当今世界，随着能源形势和环境污染的逐渐严峻，寻找和开发清洁的可再生能源是人类面对的共同课题，也是解决当前能源问题和环境问题重要手段。地源热泵技术作为利用地热能的重要技术手段，具有高效节能环保的特点，越来越受到青睐，成为暖通空调和供暖领域新型技术手段。但是，我们在实际工程中发现，有些地源热泵系统节能效果并不显著，并且初投资过高，成为制约地源热泵技术发展和应用的瓶颈。地埋管换热器换热性能一直是地源热泵技术研究的重点和难点，直接影响系统的运行性能和初投资，因此掌握地埋管换热器与土壤之间的传热情况，有助地源热泵技术的推广应用。本文通过数值模拟的方法对土壤分层条件下垂直U型埋管换热器的换热性能和土壤温度场进行了研究。首先，本文根据实际情况建立了U型地埋管与土壤的三维换热数学模型，并通过实验对模型的准确性进行了验证分析。其次，基于土壤分层的条件下，对冬季工况下热泵机组连续运行一个月的换热情况进行了模拟，分析了在不同分层下土壤温度场和换热量的变化，并与单一模型进行了比较分析，为工程设计提供了指导依据。最后，对影响U型埋管与土壤之间换热性能的因素，如进口流速和水温、埋管深度、回填材料的热物性和管间距等，分析了它们对地埋管换热性能的影响，对地源热泵的优化设计提供了理论指导，并得出了一些合理的建议和结论。结果表明，土壤的传热性能对地埋管换热器的影响很大，导热系数越大，换热性能越好，但土壤分层对换热的影响效果并不显著；进口水温的提高，有利于提升换热性能，但这并不适合长期运行；进口流速的增大对换热有利；回填材料的导热系数越高，换热效果更好；管腿中心距的增加有利于地埋管的换热；当进口流速较低时，单位管长换热量随着井深的增大有明显降低，随着流速的增大，深度对单位管长换热量的影响有限，但总换热量是增加，因此较深的井有利于获得较大总热量，发挥竖直埋管的优势，减少占地面积。本文模拟结果对地源热泵的优化设计有一定的参考意义，有助于地源热泵技术的推广和发展。