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地源熱泵的基礎理論及研究進展
地源熱泵系統的相關理論包括地源熱泵側傳熱傳質理論、熱泵機組制冷理論、熱能與流體輸配理論、系統氣象模型、自動控制理論等諸方面，是一個涉及多學科、多門類的綜合體系。
在這里主要論述傳熱傳質基礎理論與地源熱泵相關部分的研究現狀及進展，這也是當前及今后地源熱泵研究的重點。根據熱力學第二定律，熱由低溫物體傳向高溫物體必須由外界做功。利用熱力學中逆卡諾循環原理，通過輸入少量電能等高品位能量來實現低溫熱能到高溫熱能的轉移。地源熱泵正是利用了這種原理實現的較高的能效，比常規采暖制冷節能40%以上，機組的能效比COP值在3.8至5.4之間。
對含水層中水熱利用的研究涉及水文地質學、地下水動力學、流體力學、熱力學、巖土力學等多門相關學科。其核心理論是土壤介質及含水層的傳熱傳質問題，傳質問題的實質是水在土壤這種多孔介質中的流動問題，傳熱問題的實質是熱量在土壤的骨架及水中傳遞的問題。飽水帶研究的基本理論至今仍是以Navier-Stokes方程中心發展起來的各種地下水動力學方程。包氣帶中水的的研究理論基礎以非飽和滲流的Richards方程為中心逐步發展起來，至今已發展出很多數值方法。Whitaker基于體積平均法提出了非飽和介質傳熱傳質的數學模型。
多孔介質傳熱傳質的微觀過程十分復雜，不少學者從不同角度做了研究。Wooding把Navier-Stokes方程引入到多孔介質滲流模型，并考慮了慣性力、壓力梯度、加速度等，使得多孔介質的滲流模型與流體力學模型統一起來。這也使得開發與此有關的計算機軟件帶來了極大方便。Vaifai等在對多孔介質中流體微觀流動滿足的N-S方程進行Rev平均得到了Brinkman-Forchheimer方程，多用于多孔介質中的復雜流動。許多學者和單位從不同角度對土壤等多孔介質的水熱流動提出了新理論，如溫度場-滲流場-應力場耦合模型（THM）研究以求更準確計算物理場。孔祥言研究了有關多相滲流、雙重介質中的滲流、多空介質中的對流和熱流固耦合問題。
美國Auburn大學在1975年對地下含水層做了野外研究，德國、瑞士等國學者也對地下含水層的水熱能量問題做了試驗研究。南京大學的張志輝等對地下含水層的熱能運移展開了許多研究。對于土壤源熱泵國內外提出了許多線源模型及解析解，對于指導生產研究具有重要意義。地源熱泵有不同于普通空調系統的自身特點，相關內容還有水源熱泵機組、地源熱泵機組研制及優化設計，地源熱泵數據采集傳輸及自動控制系統的實現，設備節能研究等不再贅述。
總之，通過對地源熱泵基礎理論與試驗的相關研究，使得對地源熱泵的開發利用達到新的高度，同時地源熱泵的應用也推動了基礎理論的不斷發展和創新。正是基于以上的一系列理論與試驗成果，國內外已開發了許多地源熱泵軟件并廣泛應用于地源熱泵的理論研究與實際生產當中，取得了很好的效果。（作者：中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院 孫海洲，武強，曾一凡，曹彬）
選自_《中國地能》
