浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度，一般为200m范围内的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。浅层地热能是地热资源的一部分，温度也比较稳定，略高于当地平均气温3～5℃。其资源丰富且分布广泛，开采成本和技术相对较低且不受地理环境的影响。浅层地热能的开发技术日益成熟，已经广泛应用于供暖和制冷，是一种很好的替代能源和清洁能源。

如今能源紧缺和环境污染已成为国际上共同关心的重大问题。根据预测，石油将在未来40年内枯竭，天然气将在60年内用完，煤炭也只够用220年。所以，寻找可再生的清洁环保型能源替代煤炭和石油等化石能源已成为一种必然的趋势。地热能具有清洁、环保、资源丰富、就地取用方便等优点，与其他可再生能源相比，又具有分布状况稳定、无须转换可直接利用、不受天气状况的影响等优势，是很好的替代能源。而浅层地热能作为地热能的一种形式，不需要打很深的地热井就可以得到利用，成本低廉，优势更加明显。用于开发浅层地热能的热泵技术是1912年由瑞士人提出的，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到广泛关注。

目前利用热泵技术开发浅层地热能较好的国家有美国、瑞典、瑞士和德国，已有大量装机的国家有加拿大、奥地利、法国和荷兰，开始重视和推广应用的国家有中国、日本、俄罗斯、英国等。热泵增长较快的主要还是在美国和欧洲地区。如美国，截至1985年全国共有14000台地源热泵，而1997年就安装了45000台，到2013年为止已安装了600000台，而且每年以10％的速度稳步增长。

对浅层地热能的利用，主要是借助于地源热泵技术。地源热泵由压缩机、蒸发器、节流装置和冷凝器组成，通过消耗一部分高品质能源，吸收低温物体的热能排放给高温物体，释放热能，实现供热和制冷的目的，如图7.1所示。由于浅层地热能是地下常温层以下到一定深度以内的浅层地热资源，包括土壤和地下水中的热能等，地下水源热泵系统是现如今对浅层地热能的常用利用方式。

图7.1 地源热泵的工作原理

地下水源热泵的工作原理如图7.2所示。冬季循环时，阀门F₂和F₄开启，阀门F₁和F₃关闭。系统从地下水中吸取低位热能，地下水在蒸发器内被蒸发冷却后通过回灌井返回到含水层内，由通过冷凝器出来的热水对建筑物进行供暖；夏季循环时，阀门F₁和F₃开启，阀门F₂和F₄关闭。由被蒸发器蒸发冷却的冷水对建筑物进行供冷，而在冷凝器中，地

图7.2 地下水源热泵系统的工作原理图

下水吸取制冷剂的冷凝热，即向地下水放热，被加热的地下水返回到地下同一含水层内。

对于地下水源热泵系统设计来说，地下水换热系统的设计是其关键。首先要进行工程所需地下水总水量的确定。影响工程所需地下水总量的因素主要包括系统的供水方式（直接供水、间接供水）、水热泵机组的性能、地下水水温及建筑物的冷、热负荷等因素。显然，在计算地下水量时，应先根据计算出的建筑物的冷热负荷选定水源热泵机组。式（7.1）和式（7.2）为采用开式系统时工程所需地下水总水量的计算方法。夏季制冷工况时，地下水作为冷却水使用，地下水流量的计算公式如下：

式中，m_gw为热泵机组按制冷工况运行时所需的地下水总量（kg/s）；Q_e为建筑物空调热负荷（kW）；t_gw2为回灌水水温（℃）；t_gw1为地下水水温（℃）；c_p为水的比定压热容[kJ/（kg·℃）]，通常取4.19kJ/（kg·℃）；EER为热泵机组的制冷能效比。

冬季制热工况时，所需地下水流量的计算公式如下：

式中，m_gw为热泵机组按制热工况运行时所需的地下水总量（kg/s）；Q_c为建筑物空调冷负荷（kW）；t_gw2为回灌水水温（℃）；t_gw1为地下水水温（℃）；c_p为水的比定压热容[kJ/（kg·℃）]，通常取4.19kJ/（kg·℃）；COP为热泵机组的制热性能系数。

