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十几年来浅层地埋管地源热泵技术得到了广泛应用。但因各种原因出现了地埋管空间不足、地下冷热负荷不平衡,尤其是北方地区地下回补热量不足造成了该技术应用受限或应用中效果不佳等问题。中深层地埋管热泵供热系统是一种新的地热能利用方式,其突出特点是钻孔埋深一般在1000 m—3000 m,具有良好的冬季换热与蓄热性能,能有效解决上述浅层地埋管地源热泵系统的不足,更加适合北方寒冷地区冬季供暖或地埋管空间狭小建筑的使用。该技术的应用尚处在起步阶段,尤其是中深层地埋管换热器传热分析、地埋管与热泵机组间的水系统的分析等,有待进一步优化完善。本文重点展开对这一问题的研究探讨,以提高中深层地埋管换热和水系统效率。建立了中深层地埋管换热和水系统数学模型,模型中包括了套管式地埋管换热器、热泵机组、水泵等模块。利用解析解、数值分析及叠加原理,得到了钻孔内、土壤蓄热体和整个换热体的温度场。基于DOE-2半经验公式得到了热泵机组特性曲线的拟合数学描述;提出了循环水泵工作效率以及热量耗散的数学模型。深入分析了地埋管换热影响因素。理论分析表明:钻孔深度、地温梯度、土壤热导率、地埋管流程是影响地埋管换热的主要因素。钻孔深度、地温梯度、土壤热导率增大,地埋管单位孔深平均换热效果随着增加。计算结果显示:正常运行工况下(钻孔深度2000m),不同因素影响下地埋管最大换热量约为:110 W/m～220 W/m;对套管式地埋管换热器,外进内出的流程形式换热效果好于内进外出的。分析优化了地埋管换热器供热运行模式。地埋管换热器循环水直接供给末端供暖设备(简称直供模式;经过热泵提升温度后的循环水供给末端供暖设备简称间供模式)的运行时间越长,承担热负荷占比越大,直供模式节能效果增大;与此相反间供模式能效比减少,节能效果降低。多工况模拟结果表明:在模拟参数下,直供模式承担热负荷占比50%,运行时间占比约41%,整个系统综合能效比(COP)较高。其中直供模式和间供模式COP极值分别达到9.75和5.32。定量分析了直供模式运行时长及其主要影响因素。地埋管直供模式运行时间长短取决于地埋管出水温度高低。钻孔深度、地温梯度和土壤热导率是影响地埋管出水温度的主要因素。在模拟的条件下(地温梯度0.03℃/m、土壤热导率1.5 W/m.K),钻孔深度由1200 m增加到1400 m,直供模式运行时长增加了78%;当钻孔深度(1400 m)和土壤热导率(1.5 W/m.K)不变,地温梯度由0.02℃/m增大到0.04℃/m,地埋管直供模式运行时长增加了4.77倍。上述研究获得的中深层地埋管单位孔深平均换热能力、中深层地埋管直供模式承担供暖负荷比例及其运行时间分析优化等成果,对合理选择钻孔深度和地埋管运行模式,有效提升中深层地埋管热泵供热系统综合能效比具有指导意义。