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。