本文以自然工质CO2为研究对象，对其在热泵热水器方面的应用进行了理论分析、计算机模拟和实验研究。 针对CO2跨临界循环的特点，对比常规工质分析了其在热泵热水器方面的优势。对系统中的最优高压压力问题进行了探讨，指出热泵热水器系统运行的目标函数有两个，一个是系统效率，一个是压缩机的排气温度。分析了系统基本参数对系统性能和压缩机排气温度的影响，提出通过提高蒸发器和气体冷却器的换热效果、采用高效压缩机来提高系统性能，系统中加内部热交换器以提高压缩机排气温度。 建立了套管式气体冷却器的模型，并采用分段法对其进行了模拟计算，通过计算发现通过增大质量流量和减小管径可以提高CO2侧和水侧的换热系数，并且这两个参数对管路压降也有较大影响，但合理的压降对CO2热泵热水器系统的性能影响较小。 建立了CO2热泵热水器实验系统，介绍了实验系统的基本组成，并对实验研究的目的、内容和实验步骤进行了阐述。利用房间量热计对所建立的系统进行了不同季节工况及不同水流量下的性能测试。实验结果表明，建立的CO2热泵热水器系统在不同季节工况下均可正常运行，且均能制取出较高温度的热水。当该系统运行于夏季工况下，且出水温度达到65℃时，系统效率在3.45以上。若冷量被利用，其综合效率可达5.9。可见，CO2空调热水器两用机在夏季运行时有很好的经济性。