1.早期發展階段
隨著熱泵技術的研究和發展，淺層地熱能的研究和開發正在興起。早在186年前(1824)，法國物理學家卡諾就奠定了熱泵的理論基礎。後來，英國物理學家焦耳證明了改變氣體壓力引起溫度變化的原理。英國勛爵湯姆森教授首先提出了“熱倍增器”可以供熱的觀點。瑞士蘇黎世1912年成功安裝了壹套利用河水作為低品位熱源進行供暖的熱泵設備，並申請了專利。這是早期的水源熱泵系統，也是世界上第壹個水源熱泵系統。
在隨後的幾十年裏，地源熱泵基本處於實驗研究階段，先後有地表水源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵系統問世和發展。地表水源熱泵系統於20世紀30年代問世，是最早用於地源熱泵的熱泵系統之壹。歐洲第壹臺大型熱泵裝置於1938至1939在瑞士蘇黎世市政大廳投入運行。它以河水為熱源，制熱量為175 kW。在20世紀40-50年代，瑞士和英國使用的地下水源熱泵系統不僅用於建築供暖，還用於遊泳池供暖、人造絲工廠工藝供暖和鞋廠空調。隨後，歐洲其他壹些國家開始安裝地表水源熱泵系統，熱泵系統的供熱量不斷增加，性能系數也大大提高。
地下水源熱泵也誕生於20世紀30年代。到1940年，美國已經安裝了15臺大型商用熱泵，其中大部分使用井水作為熱源。1937年，日本在大型辦公樓安裝了兩臺194k W壓縮機和儲熱罐的地下水熱泵系統，性能系數為4.4。從20世紀40年代到50年代，地源熱泵主要在美國使用。
1941二戰爆發後，空調和供暖的熱泵技術研發受到影響而中斷。二戰結束後，熱泵技術的研究和應用逐漸恢復。到1950年，美國已有20家制造商和10多家大學研究單位從事熱泵開發和研究。在當時擁有的600臺熱泵中，50%用於住宅供暖。地源熱泵技術最初是在美國和英國發展起來的。1950左右，兩國開始利用地下管道吸收地熱能作為熱源為國內住宅供暖。1952年美國地區熱泵出貨約1000臺，1954年熱泵出貨約2000臺。由於地源熱泵的成熟，有效地促進了淺層地熱能的廣泛應用。
1957年美軍基地大量房屋采用熱泵供暖代替燃氣供暖，熱泵產量達到2萬套，1963年增加到7.6萬套。到20世紀60年代初，美國已經安裝了近80，000臺熱泵機組。但當時壓縮機質量不達標，設備成本高影響了熱泵供暖技術的普及，開始處於停滯狀態。
到1964，熱泵的可靠性已經成為壹個非常嚴重的問題。20世紀60年代電價持續下降，導致電暖器的應用越來越多，限制了熱泵的發展。
2.快速發展階段
20世紀70年代，世界石油危機的出現，引起了人們對地下水源熱泵的關註和興趣，地下水源熱泵大量安裝使用，熱泵行業進入黃金時代。在此期間，世界各國都非常重視熱泵的研究工作。例如，國際能源署和歐洲國家制定了大規模的熱泵發展計劃，新的熱泵技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷探索，廣泛應用於空調和工業領域，為節能環保發揮了重要作用。
熱泵真正的商業應用只有近20年的歷史。20世紀90年代以後，隨著環保要求的進壹步提高，地下水源熱泵系統在美國的應用壹直呈上升趨勢。美國能源與信息部的壹項調查顯示，美國地下水源熱泵的產量從1994年的5924臺增加到1997年的9724臺。再比如美國。截至1985，全國共有14000臺平臺源熱泵，而1997安裝了4.5萬臺，至今已安裝40萬臺，年增長率為10%。1998美國商業建築中的地源熱泵系統已占空調總量的19%，其中30%在新建建築中。目前每年安裝地源熱泵約5萬臺，其中開放系統占5%。美國熱泵行業成立了美國地源熱泵協會，由美國能源部、環境保護局、艾迪生電力研究所和眾多地源熱泵制造商組成。近年來，該協會將投資6543.8億美元用於開發、研究和推廣。
壹些歐洲國家采取了積極的促進政策(包括財政補貼、減稅、優惠電價和廣告)，熱泵市場發展迅速。1997年，歐洲發展基金會再次提出熱泵發展計劃。到2000年，歐洲用於供暖和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%。與美國熱泵的發展不同，瑞典、瑞士、奧地利、德國等中北歐國家主要利用淺層地熱資源和地下埋管土壤的地源熱泵進行室內地板輻射供暖和生活熱水供應。據1999統計，地源熱泵在國內采暖裝置中的比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。
