热泵是一项高效节能技术,但由于其输出温度一般较低,限制了热泵的应用范围,因此开展中高温热泵技术的研究,提高输出温度,有助于扩大热泵的应用范围。并且由于目前热泵的常用氟利昂工质易导致臭氧层破坏和温室效应问题,急需寻求环境特性友好和循环性能高的中高温热泵工质。因此本文开展中高温领域的自然工质热泵系统设计及性能分析,对于提高能源利用效率和保护环境具有重要意义。作为一种自然工质,CO₂由于良好的循环特性和环保特性,成为目前热门的替代工质。并且由于CO₂的临界温度较低,因此在CO₂循环中通常采用跨临界循环。对单级压缩CO₂跨临界循环热泵的供热量、性能系数、压缩机排气和运行压力的理论分析及调节特性和循环性能的实验研究表明:单级压缩CO₂跨临界循环热泵在中高温领域应用存在循环性能系数较低、压缩机排气超温危险和系统运行压力过高等问题。为解决以上问题,开展双级压缩CO₂跨临界循环热泵的研究。以中间完全冷却双级压缩CO₂跨临界循环热泵为例,通过计算分析发现,双级压缩和单级压缩同样存在使循环性能系数最大的最优压力。双级压缩有效提高了循环的性能系数,在本文工况范围内,性能系数提高23%⁴0%,有效降低了压缩机运行压力比,并解决了单级压缩循环存在的排气超温危险问题,在本文工况范围内,排气温度最高不到83℃。但同时也限制了热泵系统的输出温度,使系统不适用于高温领域。为使自然工质热泵循环能有效应用于中高温领域,并考虑到自然工质R290在工程中应用的实际效果,本文提出一种双级压缩CO₂跨临界循环和单级压缩R290循环的二元复叠热泵系统。对此复叠热泵系统的计算结果表明其输出温度在该热泵系统中经过两次加热后得到梯级升温,系统可高效应用于中高温领域。为进一步提高该热泵系统的循环性能,针对节流损失和复叠温差问题,研究了膨胀机在双级压缩CO₂跨临界循环侧和回热器在单级压缩R290循环侧的应用。用膨胀机替代CO₂侧低压级节流阀,在本文工况范围内,性能系数增大8.6%¹2.5%,膨胀回收功最高占总耗功的6.5%,仅在R290侧加入回热器对系统性能的提高效果有限,在过热度为10℃,性能系数提高1.3%。