长期以来我国建筑物供暖的主要能源形式是燃烧煤炭或天然气等高品位能源,用如此方式来解决极低品位能源即可保障建筑物供暖所需的能量需求,即造成高品位化石能源浪费,又破坏生态环境。因此,亟需改善我国建筑物供暖中的能源供给形式,而地热能具有储量大、分布广、稳定可靠、清洁可再生等特点,发展以地热能为主的清洁能源供暖是一种现实可行且具有竞争力的方式,对我国能源结构调整、节能减排、改善生态环境等具有重要意义。单井循环地热能采集系统作为开发地热能的一种形式在实际工程中得到了较广泛的推广与应用,为了更大限度地挖掘单井循环地热能采集系统的节能减排潜力,需要更深入地厘清单井循环地热能采集系统在复杂时空条件下的地下水多流态流动与换热耦合机理,揭示渗流场与温度场的动态演化规律。因此,本文系统地开展了单井循环地热能采集系统渗流场基础理论与换热特性的研究,主要研究内容及结论如下:（1）研究了单井循环地热能采集系统地下水流动问题,采用Laplace变换和有限余弦Fourier变换,获得了含水层中水位降深在Laplace域上的解析解,并将其与Ni等通过叠加方法得到的水位降深解析解进行分析比较。结果表明,本文中Laplace域上的解析解获得的水位降深与Ni等解析解获得的水位降深基本吻合;水位降深在系统运行前期随着径向渗透系数Kr的增大而增大,而在系统运行后期,水位降深随径向渗透系数Kr的增大而减小;抽水井过滤器长度d1和回灌井过滤器长度d3在相等的情况下,含水层中的水位降深随着抽回井过滤器间距d2的减小而增大。（2）在Izbash方程描述非达西流的基础上,研究了单井循环地热能采集系统中井筒附近的非达西流问题,结合线性化近似方法、Laplace变换及有限余弦Fourier变换,推导了含水层水位降深在Laplace域上的近似解析解。结果表明,非达西因子m和非达西渗透系数Kr对含水层中的水位降深影响较大,具体表现为在系统运行初期,非达西因子m和非达西渗透系数Kr越大,含水层水位降深越大;而在系统运行后期,非达西因子m和非达西渗透系数Kr越大,含水层水位降深越小。（3）研究了考虑表皮效应影响的单井循环地热能采集系统地下水流动问题,采用Laplace变换和有限余弦Fourier变换,分别得到了表皮区域和含水层区域的水位降深在Laplace域上的解析解。结果表明,表皮区域水位降深受表皮效应类型和表皮区域半径rs的影响比较大,而这两个参数对含水层区域水位降深的影响却基本可以不考虑;此外,抽回井过滤器间距d2对表皮区域和含水层区域的水位降深的影响也都比较显著。（4）研究了单井循环地热能采集系统在复杂时空条件下的换热耦合机理,建立了单井循环地热能采集系统的渗流场-温度场耦合数值模型,揭示了系统抽水温度及含水层中温度场时空动态演化规律。结果表明,本文中单井循环地热能采集系统的热影响半径为55 m左右,在含水层竖直剖面上的温度等值线呈漏斗状分布;单井循环地热能采集系统在运行过程中发生热贯通的时间较早,使得抽水温度降低,影响系统中热泵运行效率;同时,由于采暖季与制冷季的负荷差异,单井循环地热能采集系统长期运行时将导致其抽水温度出现整体的降低或升高。（5）比较系统地研究了影响单井循环地热能采集系统换热性能的因素,并定量地分析了其在长期运行过程中的运行效率,也对单井循环地热能采集系统全周期的总成本进行了经济分析与比较。结果表明,较长的抽水井过滤器间距与含水层中天然的地下水流动能够比较显著地提升单井循环地热能采集系统的抽水温度和热泵运行效率;相比于天然恢复状态下的W-O运行模式,在有制冷运行工况下的W-S运行模式更有助于含水层中水温的恢复,能够比较显著地提升系统中热泵COP,这也说明当采暖季与制冷季的负荷不平衡时,采取辅助措施能够维持含水层中的能量平衡,有利于提升系统中热泵的运行效率;单井循环地热能采集系统全周期的总成本不仅与初期投资成本有关,也受因利率及电价不同而带来的维护及电费成本差异的影响。