3.發展趨勢
近年來，各國淺層地熱能開發利用的規模和速度都在迅速增加。美國和加拿大的壹些大學和研究機構對地源熱泵進行了深入的實驗研究，並獲得了壹些重要數據。美國能源部、美國環境保護局、愛迪生電力研究所(EEI)、國家農業電力合作公司和其他財團組成了壹個政府參與的國際工業設施集團，以推廣熱泵供暖系統。目前，從國外的發展趨勢來看，淺層地熱能的開發利用將是地熱資源開發利用的主流和方向。
淺層地熱能是壹種寶貴的新能源。與風能、太陽能等不受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內可以人為利用的可再生能源。它是集熱、礦、水於壹體的清潔、廉價、應用廣泛的新能源。淺層地熱能的開發利用可以降低常規能源消耗，減少環境汙染，特別是大氣汙染，並對發展壹些相關的工業經濟和提高人民生活質量起到壹定的作用，具有顯著的商業價值。因此，它的開發和利用引起了各國的重視。特別是自1973世界能源危機以來，淺層地熱能的勘探、開發和利用正在向深度和廣度迅速發展。
4.地下水熱遷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在對流和熱傳導的作用下向抽水井遷移，對地下水溫度場產生影響。因此，有必要對地下水熱遷移過程進行深入研究。數值模擬方法因其高效、方便、靈活而逐漸成為研究這壹問題的有效工具。鑒於此，本節綜述了國內外地下水傳熱數值模擬的研究進展，為本課題的後續研究提供了依據和參考。
自20世紀70年代末以來，國外提出了許多描述含水層傳熱的數學模型。Mercer等人(1985)、Crawford等人(1982)、Mirza等人討論過含水層儲能的壹些模擬技術。1985.P.Heijde和Y.Bachmat統計了當時熱遷移的21個數學模型。這些模型都只考慮了對流和熱傳導，忽略了自然對流對熱量遷移的影響。除兩個模型為三維水流耦合模型外，其余均為壹維和二維。Tsang等人(1981)和Sykes等人(1982)曾用有限差分數值模擬方法模擬了奧本大學地下含水層儲能現場試驗中水熱遷移規律，模擬結果與實驗觀測結果基本壹致。Buscheck等人(1983)利用奧布姆大學儲能試驗前兩個循環的數據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等人(1988)利用有限元模擬方法對德國斯圖加特大學的人工含水層季節性蓄能試驗進行了二維數值模擬，優化了含水層中各充填子層的滲透率空間組合。Molson等人(1992)利用加拿大安大略省潛水含水層儲能的試驗數據，對試驗過程進行了三維有限元模擬，其中考慮了自然對流的影響和密度隨溫度的變化。模型相對完整，但測試條件簡單，連續性方程不完善。Forkeli等人(1995)利用二維軸對稱模型和三維有限元模型模擬了人工含水層儲能系統的儲能效果，通過對比模擬確定了最佳的人工儲能系統。Travi等人(1996)建立了二維非穩定流模型，通過數值計算給出了含水層剖面上的溫度變化。Chevalier等人(1999)用隨機解離法模擬多孔介質含水層的能量儲存，發現區域地下水的流動可以加速儲存的熱能向下遊含水層擴散，從而降低儲存熱能的回收率。Nagano(2002)通過實驗室試驗和有限差分數值模擬得出，如果回註水在蓄熱期間溫度較高(& amp；gt；50℃)，含水層中很可能會發生自然對流，這將極大地影響含水層儲能的熱回收率。Chounet等人(1999)采用混合有限元法模擬土壤中的水流和熱量傳遞，提高了模擬精度，但采用的模型是有截面的二維模型。
國內對地熱數值模擬的研究始於20世紀80年代末。張巨明等人(1982)用有限元法模擬了二維地熱遷移問題，並給出了有限元程序。、王、等。平頂山八礦熱水供應來源及條件。煤炭科學研究總院Xi分院調研報告。
