全球变暖和臭氧层破坏使国际社会共同努力限制传统制冷剂的使用,自然工质CO2作为传统工质的替代物重新兴起。本文通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合,重点研究CO2跨临界水-水热泵技术以及两缸滚动活塞膨胀机,建立了全套管式换热器的跨临界水-水热泵实验系统、设计加工了两缸滚动活塞膨胀机,进行了理论分析和数值计算,完成了实验,并对实验结果进行了分析。简单的CO2跨临界循环可以使用内部热交换器提高系统效率,本文首先分析了内部热交换器对CO2跨临界循环的影响,推导出内部热交换器对循环的制热效率的影响判别式,分析表明,内部热交换器对CO2跨临界循环系统效率的提高是有帮助的,并通过实验进行了验证。提高简单的CO2跨临界循环系统的效率可以采用两种方法:多级压缩和使用膨胀机回收节流过程的可用功。本文对两级压缩和三级压缩循环进行了分析。在CO2跨临界循环的膨胀过程中,CO2由超临界状态降压至汽液两相状态,在该过程中存在多种能耗。根据分子聚集理论,在膨胀过程回收有用功时应该考虑流体分子在解聚过程中消耗的能量以及形成汽泡所消耗的能量。对单级滚动活塞的进气控制结构进行了分析。在单级滚动活塞膨胀机的基础上,提出了单级单级并联形式,并对其进行了分析,结果表明,该膨胀机在较大工质流量以及传统制冷剂的系统中可发挥优势。设计了两缸滚动活塞式膨胀机,分析了两缸滚动活塞膨胀机的工作过程,确定了主要结构参数,并分析了运动过程以及一级膨胀机和二级膨胀机的连通等方面。以膨胀机的工作过程为研究对象,综合考虑各种因素,建立起数学模型并进行数值求解,求出膨胀机中工质各主要热力参数以及不可逆损失随主轴转角的变化规律,进而分析出膨胀机的主要性能。在CO2跨临界水-水热泵试验系统中,采用了新设计的蒸发器和润滑油冷却器等装置。对采用套管式换热器的CO2跨临界水-水热泵进行了试验分析,完成了内部热交换器对系统的影响的试验,以及不同蒸发面积的新型换热器对系统效率影响的试验。成功地研发出两缸滚动活塞膨胀机样机,并在水水热泵试验系统上进行了试验,噪声很小,运转平稳,测试结果显示其效率约为28~33%。为进一步提高其效率,提出了改进方案。