复层式恒温恒湿试验箱一般具备双层或三层结构，各层为独立试验空间。以常见三层结构为例，箱体整体框架采用高强度钢材打造，确保稳固性。内外箱体间填充聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉等高效保温材料，极大降低层与层之间及箱体与外界的热量交换，这从根本上为各层温湿度的稳定提供了保障。内箱体通常选用如 SUS304 或 SUS316 等不锈钢材质，因其出色的耐腐蚀性，能适应高湿、高低温等严苛环境，且表面光洁，便于清洁维护，防止污染物影响试验结果，进一步维持温湿度环境的纯净稳定；外箱体多为冷轧钢板经静电喷涂处理，美观且防锈。

各层均配备独立加热装置，常用镍铬合金加热丝。这种材料电阻率高、抗氧化性佳，可快速将电能转化为热能。当层内温度低于设定值，控制器接收高精度温度传感器（如精度可达 ±0.1℃的铂电阻温度传感器）反馈信号后，迅速增大流经加热丝的电流，提升加热功率，促使温度快速上升。制冷系统多采用压缩机制冷循环，以涡旋式压缩机为例，通过精准控制压缩机启停时间、制冷量，结合温度传感器实时反馈，可将每层温度控制精度稳定在 ±0.5℃以内。不同层可根据测试需求，独立设定并维持特定温度，杜绝了层与层之间的温度干扰。

在湿度调控方面，每层也都有独立的系统。蒸汽加湿系统通过电加热使水箱中的水迅速转化为蒸汽，蒸汽经管道均匀输送至箱内提升湿度，当层内湿度低于设定值下限，控制器开启加湿装置，精确控制蒸汽产生量，实现湿度稳定上升。冷凝除湿是主要的除湿手段，制冷系统工作使蒸发器表面温度降低，箱内空气中水汽遇冷在蒸发器表面凝结成水滴，通过排水管道排出箱外，从而降低湿度。湿度传感器实时监测，配合智能控制系统，各层湿度控制精度可达 ±2% RH ，无论是高湿还是低湿环境都能精准维持。