空气介质逆布雷顿热泵系统基于逆布雷顿(reverse Brayton)循环,采用空气作为制冷剂,不仅缓解了传统制冷剂破坏环境以及导致全球变暖的问题,也解决了传统的空气源热泵制热量和热负荷供需不平衡以及在低温热源下难以稳定供热的问题。但市场上缺少现成的适用于空气介质的高效小型膨胀机,且压缩机和膨胀机之间容量配比和能量传递方式等关键问题也尚待解决。因此本文基于传统回热式空气逆布雷顿热泵系统,采用涡轮增压器替代膨胀机和压缩机(无需考虑额外的连接),利用鼓风机作为驱动设备,从理论和实验两个方面研究了这种新型的热泵系统,为拓宽其应用范围奠定一定的基础。首先,提出并建立了一种鼓风机驱动的带有涡轮增压器的空气逆布雷顿热泵系统及相应的仿真模型。模拟结果表明带有涡轮增压器的空气逆布雷顿热泵可以保证在环境温度低至-40℃/-20℃时提供62℃/70℃温度的热水;制热量随着环境温度(热源温度)降低而略有增加,一定程度地解决了目前传统空气源热泵在低温热源下无法生产较高的热汇温度以及供热量与热负荷不平衡的问题。可实现逆布莱顿循环从理论到供暖实践的跨越,将空气源热泵拓展到更低温的应用场合。其次,针对前面提出的这种空气逆布雷顿热泵系统,建立了 6种适用于不同供热条件和需求的系统循环形式,研究了制热COP随涡轮机压比的变化规律。结合热力学状态图和一定熵增范围内压力线近似平行的假设推导出各循环制热COP与涡轮机压比之间的解析表达式,发现各循环达到最优COP后继续提高压比对系统性能没有改善作用。综合考虑制热性能和适用性两个方面,筛选出较优的循环结构,并针对该结构推出最优COP和最优涡轮机压比表达式,完成了该系统变工况的性能分析。此外,在理论层面揭示了该系统制热量和热源/热汇温度之间的内在关联,即热源温度的下降和热汇温度的上升更有利于制热量的提高,同时也为搭建这种热泵循环实验台提供必要的依据。再次,设计搭建由鼓风机驱动的带涡轮增压器的空气逆布雷顿热泵实验台,测试并分析了实际单、双风机循环变工况下主要设备的效率以及运行参数的变化规律。结果表明,市场上的涡轮增压器合理运行时需要压气机和涡轮机具有不同流量配比,双风机系统可以满足上述条件因此实际运行性能优于单风机系统。热源及热汇温度对双风机系统性能具有较小的影响,在相同的热源温度变化范围内,热汇温度的提高使得制热COP更加平稳。鼓风机效率是影响COP的重要因素,对其实施了热回收设计可提高COP值26%左右,且功率大的风机贡献较大。此外,对比分析了双风机循环理论和实际热力学过程的偏差,发现空气流经预热器产生49%的系统压力损失;压气机压缩过程中散失约20%-25%的热量,使其出口的熵值降低。因此可以通过采用低阻力预热器,强化系统设备尤其是涡轮增压器的绝热保温(即提高等熵效率)以提升实际运行性能。进一步证实了单/双风机循环的制热量与用户热负荷随着热源温度的降低均具有逐渐增大的趋势,以及涡轮增压器用于空气逆布雷顿热泵是可行的。最后,以居住建筑和交通工具冬季供暖为背景,明确了带有电动涡轮增压器的空气逆布雷顿热泵变工况性能变化规律以及适用条件。选择中国北方四个城市(大连、沈阳、长春、哈尔滨)作为研究对象,模拟了单双风机空气逆布雷顿热泵和低环境温度空气源热泵(R744热泵和R410A准双级热泵)系统一个供暖周期内的日平均COP值。结果表明单风机空气逆布雷顿热泵在哈尔滨地区65℃热水供暖系统的供暖期平均COP可达1.68;双风机系统的制热性能在所有模拟工况下波动均最小,可近似认为该系统性能几乎不受热源和热汇温度的影响。因此,空气逆布雷顿热泵在严寒地区的供暖系统及制取高温热水中更具竞争力。同时对该系统用于纯电动汽车的冬季供暖性能做了预测,并与雪铁龙C-零电动汽车在三个不同城市行驶过程中PTC能耗实测数据进行对比,结果表明该系统最多可节约23%的电量,不但能有效延长汽车的行驶里程而且可实现冬季供暖夏季空调的多种用途。