相对于其它各类热泵,空气源热泵利用可再生能源(室外大气)作为热源,设计和安装简单。利用空气源热泵进行建筑供暖是具有发展前景的可持续供暖方式,对于促进建筑节能、缓解燃煤污染带来的环境问题有重要意义。双级压缩技术用于空气源热泵系统可以拓宽空气源热泵应用范围,提升其性能。与制冷系统不同,建筑供暖用途的空气源热泵系统在运行过程中蒸发温度变化范围大、冷凝温度高,将双级压缩技术用于空气源热泵并实现最大程度节能,需要从机理上解决涉及双级压缩系统循环形式、中间压力和压缩机气缸容积配比的关键问题。首先,建立了常用八种双级压缩循环的一般稳态仿真模型,给出了通用求解方法;模型中压缩机容积效率和电效率均考虑压缩机运行频率的影响,使得该模型可以用于变工况及变容量的运行分析;利用实验室中双级压缩热泵系统实验台测试数据验证了该模型的可靠性,表明仿真模型能够很好反映系统制热量、制热性能系数和中间压力等关键参数的变化;以采用R410A作为制冷剂的系统为例进行了计算,结果表明所建立的仿真模型可用于不同循环之间的性能对比及参数分析。其次,基于稳态模型和数值优化的方法首先分析了级间结构的级间过冷和级间排气降温两个作用对系统性能系数的影响。指出对于现有的制冷剂,级间过冷作用总是促进性能系数(COP)提高,且制冷剂气体摩尔定压热容(选取参数Cp,m0进行对比)越大,级间过冷作用对COP提升越明显;级间排气降温作用在Cp,m0小于60J/(mol·K)时能改善循环COP,而在Cp,m0大于70J/(mol·K)时会降低COP。接着针对中国寒冷地区热泵供暖用途,对现有制冷剂进行了筛选,指出综合考虑环保、安全、价格等因素,理想的制冷剂是不存在的,如果仅考虑COP和单位容积制冷量,R717、R152a、R161的性能较为突出,其次是R290、R1270、R1234yf、R32、R143a和R410A等。最后进一步提出按照Cp,m0取60～70 J/(mol·K)作为分界线进行循环选择的原则,并针对所筛选的制冷剂给出循环选择的建议。再次,研究了影响最优中间压力的主要参数,并进一步给出更为准确的最优中间压力估算方法。结果表明,对于理想压缩机循环,除了蒸发及冷凝参数外,级间过冷参数是影响最优中间压力的重要因素;对于实际压缩机循环,除了蒸发、冷凝及级间过冷参数外,两个压缩机各自的电效率也是影响最优中间压力的重要因素;相对于理想压缩机循环,实际压缩机循环的最优中间压力总是偏向使效率较高的压缩机承担更多理论比功的趋势,这使得实际压缩机循环的最优中间压力将在蒸发及冷凝压力之间以较大的范围变动;所提出的六个无量纲参数(ε、ηεl,H、ηel,L、pc,r、pe,r和θ)代表了影响各种制冷剂循环最优中间压力的主要影响因素,以这六个参数作为网络输入建立权值和阈值与制冷剂无关的双隐层BP神经网络模型,可用于快速确定不同制冷剂循环的设计最优中间压力以及不同制冷剂循环之间的COP对比;针对双级压缩空气源热泵供暖用途所筛选出的制冷剂循环,相关的神经网络模型预测最优中间压力和最优COP的误差分别在土5%和±2.5%以内。最后,建立了双级压缩空气源热泵供暖系统设计和运行相结合的两步优化方法,用于确定两个压缩机的最优气缸容积比。针对一个采用过冷器的变频双级压缩空气源热泵机组,建立了以翅片管作为空气侧换热器、可单双级切换的双级压缩空气源热泵系统仿真模型,并建立了在设计工况下制热COP最高以及运行工况下满足制热量要求和运行能耗最低为优化目标的两步优化方法,依据机组在整个供暖季的平均制热性能系数(SCOP)最高来选择两个压缩机的气缸容积。基于优化问题和仿真模型,以中国北方地区八个典型城市为代表,分析了不同室外设计选型温度下设计的机组在整个供暖季运行的SCOP。结果表明,对于所研究的供暖系统,同时满足这些城市气象条件下能耗较低的气缸容积比在2.0到2.1之间,对应机组设计工况下的室外环境温度为-3℃到-8℃之间;所建立的双级压缩空气源热泵系统在整个供暖季的SCOP最优值,对应于八个典型城市的最低和最高分别为2.55和2.80,考虑风机、水泵的功耗以及结霜修正后为2.19和2.40,与现有的各种供暖方式的能耗相比,分别介于区域燃气锅炉和小规模热电联产供热方式之间、小规模热电联产和分户燃气炉供热方式之间。