作为一种重要的可再生能源利用途径,地源热泵系统(Ground-Source Heat Pump System,简称GSHPS)由于在节约能源及保护环境等方面的优势,近年来备受青睐,在工程上的应用增长迅速。地埋管换热器(Ground Heat Exchanger,简称GHE)是影响地源热泵系统性能最关键的设备。国内外学者对地埋管换热器的结构形式及传热机理等进行了大量实验和数值模拟研究。然而,由于地埋管换热器传热过程的复杂性以及地源热泵系统与建筑动态负荷的特殊耦合关系,已有的对地埋管换热器的理论和工程研究仍不甚完善,导致工程应用存在很大的盲目性和局限性,有待结合实际工程进一步完善。目前地埋管地源热泵系统还普遍存在运行效率低下、地埋管换热器的初投资较高、供热期供热量严重不足等问题。为提高地源热泵系统的热力性能及系统效率,本文针对地源热泵系统地埋管换热器的传热过程及其对建筑冷热负荷的动态热响应过程进行了试验和模拟研究,主要研究内容及结论包括以下几个部分：1) 首次以黄土高原寒冷地区某一实际应用工程中的地源热泵系统作为研究对象,进行了长期的现场实测研究,有效解决了实验室环境中对于地埋管换热器管群和多场换热叠加效应难以描述的问题。试验中,创新地采用一线总线式温度传感器监测不同深度的地埋管换热器管壁外侧岩土温度,避免了传统的管内监测系统对地埋管换热器流动及换热性能的影响,有效提高了试验结果的真实性和准确性。通过对岩土体热物性及初始温度场的测试研究表明,现行岩土体热响应试验时,采用U形换热管换热介质进出口温度的算术平均值代替岩土体初始温度的方法存在较大误差,需要设专用的测试井改进。2)利用自主开发的地源热泵系统自动实时监测系统,对地源热泵系统地埋管换热器侧及建筑空调侧的运行参数进行了为期两年的连续不间断监测试验。研究结果表明,地源热泵系统在供冷/供暖期结束后,岩土温度场的恢复主要集中在系统停机后较短的一段时间内。采取间歇运行的控制方式,利用岩土体的自恢复能力,能够有效地改善地源热泵系统长期运行所引起的岩土体温度场失衡现象,提高系统的运行效率。岩土温度场在垂直方向存在明显的梯度分布,表明地热能对于岩土温度场的恢复起着重要的直接作用。此外,各层岩土体的热物性差异及地下水渗流层的存在对地埋管换热器换热过程影响较大,导致了地埋管换热器管内水温沿流动方向呈现出非线性分布的特征。黄土高原地区由于存在导热系数较小的浅层岩土体,影响了地表太阳辐射和空气对流热量向下的传递,对地埋换热管造成了严重的热干扰。研究还首次发现,换热管埋管区域下部的热交换是地埋式换热器的主要冷热源；由于岩土体本身具有较强的冷热平衡自调节功能,地埋管换热器仅会造成岩土体短期冷热失衡,但对长期热平衡的影响很小,现行的岩土体“冷热平衡”分析计算方法有待进一步改进。3)结合试验结果,通过定量分析单U形地埋管与周围岩土体的换热过程,分别对供冷期和供暖期地埋管换热器的“热短路”现象进行了深入研究,比较了地源热泵系统热干扰评价方法。研究发现,单U形地埋管换热器供回水支管之间的“热短路”、回水管与浅层岩土体之间的热干扰严重影响了地埋管换热器的有效换热能力,对回水支管在供暖期及供冷期的冷热量损失应在设计时给予足够的重视。降低回填材料的导热系数,能够有效抑制热干扰现象,减少地埋管换热器的无效冷热量损失。然而较小的回填材料导热系数制约了地埋管换热器与周围岩土体的有效传热,一定程度上加剧了“热短路”现象。因此,合理选择回填材料,减少“热短路”现象、强化换热管与周围岩土体的有效换热,从而提高地埋管换热器的热效能,是地埋管地源热泵在黄土高原寒冷地区推广应用的关键技术问题。研究结果还表明,回水支管的换热对管内换热介质温度变化几乎没有正效应,换热井深度的确定应考虑换热介质最低和最高温度出现的位置；采用热效能系数评价地埋管换热器的换热性能比采用换热能力丧失系数评价结果更为准确可靠。4)针对目前地埋管换热器数值研究过程中数学模型所存在的问题,结合试验监测数据的分析结果,在综合考虑了建筑物动态负荷、岩土体非均匀初始温度分布、岩土体分层构造的热物性差异、恢复期对岩土体温度场的影响、多孔岩土体渗流、井群间热干扰、U形换热管“热短路”现象和多热源热叠加效应等对地埋管换热器换热过程的影响,建立了新型的地埋管换热器三维综合模拟模型,包括地埋管换热器的传热模型及多孔介质渗流模型,并通过与不同工况下监测数据的对比,验证了模型的可靠性。该模型可以在很大程度上提高对竖直地埋管换热器换热特性数值模拟研究的准确性,从而很好地为工程设计提供理论依据,为运行调节提供预测参考。5)利用新建的地埋管换热器三维综合模拟模型,分别研究了岩土体分层构造及热物性差异、多井群间相互热干扰、恢复期岩土体温度场变化、岩土体地下水渗流、U形管供回水支管之间的热干扰对竖直埋管换热器热效能的影响,并深入分析了提高竖直埋管换热器有效换热能力,减少换热过程中冷热量损失的方法。在此基础上,提出了全新的“一回多供”地埋管换热器形式,并通过数值模拟研究了新型的地埋管换热器换热性能。结果表明,新型的地埋管换热器在很大程度上强化了换热管和周围岩土体之间的换热,减小了换热支管之间的“热短路”,其换热性能优于传统的单U形和双U形换热管。