近年来,地下水源热泵技术因其比传统空调系统具有运行稳定、节能高效、利用方便、成本和环境影响低等特点,已经广泛应用于建筑行业,逐渐成为我国节能减排的重要技术。地下水源热泵的效率与性能与地下含水层地质条件和抽灌井布置密切相关,而不当的布置和设计会造成热泵系统抽灌井间的热贯通,这种现象既会导致热泵效率下降,也会破坏含水层地质环境,从而影响热泵系统的寿命。因此加强地下水源热泵对含水层影响规律的研究,合理设计和应用地下水源热泵系统,才能实现浅层地热能的可持续应用。本文利用地下水渗流、传热和孔隙介质力学理论,研究了地下水源热泵系统的热-流-固多场耦合规律。首先推导了地下水源热泵运行时含水层的热-流-固耦合分析模型,并基于COMSOL Multi-Physics 5.5有限元数值模拟软件平台,对地下水源热泵不同运行阶段进行了数值模拟,得出了地下含水层温度场、渗流场和应力场在不同运行阶段的演化规律。此外,进一步分析了影响地下多孔介质传热传质的重要参数。从减缓热贯通和提高热泵系统能量输出两方面出发,用数值模拟的方法研究了不同含水层渗透率、孔隙率、含水层厚度、天然地下水流速度、抽灌速率、抽灌温差以及抽灌井间距等因素对水源热泵性能的影响,讨论了避免过早热贯通和提高系统输出能量的策略。最后,对一抽两灌和两抽两灌布置方案进行了模拟计算,比较了不同布置方案的优劣性。并且对换井模式进行了数值模拟,探讨了优化热泵系统、减少不利环境影响和提高系统可持续性的方法。研究结果表明:(1)含水层的热注入会产生以回灌井为中心的热影响区域。随着时间的增加,热影响区域不断增大,当热影响区域到达抽水井,对抽水温度产生影响,系统会发生热贯通导致效率下降。(2)含水层渗透率、孔隙率、含水层厚度、地下水流速度、抽灌速率、抽灌温差以及抽灌井间距是热影响区域扩散的重要参数。在保证热负荷的同时,避免系统过早热贯通应该采用大温差和小流量的工况,并应该将抽水井布置在回灌井上游且地下水流速较大的区域,在空间允许的范围内将抽水井和回灌井布置相距较远。(3)一抽两灌和两抽两灌布置方案在缓解热贯通和提高系统性能方面均优于对井系统,且不同阶段进行抽灌井互换可以有效解决热泵系统长期运行造成的水层冷、热堆积的问题,提高热泵能量输出的同时也减少了环境影响。