地热能作为一种可再生能源,其利用在国内已经渐渐地被重视。国内浅层地热能利用主要有两种模式:地埋管地源热泵系统和抽灌式地源热泵系统。但是这两种系统都有缺点:地埋管地源热泵系统使用时由于埋管和周围岩层换热是以导热模式进行的,换热强度低,而且地埋管埋入地下后不易维修;抽灌式地源热泵系统使用时,若回灌水中有杂质,长期回灌会导致杂质堵塞岩层的空隙,使得回灌井无法回灌,从而会导致地下水水位下降,地表下降,土壤盐碱化。为此本文提出了一种地热井下换热器,不抽取地下水,同时在一些特定水文地质条件下,与地埋管相比换热强度较高。此外本文还介绍了地热井下换热器与热泵结合使用的新模式。本文对地热井下换热器供热进行了实验研究,通过实验了解地热井下换热器供热时的一些现象,探讨了一些影响地热井下换热器的主要影响参数,为如何提高换热效率,掌握井下换热器的换热机理提供实验依据。整合出了稳定运行下井下换热器管外努塞尔数和瑞利数的关系式;当井下换热器进水温度基本恒定时,井口出水温度开始表现为井下换热器管内贮存水随地层深度的变化规律,随后的一段时间表现为稳定不变的温度。本文建立了井下换热器的1维导热模型,并利用格子-Boltzmann(LBM)方法对出水温度进行了数值模拟,通过数值模拟与实验结果的对比,可以推断井下换热器管外自然对流的存在,以及自然对流强度在井下换热器取热后的变化规律。通过实验发现地热井下换热器的取热量与进水温度、进水流量和换热管材质有关,进水温度越低、流量越大、换热管材质热阻越小,取热量越大。掌握井下换热器管外的自然对流强度是地热井下换热器设计的关键。