目前我国建筑物供暖（冷）能耗约占总能耗1 8%,随着城镇化的加速、人民生活质量的提高及供暖需求线不断的南移,该能耗以每年1%的速率增长。我国主要的燃煤采暖方式给生态环境与能源结构调整带来了巨大压力。浅层地热能的开发主要是利用地源热泵技术提取热（冷）供建筑物供暖与制冷,提取“面广量大”的浅层地热能与热泵技术结合,用1份清洁的电能,搬运获得3份以上热能为建筑物供暖,比传统的中央空调省电约40%,不仅节省煤炭或天然气等高品位能源,而且提高供暖清洁化水平,改善空气环境质量。根据对国、内外土壤源型和地下水源型这两种传统的浅层地热能采集方法优缺点的总结分析,本着吸收各自的优点,摒弃其缺点的原则,本文提出了一种具有完全自主知识产权的新一代浅层地热能采集方法,即具有国际领先水平的单井循环换热浅层地热能采集系统,解决了制约浅层地热能开发中存在的地下水回灌困难、供热效率低、占地面积大与损耗、污染地下水等世界性难题,并且根据工程场地不同的水文地质条件,研发了三种不同的单井循环换热浅层地热能采集模式,即无传热回填颗粒型单井循环换热浅层地热能采集系统、有传热回填颗粒型单井循环换热采集系统、多含水层条件下的单井循环换热浅层地热能分层采集系统,总结分析了三种不同单井循环换热地热能采集模式的原理与特点;另外,针对单井循环换热地热能采集系统中的单井兼具抽水功能和回灌功能,在这种情况下,裘布依Dupuit公式和泰斯Theis并不能准确的用来描述承压含水层中地下水既有抽水功能又有回灌功能的单体集水建筑物的运动,本文建立了具有抽水、回灌双功能的单井循环地热采集系统地下水渗流场数学模型,通过叠加原理求解数学模型,推导出了地下水向既有抽水功能又有回灌功能的单体集水建筑物的运动方程,并在实际工程中应用;据此,建立了单井循环换热浅层地热能采集系统渗流场和温度场剖面二维耦合数值模型,并利用该模型对海淀区中关村三小万柳校区实例工程进行了数值仿真模拟分析,研究了采集系统长时间运行条件下抽水区和回灌区地下水温度变化趋势、地下温度场变化及系统COP的变化规律,并对单井循环换热地热采集系统实际工程情况进行评价;最后,建立了单井循环换热浅层地热能采集群井渗流场和温度场三维耦合仿真数值模型,根据实例工程井群的长期观测数据模拟了该采集系统渗流场与温度场的变化规律,并在此基础上,分别模拟分析了在不同抽水流量、全年冬季运行夏季停运、全年夏季运行冬季停运、不同地下水含水层渗透系数这四种工况条件下,采集系统温度场与渗透场的演化趋势,最后对整个井群采集系统的换热效果进行了评价。主要研究内容如下:（1）创新性地提出了一种具有完全自主知识产权的新一代浅层地热能采集方法,即单井循环换热浅层地热能采集方法,并且根据开发场地的不同水文地质条件,研发了三种不同模式的单井循环浅层地热能采集系统。针对国内外传统的地下水源型浅层地热能采集系统效率高、但存在地下水回灌困难等缺点,以及土壤源型浅层地热能采集系统虽然不损耗地下水资源,但其存在热量采集效率低、占地面积大等缺点,本论文充分吸收了两种传统浅层地热能采集系统的优点,摒弃了其缺点,发明了一种具有完全自主知识产权的新一代浅层地热能采集方法和成套技术,即单井循环换热浅层地热能采集系统,解决了目前国内外制约浅层地热能开发的地下水回灌困难、热采集效率低、占地面积大等世界性难题,并且根据开发场地的不同水文地质条件,研发了三种不同模式的单井循环换热浅层地热能采集系统,即无传热回填颗粒型单井循环换热浅层地热能采集系统、有传热回填颗粒型单井循环换热浅层地热能采集系统、多含水层条件下的单井循环换热浅层地热能分层采集系统。