2009年哥本哈根全球气候大会上，中国向世界承诺到2020年前，碳排放强度将比2005年减少40%至45%。我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家，节能减排责任重大。在我国，船舶长期以来一直是能耗和排放“大户”,其中船舶空调能耗占船舶总能耗的比例较大。如何实现船舶空调的节能增效，降低空调能耗已成为船舶节能减排的一个重要研究方向。热泵技术的应用是船舶节能减排的一种有效方式。本文以某散货船为研究对象，针对其全年空调冷热负荷，提出适用于寒冷海域的船舶双级耦合热泵空调系统形式。建立了蒸发器和冷凝器的分布参数模型，以及压缩机和膨胀阀的数学模型，运用顺序模块法，根据质量、能量守恒，建立双级耦合热泵系统的数学模型，编制了仿真程序。利用仿真程序对一级热泵、二级热泵及双级耦合热泵的稳态特性进行了模拟分析，确定了不同设计负荷下，双级耦合热泵系统中一、二级侧机组设计容量的合理匹配。最后利用层次分析法从经济、能源和环境等几方面对船用双级耦合热泵系统的应用进行了综合评价。研究结果表明，双级耦合热泵系统在船舶上的应用有效改善了单级海水源热泵在低温海水条件下的供暖特性，解决了传统单级热泵机组在低温环境中供热量无法满足正常运行要求的问题。影响双级耦合热泵系统的性能因素主要有海水温度、末端环路水温和中间环路水温。双级耦合热泵系统可以单、双级两种模式运行，具有良好的负荷适应能力，有效提高了机组的能效比，减少了冷热源消耗能源所产生的污染物，对环境影响较小。双级耦合热泵的性能分析与综合评价，对扩大单级热泵的工作温度区间，促进热泵在船舶空调系统中的推广和应用提供了理论参考，对船舶空调的节能减排具有指导意义。