兼顾环境保护和节约能源,实现建筑能耗的可持续发展、建设清洁低碳的能源体系成为人们关注的焦点。在“十三五”和“煤改电”等政策背景下重新启用天然工质CO₂作为制冷剂显得尤为重要。由于具有节能、环保等特性,CO₂跨临界循环热泵系统已得到国内外的广泛关注。在低温工况下CO₂热泵系统运行存在很多问题,因而对CO₂热泵低温运行的热力性能进行研究具有重要意义。在此背景下,本文构建了 CO₂跨临界循环热泵系统的实验平台,较为系统地研究了 CO₂热泵低温运行的热力性能。为有效避免低温工况下系统存在的损失,保证系统的稳定高效运行,可以采用提高CO₂气体冷却器的入口比焓/吸气压力、提高蒸发温度、增加吸气质量、采用回热循环这四种技术途径。本文对此进行了详细介绍,并进行了热力学分析。在低温工况下,因跨临界循环CO₂热泵系统气体冷却器的进水温度和CO₂出口温度降低,压缩机吸气压力和温度随之降低。当系统的吸气压力低于压缩机的吸气压力下限时,将导致系统无法稳定运行。为了改变这种现象,采用在气体冷却器冷水入口处混水的方法,将热水箱的热水旁通至气体冷却器冷水入口。采用三通调节阀调节混水比例,适当提高气体冷却器的进水温度,以期实现系统在低温工况下的稳定运行。实验测试结果表明,采用混水方法不仅可保证低温工况下跨临界循环CO₂空气源热泵热水系统的稳定运行,同时可降低结霜频率,延长系统运行时间,但系统的制热量和COP将小幅下降。兼顾系统的热力性能及运行稳定性,当环境温度为-20℃、制热温度为60℃时,较为适宜的混水温度为12～18℃。针对定频CO₂热泵系统无法在宽温度及宽负荷条件下运行的缺点,基于PLC控制技术,提出变频压缩机跨临界CO₂热泵系统。通过理论分析和试验测试,分析了在低温工况下变频对吸气压力、排气压力、输入功率、制热量及COP的影响。试验结果表明:随着频率的增加,压缩机的吸气压力下降,排气压力和输入功率上升;制热量随着频率的增大而增大,但是存在陡升状态点;系统的COP存在最优频率值。兼顾制热量和COP的情况,系统存在最佳调节频率:55～60Hz。采用正交实验的方法,确定气体冷却器进水温度、气体冷却器出水温度、压缩机频率、环境干球温度为因素,确定制热效率COP、系统制热量为水平。测试分析CO₂热泵在低温工况下热力性能,并优化CO₂热泵低温工况下运行参数,为我国寒冷及严寒地区CO₂热泵的高效稳定运行提供实验依据。