一种分级空气处理系统，该系统包括N级处理单元，前N‑1级处理单元中每级均包括一拖二热泵单元和空气‑载冷剂换热器模块；一拖二热泵单元包括压缩机、四通换向阀、两个电子膨胀阀和两个间壁式换热器，通过分支管路连接形成一个制冷/热回路；最后1级处理单元包括一带一热泵单元和空气‑载冷剂换热器模块。自然能源采集装置通过水泵与第1级处理单元相连接；从第1级之后，相邻两级处理单元之间通过间壁式换热器依次连接，空气在处理单元中从第1级至最后1级被梯级处理。该系统基于负荷分级思想，将负荷按一定温差进行分级，夏季多组热泵单元从第1至N级温度依次降低，冬季多组热泵单元从第1至N级温度依次升高，从而有效提高了系统的整体能效。