本文根据黄土高原地区的地质条件,综合考虑了岩土体的热物性差异和地下水渗流,通过Fluent建立了竖直地埋管换热器的三维非稳态传热模型。利用建立的传热模型,对在地下水作用下地埋管换热器的换热性能和岩土体的温度分布进行了分析与研究。提出了判断地埋管换热器最佳埋深的方法,为黄土高原地区的地埋管换热器设计提供了依据。对地埋管换热器及其周围的分层岩土进行为期10年的模拟,通过分析岩土体温度随时间的变化,为地埋管长期运行下的岩土温度平衡提供了合理的建议。结果表明:地埋管换热器在含水层处换热剧烈,导致地埋管换热器后半段的换热为低效或无效换热,地埋管埋深过大不但影响地埋管的换热效率,而且还增大了投资。在黄土高原地区,地埋管的最佳埋深与含水层厚度有关。当含水层厚度足够大时,存在“临界含水层”,其定义为含水层内地埋管换热效率较高的区域,即地下水位至地埋管出现无效或低效换热的位置。当实际的含水层厚度小于“临界含水层”的厚度时,地埋管的最佳埋深位于含实际水层底部;当含水层厚度大于“临界含水层”的厚度时,地埋管的最佳埋深为“临界含水层”的底部。“临界含水层”的厚度与地下水渗流速度有关,随着渗流速度的增加,“临界含水层”的厚度逐渐减小,在1×10-6m/s时达到最大。渗流速度小于1×10-6m/s时,地下水对地埋管换热影响可以忽略。地下水位的高度对“临界含水层”的厚度没有影响,但会提高地埋管出现无效换热的位置,导致地埋管的最佳埋深减小。回填材料导热系数的增大会提高地埋管的换热量,但对最佳埋深没有影响。双U型地埋管的支管分布形式对地埋管的换热量和最佳埋深的影响都不大。三供一回地埋管换热器的换热量大于两供一回和四供一回,三种形式的地埋管在模拟范围内并未出现最佳埋深,证明多供一回地埋管换热器可以充分发挥地下水的作用,减小支管间的热干扰。通过Peclet数来判断地下水对地埋管换热器的影响,将含水层厚度作为特征长度,得到地下水对地埋管换热器换热的增加量与Peclet数成对数关系。通过换热量增加量与Peclet数的函数关系对含水层处的岩土导热系数进行修正,进而得到适合快速计算地埋管换热器周围岩土体温度分布的新模型。利用新模型分析了在不同冷热负荷比的情况下,地源热泵长期运行对岩土温度的影响。根据地埋管周围岩土温度随时间变化的情况得到当负荷比为1.2时,岩土可以通过自身恢复能力抵消因负荷不平衡引起的温度变化。