二氧化碳作为一种安全、经济、环保可持续的自然工质,可以作为CFCs和HCFCs工质的替代工质,引起了越来越多的研究者关注。针对跨临界二氧化碳热泵循环的热力学特性,设计了二氧化碳热泵供热系统,提出了利用二氧化碳热泵进行供暖的实现方案。通过分段冷却的方式进行供暖兼制生活热水,可以应用在以暖气片为供暖末端的建筑上。用EES（Engineering Equation Solver）软件编写了二氧化碳跨临界循环热力学性能分析计算程序,利用热平衡分析方法和（火+用）分析方法分析系统运行时各参数对性能的影响以及不同工况下系统的性能对比。建立热泵系统的（火+用）经济学模型,对二氧化碳热泵供热系统进行技术和经济性综合分析。搭建二氧化碳热泵供热系统实验台,对计算工况进行实验测试,并对建立的热力学模型进行验证对比。通过计算可以得出典型工况（蒸发温度15℃,气冷器出口温度20℃,压比2.09,冷却水水温15/60℃,冷冻水水温20/16℃）和低温工况（蒸发温度10℃,气冷器出口温度15℃,压比2.09,冷却水水温10/60℃,冷冻水水温15/11℃）下单独制生活热水模式及分级供热模式（蒸发温度10℃,气冷器出口温度15℃,压比2.5,生活热水测水温10/60℃,供暖侧水温60/75℃,冷冻水水温15/11℃）时, CO₂热泵机组的性能系数及（火+用）效率都要高于四种常规蒸气压缩式热泵机组:R134a、R152a、R290及R245fa,压比最小。热泵的各部件中,压缩机的（火+用）损失均为最高值,蒸发器和回热器的（火+用）损基本可以忽略不计;五种中高温工质中,CO₂热泵的冷却器相比于其他热泵的冷凝器（火+用）损率小,压缩机（火+用）损率比其他四种常规蒸气压缩式热泵高。压比大于2.3时,出水最高温度相同的情况下,分级供热模式要比单独制热水模式下的（火+用）效率高。典型工况下,CO₂热泵输出产品的（火+用）成本随初投资和电价的降低而线性降低;随着蒸发温度的升高,（火+用）成本逐渐降低;随着冷却器出口温度的升高,（火+用）成本先呈现下降趋势,超过38℃以后,（火+用）成本值急剧上升。通过实验测试,可以得出分级供热模式要比制同等温度热水模式下的性能系数高出6.4%的结论。实验测试数据与模拟计算数据对比,相对误差在5%以内。