空气源热泵作为北方清洁供暖项目“煤改电”方案中较为适宜的方式,具有高效节能、安装灵活和成本低等特点,然而在气温较低的寒冷地区仍存在压比大、结霜和排气温度过高等问题,导致制热性能衰减严重。对此,领域内众多学者提出了相关改善方案,其中双级压缩中间喷射技术是改善空气源热泵低温性能的有效解决措施。对该技术地深入研究,可进一步提高热泵装置的低温适应性能,拓展其应用范围。因此,本文基于实验测试与仿真模拟,对系统的变工况性能、级间参数的耦合关系和参数优化等关键问题进行分析;且构建了一种级间泄出除霜的理论循环,对泄出过程的影响展开相关研究。首先,建立了具有过冷器结构的双级压缩一般稳态模型,该模型考虑压缩机运行频率与容积效率和电效率的关系,可用于中间喷射和泄出的变容量及变工况分析;同时基于转子式压缩机的几何特点,将两台压缩机的运行模式划分为8种耦合过程,构建了反映压缩机动态压缩过程的双级压缩动态耦合模型。最后,利用搭建的R410A双级压缩热泵测试平台对两种系统仿真方式进行了验证。其次,通过模拟计算与实验测试的方法,研究了喷射比与容量比对系统各参数的影响,结果显示:随着喷射比的增加,中间压力先迅速增大而后趋于稳定,系统制热量与COP均具有先升高后略微降低的变化规律,且低高压级压缩机容量比越大最优喷射比越小。此外,对于泄出过程的理论分析发现,随着泄出比的增大,中间压力与中间温度接近于线性降低,同时系统制热量与COP显著降低;当泄出比增加到0.3,系统制热量和COP较无泄出过程分别降低约27%与17%。再次,基于动态耦合模型中泄出量对于压缩过程的热力学分析,揭示出压缩过程具有不连续性,并按照不同的多变指数进行。此外,利用稳态模型分析了级间过冷参数（SC）与排气降温参数（SH）对系统各参数的影响,SC与SH随着喷射比的增大,呈现出“平行四边形”变化规律;SC与中间压力呈正相关的变化关系,而SH值却对COP和制热量的变化并不敏感,最大COP必然出现在SC较大和SH较小的位置。最后,依据级间参数对于COP的影响规律,建立了最优中间压力与最优气缸容量比的方程,指出寒冷地区主要城市的气缸容量比设计值在1.96～2.85之间;此外,以北京市气象参数对空气源热泵机组进行优化,考虑到气缸容量的初始设计、级间喷射、泄出除霜和变频运行等因数,优化后该机组的供暖季能效比SCOP为2.75,相比于集中供热的一次能源消耗量降低了21.9%,污染物及CO2排放量降低了22%,且年费用均低于市热力集团大网和燃气锅炉。结果表明本研究系统优化整合后在寒冷地区具有极大的应用潜能。