2022年，建筑行业占全球能源消耗的34%和二氧化碳排放的37%，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统占建筑能源使用的60%以上[1]。通过整合可再生能源来减少这一需求已成为建筑行业实现节能和减排的关键策略[2,3]。地热能作为一种关键的可再生能源类型，具有高度稳定性和环保性，并在过去几年得到了广泛推广[4]。特别是浅层地热能（SGE）由于其相对简单的获取方式，多年来一直是研究的重点[[5], [6], [7]]。
现代SGE系统主要有三种用于供暖和制冷的应用配置：钻孔热交换器（BHEs）[8]、能量堆（EPs）[9]和地-空气热交换器（EAHEs）[10]。BHEs和EPs使用充满水/防冻液混合物的封闭循环管道（如U形管[11]、螺旋管[12]）与地下结构（基岩和土壤）进行热交换（纳米流体被用作水的替代品以提高传热性能[[13], [14], [15], [16]]）。EPs以独特的方式将热交换网络集成到结构基础中，降低了地源热泵（GSHPs）的初始成本[17]，同时其工作原理与BHEs相同。相比之下，EAHEs利用埋设的空气管道从稳定的地下温度中提取热能[18]，利用空气作为季节性调节的热载体。所有这些配置都依赖于地下热惯性来维持全年稳定的温度。这种热稳定性使得通过战略性布置的传热导管能够高效地提取和释放能量，用于冬季供暖和夏季制冷。
然而，长期运行过程中性能系数（COP）的下降仍然是SGE系统面临的一个关键挑战[19]。这一问题主要是由于建筑供暖/制冷负荷不匹配和地下温度逐渐变化引起的[20]。随着时间的推移，地温的持续上升或下降会导致传热效率下降[21]。将相变材料（PCMs）引入SGE为解决热不平衡问题并提高系统COP提供了新的思路[22]。相变材料是一种在相变过程中储存或释放热量的材料，具有较高的储热能力[23]。当用作BHEs的回填材料时，相变材料有助于稳定地下温度[24]。基于这些特性，相变材料在SGE中的应用得到了广泛探索。例如，相变材料被用作地源热泵的潜热储存罐，以平衡能量需求的高峰和低谷，从而提高系统效率[25]；添加到BHEs的传热流体（HTF）中以增强传热效果[26]；或者嵌入建筑围护结构中以捕获和保持EAHEs提供的冷却效果[27]。
然而，相变材料的环境影响日益受到关注[28]。石蜡是一种常见的有机相变材料，来源于石油，含有甲醛和氯乙烯等有害化学物质[29]。这些挥发性物质被认为是海洋[30,31]、地下水[32]和土壤[33,34]的污染物。当污染物浓度达到2%和20%时，植物死亡率分别可超过50%和90%[35]。生态恢复周期非常长，受污染的植被需要10-20年或更长时间才能恢复[[36], [37], [38]]。同时，六水合氯化钙这种常见的无机相变材料在接触时可能引起眼睛刺激[29]，并且作为储能介质时具有腐蚀性[39]。土壤团聚体的稳定性也可能降低，平均重量直径减少约0.1-0.5毫米[40]。这进一步阻碍了水分渗透和气体交换，限制了植物根系的生长。这些环境和安全问题构成了相变材料在SGE系统中应用的重大限制，对其广泛推广构成了重大障碍。
近年来，有几篇综述研究了相变材料在浅层地热系统中的应用（表1）。Wang [41]和Liang [42]专注于BHEs，分析了集成挑战。Alavy [43]总结了EPs中的相变材料应用。Zhang [44]讨论了EAHEs中的冷却策略。Saleem [45]和Wang [46]回顾了带有储能模块（ESMs）的地热能利用。然而，这些研究主要集中在单一系统类型或热性能上，没有提供不同SGE应用之间的全面比较。此外，环境影响问题基本上被忽视了。只有Struhala [47]对相变材料进行了生命周期评估，但该研究仅限于建筑围护结构，未扩展到SGE。
鉴于浅层地热系统中相变材料应用的复杂性和多样性，迫切需要从宏观角度进行全面的综述。本研究旨在解决一个主要问题：相变材料在各种浅层地热应用中扮演什么角色？基于我们对过去20年文献的分析，我们进一步探讨了优化相变材料在浅层地热系统中的应用策略，提高效率，并减轻环境风险，特别是土壤污染。最后，考虑到浅层地热应用的具体条件和多样化需求，本研究提出了研究方向，并为该领域相变材料的大规模应用提供了前瞻性建议。
因此，本研究对相变材料在SGE中的应用进行了全面的文献回顾，重点关注了多年来的发展过程。第2节介绍了本研究的目标和方法论。第3节总结了SGE中使用的主要相变材料类型。第4节解释了相变材料在GSHPs中的应用。第5节和第6节分别描述了相变材料在EAHEs和浅层地热系统中的应用。第7节提出了经济、环境和技术成熟度的评估方法。最后，第8节总结了当前的研究现状，指出了存在的挑战，并讨论了未来的发展方向。
