浅层地热能是蕴藏在浅层岩土体和地下水中的低温、清洁的可再生能源,其资源丰富、分布广泛、温度稳定、其开发利用技术成熟,同时还具有经济可行、节约能源、有益环境等显著的效益。目前以浅层地热能为冷、热源的土壤源热泵系统在国内得到了广泛应用。此类工程的设计和推进离不开热响应测试对换热区域的岩土热物性评估。随着土壤源热泵系统的推广和地形气候的不确定,测试可能会在极端地貌气候条件下进行,所测试的地埋管换热器的类型以及尺寸也不确定。复杂的地质条件比如地下水渗流的存在,测试条件的变化如断电情况的发生以及加热功率的改变,都将会对热响应测试的结果带来影响。这都需要在面对实际问题时才能进行分析解决,进而在实践中完成热响应测试的优化。为探索土壤源热泵在沙漠地区发展的可行性,追踪了宁夏沙坡头地区某沙漠源热泵项目的施工与测试流程。该项目的施工测试流程是针对沙漠地区特有的地质地貌和气候条件所设计的,可为沙漠地区热响应实验的开展提供借鉴意义。制冷模式下地埋管换热为47.65 W/m,换热能力较强。供热模式地埋管换热为25.67W/m,在实际应用中应当增加辅助热源进行供热。根据这个结论以及实际测试中昼夜温差变化的监测,提出了复合储能式沙漠源热泵系统,为化解沙漠地区浅层地热能的利用受限提供解决思路。为了解地下水渗流的存在对热响应测试的影响效果,考虑将地下水调查的地球物理勘测方法应用于热响应测试井中,其中天然电场选频法应用在四川高县测试井,高密度电法应用于安徽怀宁测试井中。结果认为,由于测试场地等因素的影响,高密度电法并不能完全适用,天然电场选频法的测试精度有待提高,同时需要寻找更适宜匹配热响应测试场地的测试方法。随后根据在高县单U地埋管换热器的热响应测试以及天然电场选频法的地下水分析结果通过ANSYS进行全比例建模,对测试区域的地下水流动速度进行预测,认为承压含水层的深度约在70 m的位置,这与当地地形相匹配,试验区的地下水流速约为2.5 m/d。同时还分析认为地下水渗流的主要作用是减缓地埋管换热器区的热量积聚,而对岩石的导热系数影响很小。在对断电故障下的热响应测试分析的探究中,依托了铜川地区的热响应测试项目。在数据处理阶段使用了叠加法、等效时间法、间接法和分离法四种方法对测试数据进行热物性分析。测得的导热系数为1.21 W/(m·K),体积热容为2413k J/(m~3·K),热阻为0.41 m~2·K/W。同时进行了变加热功率热响应测试的探索,分析现象发现在不同的加热功率下,都存在换热量稳定阶段和平均流体温度的稳定阶段,且稳定的换热量与平均流体温度近似呈线性相关。且在变功率的过程中,逐时换热量呈线性趋势由旧的平衡转移到新的平衡。最后基于传热平衡的观点,提出了一种新的热响应测试方法,测得的初始地面温度为16.06℃,预测的容积热容为2122 k J/(m~3·K)或2910 k J/(m~3·K),与已得到的测试结果接近。最后在安徽怀宁地区的热响应测试项目中设计了1500 W、1000 W、500 W和0 W四个变加热功率的工况来验证变功率热响应测试理论及方法。通过拟合曲线的分析,得到的导热系数为2.807 W/(m·K),与常规热响应测试的导热系数2.837 W/(m·K)近似一致。由此可反映变功率热响应测试在岩土热物性测试中的应用是可行的。本课题研究了热响应试验在沙漠地区、地下水渗流存在、停电故障以及变功率测试等方面的解决思路和研究方法,来实现热响应测试的实践和优化。其中地球物理探测,热响应测试以及数值模拟相结合的测试分析方法在对地下水状态以及换热效果的预测分析是有效的。这也为地下水流速的确定方法提供了新的解决思路。变加热功率热响应测试的提出,也丰富了热响应测试方法,为今后的工程实践提供更多的选择和经验。