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以CO2（R744）与“零ODP”、“低GWP”人工制冷剂组成的混合制冷剂为研究内容，扬长避短，发挥制冷剂各自的优势，提高CO2系统效率，降低CO2系统排气压力，减小人工制冷剂充灌量和可燃性。采用理论分析和实验研究相结合的研究方法，以CO2水-水热泵系统实验台和制冷剂燃烧极限测试实验台为基础，研究混合制冷剂的燃烧特性、添加剂对CO2水-水热泵系统性能的影响及用CO2混合制冷剂的热泵系统性能。以R744/R32混合制冷剂为重点，分析R744/R32、R744/R41和R744/R161混合制冷剂的物性参数，将NIST混合制冷剂参数与实验数据对比分析，采用Helmholtz状态方程对R744/R32混合制冷剂参数进行了优化，优化后的最大误差由6%降低到3.4%，计算精度显著提高。对R744/R32，R744/R41，R744/R161，R744/R152a，R744/R290和R744/R1270共6组混合制冷剂进行热力学理论分析。当CO2的质量分数高于0.95时，循环为跨临界循环；随着CO2含量的降低，当CO2的质量分数低于0.95时，循环由跨临界循环过渡到亚临界循环。纯CO2以及CO2混合制冷剂的热泵循环存在最大COP及对应的最优排气压力。当CO2质量分数小于0.85时，R744/R32的系统效率最大，CO2质量分数大于0.85时，R744/R161的系统效率最大。对R744/R32、R744/R41和R744/R161混合制冷剂燃烧下限（LFL）进行实验研究，分析惰性气体对燃烧下限（LFL）的影响，结果表明：随着CO2含量的增加燃烧下限（LFL）逐渐升高。当混合制冷剂中CO2的体积比接近50%时，与纯质的R32、R41和R161相比，燃烧下限（LFL）分别提高了0.5%、0.4%和0.45%。基于跨临界CO2水-水热泵实验台，在充灌量一定的基础上，对含R32、R41和R161三种添加剂（添加剂质量分数小于5%）的跨临界CO2水-水热泵系统及R32添加剂对膨胀机的影响进行实验研究，对CO2水-水热泵系统用R744/R32，R744/R41，R744/R161三种混合制冷剂（R32、R41和R161质量分数5～50%）的性能进行实验研究。研究结果表明：添加R32、R41和R161添加剂后，在部分工况下，COPh和COPc明显提高，COPh和COPc提高幅度R32>R161>R41。在CO2水-水热泵系统用R744/R32，R744/R41，R744/R161三种混合制冷剂中，制热工况下，推荐使用R744/R32和R744/R41组成的混合制冷剂，最大COPh时，R32含量和R41含量分别为50%和40%，与纯质CO2相比，COPh对应提高20.4%和11.9%。制冷工况下，推荐使用R744/R32和R744/R41混合制冷剂，最大COPc时，R32含量和R41含量分别为40%和40%，与纯质CO2相比，COPc对应提高20.8%和18.5%。R744/R32和R744/R41混合制冷剂随着R32和R41含量的增加，排气压力显著降低，与纯质CO2相比，R744/R32混合制冷剂的排气压力最大降低幅度达37.9%，R744/R41混合制冷剂的排气压力最大降低幅度达15%。由于滑移温度过大，制热量和制冷量显著减小，不推荐使用R744/R161混合制冷剂。