浅层地热能作为地热能重要的组成部分,主要通过地源热泵开采利用,与常规化石能源相比,其应用具有清洁、高效、节能的特点。截至2016年,中国利用地源热泵的建筑面积已达4.78亿平方米。浅层地热能开采过程中,地源热泵通过地埋管换热器与周围岩土体进行热量交换。地埋管在岩土介质中传热的过程及影响因素相当复杂。不同岩性、同一岩性不同含水率、不同地层以及有无地下水流动,对地埋管换热器的换热效率都有较大影响。本文旨在探讨不同岩性、地层组合以及地下水径流对地埋管换热过程中热量传输的影响,并评价其对换热效率的影响,为地源热泵工程设计提供理论依据和工程范例。本文通过室内测试和收集资料,对华北地区代表岩性的特征值进行了统计分析,并对中砂的导热系数进行测试分析,研究了不同岩性的热物性参数统计特征值,从而为后续研究提供基础数据。搭建单一介质（中砂）热响应试验平台,开展实验并在此基础上建立数值模拟模型,分析岩土导热系数对换热性能的影响。通过在河北平原南部地区的山前冲洪积平原、中部平原和滨海平原三种类型区开展恒热流法热响应试验,定性分析地下水流动对地埋管换热效率的影响。通过在石家庄地区开展一组恒温法热响应试验,定量分析地下水径流速度对换热效率的影响。结合实际地层结构,研究不同层状地层结构下地埋管换热器上层、中层、下层换热量的变化特征,建立了分层导热系数变化率与换热量变化率之间的关系。通过引入等效导热系数和修正的Peclet数,提出层状地层地埋管换热效率的评价方法,并在工程实例中开展应用。通过研究得出以下主要结论:（1）岩土体热物性是影响地埋管换热器换热能力的关键因素,华北地区1515个测试数据结果显示,对于松散地层,导热系数随沉积物平均粒径的增大逐渐增加,从粘土、粉质粘土、粉土到粉砂、细砂、中砂,导热系数中值从0.95W/（m·K）逐渐增大到1.95W/（m·K）。岩石的导热系数普遍高于第四系松散层,碳酸盐岩的导热系数中值最大,其次是砂岩、泥岩。比热容的分布规律与导热系数呈现相反的趋势,热扩散系数的趋势与导热系数一致。不同含水率的中砂样品进测试值和两个经验公式的结果都显示,随着含水率的增加,导热系数逐渐增加。在含水率<6.9%时,导热系数增加的幅度较小,在6.9%<含水率<32%时,导热系数随含水率线性增加,并达到饱和状态下的最大值。（2）均质地层中,岩土导热系数越大对应的地埋管换热器平均换热系数越大,换热性能越好,越有利于地源热泵与岩土的热交换。但二者并不是单一的线性关系,随着导热系数的增大,平均换热系数增加的趋势逐渐减小。导热系数（λ）与平均换热系数（K）之间的拟合方程:K=1.9029+0.3943λ-0.0169λ²。均质地层中不同深度处地埋管换热器与岩土体的换热存在差异,按照深度将埋管深度分为上、中、下三层,上中下三层的换热量占比依次为27.94%、34.58%和37.48%。（3）在层状非均质地层中,上层、中层、下层导热系数改变对每一层的换热量产生不同的影响,下层导热系数的改变引起的换热量比例再分配更为显著。提出了分层换热量所占比例的估算方法,建立了分层导热系数变化率与换热量变化率之间的关系。提出非均质层状地层平均换热系数估算方法,建议采用换热量以并联形式叠加来计算平均换热系数:K=（n₁/K₁+n₂/K₂+n₃/K ₃）^-1。其中n1、n2、n₃分别代表上、中、下层换热量所占比例,K₁、K₂、K₃分别代表均质地层中导热系数为λ₁、λ₂、λ₃对应的平均换热系数。（4）受地下水径流速度的影响,位于河北平原山前平原地区和中部平原地区的5个钻孔平均换热系数均大于6 W/（m·K）,位于中部平原和滨海平原地区的其他9个钻孔平均换热系数均小于6 W/（m·K）。石家庄地区相同地质背景不同地下水流速条件下,Peclet数与平均换热系数之间的拟合方程K=2.1692+2.1004Pe-0.5138Pe²。在以钻孔直径（0.2m）为特征长度时,Pe值大于0.11时,地下水径流速度增大对地埋管换热器的换热效率有明显的提高作用。（5）通过引入等效导热系数(λ_eff)和修正的Peclet数,提出了存在地下水径流条件下层状地层的换热效率评价方法。山东省浅层地热能研究推广中心所在场地单孔地埋管换热器的平均换热系数为3.06 W/（m·K）,与没有考虑地下水流动的情况相比,换热效率提高15%。场地内地源热泵工程的数值模拟模型结果显示,有地下水径流长期运行工况对比无地下水长期运行工况,换热效率提高约10%,考虑到群孔之间有干扰作用,因此也验证了单孔换热效率评价的合理性。在此基础上,对比了考虑地下水以及系统间歇运行工况和无地下水长期运行工况,前者较后者换热效率提高约17%。鉴于场地内工程已出现冷堆积现象,建议该地源热泵系统采用每天间歇运行的方式,运行和间歇时间比例需小于16:8。