对地源热泵而言,全面了解地下埋管周围的土壤温度场分布情况十分重要,因为地源热泵的运行工况与埋管周围的土壤温度场密切相关。只有了解土壤温度场在地源热泵运行前后的分布情况,才有可能设计出最优的地下埋管换热器,合理的设计才会提高地下埋管的换热性能,从而提高地源热泵系统的运行性能系数及经济性。因此,如何完善地埋管传热模型,使其能够更好地模拟地埋管与土壤的真实传热过程具有重要的意义。本文首先对土壤传热特性的研究进行了综述,然后,针对土壤源热泵系统的地下垂直U型埋管,建立了钻孔和周围土壤的非稳态温度场的物理和数学模型,并采用MATLAB软件对传热模型进行有限元数值模拟。通过数值模拟方法对土壤温度场进行分析,得出埋管周围等温线分布情况,以及在不同运行时间下,热量所能传递的范围,直观的了解埋管周围的换热特性。在模型和数值求解方法基础上,本文模拟并分析了U型埋管在不同地质状况、运行方式、布管方式、埋管深度、管间距及地热耦合井回填材料下换热器周围土壤的温度场变化情况,得出了大量有助于地源热泵系统地埋管工程设计的数据和依据。本文在垂直U型埋管的理论研究基础上,设计了测量单井换热量的测试系统,同时开发了适合不同地质条件下求解地埋管和管群换热量的工程设计软件,为U型垂直埋管换热器的工程设计提供了便捷。最后,本文详述了两个实际地埋管工程测量的过程,测量结果很好地验证了理论和检验了测试系统,同时为工程测量和设计提供了参考依据。