中深层地热能是一种高品位的可再生能源,结合热泵技术可以稳定高效地为建筑供热,为降低取热对地下热储层的影响,通常采用同心套管式换热器对地热能进行提取。目前,国内外学者主要针对中深层同心套管式换热器的换热特性、运行方式、对周围地层温度分布的影响、地热利用方式、能效评估等方面展开研究,并基于有限线热源与柱热源模型开发计算精度更高的传热模型。而同心套管式换热器作为中深层地热取热的核心部件,针对其进行的结构改进及地热恢复对换热器换热性能影响的研究却十分少见。本文建立了3000米埋深的中深层同心套管式换热器的数值传热模型,以寒冷地区的一个供暖季（120天）作为一个取热阶段,该模型的初始温度分布基于地温梯度,并考虑了不同地层的物理性质对换热器换热特性的影响。使用COMSOL Multiphysics软件对数值模型进行求解,以换热器内外管壁平均努谢尔特数、阻力系数、出口温度、取热量、热损失比例作为性能评价指标,对中深层同心套管式换热器进行运行优化与结构改进,并讨论地热恢复期对换热器换热性能的影响。具体研究工作如下:（1）对常规结构的中深层同心套管式换热器在不同运行参数下的换热性能进行了分析,具体讨论了在不同换热器入口质量流量、入口温度、内管导热系数、内外管管径比、回填材料导热系数下的内外管壁面的平均努谢尔特数、阻力系数、出口温度、取热量以及热损失比例。结果表明:当换热器入口质量流量从4kg/s增大至12kg/s时,换热器平均出口温度降低了16.6%,取热量升高了119.6%,热损失比例减小了26%,换热器环腔管壁平均努谢尔特数增大了109.6%,内管管壁平均努谢尔特数增大了100.5%,环腔管壁阻力系数减小了15.1%,内管管壁阻力系数减小了12.8%。当换热器入口温度从10℃增大至30℃时,换热器平均出口温度升高了32.8%,取热量降低了35.9%,热损失比例增加了3.6%,换热器环腔管壁平均努谢尔特数增大了4.5%,内管管壁平均努谢尔特数增大了10.1%,环腔管壁阻力系数减小了3%,内管管壁阻力系数减小了5.4%。当换热器内管导热系数由5W/m·K减小至0.1W/m·K时,换热器平均出口温度升高了79.3%,取热量提高了228.4%,热损失比例减小了72.8%,换热器环腔管壁平均努谢尔特数降低了9.5%,内管管壁平均努谢尔特数降低了16.8%,环腔管壁阻力系数增大了6.3%,内管管壁阻力系数增大了9.8%。当内管管径由177mm减小至50mm时,换热器平均出口温度升高了13%,取热量提高了23.2%,热损失比例减小了18.1%,换热器环腔管壁平均努谢尔特数降低了56%,内管管壁平均努谢尔特数升高了763.9%,但循环水在换热器管道的水头损失损失增大了128倍。当回填材料导热系数由1W/m·K增大至10W/m·K时,换热器出口温度升高了19.5%,取热量提高了35.7%,同时热损失比例增大了0.3%,换热器环腔管壁平均努谢尔特数升高了7.2%,内管管壁平均努谢尔特数降低了3.1%,环腔管壁阻力系数减小了2%,内管管壁阻力系数减小了0.6%。（2）分析了常规结构同心套管式换热器在取热阶段与地热恢复期不同时刻的换热器周围地层的温度分布特点以及不同地热恢复期对第二取热阶段换热器换热性能的影响。地热恢复对中深层同心套管式换热器的高效运行有重要作用,持续进行两个阶段取热的换热器在第二取热阶段的平均出口温度及取热量仅为经过120天地热恢复后的94.8%和91%。当地热恢复期为60天时,第二取热阶段的平均出口温度可达到第一阶段的95.3%,当地热恢复期为180天时,第二取热阶段的取热量可达到第一阶段的95.5%。因此,换热器持续运行120天后,建议进行60～180天的地热恢复。（3）提出了四种中深层同心套管式换热器的改进结构:强化换热段对称分布U型管的同心套管式换热器、强化换热段对称分布列管的同心套管式换热器、真空绝热内管的同心套管式换热器和内管浅层敷设保温层的同心套管式换热器。讨论了不同结构改进参数以及地热恢复期对换热器的出口温度、取热量以及热损失比例的影响。结果表明:强化换热段对称分布U型管的同心套管式换热器与强化换热段对称分布列管的同心套管式换热器主要通过在换热器底部进行强化换热,提高换热器底部循环水的温度,进而提高出口温度以及取热量,但提升的效果有限,与常规结构相比,换热器的出口温度和取热量可分别提高4%～4.4%和6.8%～7.4%,热损失比例并无较大差异。采用数量少、管径大的列管或U型管有利于提高换热器的换热性能。真空绝热内管的同心套管式换热器能够大幅降低换热器的热损失比例,当真空绝热层厚度为10mm时,换热器热损失比例为0.9%,仅为常规结构换热器的2.1%,与常规结构的同心套管式换热器相比,换热器的出口温度和取热量可分别提高23.8%和39.8%,是四种改进结构中对换热器出口温度和取热量的提升以及热损失比例的降低幅度最高的一种。内管浅层敷设保温层的同心套管式换热器通过减小内管循环水在浅层的热损失,以减小换热器的热损失比例,提高换热器的出口温度及取热量,保温层的敷设长度越长,换热器的热损失比例越低,换热性能越好,当保温层的敷设长度为600米时,与常规结构的同心套管式换热器相比,换热器的出口温度和取热量可分别提高9.3%和15.7%,热损失比例为34.1%,为常规结构换热器的81.2%。相互对比发现,最经济的保温层敷设深度为1200米;对于常规结构的同心套管式换热器,其最佳真空绝热内管安装深度为1000米;对于强化换热段对称分布U型管与强化换热段对称分布列管的同心套管式换热器,最佳真空绝热内管安装深度约为755米。（4）对比了常规结构的同心套管式换热器与四种改进结构的换热器出口温度、取热量、热损失比例以及换热器内循环水的温度分布特点,将在不同地热恢复期下,不同结构的同心套管式换热器在第二取热阶段中的出口温度、取热量与第一取热阶段的差异做了比较。结果表明:在换热器的第二取热阶段,对换热性能提升大的改进结构需要更长的地热恢复期以确保第二取热阶段的换热器平均出口温度以及取热量衰减更小,例如,常规结构的换热器在第二取热阶段的平均出口温度在经过60天的地热恢复后便可达到第一取热阶段的95%以上,而真空绝热内管的同心套管式换热器需要120～180天。本文对中深层同心套管式换热器进行了运行优化与结构改进两方面研究,通过调节运行参数对换热器进行了运行优化,通过改进换热器结构对换热器进行了结构改进。明确了运行参数变化以及地热恢复期对换热器内外管壁平均努谢尔特数、阻力系数、出口温度、取热量、热损失比例的影响。分析了换热器取热与地热恢复阶段的地层温度分布特点;提出了四种改进结构并与常规结构进行对比,拓展了中深层同心套管式换热器性能优化的研究思路。