由式（7.1）和式（7.2）分别计算出工程冬夏季所需的水量，取最大值作为工程所需地下水总水量。(www.daowen.com)

与此同时，还要进行地下水井数量和位置的确定。一般来说，抽水和回灌是相互干扰的，在设计初期很难准确计算出在允许降深条件下的抽水井和回灌井的水流量。因此，要先确定单井的水流量，之后再校核在井群干扰条件下抽水井和回灌井的降深。

地下水源热泵系统按对浅层地下水的利用方式不同分为两种形式：开式环路地下水系统和闭式环路地下水系统。前者是地下水直接供给水源热泵机组，之后将井水回灌地下，由于可能导致管路阻塞，并且可能导致腐蚀发生，通常不建议直接应用地下水。而后者使用板式换热器把建筑物内循环水系统和地下水系统分开，系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，对热泵的运行十分有利。图7.3和图7.4分别为开式环路地下水系统和闭式环路地下水系统示意图。

图7.3 开式环路地下水系统示意图

图7.4 闭式环路地下水系统示意图

尽管地下水源热泵有许多优点，但其本身也有缺陷，影响了它的开发利用。如地下水的过量开采会影响到地质结构，造成地面塌陷，同时大量抽取地下水也会消耗很多泵功等。

美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国在2013年达到安装60万台地源热泵的目标，降低温室气体排放150万t，相当于减少75万辆汽车的污染物排放或种植树150万英亩，年节约能源费用达6.3亿美元。

虽然浅层地热能具有很好的应用前景，并且地源热泵技术及其浅层地热能的开发利用在我国取得了明显成效，但由于发展时间短，总体上还处于起步阶段，地区发展很不平衡，存在的问题也日益显现。主要问题在以下几个方面：

1）浅层地热能勘察评价不够完善。浅层地热能属于低品位的地热资源，其分布状态、运移规律、品位高低、开发利用方式及规模等均受到地质体富水性及导热性能等的制约。认识、了解浅层地热能存在的地质条件十分重要，特别是浅层地热能开发利用工程中采集和释放热能的能力和强度与当地地质环境组成、地质环境中流体部分的活动能力以及岩土固体颗粒部分的热传导能力有直接关系。因此，从宏观上把握浅层地热能地质条件和地温场分布，是高效开发利用浅层地热能的基础。

2）涉及面比较广。浅层地热能利用涉及土壤学、传热传质学、建筑材料学、钻井技术、热泵技术等多个学科，影响因素众多。其中的关键技术是地下换热器的优化设计、土壤热性能研究、回填材料的研发和热泵系统的合理配置。每一个方面都需要科技工作者进行长期而艰苦细致的工作。

3）开发技术水平较低，相关技术研发滞后。浅层地热能开发利用在国外发展了几十年，但在我国起步较晚，目前，该项技术在我国还未成熟，大多数人对它还比较陌生，缺少各个方面的专业人才，土壤埋管换热计算理论还不成熟，缺乏设计标准，工程质量难以保证，广泛应用受到限制。欧美国家的土壤、气象条件与我国差异较大，不能照搬别国的现成技术，适合我国特点并满足不同要求的地源热泵系列产品尚未形成，有待积极开发。一些配套的技术措施和检测设备还跟不上，如深层岩土热物性测试技术和仪器研发、不同区域地下传热模型模拟试验研究、地理管换热器的传热强化、系统设计软件开发、地源热泵仿真及最佳匹配参数的研究、高性能回填材料的研究等，亟待开发和研制。

综上所述，浅层地热能有着良好的发展空间。虽然现在浅层地热能的开发和利用还存在种种问题，但随着浅层地热资源在我国越来越被重视，相信在不久的将来，浅层地热能作为绿色能源的一种，必将在采暖制冷、节能、环保领域发挥越来越大的作用，为国民经济的发展、生态环境的保护、能源结构的优化等方面做出应有的贡献。