自然工质CO₂循环具有非常好的应用前景,提高CO₂跨临界制冷循环系统的效率,是加快其向实用化迈进需要解决的关键问题。本文通过理论分析,计算机模拟和实验研究相结合,重点对CO₂跨临界水-水热泵系统性能提高的潜力和措施开展了研究。论文通过对七种不同的CO₂跨临界循环方式进行热力学分析,得出了CO₂跨临界单级膨胀机循环的最佳高压压力计算关联式。通过性能比较,提出了一种结构配置优化的循环方式,它不仅可以简化气体冷却器的设计,而且能够很方便地组织冷却介质的流程,对其进行了性能计算和对比;同时拟合出了此配置方式高压侧压力和中间压力与膨胀机效率之间的函数关系式,可为该系统的设计和运行提供理论依据。论文在三维图上对近临界区CO₂的物性进行了深入的理论分析,得到了准临界温度的计算关联式,给出了准临界区定义。通过物性分析和定量比较对超临界CO₂冷却过程的换热性能与常规工质的凝结换热进行了对比。同时分析了不凝性气体NC-1对超临界CO₂物性及换热性能的影响。比较了亚临界区CO₂与常规工质的物性,研究了CO₂两相流动特点和沸腾换热机理,提出了CO₂蒸发器换热面的设想。这些都有助于了解CO₂流体的流动及传热特性,可为设计高效的CO₂换热器提供必要的理论基础。论文通过实验研究对CO₂换热器进行了性能分析,并建立了CO₂换热器模型。开发了CO₂跨临界节流阀和膨胀机系统的数学模型,利用验证后的模型对两系统进行了模拟和比较,使用膨胀机代替节流阀后可较大提高系统的性能。研究了外部条件对膨胀机系统的性能影响,可为系统的运行和控制调节提供指导。提出了系统的优化目标函数,并以此对CO₂换热器进行了结构参数优化计算。无论是基于系统还是CO₂换热器本身的优化计算都表明,CO₂跨临界循环系统适合选择小管径和长管长,而优化后新系统的模拟计算结果表明其性能系数平均提高了15%,制冷量平均提高了18%。根据系统的优化计算结果,以及原CO₂水-水热泵系统存在的一些问题,对新系统的换热器等有关部件进行了设计、加工制造,以求达到结构合理,高效运行的目的。建立了新的CO₂跨临界水-水热泵实验系统,实验研究结果表明,新系统的COP平均提高了30%左右,制冷量平均提高了30%左右,达到了优化的目的,也验证了优化计算结果的正确性。