（2）水文地质学经典的裘布依Dupuit公式和泰斯Theis公式在一定假设条件下,分别解决了在稳定流和非稳定流状态下地下水向具有单一功能（或抽水功能或回灌功能）的集水建筑物运动的问题。但他们无法刻画含水层中地下水向既有抽水功能又有回灌功能的单体集水建筑物运动的规律,无法解决地下水向同时具有抽、灌双功能的单体集水建筑物运动的渗流场评价预测难题。本文运用叠加原理,首次建立了单井循环换热地热能采集系统的地下水渗流场物理概念模型和数学模型,推导了地下水向同时具有抽、灌双功能的单体集水建筑物的运动方程,解析求解了单体集水建筑物周围地下水降深的理论解。这个问题的研究和解决对深入刻画单井循环换热地热能采集系统的地下水运动规律具有重要的理论意义和实用价值。本文结合实际工程设计了含水层厚度分别为60m和100m的两组方案,分析了不同含水层厚度对单井循环系统地下水降深的影响。从单井循环地下水降深等值线图中可看出:单井循环系统的下半部分抽水段,由于抽水导致水头变小,在抽水段距离井轴的距离越远,地下水的降深也越小,在单井循环换热浅层地热能采集系统的回灌段,由于回灌水引起该段的水头增加,且距离井轴的距离越远,地下水降深的绝对值越小。因此,随着含水层厚度的减小,抽回灌所引起的降深绝对值逐渐增大。这一成果对深入了解单井循环换热浅层地热能采集系统地下水运动的一般规律具有重要的意义,对实际工程有一定的指导性。（3）建立了单井循环换热浅层地热能采集系统渗流场与温度场二维耦合数值仿真模型,依托实例工程的监测数据,模拟了单井循环换热浅层地热能采集系统中单口采集井渗流场与温度场采集变化规律,分析了采集系统长时间运行条件下抽水区和回灌区的渗流场和温度场变化规律与趋势、地下温度场变化及系统COP的变化规律,并对单井循环换热地热采集系统实际工程情况进行评价。得出实际工程运行状态良好,COP值在3-4之间浮动,系统效率处在较稳定状态。同时将实际工程利用Solidworks进行1:1建模,利用ANSYS ICEM进行网格划分,最后利用FLIUET进行求解得出单井循环地热采集系统地下流场和温度场云图。流场云图对比分析得出随着回灌时间的累计,回灌量的增加,但由于含水层多孔介质渗流速度较慢,造成回灌量不能满足回灌水量,形成回灌困难现象。温度场云图对比分析得出随着运行时间累计,含水层中热传导,热对流及热弥散现象的发生,抽水区抽水温度很快将会被回灌温度影响,形成热贯通现象造成系统效率下降。同时分析流场及温度场云图得到实际工程流场和温度场一般规律,既清晰展现了形成热贯通的趋势,对系统效率影响的过程,同时验证了此工程运行情况良好。这一成果对于减缓单井循环地下换热系统实际工程效率降低有着重要意义和一定的指导性。（4）通过对实例工程场地地质、水文地质条件进行分析,分别建立了单井循环换热浅层地热能采集井群系统的水文地质物理概化模型,并利用数值仿真模拟计算建立了单井循环换热浅层地热能采集群井渗流场和温度场三维耦合仿真数值模型,通过数值反演方法进行了参数识别确定,根据实例工程井群的长期观测数据模拟了该采集系统渗流场与温度场的变化规律;并在此基础上,分别模拟分析了在不同抽水流量、全年冬季运行夏季停运、全年夏季运行冬季停运,不同地下水含水层渗透系数这四种工况条件下,采集系统温度场与渗透场的演化趋势;最后对整个井群采集系统的换热效果进行了评价。以上研究对于提高单井循环换热浅层地热能采集系统节能增效和提高采集系统运行服务年限具有重要的指导与参考价值。