因其绿色环保、节能及广泛适用性,地源热泵系统供热制冷方法在黄土地区的应用日益增多。对于地源热泵系统设计而言,如何获取黄土地区地层的热物性参数?选用何种传热模型来进行计算?埋管换热器及填充材料如何选择?如何保障换热系统的耐久性?均是黄土地区地热能交换系统设计中的疑难问题,也是工程应用亟待解决的问题。论文就此开展了研究工作。首先从黄土的热传输理论着手,给出了适用于地热能交换系统传热分析的孔内外传热模型。基于线热源孔外传热模型和圆柱面热源孔外传热模型的计算结果与现场实测数据的对比分析,揭示出线热源孔内外传热模型计算结果更接近实测值,为黄土地区地热能交换系统传热分析时的模型选用提供了依据。进一步基于对黄土室内导热系数试验,分析了黄土导热系数与含水率、干密度的关系,得到了原状黄土、原状古土壤导热系数与含水率的关系式,以及重塑黄土、重塑古土壤导热系数和干密度、含水率的关系式。在分析试验数据基础上,分析了常见回填材料组成物质导热系数随密度或含水率的变化规律,基于此提出了采用不同材料、不同配比的多种回填材料,并通过多种回填材料热参数试验比对以及现场验证,提出了优选回填材料。然后通过不同地貌单元的地温测试,对比分析了不同地貌单元的地温差异性,给出了各个地貌单元的变温层厚度和地温梯度,得出了关中地区地貌单元的地温估算公式。利用层次分析法对各地貌单元利用地源热泵系统的适用性展开了评价,提出了各地貌单元利用地源热泵系统的适用性排序。结合现场试验研究,开展了不同换热形式、不同管径、不同深度、不同换热孔间距下换热器的换热性能对比分析,得出双U形换热器的换热性能远优于单U形;同一换热器形式,同一深度下,增大管径,换热性能得到一定程度的提升;换热器深度达到一定值后,继续增大埋管深度反而会降低换热性能;埋管间距越大越有利于地下埋管换热器的换热。给出了适合于黄土地区的换热器形式、管径和换热孔适宜深度以及孔间距,为黄土地区地源热泵设计提供了可靠依据。最后将上述研究成果用于实例地源热泵系统的设计,开展了一个完整年在地源热泵系统运转状态下的地层温度场及换热效果监测,探明了地层温度响应规律及地温变化幅度,证明了采用本文计算模型、热参数、优选回填材料、地温估算方法、换热器形式及孔间距等设计参数的有效性,为黄土地区地源热泵系统的长效运行提供了设计理论支撑。