空气源热泵广泛应用于建筑采暖等领域,具有环保、节能和舒适等优势,但传统的单级压缩空气源热泵因环境温度适应性差而难以向寒冷及严寒建筑气候区推广应用。近些年国内外学者在其低温适应性方面做了诸多研究,研究方向主要有双级压缩热泵系统与复叠热泵系统。本文打破复叠压缩系统中高低温制冷剂相互独立的惯性设计思维限制,提出一种适用于低温环境多模式复叠空气源热泵机组(MSC-ASHP),该系统通过四通换向阀与电磁阀的开关转换可实现多种模式之间的切换运行。夏季,系统按单级制冷(SRC)模式运行,将室内热量转移至室外;冬季,室外温度相对较高时,按单级制热(SHC)模式运行;室外温度相对较低时,按复叠制热(CHC)模式运行。通过对比各种制冷剂性质,分析不同的高低温级压缩机配置形式,选取了一种采用单一工质R410A,高温循环使用定速压缩机,低温循环使用变速压缩机MSC-ASHP系统作为本文的研究对象。基于前人研究成果,建立了MSC-ASHP系统的数学模型,搭建MSC-ASHP系统实验台,首先对系统模型进行了验证,之后通过系统模型与实验台,对此系统在两种不同制热模式运行时的压缩比、排气温度、制热量与系统能效比(COP)进行了模拟计算与实验研究,结果表明:低温环境下,CHC模式压缩比和排气温度远低于SHC模式;在冷凝温度46℃,蒸发温度-35℃工况下,CHC模式制热效率高于1.8,压缩机排气温度低于120℃,系统可以稳定可靠运行;此外,CHC模式下通过提高低温压缩机转速的方式可以持续提高系统制热量,满足低温环境下的供暖需求;最后,对比了两种制热模式在不同蒸发温度下的制热量与制热系数,提出了针对制热量与制热系数为控制目标以两个蒸发温度为判断条件的SHC与CHC模式切换的控制策略。本研究提出了一个满足用户全年供冷与供热需求多模式且具有变流量特性的直接输出热风型复叠空气源热泵系统设计方案,不仅丰富了低温空气源热泵产品,提高设备利用率,而且拓展了空气源热泵的运行周期及应用地域。