随着国民经济的发展,对能源的需求量越来越大,环境问题也随之凸显。节能与环保成为社会文明进步与可持续发展的重要主题。空气源热泵热水器以其节能、高效等特点受到了人们的青睐,被誉为“第四代热水器”。但是,在低温环境下空气源热泵存在的压缩机频繁启停、排气温度过高、产热量低等问题限制了其进一步的推广。针对空气源热泵在低温环境下运行存在的问题,分析了国内外学者的研究现状,提出一种既可按单级模式运行又可按复叠式模式运行的双模式空气源热泵热水系统。基于制冷循环理论分析单级运行模式下分别以R507A和R134a为制冷工质时热泵系统在理想工况下的制热性能。结果表明,空气源热泵系统以单级模式运行时,采用R134a为循环工质相较于R507A热泵系统具有更高的制热系数且系统可在更低的冷凝压力下运行。运用制冷原理、传热学、工程热力学等学科知识并结合相关的经验公式建立了压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、冷凝蒸发器的数学模型,分别对该系统以单级运行模式和复叠式运行模式工况进行了模拟。根据模拟结果表明,在低温环境下复叠式热泵系统的制热系数要高于单级热泵系统,随着环境的温度的升高,单级热泵系统制热系数上升速率要比复叠式热泵系统要快。以系统运行最大COP为目标,在冷凝温度为60℃时,单级模式和复叠式运行模式的最佳切换蒸发温度为7℃。通过实验分析了热泵系统在全年运行时分别在单级运行模式和复叠式运行模式下外界环境温度和出水温度变化时机组的运行特性,得出了机组制热量、耗功、质量流量、吸排气压力、排气温度、压比等参数的变化规律。将模拟结果和实验结果进行对比分析,模拟结果和实验结果有较好的一致性。结合湘潭地区的气候特征,根据实验结果计算出热泵系统在出水温度为55℃时,系统全年综合能效比为3.56。将该空气源热泵和市场上常见的燃气热水器、太阳能热水器、电热水器进行对比,以住户一天用水量为240L为基准,全年运行时可分别减少年二氧化碳排放量426.62 kg、417.67 kg、2702.24 kg,年运行费用分别降低了29.8%、46.9%、75.4%。