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空气源热泵广泛应用于供暖领域,在寒冷地区,为稳定持续供热,低温供热的热泵机组多采用多级压缩循环,其中复叠循环具有结构简单,低温循环性能好等特点,具有良好的低温应用前景,但是在中高温环境中,复叠循环的性能优势下降,如何提高复叠热泵在多工况条件下的运行性能是本课题的研究目的。本课题首先通过筛选R410A作为循环的单一工质,通过热力学计算方法得出对于单一工质,在工况稳定时,存在一个最优中间压力,使得复叠循环的制热性能较好。以该中间压力为控制目标,高低温压缩机的排量为控制变量,基于已有的研究结果,对单级与复叠两种循环建立模型,以变低温级频率研究单级循环的性能,变高温级频率同时变低温级频率调节中间压力研究复叠循环性能,将模拟仿真与实验研究相结合,对复叠热泵进行制热性能研究并与单级循环在排气温度、COP、制热量三个方面进行对比。实验中高低温级压缩机采用变容量压缩机,实验冷凝端采用液体载冷剂法测制热量,蒸发端采用热平衡法平衡制冷量,实验结论如下:（1）蒸发温度从-35℃增长至-5℃时,冷凝器两侧出口温差从10.19℃降至6.5℃。当蒸发温度为-35℃时,高温级压缩机频率从90Hz以15Hz的增幅增加至210Hz时,两侧温差从5.29℃逐渐增长至8.52℃,实验工况下,单级及复叠循环的最高排气温度分别为98.36℃和91.42℃,排气温度均未超过120℃安全值。（2）冷凝器进水温度35℃,蒸发温度-35℃,复叠制热最大达8.74 k W,-5℃时最大达19.34k W,进水温度增加至40℃时,复叠循环制热量平均减少1.10k W;单级循环平均减少1.63 k W,制热量平均下降幅度为16.2%,在35℃进水温度下,两种循环相同的工况下,复叠热泵的制热量分别高于单级循环3.55 k W,3.86 k W,3.89 k W。（3）复叠循环与单级循环均存在最佳COP值,蒸发温度越高,冷凝温度越低,最佳压缩机频率越低,进水温度为35℃时,-35℃蒸发温度下,复叠循环COP值最优达2.25,-5℃达3.47,单级循环COP在-15℃最大值为2.11,-5℃最优达2.48。综上所述,复叠与单级热泵均存在最优工作状态,通过调节压缩机的容量可以有效提高热泵系统的COP值和制热量,通过控制中间压力可以在变工况条件下优化复叠循环制热量、COP值,不仅使得复叠循环在低温环境能够高效稳定供热,而且在中高温环境中对比单级循环仍有一定优势,有效提高了复叠热泵的综合制热性能。