中国北方地区“煤改电”工程改造时,用户提出在低于-20℃的环境温度供应75℃以上高温热水的需求。基于此,现广泛用于低温工况运行的空气源热泵（ASHP）存在以下两点问题:其一,单级ASHP系统不能满足如此低温的工况需求,蒸汽喷射ASHP系统、复叠ASHP系统的运行稳定性较低且投资成本较大,不适用于民用普及;其二,此类ASHP系统所采用的制冷剂普遍是氯氟烃,对环境有一定的负面影响。然而,具有天然环保特性的跨临界CO₂热泵系统对于低温环境下加热高温热水具有性能上的巨大优势,开发超低温跨临界CO₂热泵热水装置对解决高温热水供应具有极大的现实意义。因此,本文搭建了跨临界CO₂热泵在超低温工况下加热高温热水的实验装置,通过在-23.1～-4.4℃的环境工况下加热75℃高温热水,测试了CO₂热泵实验装置的性能。此外,考虑到跨临界CO₂热泵热水器存在较低的经济性和实用性,本文选取典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对跨临界CO₂热泵热水器的设计进行了多目标优化改进研究。主要开展了以下工作:（1）综合CO₂热泵系统的热力原理、部件设计、经济评估等方面建立了超低温跨临界CO₂热泵系统的数学模型;（2）通过对超低温跨临界CO₂热泵系统的实验研究,在-23.1℃的环境中制取75℃的热水,跨临界CO₂热泵的制热量可高达9.4k W,性能系数（COP）达到1.74。验证了该实验装置在北方寒冷地区提供高温热水的可行性,同时表明其对解决能源短缺与环境破坏问题具有积极有效的作用;（3）结合投资成本、运营成本、环境影响与实用性等指标建立了以年度总经济成本（TRR）和环境排放量（EE）为目标函数的跨临界CO₂热泵多目标优化模型;（4）基于典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对超低温跨临界CO₂热泵优化模型进行多目标最优化求解,得到了优化后的A、B、C三个设计方案:A方案具有最小的EE（7077.1kg）和占地空间（150L）,节能环保性与实用性最高,其中EE较优化前的方案降低了18.6%;B方案的EE和TRR较优化前的方案分别降低了4.36%和11.3%,其综合性最好;C方案的TRR较优化前的方案下降了25.1%,其经济性最佳。