在工业生产过程中,各种形态余热的存在会造成巨大的能量损失,不仅降低了能源的利用率,而且导致环境问题愈加严重,因此对余热资源进行回收利用是工业部门减少耗能、提高效益以及降低碳排放的有效途径,也是我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标的突破口。热泵技术因其在能质提升上的巨大潜力,成为了解决中低温余热回收利用的重要方式。然而目前高温热泵的制热温度大多在90℃以下,且温度提升能力不强,余热回收无法满足工业热用户的品质要求,因此对具有大温升提质能力的高温热泵进行研究十分必要。本文从理论分析、实验研究以及（火用）分析优化理论三个方面对用于工业余热回收的复叠式热泵系统开展研究。在蒸发温度为20℃～40℃,冷凝温度为90℃～130℃范围内,对系统的理论循环进行了热力学计算。在制热量固定不变的条件下,分析热源温度和制热温度变化对系统主要性能参数的影响。结果表明:高、低温循环和整个系统的COP随蒸发温度的升高而增大,随冷凝温度的升高而减小,系统COP最大为5.5,最小为2.4。高温压缩机的理论功率随冷凝温度的升高增速较快,而低温压缩机的理论功率增速较慢,蒸发温度的升高则使两者都减小。系统吸热量随冷凝温度升高而减小,随蒸发温度升高而增大。搭建了复叠式高温热泵系统实验台,选用R245fa和R134a分别作为高、低温循环工质,在热源温度为20℃时实现了最高100℃的循环温升,制备出120℃的高温热水。对实验数据的分析表明,热源温度和制热温度的变化对系统性能都有较大的影响,但在不同热源温度下的影响程度不同,当热源温度在20℃～30℃范围内时,热源温度对系统性能系数以及吸热量的影响程度较大,当热源温度升至30℃～40℃范围内时,这两个温度因素对系统性能系数和吸热量的影响程度相当。系统的制热量随制热温度的升高而减小,随热源温度的升高而增大,当热源温度较高时其增量有所降低,高、低温压缩机功率与排气温度的变化规律相同,都随热源温度和制热温度的升高而增大,温度每升高10℃,功率平均增加6%～8%,所有实验工况下,系统COP最高可达2.32。对于系统的优化方向,常规（火用）分析的结果表明,系统总（火用）损随热源温度和制热温度的升高而增大,系统（火用）效率较低,仅有41%～47%,且随热源温度的升高而增大,受制热温度变化的影响较小。（火用）损比较大的部件主要为高温压缩机、低温压缩机、高温节流阀和低温节流阀,共占到系统总（火用）损的76%～80%,是系统不可逆损失的主要来源。高级（火用）分析的结果表明,系统大部分的（火用）损是内源性的,可避免的,热源温度的升高可使系统的改进潜力得到提升,但制热温度的升高则会使系统的改进潜力下降。高温压缩机具有最大的内源可避免（火用）损,其自身的改进优先度是最高的,其次为低温压缩机和蒸发冷凝器。低温节流阀的外源可避免（火用）损最大,因此对其他部件的改进可极大地减少该部件的不可逆损失,而高温节流阀的（火用）损大部分是不可避免的,尽管其（火用）损较大,但改进潜力很低。热源温度的升高对各部件内源可避免（火用）损的影响都比较小,但制热温度的升高会使低温压缩机的内源可避免（火用）损增大,因此在进行更高制热温度的实验时,低温压缩机的内源可避免（火用）损大小有可能会超过高温压缩机,而成为改进优先度最高的部件。