闭式中深层井下换热,在下文中简称为“闭式深井换热”或“深井换热”,是符合地热供暖热源侧换热发展方向的技术。然而,该技术在我国的应用尚处于探索与示范阶段,设计与运行经验不足,研究也较为匮乏。深井换热器作为该技术从热储取热的关键部件,其优化设计方法更是备受关注的研究热点。本文以闭式深井换热问题为研究对象,采用数值模拟与实验相结合的研究方法,探究了深井换热的参数影响规律,对深井换热器的优化设计提出了合理性建议。首先,对闭式深井换热问题进行了理论分析与简化,基于FLUENT软件构建了深井换热数值模型,通过与实验数据的对比,验证了模型的准确性。其次,搭建了闭式井下换热实验台,将实验与数值模拟结果相对比,结果表明本文中针对闭式井下换热问题的实验及数值模拟方法均具有可行性。然后,采用本文建模方法结合我国北方典型地热地质条件与工程案例实况构建了深井换热基础模型,并进行了井深与其他参数对深井换热的耦合影响研究,得出了流量、管径比、内管导热系数、岩土导热系数、岩土温度梯度等参数在不同井深条件下对深井换热的影响规律并进行了参数敏感性分析。研究发现:随井深增大,深井换热出口温度近似呈线性上升,每延米换热量起初迅速提升而后提升放缓;深井换热可提供的出口温度与每延米换热量明显高于浅层埋管换热,有应用于直接供暖的潜力。随管径比增大,深井换热出口温度下降,在相同管径比条件下,内、外管管径较大时出口温度较高。井深对出口温度起决定性作用,内、外管管径在不同井深条件下对出口温度有不同程度影响作用。岩土温度梯度对深井换热的影响最大,内管径的影响最小;当井深较小时,岩土导热系数、外管径及流量的影响较大,当井深较大时,内管绝热性的影响显著。最后,基于深井换热参数影响规律及敏感性分析结果,对深井换热器的优化设计方法进行了讨论。提出:对于几何参数的设计,可按照井深、最大外管径、最小内管径的顺序依次确定;对于绝热内管的设计,从技术的可行性与经济合理性角度出发,分段绝热设置可在保证深井换热效果良好的同时,有效减小内管绝热段长度,内管绝热比例的合理取值为0.875;当井深较小时,应更加关注外管径及流量的设计,当井深较大时,保证内管的绝热性尤为重要。