建立了平頂山地熱場的二維和三維數學模型，並用有限元法求解，但該模型只是壹個穩定模型，沒有研究水流場的變化規律。薛玉群等(1987)建立了上海儲能試驗的三維數學模型，考慮了熱力彌散。而水流模型是壹個穩定的模型，用壹個簡單的解析表達式代替水流模型，沒有考慮水密度和水動力粘性系數隨溫度的變化。張巨明(1994)建立了地溫場的三維數學模型，提出了有限元解法，但沒有考慮水流方程。胡百庚胡百庚。1995.地熱田傳熱傳質研究。北京:清華大學的博士論文。
利用二維雙重孔隙介質模型模擬了地熱田的傳熱傳質過程，並分別模擬了西藏那曲地熱田和羊八井地熱田的傳熱傳質規律。任麗等人(1998)用交替方向有限差分法研究了二維土壤水熱運移規律。何滿超等(2002)首先研究了地下熱水回灌過程中滲透系數的變化規律，然後根據單井和雙井回灌過程中滲流場的動態變化，建立了地熱回灌滲流場的數學模型，推導了滲透系數恒定和可變條件下的單井和雙井回灌理論公式。
國內外專家也專門針對水源熱泵做過壹些地下水傳熱的模擬研究。Gringarten等人(1975)從理論上研究了地下水流均勻條件下含水層的熱能收集。通過簡化邊界條件和適當的假設，建立了向井系統傳熱的數學模型，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，為法國井能量回收系統的合理布局設計提供了有效指導。為了定量評價目標含水層系統的熱運移特征，指導能量回收系統的設計，Wiberg應用有限元方法對理想含水層系統在純熱傳導和傳導對流共存兩種不同假設下的地熱場分布特征進行了對比模擬研究。Andrews(1978)根據美國威斯康辛州冷熱負荷的要求，應用二維有限元模型，定量評價和預測水源熱泵利用對地下溫度場的影響。模擬結果表明，當區域地下水以壹定速度流動時，冬灌井周圍溫降相對較小，但影響半徑增大，溫度擾動區沿水流方向移動。Rahman(1984)通過假設含水層條件，建立了井回灌系統模擬模型，對不同回灌量、含水層厚度、油藏初始溫度、井距等影響條件進行了定量模擬研究。結果表明，除補給量和井對間距外，含水層厚度對熱突破時間有顯著影響。然而，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。為了確定生產井和回灌井之間的合理布局，Paksoy(2000)利用CONFLOW程序定量模擬了含水層能量回收過程中熱鋒的運移特征。通過限制生產井和回灌井水位的幅度，並保證不發生熱突破，最終確定上述約束條件下生產井和回灌井的最小距離。天馬建立了壹個理想的井排模型，利用FEHM軟件對不同的開采和回灌速度、水井濾管的長度和位置以及作業周期進行了定量對比和模擬。結果表明，前兩個因素是控制模型溫度變化範圍的主要因素。在國內，辛等(2002)利用美國地質調查局編制的HST3D程序模擬了壹個典型的雙井承壓含水層全年的速度場和溫度場。由於程序的限制，模擬中采用了全年定流量、定溫度的方法。周堅衛等(2008)利用基於HST3D的Flowheat程序模擬了武漢某地下水源熱泵系統，分析了布井和抽灌組合的合理性。張等(1998)模擬了大口徑井水源熱泵冬季運行情況，結果表明大口徑井井水流量均勻下降。
二、國內研究現狀及發展趨勢
1.早期熱泵的應用及初期(1949 ~ 1966)
與世界熱泵的發展相比，我國熱泵的研究工作大約晚了20 ~ 30年。20世紀50年代，天津大學熱能研究所的陸燦仁教授開始了中國最早的熱泵研究。陸教授在1956中撰寫的《熱泵及其在我國的應用》壹文，是我國現存最早的熱泵研究文獻。20世紀60年代，我國開始在暖通空調領域應用和發展熱泵，並取得了很多成果。1960同濟大學吳申義教授發表《熱泵供暖簡介及濟南嘗試熱泵供暖的建議》；1963原華東建築設計院和上海空調器廠開始研發熱泵空調。1965上海冰箱廠研制成功國內第壹臺制熱能力為3720W的CKT-3A熱泵窗式空調。1965天津大學、天津空調器廠研制成功國內首臺地下水源熱泵空調機組；1966天津大學與鐵道部四方車輛研究所合作開展幹線客車空氣/空氣熱泵試驗；1965哈爾濱建築工程學院徐邦玉教授和吳教授領導的研究團隊根據熱泵理論，首次提出了利用輔助冷凝器作為恒溫恒濕空調機組二級加熱器的新工藝，這在國際上尚屬首次。重慶建築大學、天津商學院等單位也對地下盤管地源熱泵進行了多年的研究。中科院廣州能源研究所等單位也多次舉辦熱泵技術開發與應用的全國性研討會。清華大學和天津大學分別與相關企業組成產學研聯合體，開發具有中國品牌的地源熱泵系統，並已建成多個示範工程。越來越多的中國用戶已經熟悉了熱泵，並對其應用產生了興趣。
