农业产业化的发展，加快了冷冻冷藏行业的迅猛发展，冷库作为冷链物流中的起始环节，对食物的贮藏品质有着直接影响。在我国，大部分冷库建于改革开放初期，制冷机组老化，制冷效果差，耗能较大的问题普遍存在。近年来，环境保护和节能减排成为制冷行业发展的大方向，冷库制冷系统面临更新换代；目前我国CO2冷库发展迅猛，CO2复叠式制冷系统可以提供-40℃的温度贮藏食品，适用于大部分的冷藏库尤其是低温库，不仅能够有效节约能源，而且更加环保。
　　本文主要通过热力学分析、数值模拟和实验研究三种方法对亚临界CO2低温复叠循环冻藏装备进行性能研究。建立热力学分析模型对三种不同的使用CO2自然工质的低温复叠式制冷系统进行性能比较，分析中间冷凝温度、蒸发温度等参数对于系统COP、功耗、(火用)损、(火用)效率和换热器面积的影响；运用CFD仿真软件建立冷库三维模型，分析冷库正常工作下的温度分布和速度分布，通过研究得出复叠式制冷系统应用于低温冻结库中的可行性；并针对冷库内部的结霜现象，提出一种双冷风机交替运行的热气融霜方法，通过之前建立的冷库模型，研究该除霜方式对冷库温度场的影响；最后设计搭建亚临界CO2低温复叠循环冻藏装备实验台，改变实验工况参数获得系统实验数据，通过实验数据与模拟结果对比分析亚临界CO2低温复叠循环冻藏装备的性能。本文所研究的主要结论如下：
　　(1)理论分析结果表明中间冷凝温度、蒸发温度均对复叠制冷系统的性能参数有重要的影响，复叠制冷系统在理论上存在最佳的中间冷凝温度，COP随着系统蒸发温度的升高而增大，R290/CO2与R32/CO2复叠式制冷系统COP相比R404A/CO2系统更具优势；复叠系统的(火用)损随着蒸发温度的升高而增大，(火用)效率随之下降，换热器面积也不断减小。蒸发温度为-40℃的工况下，R404A/CO2系统的功耗分别比R290/CO2与R32/CO2系统高6.35%和5.37%，R290/CO2系统(火用)效率为0.416，高于R32/CO2系统的0.411与R404A/CO2系统的0.372，通过对比表明R290是三种制冷剂中最好的CO2复叠式制冷系统的高温制冷剂。
　　(2)数值模拟的结果表明冷库在系统工作后快速达到低温库的正常温度，库内温度分布均匀，贮藏食物的中心区域风速小，有利于减少食物干耗。除霜过程中的模拟结果证实双冷风机交替热气融霜过程对于库内温度场影响较小，库内中心区域温度分布依旧均匀。
　　(3)实验数据分析结果得出系统COP随着蒸发温度的升高而增大，随着冷凝温度的升高而减小。CO2压缩机效率较低，造成系统的实际性能与模拟结果有一定的差距，库内实际的温度分布与模拟温度分布一致；除霜过程的实验结果表明由于部分制冷剂气体进行融霜，在蒸发温度为-40℃时，系统的COP和制冷量分别下降了14.52%和17.90%。但在融霜过程中库温的上升相比电融霜过程在可接受范围内。
　　(4)从上述理论分析和实验研究可以得出，亚临界CO2低温复叠循环冻藏装备具备较好的可行性，CO2自然低温复叠系统能够作为冷库制冷系统。