化石燃料的大量消耗给当今环境造成了很大污染,作为可再生能源之一,浅层地热能因此得到了广泛的应用。地源热泵作为一种有效的技术手段,在浅层地热能利用方面扮演着重要的角色。其中,地埋管换热器传热性能的好坏直接决定了地源热泵运行的高效性和稳定性。目前针对地埋管换热器的研究大多集中于U型地埋管换热器。相比之下,竖直套管式地埋管换热器具有结构简单、充分利用钻孔资源以及换热量大等优势,而正得到逐渐的认识和应用。但目前针对竖直套管式地埋管换热器传热性能的实验与数值模拟研究相对较少。为此,本文搭建了砂箱实验台以及建立了三维竖直套管式地埋管数理模型,通过实验和数值模拟两种方法研究了竖直套管式地埋管换热器及其周围土壤的非稳态传热特性,以期望为竖直套管式地埋管换热器的应用和认知提供理论依据和具体指导。本文首先搭建了竖直套管式地埋管传热特性砂箱实验台,实验研究了竖直套管式地埋管非稳态传热特性,分析了流体进口水温、进口流量及蓄取热运行模式等因素对竖直套管式地埋管及其周围土壤传热特性的影响,获得了竖直套管式地埋管周围土壤温度、单位井深换热量以及平均传热系数的变化规律。实验研究结果表明:在满足地埋管材质温度变形范围内,可通过提高进口水温来提高单位井深换热量;流体进口水温越高,距离地埋管较近处土壤的温度变化越明显;增加流体进口温度和流量对于钻孔处土壤平均传热系数并无较大影响;土壤蓄热过程中,流量越大,其土壤温度越高;在交替运行模式分别为1:1与1:2情形下,运停比越小,地埋管周围土壤温度波动范围越大;连续运行模式下,平均传热系数呈现出先下降随后保持不变的变化规律;间歇运行模式下,平均传热系数在0~36(W/m?℃)之间波动,呈现出由高到低逐渐趋于零的上下波动的周期性变化;取热过程中,针对径向距离较远处的土壤温度波动受到运停比的影响会小;间歇运行模式下的单位井深换热量比连续运行模式下的高;相对于单一蓄热或者取热运行时,连续运行蓄/取热交替过程的单位井深换热量较高,并且其平均传热系数较大。然后,本文建立了三维竖直套管式地埋管换热器非稳态传热数理模型,利用本文所得实验数据对数理模型进行了实验验证。在此基础上,数值模拟研究了竖直套管式地埋管换热器非稳态传热过程,分析了管径、进出口方式、循环介质、回填材料、土壤初始温度以及底部间距等因素对竖直套管式地埋管换热器非稳态传热特性的影响,获得了单位井深换热量、能效系数以及地埋管周围土壤温度的变化规律,讨论了套管式地埋管换热器的热短路现象。数值模拟研究结果发现:外管径不变,内管径越大,单位井深换热量越大;内进外出流动方式下的单位井深量较大;循环介质导热系数越大,单位井深换热量越大;土壤初始温度越低,单位井深换热量越大;内管径越大,土壤初始温度越高地埋管换热器的能效系数好;管径组合为90/54时,热短路现象最严重;循环介质选用氯化钙溶液可以有效的减缓热短路现象。回填材料的导热系数越大,同一径向距离的土壤温度越高;外进内出的流动模式下,温度在径向距离方向上影响的范围大。在本文计算条件下,内管底部与外管底部之间的距离为1.5m时,地埋管中的流体与周围土壤传热效果较好;渗流速度越大,地埋管换热量也就越大,沿着渗流方向出现热堆积的现象。