热泵在空调领域的应用可以降低建筑耗能。采用自然工质CO₂的跨临界热泵循环具有减小臭氧层破坏和缓解全球变暖的作用。但由于跨临界CO₂热泵的供热系数与常规工质相比偏低，因此本文进行跨临界CO₂热泵的有限时间热力学分析与优化研究，探讨其性能提高的途径。CO₂的临界温度低，所以须采用跨临界循环。在给定工况下，进行了跨临界CO₂热泵的热力学第一定律和第二定律的理论分析。研究气体冷却器出口温度、蒸发温度和压比等对热泵整体供热系数的影响以及热泵各部件的损，结果表明：CO₂在超临界状态下的冷却过程，其温度会发生滑移，这与冷却水加热过程中的温度上升匹配，不可逆损失小。改进CO₂压缩机的工作性能是提高系统整体性能的重要途径。实际运行中，还存在很多不可逆性。本文采用有限时间热力学方法，通过模型建立和理论推导，分析内可逆跨临界CO₂热泵的泵热率、供热系数、熵产率、效率及经济性等循环性能指标。指出增加冷、热端传热性能比，或减小热源温差可以减小系统的不可逆损失；热泵系统的供热系数与泵热率有关；不同的传热规律影响系统最大利润率点的产生位置。在最大利润率时，供热系数界限始终存在，且介于可逆界限和有限时间热力学界限之间。本文还建立不可逆量子CO₂热泵循环模型，依照量子主方程和半群方法，得出此量子热泵的输入功率、泵热率、供热系数、熵产率和生态学函数。它们的关系曲线由于热漏的存在，由类抛物线型演变成扭叶形。当放弃较小量泵热率时，循环在很大程度上降低损率，并增大供热系数。这表明跨临界CO₂热泵的生态学优化目标函数既是泵热率和供热系数之间的最佳折中，也是输出率和熵产率之间的最佳折中。通过以上研究，从经典热力学和有限时间热力学等角度，明确了跨临界CO₂热泵的性能提升途径，为跨临界CO₂热泵的应用提供理论依据。