地埋管地源热泵系统可替代化石能源进行建筑供暖、供冷以及提供生活热水,多年来得到了广泛的应用与发展。其中,浅层地埋管换热器及其热泵系统集蓄能和供能为一体,是实现近零能耗建筑,促进碳达峰与碳中和的一种有效途径。地埋管换热器是地埋管地源热泵系统的关键部件。影响其换热能力的因素众多,关系复杂;由于土壤的热量传递能力和比热容有限,在地埋管换热器与土壤换热过程中,其周围土壤温度是随时间变化的。因此,确定影响地埋管换热器换热能力关键因素,阐明关键影响因素与地埋管换热器换热能力的关系,结合热量在土壤中转移规律优化其运行模式,是合理高效利用地埋管换热器的前提。本文首先基于相似理论构建了更符合实际情况的砂箱实验装置,突破现有砂箱空间及研究部位限制,体现U型管两支管温差,使其能够模拟不同埋深的地埋管换热器,并据其实验结果建立和验证单U型地埋管换热器三维动态数值模型,用于数值实验研究。其次,通过砂箱实验装置对短期运行地埋管换热器换热性能及其周围土壤温度场变化特征进行实验研究。实验结果表明,土壤含水率、入口流速和入口温度是影响地埋管换热器换热能力的重要因素。当入口温度从25?C提高到45?C时（土壤初始温度为18.5?C）,4小时内单位管长换热量平均值提高了2.6倍;当入口温度为35?C时,流速由0.12 m/s增加到0.61 m/s时（Re=1338～6752）,地埋管换热器单位管长平均换热能力增加48.0%。然后,通过短期蓄热-取热实验研究发现,蓄热强化了取热效果。单根地埋管换热器的蓄、取、蓄取蓄取、蓄停取停、蓄停蓄停、取停取停以及取蓄取蓄7种运行模式的对比研究表明,地埋管换热器最佳运行模式是蓄取交替的连续运行模式。实际运行中,优先推荐蓄取蓄取模式,其次是蓄停取停模式。再次,通过数值实验,采用Spearman秩相关性分析从15个地埋管换热器换热能力影响因素中甄选出9个关键因素,按相关系数大小排序为:入口温度＞入口雷诺数＞土壤导热系数＞钻孔深度＞土壤密度＞土壤比热＞U型管两支管管壁间距＞回填填料导热系数＞管内径。通过Kriging响应面数据模型得到回填材料导热系数与土壤导热系数的定量关系,以及最优雷诺数的计算方法。最后,基于影响地埋管换热器换热能力的关键因素和土壤能量运移规律,借鉴仿生思维,提出了树根状和锯齿状仿生结构管群,建立了三维管群地埋管地源热泵系统长期动态负荷计算模型,对承担独栋建筑供暖、供冷及生活热水系统的地埋管地源热泵供能系统进行了连续10年数值模拟。研究发现,在条件允许情况下,应优先选择浅埋深管群布置,在土壤换热和水泵功耗的共同作用下,20m埋深管群排热和取热运行热泵系统性能系数COPsys分别为4.9和3.1,而93.4m管群系统该值分别为4.0和2.5。在季节“蓄取蓄取”模式下（先制冷,即管群先排热运行）,钻孔间距越小,管群排热和取热运行前期热泵性能系数COP越高,管群排热和取热运行后期热泵性能系数COP越低。与6m钻孔间距管群相比,2m钻孔间距管群热泵性能系数COP在排热和取热运行前期可提高10.0%;而在排热和取热运行的后期,2m钻孔间距管群热泵性能系数COP分别可降低14.5%和6.8%。使用优化入口雷诺数可提高系统性能系数,当流速为0.27m/s～0.56 m/s,排热运行热泵系统性能系数COPsys为4.7～5.6,取热运行热泵系统性能系数COPsys为2.9～3.4;而当流速为1.0 m/s时,热泵系统性能系数COPsys降低至3.6和2.2。与等深管群相比,仿生结构管群将等深管群周围土壤温度的方形分布改变为锥形分布,具备更强的应对负荷突变能力,热泵性能系数COP可提高0.7%～4.0%。综上,本文基于地埋管换热器及其管群的物理实验、数值实验和理论分析,阐明了地埋管换热器周围土壤能量运移规律,明确了地埋管换热器换热能力的优化方向,指出了地埋管换热器最佳运行模式,为优化地埋管换热器及其管群的设计和运行提供了理论指导。本论文为“十三五”国家重点研发计划“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”（2017YFC0702600）的部分内容。