随着我国经济社会的发展以及人民生活水平的普遍提高,能源的需求量日益增长,出现了能源短缺问题,一次能源的过量消耗也给地球生态环境造成了巨大压力。针对上述问题,我国正大力推进地热能、太阳能、风能等可再生能源的发展和使用,业内的专家学者也纷纷在这些方面展开研究。本论文以中深层地热能为研究目标,提出了一种新型的U型井地埋管换热器,该地埋管换热器由三个孔段及内部设置的换热管组成。三个孔段依次连接分别称为下降孔、水平孔和上升孔,每个钻孔内布置的换热管则称为下降管、水平管和上升管。循环液流体从下降管流入,在水平管内与周围的岩土充分换热后再由上升管流出。整个过程采用闭式循环,不会对地下水产生任何影响。本论文首先分析了中深层U型井地埋管换热器与周围岩土间的传热特性,设定了合理的假设,建立了地埋管周围岩土和换热管内循环液流体的控制方程并给出相应的初始和边界条件。对方程式进行节点划分后用有限差分法建立节点方程,再采用编程语言编写程序求解方程组,将求解结果与实际工程数据对比。对比结果显示,模拟数据与实际出口温度数据变化趋势相同,最大误差仅为5.89%,传热模型较为准确。其次,基于以上的理论模型,本论文对U型井地埋管换热器展开了模拟分析,研究了进出口温度和取热量之间的关系,大地热流、管长和地层导热系数对取热量的影响,以及地埋管换热器在运行一段时间后周围岩土中的温度变化情况。此外,创新性的开发了可用于中深层U型井实际工程的传热分析软件。该软件可以用于分析不同地质结构、不同深度、不同地埋管尺寸的中深层U型井地埋管运行时的参数变化。随后,本论文建立了U型井地源热泵的系统模型以进一步节约能耗,以提升热泵机组的性能系数（COP）为研究目标,探究了热泵机组台数、地源侧循环液流量、进口温度、取热负荷和机组开机时间比对热泵机组性能系数（COP）的影响,给出了相应的优化节能建议。最后,将U型井地埋管换热器与常用的套管式地埋管换热器进行对比,分析在地埋管总长度与取热量相等时,两种类型地埋管换热器循环液进出口温度的变化情况、大地热流值不同时循环液出口温度的变化情况、两者的名义取热量随大气年平均温度和回填材料的变化情况以及在满足相同的供暖需求时,两者的初投资成本情况。本论文的研究结果有助于人们对中深层U型井地埋管换热器有更深的认识和了解,且为实际工程提供了理论依据和技术指导,工作人员可以此为依据,提前制定工程方案,提高工作效率,从而推动中深层地热能的发展与应用。