压缩机排气温度过高及制热量不足等现象是单级蒸汽压缩式制冷系统在低蒸发温度下经常面临的问题，以CO2为制冷工质的中间不完全冷却两级蒸汽压缩热泵系统能很好地改善这些问题。本文构建了低环温（-20℃）下CO2热泵热水器系统、确定了系统各部件结构参数、建立了部件和热泵系统的数学模型。模拟结果表明：随着环境温度升高，CO2热泵热水器系统制热量以及COP呈现出增长的趋势，改变水侧输入参数对系统性能有较大影响。

设计制作了采用翅片管换热器作为蒸发器的CO2热泵热水机试验样机。在焓差试验室中,环境温度-15~32℃范围,出水温度在65~90℃范围内,对该热泵热水器的电子膨胀阀控制方法进行了试验研究。结果表明:相比于膨胀阀常规的过热度控制方法,通过排气温度来控制膨胀阀的开度更为稳定、有效。

由于CO2具有环保和独特的热力学优势,其用于家用热泵热水器领域已获得巨大的发展。为研究CO2热泵热水器系统运行特性受外界因素影响的变化规律,自行搭建了一台空气源CO2热泵热水器试验台开展试验研究。试验表明随着冷却水体积流量从48.94 L/h增加到75.2 L/h,空气源CO2热泵热水器系统制热量提升49%,制热系数比原来增加了0.7倍;随着室外环境温度从-3℃升高到13℃,空气源CO2热泵热水器系统制热量提升28%,制热系数比原来增加了1.5倍,室外环境温度对压缩机的吸气压力影响较大。本文的试验研究结果为后续的CO2空气源热泵热水器的系统优化提供技术支持。