浅层地能利用作为可再生能源的重要形式越来越受到重视，其中地源热泵及地下蓄能已经成为当今的重要应用技术。地下换热器中换热管与围土形成的管土结构是换热系统的重要组成，其不但涉及地下结构复杂的传热、传质问题，还涉及换热器管土结构的热应变问题及其由此产生的传热衰减和失效问题，长期运行中的冷热变化工况进一步加剧热形变的发生，以及管土间隙、管体挤压和弯曲，特别是管土结构某些局部缺陷可能造成的热形变影响。尤其0℃以下的低温冻胀以及高温工况的严重热应变对地下换热器传热能力的恶化影响一直制约着地能利用效能及其可靠性，因此急待开展地下换热器热形变及其失效性问题的探索与研究。鉴于目前国内外关于地下换热器管土结构热形变及其传热衰减方面的认识有限，本文工作结合国家自然科学基金项目，开展相关应用基础研究。通过实验研究、理论分析和数值计算相结合的方法，研究诸多因素对地下换热器管土结构热形变的作用和影响，进一步认识形变、间隙和管土位移产生机理及其特性，以及传热变化和影响作用特性；通过进一步探索管土结构低温冻胀变形问题，研究冻胀变形基本特性，为指导工程应用奠定基础。通过力学和传热学分析，确立管土结构热形变及传热的基本控制方程，定义管土接触面间热导与间隙值的关系，建立换热管弹性热形变计算模型及管土结构弹塑性热形变-传热耦合计算模型，以及接触面相互作用摩擦模型，引入结构形变过程中接触面离散、接触跟踪方法及接触状态算法，采用隐式形变位移与非稳态传热数值耦合算法，提出管土弹塑性热变形传热耦合计算分析方法，模型和计算方法通过实验验证，获得良好吻合。在研究地下换热器管土结构热形变变异中，创新性的构建了实验分析体系，提出换热管热形变特征的可视化测量分析方法，以及热形变应变辨识、间隙和传热影响辨识方法。实验系统有力的验证了计算分析模型的有效性，并充分开展了地下换热器管土结构热形变基本特性、影响作用特性和有效控制研究，为工程应用认知奠定基础。结合工程实际，分析算例选择了诸如平面弯曲、空间弯曲两类换热管初始形态，开展管土热应变和热变异基本特性分析。研究工作分别建立平面及空间连续弯曲管土典型结构计算模型，执行管土结构热形变位移与非稳态传热数值耦合计算，进行了管土结构热形变对间隙演变发展的影响及其分布特性、接触面温时变化与温差分析，诠释间隙产生机理及其传热衰减现象。计算分析了不同温度工况、管中心距及换热管热胀系数、弹性模量、管土摩擦系数对间隙的影响，界定了诸多复杂因素的影响和作用特性。构建了管土结构冻胀变形的初步模型和方法，通过计算简例，分析了管土结构冻胀变形基本特性，为进一步开展地下换热器管土结构低温环境下的冻胀变形、间隙和传热变异研究奠定基础。在构建的计算分析平台下，结合工程实际开展了典型缺陷结构的热应变、形变、位移、间隙和传热影响基本特性研究，探索分析了换热管体局部椭圆化、换热管大弯度弯曲两种典型结构缺陷可能的产生原因，阐述了长期大温变运行过程中热形变引起的失效性问题。研究工作还系统开展了初始椭圆率对管体椭圆化区域热形变及流通面积的影响，以及椭圆区域长度及管土参数对管体椭圆化区域热形变的影响，分析大弯度管土结构热形变对管土间隙演变发展的影响、管土接触面温时变化特性与传热温差，为工程应用认知奠定基础，提供理论参考依据。