现有地热利用以直接抽取地下热水和浅层地源热泵技术为主，各有优劣。深层U型地热井实现“采热不采水”，不破坏地下水源、取热量大，本文以深层U型地热井为基本模型，以西安地热田为地热井所在地，在合理的假设前提下建立了U型地热井换热的数学物理模型。用直采热水井数据对所建模型进行验证，结果表明换热器出口水温计算值与实际值误差为7.77%，模型合理可靠。用所建模型计算了不同流速、管径、U型管水平管长度、地温梯度条件下一个采暖季（120天）的采热效果。计算结果表明：管径相同的情况下，管内流速越慢，出口水温越高，流速在0.75~1.0m/s时单位时间采热量达到最大值；管径为0.1538m，传热稳定时，水平管长度每增加1000m，出口水温增加3.3℃；当水平管长度固定为1000m时，单位时间采热量最优参数为：管径0.1538m，流速0.75m/s，单位时间采热量最大，为0.8488MW；管径为0.1538m、水平管道长1000m、流速为0.75m/s时，地温梯度每增加1℃/hm，单位时间采热量增加0.515MW，当地温梯度为10℃/hm时，平均单位时间采热量达到4.45MW，能够满足8.9万m2居住面积的供暖需求。建立了地温恢复模型，计算了多个地温梯度下停止采热后八个月（240天）内管道内及管外岩土的温度恢复效果。计算结果表明，经过240天，在各个地温梯度下采热井壁面处岩土的温度恢复率较高，都在92%以上，恢复速度先快后慢。