本发明公开了一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法，属于热泵空调技术领域。所述系统主要包括：压缩机、四通阀、室外换热器、流向切换装置、组分调控装置、储液回热器、系统膨胀阀、室内换热器、三通阀及相应连管。通过增设组分分离罐、系统储液回热罐及相应连管和阀门，可实现准二级压缩、喷液和系统工质浓度调节等多项功能。该热泵系统通过非共沸工质、补气、喷射和组分浓度调节技术的综合应用，能提高热泵在低温工况的制热量和COP，提高热泵装置的季节能效水平，并有效控制压缩机低温工况的排气温度。