中國早期熱泵經歷了17年的發展歷程，經過了漫長的初期發展階段。其特點可以概括為:①對於新中國來說，起步早，起步高，有些研究達到了世界先進水平；②由於當時工業基礎薄弱，能源結構和價格的特殊性，熱泵空調在中國的應用和發展始終緩慢；(3)在借鑒國外的基礎上走創新之路，為今後我國熱泵研究的發展指明了方向。
2.熱泵應用發展停滯期(1966 ~ 1977)
這壹時期處於“十年動亂”時期，期間熱泵的應用和發展基本處於停滯狀態。在此期間，沒有關於熱泵的學術論文發表，也沒有關於熱泵的翻譯和著作正式出版。中國從來沒有過熱泵學術研討會，也沒有派人參加過任何熱泵國際學術會議，與世隔絕了10多年。只有哈爾濱建築工程學院徐邦玉、吳帶領的科研團隊，從1966堅持到1969完成了LHR20熱泵機組研制的最後工作，並在1969通過了技術鑒定，這是文革時期我國唯壹的熱泵科研工作。接著，哈爾濱空調機器廠開始小批量生產，第壹臺機組安裝在黑龍江省安達機器修理總廠的精加工車間。現場實測運行效果完全達到了(20 1)℃、( 60 10)%的恒溫恒濕要求。這是國內首個由熱泵機組實現的恒溫恒濕工程。
3.熱泵應用發展的恢復和繁榮期(1978 ~ 1999)
從1978到1988，我國熱泵的應用和發展進入全面恢復階段。在此期間，為了全面了解國外熱泵發展的現狀和進展，出版了大量相關著作，國內刊物積極出版熱泵譯著，測試分析國外熱泵產品，積極參與國際學術交流。與此同時，壹些國外知名熱泵制造商開始在中國投資建廠。例如，美國開利公司是最早在中國投資的外國公司之壹，並於1987率先在上海成立了合資公司。
1989 ~ 1999期間，我國熱泵迎來了新的發展歷程。中國使用的熱泵形式開始多樣化，包括空氣-空氣熱泵、空氣-水熱泵、水-空氣熱泵和水-水熱泵。在此期間，國內國有、民營、獨資、合資等空調生產企業不下300家，逐步形成了我國完整的熱泵空調產業體系，水源熱泵空調系統在我國得到了廣泛應用。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。90年代初，大量生產空氣源熱泵冷熱水機組；90年代中期，開發了地下水熱泵冷熱水機組；而在90年代後期，汙水源熱泵系統開始出現。土壤耦合熱泵的研究已成為國內暖通空調領域的研究熱點。國內的研究方向和內容主要集中在地下換熱器方面，是在國外技術基礎上的創新。
1978-1999中國制冷學會第二專業委員會承辦第九屆全國余熱制冷與熱泵技術學術會議。1988中國科學院廣州能源研究所主辦中國熱泵應用與發展專家研討會。從上世紀90年代開始，中國建築學會、中國制冷學會暖通空調專業委員會在全國暖通空調制冷年會中專門增加了“熱泵”壹項。
1988年，中國建築工業出版社出版了徐邦玉教授編寫的教材《熱泵》。於教授主編的《熱泵原理與應用》機械工業出版社1993出版，蔣能昭教授主編的《空調用熱泵技術與應用》1997出版，鄭祖義博士主編的《熱泵技術在空調中的應用》1998出版。1994華中科技大學出版社出版鄭祖義《熱泵空調系統的設計與創新》。從1989到1999，共正式發表熱泵相關論文270篇，熱泵專利161，發明專利77項。這些教材、著作、譯著和論文的出版以及專利技術的應用，促進了熱泵技術在中國的普及和推廣。
4.熱泵技術的快速發展時期
進入21世紀後，由於城市化進程的加快和人均GDP的增長，推動了我國空調市場的發展，熱泵在我國的應用範圍也越來越廣泛。熱泵的發展非常迅速，熱泵技術的研究也不斷創新。熱泵的應用和研究空前活躍，成果豐碩。從2000年到2003年，專利總數為287件，是1989到1999年平均專利數的4.9倍。從2000年到2003年，共有***119件發明專利，是平均1989 ~ 1999件發明專利的4.25倍。從2000年到2003年，熱泵文獻數量急劇增加，比如2003年的文獻數量是1999的5倍。國內幾乎所有省市都有應用熱泵技術的工程實例。熱泵技術的研究更加活躍，創新成果層出不窮。短短幾年，就有三項世界領先的創新成果，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、面向寒冷地區的雙級耦合熱泵系統。
