建筑能耗已经成为世界能源消耗的三大“耗能大户”之一，利用可再生能源为建筑供冷热可以有效的减少其能源消耗。其中，地热能作为最常见的可再生能源利用形式已经受到越来越多的关注。由于一定深度的土壤温度全年基本保持恒定，因此其在夏季/冬季可以作为建筑节能系统的冷源/热源。土壤-空气换热(Earth-to-air heat exchanger, EAHE)系统作为一种清洁、高效的浅层地热能技术在降低建筑能耗方面具有明显的效果，然而其主要问题在于占地面积较大、浅层土壤温度偏高、冷凝水难以及时集中排出和出风口空气温度波动较大，因此造成EAHE系统很难在建筑中大规模推广应用。基于此，本文提出了一种垂直埋管土壤-空气换热器(Vertical earth-to-air heat exchanger, VEAHE)系统及其与不同的相变蓄能单元耦合系统。本文的研究内容主要包括：
　　本文首先提出了一种新型的VEAHE系统，该系统相比于传统的EAHE系统有三个明显的优势：(1)较小的占地面积；(2)更加高效地利用地热能；(3)利于夏季管壁冷凝水的集中排出。为了分析VEAHE系统的热性能，在湖南长沙地区搭建了该系统的实验平台，同时测试了系统分别在夏季和冬季不同工况下连续运行96小时数据。为了验证该系统的可行性，进一步分析了系统的能源回收期、碳信用潜力和CO2、NOX、SO2、PM2.5减排潜力。通过测试数据可知，系统在风速为1m/s的情况下，夏季出风口的温度波动为22.4℃-24.4℃，冬季为16.0℃-18.0℃。对于提出的垂直埋管系统，当运行风速为1.0m/s时其能量回收期为8.2年。相比于传统的空调系统，系统在20年生命周期内的CO2、NOX、SO2和PM2.5减排潜力分别为7170.57kg、20.20kg、5.60kg和1.00kg，其对应的碳信用潜力为$203.43。
　　为了评价不同的参数对VEAHE系统的热性能影响，本文开发了该系统的数值模型。通过实测数据对模型进行了验证，验证结果表明模拟数据与实测数据有较好的吻合度，其中夏季与冬季所对应的最大绝对值相对误差分别为3.03%和2.71%。被开发模型用来研究管道参数、保温参数、土壤类型和质量流量对垂直埋管系统性能的影响。研究结果表明，当流量一定时，较小的埋管直径可以提供更多的能量，然而较大的管径可以提高系统COP。出风口温度在夏季/冬季随着埋管深度的增加而降低/升高。相比于PE和PVC材料，由于不锈钢具有较高的承压能力和换热性能的特点，更加适用于被提出的垂直埋管系统。使用聚氨酯、橡塑或岩棉作为管道保温材料从而减少浅层土壤温度对管内空气的影响，不同的保温材料的作用效果几乎相同。当聚氨酯作为管道保温材料时，30mm和4-5m分别为该系统较合适的保温材料厚度和长度。
　　为了提供更稳定的出风口空气温度从而提高VEAHE系统送风温度的热舒适性，本文提出了两种新型的基于环状和柱状相变材料(Phase change material, PCM)结构单元的VEAHE系统。为了评价环状和柱状PCM结构单元及其对应的参数对VEAHE系统热性能的影响，分别开发了两个不同结构的耦合系统数值模型，并搭建了对应的耦合系统实验平台对模型进行了验证。验证结果均显示模拟数据与实测数据有较好的吻合度，其中环状PCM和柱状PCM结构单元对应的系统模型的最大绝对值相对误差分别为1.59%和1.41%。环状和柱状PCM结构单元及其对应的参数(包括PCM导热系数、长度及位置)对VEAHE系统热性能的研究结果表明两种PCM结构均能有效的减少VEAHE系统出风口空气温度波动及其对应的温度峰值。其中对于提出的耦合系统，研究结果表明PCM的导热系数对系统的热性能影响很小，环状和柱状PCM对应的耦合系统的最佳长度分别为7m和12m。此外，环状PCM耦合系统对应的最佳PCM位置位于VEAHE系统U型埋管的出风口处，而柱状PCM耦合系统对应的最佳PCM位置位于右支管。
　　本文提出的VEAHE及其与相变蓄能耦合系统相比于传统的EAHE系统有诸多优势，该研究可进一步提升地热能的实际应用潜力。提出的系统应用在建筑中可大大降低其能源消耗，从而有效地缓解能源短缺和减少环境污染。本文针对提出系统的参数研究对系统进一步的优化和应用具有一定的指导意义，从而可最大限度的节约系统建造成本，并加大其进一步示范性推广应用的可能性。