基于节能减排的背景和发展趋势，CO2制冷空调和热泵具有很好的应用前景。通过理论分析与试验测试相结合，本文重点对CO2跨临界双级循环进行研究与分析，为探寻高效、稳定运行的CO2跨临界循环方式提供基础资料。 运用热力学方法，在三种CO2跨临界单级循环基准上，分别对六种双级循环进行了理论分析。结果表明，带膨胀机双级循环性能普遍优于带节流阀循环，双级循环优于单级循环，中间冷却器和回热器对循环效率的提高都有贡献。考虑膨胀机设计和加工因素，作为应用基础研究的第一步，CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC是一种有发展前景的CO2跨临界循环方式。 在现有条件下改制了一台CO2双级活塞压缩机，并以其为对象进行了热力学和运动学计算，并就压缩过程的各种不可逆损失进行了计算。由于采用了双级压缩，在各种损失中，流动损失和摩擦损失所占比例较大，而泄漏损失和传热损失所占比例较小。 基于双级循环系统及超临界和亚临界CO2传热和流动过程分析，分别对CO2跨临界双级循环高、低压级气体冷却器和中间冷却器进行了分析与结构设计，可为CO2相关换热器的设计提供依据。 对CO2跨临界单级带回热器循环SCV+IHX和CO2跨临界单级带节流阀循环SCV两种基准试验分别进行了性能对比测试，同时测试了气体冷却器、回热器和套管式蒸发器的性能，为CO2跨临界双级循环设计和优化提供对比试验数据。 CO2跨临界双级循环试验测试表明，在中间压力或中间温度变化范围内，CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC和CO2跨临界双级两个气体冷却器带节流阀循环TSCV+TG存在最大制冷COPc和制热COPh，且每个循环最大制冷COPc和制热COPh对应的最优中间压力或最优中间温度分别基本相等。 相同测试条件下，CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC具有较高的性能。其中，制热量Qh和制冷量Qc分别比CO2跨临界双级两个气体冷却器带节流阀循环TSCV+TG平均高约10％和6％，制热COPh和制冷COPc比双级循环TSCV+TG平均高约8％和5％。CO2跨临界双级循环TSCV+IC和TSCV+TG的理论分析与试验测试结果比较吻合。