CO2是一种环境友好、安全稳定、廉价易获得的制冷剂。从提高系统供热温度和低温环境运行稳定性方面来说,CO2是一种优秀的热泵工质。以CO2为工质的跨临界逆循环系统,在环境方面具有较大优势,能有效减少环境热污染,对缓解温室效应存在积极影响,具有广阔的应用空间和巨大的市场潜力。本文建立了常规CO2跨临界逆循环系统、带喷射器的CO2跨临界逆循环系统、带回热器的CO2跨临界逆循环系统、带喷流自降温装置的CO2跨临界逆循环系统,以及换热器内工质和换热流体的换热计算模型。创新的设计了一种带喷流自降温装置的CO2跨临界逆循环系统,经理论分析可知,该系统的循环特性与常规CO2跨临界逆循环系统相同,相同工况下,供热、供冷性能相同。同时可以大幅度降低蒸发器入口工质的干度,减少蒸发器结霜、内部工质分液不均等问题的发生。此外,与带回热器的CO2跨临界逆循环系统相比,该系统的压缩机耗功量较小。研究了四种CO2跨临界热泵系统在不同工况、不同环境温度下的循环特性,比较了在传热窄点温差约束下,四种系统的供热温度、COPh和制热量,研究结果表明:随着压缩机排气压力的增大,供热温度和制热量增大,COPh减小;随着气体冷却器出口工质温度的升高,供热温度升高,COPh和制热量减小;随着环境温度降低,供热温度和制热量增大,COPh减小。相同工况下,带喷射器系统的COPh优于常规系统;带回热器系统的供热温度优于常规系统。研究了四种CO2跨临界冷水机系统在不同工况、不同环境温度下的循环特性,比较了在传热窄点温差约束下,四种系统的供冷温度、COPc和制冷量,研究结果表明:随着压缩机排气压力的增大,供冷温度不变,制冷量增大,COPc在不同季节呈现两种变化趋势;随蒸发温度升高,供冷温度、COPc增大,制冷量减小;随环境温度升高,供冷温度保持不变,COPc和制冷量增大。相同工况下,带喷射器系统的COPc优于常规系统。研究了供热和供冷双需求和仅供暖需求两种用热场景下,四种CO2跨临界冷热耦合联供系统的循环特性。研究结果表明,随着压缩机排气压力的小幅度增大,四种CO2跨临界冷热耦合联供系统供热温度均升高,供冷温度保持不变,COPh、COPc和COP呈下降趋势。根据“供暖+空调制冷”和“生活用水+空调制冷”两种用能场景下供热、供冷温度的要求,设计了相应的运行工况,研究结果表明:带回热器的CO2跨临界冷热耦合联供系统的供热温度最高,带喷射器系统的COP最大,而四种系统的供冷温度相等。在仅有供暖需求时,设计了从工业污水中取热和从海水中取热两种用热场景,并根据供暖温度需求和污水、海水的温度变化要求设计了相应的运行工况,研究结果表明:带回热器的CO2跨临界冷热耦合联供系统的供热温度最高,带喷射器系统的COP最大,略大于带回热器系统的COP,而四种系统的供冷温度相等。