热泵系统已在空调、供暖和制冷中广泛使用,但是由于烃类人工制冷剂对全球变暖和臭氧层破坏带来了严重的影响,所以对天然制冷剂热泵系统的研发就有着十分重要的意义。现阶段可以用于热泵系统的天然制冷剂有氨气（NH₃）、丙烷（C₃H₈）、正丁烷(C₄H₁₀)和二氧化碳（CO₂）,由于前三种具有可燃性或毒性,所以CO₂就成为最有潜力的天然制冷剂。本文首先对常规跨临界CO₂热泵系统性能及主要设备（压缩机、气冷器、回热器、膨胀阀、蒸发器）进行了实验及数值模拟研究,并在此基础上设计了新的压缩/喷射跨临界CO₂冷热联供系统,对其进行了数值模拟和相关实验对比研究,主要研究内容和成果如下:实验研究了排气压力对常规跨临界CO₂热泵系统性能的影响,分析了压缩机、气冷器、回热器、膨胀阀及系统COP等的相关效率;基于实验研究结果,修正了压缩机等熵效率、容积效率和机械效率的计算方法,并提出了回热器效率的计算方法;对常规跨临界CO₂热泵系统进行了数值模拟研究,通过对比模拟与实验结果,提出了压缩机、回热器和气冷器的修正计算模型,提高了模型计算精度;并通过Buckingham PI的方法得到了一个预测最优排气压力的无量纲关联式,预测结果与实验结果吻合较好。针对常规跨临界CO₂热泵系统存在较大节流损失问题,设计了新的压缩/喷射跨临界CO₂冷热联供系统,新系统中增加了一个喷射器和一台低温蒸发器。基于常规跨临界CO₂热泵系统的修正模型,对新设计系统进行了模拟研究,发现新系统可以显著提高系统COP,并验证了前文提出的预测最优排气压力的无量纲关联式。在数值模拟的基础上,搭建了压缩/喷射跨临界CO₂冷热联供实验系统,并进行了两组不同的实验研究,分别为有无喷射器系统的性能对比研究和不同压缩机频率和排气压力下压缩/喷射系统性能变化的研究。在有无喷射器性能对比的实验研究中发现,喷射器可以有效降低压缩机输入电功率,在单一制热条件下,新系统的制热COP较常规系统COP提高约14%,证明压缩/喷射跨临界CO₂冷热联供系统在性能方面的优势。在不同压缩机频率和排气压力性能变化的实验研究中发现,随着压缩机频率和排气压力的增加,气冷器出水温度可以达到75℃以上,高低温蒸发器的出水温度和空气出口温度可以低至5℃和20℃以下,证明系统既可以满足供暖需求也可以满足制冷和空调的需求。另外,随着排气压力的增加,系统COP变化存在峰值,对比前文提出的最优排气压力无量纲关联式的预测结果,证明该关联式适用于不同的跨临界CO₂循环系统。