5.地源熱泵的應用與研究
我國對地源熱泵的研究始於20世紀80年代。起初，壹些大學和科研機構對地源熱泵的相關技術進行了專項研究。例如，北京工業大學對深層地熱水進行了研究，設計了多個垂直埋管和水平埋管的地源熱泵測試系統。哈工大水環熱泵空調系統應用基礎研究與評價，土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統數值模擬與實驗研究，地源熱泵系統地埋管熱與滲流耦合理論及關鍵技術研究；湖南大學建造了水平地源熱泵系統。此外，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、重慶建築大學等高校也進行了這方面的研究。近年來，我國有幾所大學開展了地源熱泵系統和水源熱泵系統的實驗研究，並取得了壹些重要成果。
目前，我國淺層地熱能開發利用研究發展迅速。經過近20年的研究和發展，熱泵技術在我國取得了長足的進步，尤其是地源熱泵技術發展迅速。初步建立了各種地下水源熱泵系統的水源井施工工藝和技術要求、井組設計計算方法、水質評價和處理方法、環境評價方法。
截至2008年10年底，我國淺層地熱能應用面積超過1×108 m2(地源熱泵2009年5月刊)。遍布北京、上海、天津、河北、河南、山西、遼寧、四川、湖南、西藏、新疆等地。使用的建築類型有酒店、住宅、商場、寫字樓、學校、體育場(館)、醫院、展覽館、軍營、別墅、工廠等。，具有廣闊的應用前景。
6.淺層地熱能的開發利用及其發展趨勢
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。特別是淺層地下水源熱泵和地源熱泵的可再生能源采集系統是解決上述主要問題的關鍵，其能量采集基本不受使用區域和四季氣候的影響。淺層地熱能作為建築冷熱源的初始集合，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，也越來越受到政府的重視。《中華人民共和國可再生能源法》明確指出，國家將可再生能源的科學技術研究和產業化發展列為科技發展和高新技術發展的優先領域。國家財政支持可再生能源資源的調查和評估以及相關信息系統的建設。該法的實施為淺層地熱能的調查、評價和開發提供了有力的依據和保障。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和技術研討會，編制頒布了淺層地熱能勘查評價規範，使淺層地熱能勘查開發有標準可循。近年來，隨著國家建設“資源節約型、環境友好型”社會，實現節能減排目標，國家從中央財政安排專項資金支持可再生能源建築應用示範推廣，財政部、建設部批準了包括淺層地熱能利用在內的三批可再生能源建築應用示範推廣項目。各地還出臺了支持淺層地熱能開發利用的項目。例如，2006年5月31日，北京市發改委會同市水利局、國土局聯合發文，對使用地源熱泵系統的供熱供冷項目按照每平方米35元的標準進行補貼，對使用地源熱泵系統的供熱供冷項目按照每平方米50元的標準進行補貼；在沈陽市出臺的《關於地源熱泵系統建設應用的實施意見》中，要求在沈陽市三環以內455km2的核心區域，原則上規劃研究409km2範圍內符合應用地下水熱泵技術的建築。
進入21世紀，隨著我國經濟的快速發展，人們對生活質量和舒適度的要求不斷提高，城市能源結構發生變化，巨大的建築市場為淺層地熱能開發利用技術的普及創造了前所未有的機遇。我國在理論研究、實驗研究、產品開發和工程項目應用等方面取得了可喜的成績。
目前，我國已建立了較為完善的淺層地熱能開發利用工程技術、機械設備、監控系統，但回灌對水庫和水管影響的水質控制與評價、堵塞井的處理技術、井群采灌系統溫度場、化學場、壓力場的模擬計算方法、參數獲取方法等仍在研究中。