近年来,随着我国“煤改清洁能源”的推进,准二级压缩空气源热泵在华北等寒冷地区得到了快速应用,取得了良好的节能效果,也促进了空气源热泵从采用定频压缩机到变频压缩机的普及,即准二级变频空气源热泵。然而,当准二级变频空气源热泵应用到温度更低的严寒地区时,因环境温度更低和负荷调节变化而遇到低温适应性、结霜区间变化和除霜速度慢等问题,影响其供暖性能。本文以推动准二级变频空气源热泵在严寒地区的应用为主要目标,采用实验与模拟相结合的方法对上述三个问题进行研究,提升准二级变频空气源热泵在的供暖性能。为实现本课题的研究目标,基于哈尔滨的严寒气候,搭建了准二级变频空气-水热泵和多联式空调（热泵）实验台。针对低温适应性问题,提出了基于室外温度分段调节吸气状态的控制方法,并应用到两个实验台上。基于该控制方法,在环境温度为-28.4～19.1℃时,对两台热泵机组的供暖性能进行了实验研究。当采用基于室外温度分段调节吸气状态的控制方法时,两台热泵机组的低温适应性都得到明显提升,即使在环境温度为-27.5℃,供水温度为50℃的恶劣工况下,压缩比达到11.38时,空气-水热泵机组的排气温度也仅为112.0℃,低于最高允许120.0℃。两台热泵机组在哈尔滨供暖时均能稳定运行,并达到了良好的运行性能,空气-水热泵机组典型气象年的供暖季节性能系数为2.38,略高于多联式空调（热泵）机组的2.34。在进行上述低温性能实验时,发现空气源热泵采用变频调节适应负荷需求对蒸发器表面温度有较大的影响,进而影响结霜条件。为此,对空气-水热泵机组在2017～2019年两个供暖季中的结霜工况进行总结,开发出新的结霜图谱。结果表明,严寒地区变频空气源热泵的结霜图谱有三个明显的特点:结霜临界相对湿度随着室外温度的降低而下降;结霜区域的上下限温度更低;结霜临界相对湿度更高。而且,实验热泵机组在严寒地区的结霜周期整体上均较长（59～462分钟）,但结霜速度最快出现在室外温度为-10℃附近,而非传统认为的0℃。对结霜图谱变化原因分析表明,除上述的变频调节,结霜图谱还受气候区和机组选型容量的影响。为对这两个因素进行研究,建立了空气-水热泵机组的数学模型,对寒冷地区、夏热冬冷地区和不同机组选型容量（90%-150%）的结霜区间进行模拟研究,得到了热泵机组在这两个气候区、不同机组容量下的结霜图谱。结果表明,同一台热泵机组在不同气候区供暖时,结霜区域会发生明显变化,主要体现为供暖室外计算温度越低,结霜临界相对湿度越高,而结霜区域的上下限温度更低;选型容量适当增大可明显减少空气源热泵的结霜周期,且在高湿度地区改善效果更好。为加快准二级变频空气源热泵的除霜速度,利用既有循环结构,提出补气除霜技术,即通过中间补气增大压缩机排气量,从而提高其携带除霜热量的能力。通过理论和实验研究,对该技术的可行性和加速除霜效果进行了验证。结果表明,补气除霜过程中,既有充足的压差将制冷剂补入压缩机,且补气在电子膨胀阀开度合理时具有过热度,不会产生湿压缩。补气可以有效缩短除霜时间,降低除霜能耗和提升除霜效率。电子膨胀阀在最佳开度时,除霜时间缩短20.61%,水中的吸热量和压缩机输入功分别降低8.74%和17.98%,除霜效率提升6.22%。本文的研究成果对提升准二级变频空气源热泵机组在低环境温度下的供暖性能提供了可行的技术方案,为其严寒地区的应用提供了坚实的基础。本论文为国家自然科学基金项目“太阳能辅助空气源热泵对流型相变蓄能系统创新及运行规律研究”（No.51878209）的部分内容。