我国建筑能耗约占社会商品总能耗的27%,而暖通空调能耗占建筑总能耗的65%左右,开发利用太阳能及其建筑一体化技术,降低建筑能耗,已成为建筑节能和新能源开发利用领域一个重要的研究热点和产业发展重点。太阳能集热器的性能是太阳能热利用的关键、是解决太阳能空调技术的关键,也是在建筑领域进一步推广应用太阳能采暖空调技术、显著降低化石燃料能源消耗的关键。U型管式真空管集热器具有结构形式简单和传热性能好的优点,有望成为太阳能采暖空调系统的集热和驱动热源。通过对U型管式真空集热器实际调研和理论分析,发现现有的U型管式真空集热管内部传热模式、传热机理和传热效率等问题需要进一步的研究,以单根集热管为对象的热工性能评价方法和试验方法基本处于空白的状态,因此,本文以深入探索U型真空集热管内部传热特性问题为研究对象,以提高其传热性能为目标,开展了以下理论和试验研究工作。首先,以现有铝翼U型真空集热管内部传热机理为研究对象,建立了U型真空集热管稳态传热模型,解析求解分析了其内部传热特性,结果表明,吸热管与金属护翼之间空气热阻对集热管的集热效率影响很大,当玻璃管和空气层合成的综合导热系数由5W／(m·k)提高到40W／(m·K)时,集热器的集热效率会下降10%,流体出口温度将下降16%,吸收涂层温度将提高30℃左右,进而增大了集热器热损失系数,导致集热效率下降。其次,在定量评价铝翼U型真空管传热性能的基础上,本文提出了具有单U和多U结构形式的U型填充式真空集热管,分析了各种形式的U型填充式真空集热管的结构形式和热阻网络图,并分析了均匀边界条件下的传热过程。建立了U型真空集热管内部流体温度模型及其无量纲表达通式,实现了其解析求解。在此基础上,利用均匀场线热源法,给出了真空管内部热阻解析解形式,分析了吸热管壁温度以及热损失系数,进而研究了U型管内工质沿流动方向的温度变化规律。第三,通过试验验证了U型填充式真空集热管传热特性理论模型的正确性。在分析整台集热器热工性能评价方法所存在问题的基础上,为更科学地评价集热管集热性能,提出单根集热管热工性能评价和测试方法,在此基础上,建立了单根集热管热性能试验台,系统地分析了单根集热管热工性能测试的难点和试验台误差、精度问题。第四,基于均匀边界条件下U型填充式真空集热管传热模型,分析了填充层导热系数、填充物结构形式以及热损失系数等影响U型填充式集热管热工性能的关键因素,根据分析结果,通过对U型填充式真空管内部热阻的调节和集热管内部结构形式的优化,提出了U型空心填充式集热管,建立了传热模型,并给出解析解和传热特性,完成了该类集热管的试验研究和理论对比分析。本文以量化评价现有铝翼U型管式真空集热管内部传热特性为切入点,提出了单U和多U结构形式的U型填充式真空集热管,建立了其内部传热学模型,求得了其解析解；提出了单根U型集热管热工性能测试方法,建立了其试验测试平台,通过理论和试验对比研究了单U和多U结构形式的U型填充式真空集热管集热性能。本文创新性研究成果对进一步探索U型管式集热管内部传热机理、提高集热效率具有重要理论意义,对开发新型集热管和太阳能集热器、进一步在太阳能建筑一体化领域中的工程应用,具有重要技术支持和借鉴价值。