热泵做为一种能量提升装置在能源节约和环境保护方面起着重大的作用,自然工质CO₂由于其环境友好性等性质备受关注。CO₂热泵运行压力高系统性能低,导致其难以广泛应用。本文基于外部工况和系统窄点温差,以CO₂/低GWP混合工质热泵为研究对象,从混合工质的筛选和系统的优化等方面展开研究,进而达到环保、降低系统运行压力和提高系统性能系数的目的。根据工质筛选标准和本文的研究目的,初步筛选出了R41、R1234ze、R161、R152a和R290五种第二组分工质,以CO₂/R161和CO₂/R152a为例,分析了CO₂混合工质的定压比热、动力粘度、导热系数等参数随温度的变化特性,并建立了回热系统的热力学模型。探讨了冷凝压力对单工质CO₂及混合工质基本热泵系统输出参数的影响,对比分析了不同冷凝压力下两工质系统换热器中的窄点数量和位置的变化。研究发现,单工质CO₂和混合工质热泵系统均存在最优冷凝压力使得系统的COP最大。当在各自的最优冷凝压力时,气冷器/冷凝器中的窄点有两个,温度匹配达到最好;其他冷凝压力下,气冷器/冷凝器窄点只有一个。随着冷凝压力的提高,CO₂系统蒸发器的窄点始终只有一个,位于工质入口;混合工质系统蒸发器的窄点先是只有一个,位于工质侧入口,之后变为两个,位于两端口,最后又变为一个,位于工质出口。分析了混合组分对系统最优性能的影响,发现各混合工质均存在一个最佳的质量混合比例使得系统的COP最大,其中CO₂/R161（10/90）系统COP最大为4.37,对应的最优冷凝压力为2.25MPa,较CO₂系统COP提高了0.32,最优冷凝压力降低了7.1MPa,为最佳混合工质。研究了窄点温差对CO₂和CO₂/R161（10/90）系统的影响,发现随着蒸发器窄点温差的增大,系统最大COP和最优冷凝压力均呈降低趋势;随着气冷器/冷凝器窄点温差的增大,系统最大COP呈下降趋势,而最优冷凝压力呈上升趋势。以CO₂和CO₂/R161（10/90）的回热系统为研究对象,详细分析了冷凝压力对两种工质回热系统循环性能的影响。结果表明,回热器具有降低系统最优冷凝压力、提高系统COP的作用,工质不同回热器的影响效果不同。CO₂和CO₂/R161（10/90）均存在一临界冷凝压力,分别为9.33MPa和2.24MPa,只有在低于该临界冷凝压力条件下运行时,回热器才具有提高系统COP的作用。对比分析了热源进口温度和热水出口温度对两种工质两种系统最优输出参数的影响,结果表明热源进口温度越高,COP和最优冷凝压力越大;当热源进口温度高于22℃时,回热器对CO₂/R161（10/90）系统不再具有降低压力提高系统COP的作用;热水出口温度越高,COP越小,最优冷凝压力越高。最后从热力学第二定律分析了两种工质两种系统在各自最优冷凝压力下的总不可逆损失及各部件不可逆损失,发现混合工质的使用可以降低系统总不可逆损失,回热器对降低节流阀和压缩机的不可逆损失具有一定作用。通过本文的研究分析,得到了系统取得最佳性能的条件,此外混合工质和回热器对于提高系统性能降低运行压力效果显著,本文的研究成果可以作为系统实际应用的理论指导,对于系统工程化具有一定意义。