中深层地热源热泵系统是一种新型供热技术,和传统的浅层地埋管地源热泵系统对比而言,其通过地下换热不但可以节约占地面积,同时还能够降低系统耗能,有利于清洁供暖。井下换热装置作为中深层地热井下换热系统的核心,为保证井下换热的稳定性以及高效性,通常会选定同轴套管式换热器。本文采用了一种中深层地热用井下同轴套管换热器的数值传热模型,该数值模型中考虑了地下岩土的地温梯度,回填材料以及管壁和流体的热容。在固定进口温度的条件下结合实际工程数据对地热井下同轴套管换热器传热方程进行计算,该条件比较符合实际情况且可靠性更高,重点对井下同轴套管换热器的传热特性进行了研究。具体研究内容如下:首先,以项目中深层地热井作为基础,广泛搜集与整理勘探地质特征及地下岩土分布资料,获取数值模拟分析所应用到的物理参数值。阐释工程项目及地质概况、换热系统的整体结构、换热试验方案设计及换热试验结果。通过整理资料及相应的数学计算得到地下岩土温度分布随井孔深度增加的变化趋势、各地层结构特征、地温梯度值及单眼地热井地热资源储存量。对中深层地热源热泵系统实验设计方案,分别在3种工况条件下进行现场试验,通过换热试验得到对应各工况下井下换热器出口水温值及相应的换热功率。其次,针对中深层地热井下换热系统复杂的传热过程,基于有限差分法对数值模型求解并进行模拟研究。将3种工况下的模拟计算与现场换热试验在稳定状态下两者出口水温值进行了对比,结果显示两者较吻合。模拟分析了在3种工况下的井下换热系统连续运行1个采暖季(120天)之后周围温度场的分布状况。接着,采用控制变量法结合数值模型模拟分析了各种因素对中深层同轴套管换热器出口水温、换热量及热短路值的影响。其中因素包括循环流体流量、循环流体进口温度、换热器管径、内管导热系数、回填材料导热系数、岩土导热系数、地温梯度和井孔深度。最后,阐述了中深层地热源热泵系统节能分析原则和性能评价指标,对该系统能耗进行了分析并提出节能的主要环节,对该系统技术经济性进行了评价。通过研究得到的成果能为中深层地热井下同轴套管换热器传热性能分析提供理论依据,对于以供暖为主的北方地区采用中深层地热源热泵系统进行取暖提供研究基础,对推广中深层地热源热泵工程具有重要的指导意义和实用价值。