优化能源结构,发展清洁可持续的能源是治理燃煤供暖引发的空气污染的重要举措。我国地热总量大,现有利用水平仍存在很大提升空间,随着换热器技术、勘探技术的发展,需要更多的现场实验和理论研究寻找效率更高的地热能利用技术。本文采用理论分析结合现场试验的方法,研究了闭式U型井下换热器（CLGS）的传热特性及其联合热泵提高中深层地热能利用率的方法。研究CLGS的取热特性以及提高CLGS联合热泵系统的利用效率首先需要建立CLGS的传热模型。本文采用分段方法解决解析解模型忽略地热梯度的问题,建立闭式U型井换热器的解析导热模型,并将计算的管内流体温度分布数据与光纤传感器监测的数据进行对比,两者在沿程方向上的最大误差不超过3℃,而出口温度基本吻合,验证了解析解模型准确性和可靠性。模型的建立为评价地质条件、优化设计和运行参数提供了理论依据。对地质条件、设计以及运行参数中重要的6个参数进行研究,结果表明土壤导热系数、地热梯度、水平段长度和回填材料导热系数越大,地热井取热功率越高。而提高流量或降低入口温度会使热输出功率增加,但会导致出口温度的降低。因此除分析单变量对取热的影响,模拟40种运行参数组合,结果显示拉低入口温度比提高流量可以获得更好的热经济性,合理的调节能使地热井的供热能力提高10%。只对闭式U型井下换热器的传热过程分析,无法解决实际供热过程的关键问题。在实际供热中,建筑的用能是逐时变化的,原有优化流量、入口温度来最大化地热井出口热功率的问题,转换成了已知用热需求,如何调节运行参数提高系统地热能利用效率的反向问题,了解用能需求以及流量的变化对中深层地热能利用率的影响十分关键。因此本文在CLGS模型的基础上,从系统层面上讨论用能需求以及流量调节对于地热能利用效率的影响,结合静态和动态负荷两个维度计算出系统长期稳定运行最大供热能力为1600kW,而建筑用能的需求和流量调节是保证地热井高效利用的关键。此外随着建筑用能需求的增加,会导致系统性能下降,但即使系统在供暖季内以1600kW持续供热,其一次能源利用率仍高出其他调峰热源23%,节能效益明显。本文的研究工作对深入认识闭式U型井下换热器供热系统提供了理论参考,为指导联合热泵系统设计、运行提供理论依据。