本文以带膨胀机的跨临界CO2水水热泵系统为对象，以优化CO2膨胀机的运行、提升系统性能为目的，提出在纯CO2中加入添加剂方案，并通过理论和试验研究，分析了添加剂（氮气、氩气、二甲醚和R32）对CO2水水热泵系统性能、膨胀机及气体冷却器的影响。对含添加剂的CO2跨临界带膨胀机循环系统进行了理论分析，结果显示加入氮气和氩气可以提高膨胀机回收功，单位制热量和压缩机比功随着氮气或氩气含量的增加而降低，而COP则随着氮气或氩气含量的增加先增加后降低，系统COP存在最优值。COP随着二甲醚或R32含量的增加而增加，单位制热量和压缩机比功随着二甲醚含量的增加先增加后降低，而随着R32含量的增加而单调增加。本文还对膨胀机内的CO2相变过程进行了理论分析，应用微观液体“准晶格”理论分析得出添加剂可以在相变时作为汽化核心，提高核化率。并从宏观上对含添加剂CO2稀溶液和极限过热度进行了分析，结果表明添加氮气和氩气有利于CO2相变，而添加二甲醚和R32则相反。另外对CO2气体冷却器进行理论分析计算，加入氮气和氩气后，气体冷却器性能下降。而含二甲醚和R32的CO2气体冷却器换热性能增强。设计加工了CO2快速降压试块，对CO2以及含添加剂的CO2快速降压膨胀过程进行了试验。结果显示，氮气可以促进CO2的相变，但是二甲醚则会延缓其相变。最后在带膨胀机的CO2水水热泵系统上进行了含添加剂的试验。试验结果表明，加入氮气和氩气后，膨胀机的回收功增加，制热量随氮气或氩气含量的增加先增加后降低，系统COP在氮气或氩气含量1%时最大。含R32和二甲醚的膨胀机输出功随着添加剂含量的增加先增加后下降，系统COP增加，而且运行压力下降。