近几年来，空气源热泵备受关注和市场欢迎。但有几个因素显著影响空气源热泵的性能：第一，在环境温度较低的工况下，空气源热泵的性能显著降低；第二，制热过程中的结霜问题严重影响能效和可靠性。为解决上述问题，近年许多研究人员和工程技术人员在空气源热泵技术改进方面投入了大量的精力。
1、多级压缩技术
变频压缩技术是提高空气源热泵供热能力的有效方法之一。在低温工况下，提高压缩机转速，可以显著增加其排气量，从而提高空气源热泵的供热能力。然而，变频技术并不能提高系统能效。为了同时提高供热能力和低温下的能效，研发了多级压缩技术。
根据压缩级数和循环结构的不同，多级压缩空气源热泵可分为复叠循环和双/多级压缩等。特别地，为了提高单级压缩系统在低环境温度下的供热能力，可以在压缩过程中直接向压缩腔喷入制冷剂，这就是所谓的准双级压缩。由于准双级压缩循环具备双级压缩循环的特点，故本文将纳入双级压缩循环的范围一并介绍。
1、复叠式空气源热泵
由于环境温度低，导致系统压比高，压缩功大，节流损失大，最终导致热泵能效低。为了减少损失、提高效率，复叠式空气源热泵系统采用两个蒸气压缩循环相串联来代替单一的循环，以减小单级循环的压缩比。
如下图所示，复叠系统由两个独立的蒸气压缩循环组成，其一为低温级循环，另一个为高温级循环。这两个循环通过一个共用的中间换热器相连接，该换热器同时作为低温循环的冷凝器和高温循环的蒸发器运行。冬季，低温循环通过蒸发器从环境空气中吸收热量，并将热量提升到更高的温度，作为热源提供给高温循环；在高温循环中，热量再次被提升至室内供暖所需的温度。
采用复叠式空气源热泵，循环的压比大大降低，减少了总压缩损失和节流损失，因而可以提高空气源热泵的能效；并且，根据不同的工况，复叠式循环的高、低温级可采用不同的制冷剂。由于复叠式系统可采用两个简单的单级系统来实现，故已经有多年被用于供暖和供应热水的应用。然而，复叠循环中间换热器的换热温差不可避免地会导致一定的效率损失；并且，复叠循环需要使用两台压缩机和一个额外的换热器，这与单级循环相比成本更高。
2、双级压缩空气源热泵
双级压缩空气源热泵将两个制冷循环连接在一起，可以看作是复叠式系统的简化形式。如下图所示，根据所采用经济器的不同，可以将双级压缩空气源热泵分为两类：闪蒸罐（FT）系统[5]和中间换热器（IHX）系统。
对于闪蒸罐系统，离开室内冷凝器的液体制冷剂被节流成两相后进入闪发罐，两相制冷剂在闪发罐中被分离为饱和气体和饱和液体；饱和气体制冷剂与低压级压缩机的制冷剂排气混合后，被高压级压缩机再次压缩，饱和液体经第二膨胀阀节流后，进入室外蒸发器蒸发为气体，而后进入低压级压缩机，之后与闪发罐的中压气体混合。
对于中间换热器系统，冷凝器出口的液体制冷剂直接分成主流、支流两路。支流制冷剂被节流到中压后进入中间换热器，低温制冷剂将主流制冷剂冷却到过冷状态，支流制冷剂吸热变为饱和气或过热状态，并与低压级压缩机的排气混合，之后进入高压级压缩机进一步压缩。中间换热器主流出口处的过冷制冷剂被节流后，通过蒸发器，最终回到低压级压缩机，被压缩至中压后与支流制冷剂混合。
3、准双级压缩空气源热泵
如下图所示，准双级压缩空气源热泵（也称为补气系统）与双级压缩系统非常相似。不同点在于，准双级压缩系统中采用一个带有中间补气口的压缩机代替两个串联压缩机。在准双级压缩中，来自闪发罐或中间换热器制冷剂被注入压缩机的压缩腔内，而非两台压缩机中间。
因此，准双级热泵可被看作双级热泵的简化形式，采用专门设计的补气压缩机来代替两台压缩机，从而避免了两台压缩机之间的均油难题，同时降低了系统成本。更重要的是，通过关闭补气支路上的阀门，准两级系统可以灵活转换为单级循环模式，从而在冬、夏季优化准双级热泵的性能。为此，近年来，准双级压缩技术在低温热泵中得到了广泛的应用。
2、制冷剂替代
目前，R22和R410A是空气源热泵系统最常用的制冷剂，其主要替代物为R290、R32、R744、R161以及一些HFC混合制冷剂。然而，除R744外，所有的中低GWP制冷剂都具有一定可燃性，考虑到充注量和其它特殊要求，其应用必须符合相关的安全标准或规定。
就纯工质替代物而言，R290的运行压力和容量与R22相近，且能效比高于R22，但由于其易燃性，主要适用于小充注量系统。已有生产商展出了使用R290的分体式空调器。R32的运行压力和容量接近R410A，且能效也与R410A相当，甚至略高于R410A。
目前，R32适用于市场上各类空调设备，多个国家和地区将其用于分体机，如日本、中国、韩国和欧洲，也有生产商将R32用于其他类型的系统，如多联机。R744在供暖和供冷领域的应用受到限制，由于其在制冷模式下能效比，尤其是在外温较高时。然而，R744跨临界循环在高温热水方面具有显著优势。
除纯工质外，也有许多空气源热泵专用的混合制冷剂，其主要由两种或多种
R32、R125、R134a、R152a、R161、R1234yf、R1234ze、R600a、R1270和R290等纯工质混合构成。某些混合工质已被命名为专有编号，如R444B、R446A和R447A等，而其他大量混合工质仍在持续开发。这些混合工质往往具有与R22或R410A相近的运行压力和容量，GWP在150~1000之间，可燃性多为1级（高GWP工质）或2L级（中GWP工质）。目前，大部分的混合工质还未被量产，相关的技术数据仍未公开。