严寒地区对供暖量的需求较大,在该地区应用土壤源热泵系统拥有显著的经济效益、社会效益和环境效益,土壤源热泵系统的技术关键在于对地下岩土及换热器的传热特性的准确把握,然而以往的相关研究多集中在U型地埋管换热器,缺乏对套管式地埋管换热器的理论和实验研究,由于严寒地区深孔换热的复杂性,对于严寒地区的相关理论和应用探索则更为少见,在传热模型研究方面目前也无公认的规范。由此,本文针对套管式地埋管换热器,建立了适用于严寒地区的半经验设计计算模型、二维解析模型、二维数值模型,以期在一定程度上指导相关工程实践。论文按照理论分析与实验测试相结合的思想逐步展开。本文的研究方法可分为如下几个方面:在进行实地勘测地质条件后设计并搭建实验台,编制套管换热器流动阻力计算器,采用国际上先进的热物性测试装置进行实验测试;基于控制变量法对实验结果进行单传热影响因素分析,重点讨论了循环液流量和换热器供水温度的影响。论证各类模型简化假定的合理性,在此基础上建立了严寒地区套管式地埋管换热器的半经验设计计算模型、二维解析传热模型、耦合数值传热模型;利用实验数据对所建立的传热模型进行实验验证;采用控制体积法进行耦合传热数值模拟,得到耦合温度场分布并作简要传热分析;最后基于二维解析模型进行一定的传热影响因素分析。论文研究表明:在实际工程中,存在最佳循环液流量和最佳换热器供水温度;所建立的各类传热模型可应用于严寒地区的实际工程,其中半经验设计计算模型可用于得到工程初步设计阶段所需的设计井数、设计单井深度、每延米换热量等参数;二维解析模型可用于传热影响因素分析,例如对内外管管材热导率的双因素的影响分析结果表明,二者在低热导率范围内变化时对换热器出口流体温度的影响特别大,此外,经实验验证,该模型还可准确推知寒区岩土平均导热系数,但岩土平均体积热容尚待研究求取;数值模型的模拟结果符合工程实际,为类似传热问题提供了有效的求解实施方式,利用该模型还可进行更为准确的有关传热分析。本研究通过实验测试,还得到了哈尔滨市的原始地温分布数据和某些水文地质数据,在一定程度上为后续类似工程的顺利开展提供了依据。