直膨式地埋管是指将热泵机组中的源侧换热器直接引出机组并埋置于地下,热泵工质直接与地下介质换热的技术。与常规二次环路地埋管相比,不论是亚临界下的相变换热工况,还是超临界压力下的放热工况,直膨式地埋管均可实现更大的换热温差和更高的换热量,延米换热量可达200 W/m以上。针对直膨式地埋管大温差换热的特性,本文提出了一种新型直膨式CO2井下换热器,即将直膨式CO2地埋管置于封闭水井中,利用井水内的自然对流降低换热器总传热热阻,以此实现换热强化。本文首先对各类直膨式地埋管换热模型进行了对比分析,优选了计算速度快、对复杂条件适用性更强的热阻热容法,以此构建了直膨式CO2井下换热器三维瞬态换热模型。建立了各节点包含热阻关系式及传热关联式的换热方程,讨论了节点划分方式及迭代求解流程,并分析了在求解常微分方程组时利用Jacobi稀疏矩阵优化计算的必要性。之后,搭建了包含100 m～135 m深直膨式CO2井下换热器及完整热泵与末端设备的实验系统,研究了供冷及供热工况井下换热器及热泵系统的运行特性。实验结果表明系统可实现长期稳定运行,且与常规直膨式CO2地埋管实验或理论研究结果相比,直膨式CO2井下换热器平均延米换热量在供冷工况下可提高52.5%,在供热工况下可提高18.6%。然后,利用实验数据分别对超临界放热工况及相变吸热工况的换热模型进行了验证,两工况下换热量的平均绝对百分比误差分别为2.29%、4.98%,可验证本文所建换热模型的准确性。利用模型研究了不同关键参数对供冷及供热工况的动态影响特性并进行了敏感性分析,其中讨论了热短路效应及CO2拟临界点处物性剧烈变化引发的传热恶化现象。之后,借助新定义的无量纲热短路系数,定量分析了自然对流降低换热器总热阻的正面作用及加剧热短路的负面作用,并针对性的提出了两个缓解热短路、强化换热的新方法——保温层法和人工井水循环法,研究了不同关键参数对强化效果的动态影响特性。两种强化方法的平均换热量提高比例分别可达35.1%、50.5%。最后,针对现有研究中的热阻热容模型无法应用于管群换热模拟的问题,通过提出新的土壤侧热阻划分方式,建立了针对普适地埋管管群的、可包含地下水渗流影响的三维瞬态换热模型,并通过有限体积模型验证了其精度,其计算速度可比有限体积模型提高600倍以上。将该模型应用于直膨式CO2井下换热器管群,研究了利用人工地下水渗流平衡土壤温度、强化管群换热的新方法,分析了不同关键参数对强化效果的动态影响特性。针对4×4管群的30天连续运行模拟结果表明,采用人工渗流法可使换热器平均换热量提高21.5%。