空氣源熱泵空調機組具有夏季制冷、冬季制熱的雙重功能,因而受到越來越多用戶的青睞。然而,其應用也受到一定的限制。在某些地方冬季運行時,由于室外空氣溫度較低,蒸發器表面容易結霜,影響其正常供熱隨著室外空氣溫度的降低,房間熱負荷增大,但空調機組供熱能力卻逐漸減少,滿足不了用戶的使用要求。因此,提高空氣源熱泵在低溫環境下的制熱能力,已成為近年來非常重視的研究課題。
空氣源熱泵應用于寒冷地區冬季制熱時，系統制熱量隨著室外溫度的降低迅速下降。同時，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機壓力比迅速升高，導致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應性，主要應從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統工質循環量、控制機組排氣溫度、優化機組壓縮機內部的工作過程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。通常在同一個低溫空氣源熱泵系統中綜合了多個解決途徑。
1.單級低溫熱泵系統
在室外溫度為-30℃，冷凝溫度為60℃的工況下，采用專為低溫制冷設計的壓縮機的單級熱泵系統仍然可以穩定運行。這種壓縮機主要采用R507、R404為工質，在大壓縮比下仍可穩定運行，不會因過熱而停機。但是相對其他低溫熱泵系統來說，它的COP相對較低。同時，由于壓縮機專為低蒸發壓力工況設計，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著室外溫度的升高，系統的制熱量逐漸增加，但是室內采暖熱負荷減小，這使得熱泵系統運行時間短，從而降低系統運行效率。單級低溫熱泵系統可以綜合變頻技術、并聯壓縮機或可替換壓縮機方式、蓄熱系統，但是這樣會增加單級系統的投資，從而丟掉了其最大的優點——低廉的安裝費用。
2.帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統
在壓縮過程中使用在排氣管路中分離出的大量的油來降低制冷劑溫度是另一種降低排氣溫度的方法。冷卻過程發生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機油路進口。較低的排氣溫度使得壓縮機輸入功率減小，同時系統在較低的吸氣壓力下進行。但是油的溫度高于蒸發溫度，因而增加了系統過熱度，從而增加壓縮機功耗，同時降低了系統COP。總之，如果系統設計合理，在不用過多增加安裝費用的情況下可以提高系統的運行效率并且可以在較低室外溫度下穩定運行。
3.帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統
帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統主要是應用于蒸發溫和冷凝溫度相差較大的工況，并且在室外氣溫較高時可以單獨使用一個壓縮機，從而減少制熱量。通過兩級壓縮之間對制冷劑的冷卻，第二級壓縮后的排氣溫度明顯降低，這使得空氣源熱泵運行的溫度適應性大大提高。但是由于中間冷卻器是由循環熱水來進行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級壓縮機的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態，這樣會使得系統運行不能達到最佳COP。
4.帶經濟器的二級壓縮熱泵系統
帶經濟器的二級壓縮熱泵系統,在帶經濟器的二級壓縮熱泵系統高壓級壓縮機吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級壓縮機排出的高溫氣態制冷劑相混合。這樣壓縮機排氣溫度過高現象得以解決，同時，由于經濟器中的換熱，使得從冷凝器出來的制冷劑在進入膨脹閥之前過冷，從而提高系統的COP。
但是該系統要準確控制好進入高壓級壓縮機制冷劑狀態。帶經濟器的二級壓縮熱泵系統相對于其他低溫熱泵系統有較高的運行效率。但是它的安裝費用較高，在逆運行除霜及空調用方面有一定的局限性。
5.帶經濟器的準二級壓縮熱泵系統在80年代中期國內學者提出了帶經濟器的準二級壓縮熱泵系統，并在螺桿機組中得到成功應用。經研究，在-30℃工況下，該系統完全可以取代雙級壓縮系統。但是螺桿機組容量一般較大，同時其相對于雙級壓縮系統的優點隨蒸發溫度的上升而不明顯，長期以來它的研究僅僅局限于低溫制熱情況。
帶輔助進氣口的渦旋壓縮機實現帶經濟器的準二級壓縮空氣源熱泵于2000年被提出，用來提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經濟器系統分為過冷器系統和閃發器系統。帶過冷器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統結構簡單，無需對常規系統進行很大改造。在較低環境溫度時能夠穩定運行，且制熱量能夠滿足冬季采暖熱負荷。通過啟閉補氣回路的截止閥來實現準二級壓縮模式與單級壓縮模式之間的轉換，使系統在正常制熱/制冷及低溫制熱工況下的經濟性得到較好兼顧。
通過理論與實驗數據的分析比較得出：在低溫工況下，閃發器前節流系統比過冷器系統更能有效地提高空氣源熱泵的低溫制熱性能，同時由于其結構簡單，成為寒冷地區用小型空氣源熱泵的較佳選擇。
6.雙級耦合熱泵系統
雙級耦合熱泵系統由一級側循環（空氣—水熱泵機組）和二級側循環（水—水熱泵機組）通過中間水環路耦合在一起。該系統可根據室外氣溫進行單、雙級交替運行，使其可以很好地適應室內負荷波動。在雙級工況下，一級側循環運行條件和供暖特性均得以有效改善，且中間水環路不存在回灌等技術難題。因此雙級耦合熱泵系統也是一種適用于寒冷地區的新型供暖系統。
對于各種系統，其不足之處可采用變頻技術、輔助加熱器系統、復疊式蒸汽壓縮系統、單級循環與復疊循環相結合的空氣源熱泵。在室外氣溫很低條件下,按復疊循環方式制熱仍能達到壓縮比小,排氣溫度低,制熱量高要求。在低溫條件下,以復疊循環方式運行比單級運行的能量利用效率更高。熱泵在在最佳節能控制條件下運行可實現最大限度節能。
新型熱泵不但能滿足在正常工況下用戶對冷熱的要求,而且還能滿足夏季酷熱冬季嚴寒條件下對冷熱要求,能實現在環境溫度為40℃～-30℃范圍內對冷熱的要求,溫度適用范圍寬,工作性能穩定,控制調節簡單方便能夠隨環境溫度的變化,使系統COP值總趨于較大值,系統總是朝最有利于節能的趨勢工作。對解決我國北方寒冷地區的低溫適用和節能等問題具有重要指導意義。