近些年,人们对生活品质以及身体健康越来越重视,目前,人们面临最严重的问题就是能源浪费以及环境污染。传统空调系统造成了大量的能源浪费,因此空气源热泵系统应运而生,其中二氧化碳热泵系统最为环保节能。本文研究的循环式双级压缩二氧化碳热泵热水器系统是在直热式系统的基础上进行实验研究,目的是为了达到更高的出水温度。本文首先对循环式二氧化碳热泵热水器系统进行理论分析,然后对系统的各个部件进行设计和选型,最后对系统布置温度、压力、流量、功率等测点并进行调试。根据制冷剂充注量对系统各个性能参数的影响来进行实验,选取最佳充注量。并从室外环境温度,气冷器冷却水流量等参数的角度,对系统的运行特性进行了实验研究,分析数据并改进循环水箱,最终进行改进前后的数据对比,为优化系统提供有效的数据支撑。研究结果表明:(1)在气冷器冷却水流量为2.0L/min以及室外环境温度为-10℃、0℃和10℃时,随着制冷剂充注量的增加,系统制热量、压缩机的排气压力以及压缩机的功耗持续增加;系统的COPh和气冷器出水温度先增加再减少,由此确定系统的制冷剂最佳充注量为3.25kg。(2)在气冷器冷却水流量分别为1.5L/min、2.0L/min和2.5L/min,室外环境温度分别为-10℃、0℃和10℃的工况下,当室外环境温度升高时,气冷器的出水温度、压缩机排气压力、系统制热量、压缩机功耗以及系统COPh也持续增加,水箱各个测点温度均上升。水箱内50L水达到70℃时分别需用时2500s,2250s和2200s,由此可以得出环境温度越高,水温达到用户需求温度所需时间越短。(3)在气冷器冷却水流量为1.5L/min、2.0L/min和2.5L/min以及室外环境温度为-10℃、0℃和10℃的工况下,气冷器的出水温度、压缩机排气压力、压缩机功耗不断降低,系统制热量以及系统COPh增加,水箱各测点温度分层不明显。水箱内50L水达到70℃时分别需用时2200s,2250s和2500s,由此可以得出冷却水流量越大,水温达到用户需求温度所需时间越长。(4)在气冷器冷却水流量为2.0L/min以及室外环境温度为0℃的工况下,循环水箱改造后,系统性能明显得到提高,气冷器的出水温度、系统制热量、系统COPh大幅增加,压缩机排气压力、压缩机功耗明显减小,环境温度为0℃,气冷器冷却水流量为2.0L/min时,水箱温度分布的变化中能够看出,水箱改进后的温度分层更加明显,水箱顶部的水更快达到需求。水箱内12.56L水、31.40L水和50.24L水达到70℃的时间分别提升了200s、250s和180s。