現汙水源熱泵系統。土壤耦合熱泵的研究已成為國內暖通空調界的熱門研究課題。國內的研究方向和內容主要集中在地下埋管換熱器，在國外技術的基礎上有所創新。
1978～1999年，中國制冷學會第二專業委員會主辦過9屆“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”。1988年中國科學院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發展問題專家研討會”。自20世紀90年代起，中國建築學會暖通空調委員會、中國制冷學會在其主辦的全國暖通空調制冷學術年會上專門增設“熱泵”專題交流。
1988年，中國建築工業出版社出版了徐邦裕教授等編寫的《熱泵》教材；機械工業出版社1993年出版了郁永章教授主編的《熱泵原理與應用》，1997年出版了蔣能照教授主編的《空調用熱泵技術及應用》，1998年出版了鄭祖義博士著的《熱泵技術在空調中的應用》；1994年華中理工大學出版社出版了鄭祖義著《熱泵空調系統的設計與創新》。1989～1999年，正式發表有關熱泵方面論文270篇，熱泵專利總數161項，而發明專利為77項。這些教材、著作、譯著和論文的出版，專利技術的應用，推動了熱泵技術在我國的普及與推廣。
4.熱泵技術的飛速發展時期
進入21世紀後，由於城市化進程的加快，人均GDP的增長，拉動了中國空調市場的發展，促進了熱泵在我國的應用，應用範圍越來越廣泛，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新。熱泵的應用、研究空前活躍，碩果累累。2000～2003年，專利總數287項，是1989～1999年專利平均數的4.9倍。2000～2003年間發明專利***119項，是1989～1999年發明專利平均數的4.25倍。2000～2003年，熱泵文獻數量劇增，如2003年文獻數是1999年文獻數的5倍。全國各省市幾乎都有應用熱泵技術的工程實例。熱泵技術研究更加活躍，創新性成果累累。在短短的幾年中有3項世界領先的創新性成果問世，包括：同井回灌熱泵系統，土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統，供寒冷地區應用的雙級耦合熱泵系統。
5.地源熱泵的應用與研究
我國地源熱泵研究起步於20世紀80年代，首先是壹些高校和科研機構對地源熱泵的相關技術進行了專題研究。如北京工業大學對深層地熱水進行了研究，並設計了若幹垂直埋管和水平埋管的土壤源熱泵試驗系統；哈爾濱工業大學的水環熱泵空調系統應用基礎的研究與評價，土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統的數值模擬與實驗研究，土壤源熱泵系統中地埋管的熱滲耦合理論與關鍵技術研究；湖南大學建設了水平埋管土壤源熱泵系統等。另外，青島建築工程學院、山東建築工程學院、上海同濟大學、天津商學院、重慶建築大學等大學也進行了該方面的研究。近年來國內數所高等院校開展了土壤源熱泵系統和水源熱泵系統的試驗研究，並取得了壹些重要成果。
目前，我國淺層地熱能的開發利用研究發展很快，經過近二十幾年的研究和開發，熱泵技術在我國已取得了很大進步，尤其是地源熱泵技術發展迅速。已經初步建立了各類地下水源熱泵系統的水源井施工技術和技術要求，井群設計和計算方法、水質評價和處理方法及環境評價方法等。
截止到2008年10月底，我國淺層地能應用面積超過1×108m2（《地源熱泵》雜誌2009年5月刊）。已遍及北京、上海、天津、河北、河南、山西、遼寧、四川、湖南、西藏、新疆等地。應用的建築類型包括賓館、住宅、商場、寫字樓、學校、體育場（館）、醫院、展覽館、軍隊營房、別墅和廠房等，應用前景廣闊。
6.淺層地熱能的開發利用與發展趨勢
淺層地熱能的開發利用涉及城市能源結構、環境保護和提高人民生活質量的重大課題。特別是淺層地下水源熱泵和土壤源熱泵的可再生能量采集系統是解決上述重大課題的關鍵，其能量采集基本不受使用地域和四季氣候的影響。淺層地熱能作為建築物的冷熱源初始采集更具有推廣價值。
淺層地熱能的開發利用不僅受到學術界和企業界的關註，政府也更加重視。《中華人民***和國可再生能源法》明確指出：國家將可再生能源開發利用的科學技術研究和產業化發展列為科技發展與高技術發展的優先領域。國家財政支持可再生能源的資源調查、評價和相關信息系統建設。該法的實施為淺層地熱能的調查、評價和開發提供了強有力的依據和保障。國土資源部、中國地質調查局等部門多次召開淺層地熱能勘查開發經驗交流會、技術研討會，並編制出臺淺層地熱能勘查評價規範，做到了淺層地熱能勘查開發有標準可依。近年來，隨著國家加大建設“資源節約型、環境友好型”社會的力度，實現節能減排目標，國家從中央財政安排專項資金用於支持可再生能源建築應用示範和推廣，財政部、建設部已批準下達3批包括淺層地熱能利用的可再生能源建築應用示範推廣項目。各地也相繼出臺支持開發利用淺層地熱能項目。如2006年5月31日，由北京市發改委聯合市水利局、國土局等9個委辦局聯合發文對采用地下水源熱泵系統實現供暖和制冷項目按每平方米35元的標準進行補貼，對采用地源熱泵系統實現供暖和制冷項目按每平方米50元的標準進行補貼；沈陽市發布的《關於地源熱泵系統建設和應用工作的實施意見》中要求在沈陽市三環內的455km2核心區範圍內，對符合應用地下水熱泵技術的409km2範圍內的建築物，原則上都要采用地下水源熱泵技術規劃研究。
進入21世紀，伴隨中國經濟的迅速發展，人們對生活品質和舒適性要求的不斷提高，城市能源結構的改變，建築市場的巨大，為淺層地熱能開發利用技術的推廣創造了前所未有的機遇。國內在熱泵理論研究、試驗研究、產品開發和工程項目的應用諸方面都取得了可喜的成果。
目前，我國已經建立了比較完善的開發利用淺層地熱能的工程技術、機械設備、監測和控制系統，但回灌技術中的水質控制和回灌對儲層及用水管的影響評價，堵塞井的處理技術，對井群采灌系統溫度場、化學場和壓力場的模擬計算方法，參數采集方法等尚在研究之中。