CO2熱泵就是采用CO2作為制冷劑的熱泵或空調，普通熱泵一般采用氟利昂作為制冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬于蒸汽壓縮式，但也稍有不同，CO2熱泵屬于超臨界循環，即在冷凝器端，CO2是不會被冷凝成液體的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節流的。

熱泵熱水器為供給家用熱水、空調暖氣、加熱進入室內的冬季寒冷外氣、鍋爐供水預熱或其他制程，是相當具有效率與經濟效益的方法。

熱泵熱水器的優點包含減少加熱所需之天然氣與燃料用量以及減少冷凝器散熱至外界的熱污染，其應用對象包括：中溫熱水（40~60℃）需求大、冷氣需求?。ɑ虿恍枰┑膱鏊?，鍋爐用戶（補給水預熱），住宅、宿舍、有淋浴設施的運動場所，醫院、旅館和溫泉區有熱水與再加熱的需求場所。

溫帶至寒帶國家由于日常生活熱水需求量大，以日本為例，家用熱水的能源消耗占家庭能源支出的30%，且大多是采用熱水鍋爐。高緯度國家對于臭氧層破壞、全球暖化等議題特別重視，因此諸如歐洲、日本等較先進的開發國家便極力發展CO2熱泵熱水器。

在過去的十幾年中，國內外許多研究機構對跨臨界CO2循環投入了大量的研究，成為制冷界的一個研究熱點?？缗R界CO2系統在高壓側的較大溫度變化（約80—100℃）的放熱過程，非常適合用于熱水加熱，因此，對熱泵領域的研究最先開始于熱泵熱水器。
其它的特點包括：
（1）不破壞臭氧層。
（2）全球暖化潛勢（GWP）為1。
（3）取得容易（可從工業廢氣中取得），成本極低。
（4）對人體健康與居住環境無短、中、長期之害處，故不需回收或再處理。
（5）無毒且不會分解出刺激性物質。
（6）不可燃（Non-Flammable）與不會爆炸（Non-Explosive）。
（7）極佳的熱力性質。
（8）CO2冷媒系統可使用傳統的礦物類潤滑油。
（9）CO2系統在一般夏季外氣條件之散熱過程為穿越臨界點或超越臨界點的過程，因無實際上的冷凝現象，故散熱用熱交換器，稱之為氣體冷卻器。
（10）對相同的氣體冷卻器出口溫度而言，壓縮機吐出壓力愈高則制冷能力愈大。
（11）壓縮比低。當R-134a之冷凝溫度50℃，蒸發溫度0℃時，壓縮比為4.3；而CO2氣體冷卻器出口溫度37℃，蒸發溫度0℃時，壓縮比為2.6。同時，壓縮機的壓縮比降低，壓縮過程可更接近等熵壓縮而使效率提升。
（12）氣體冷卻器的漸近溫度（approach temperature）比R-134a的10~15°K小許多。
（13）相同體積的蒸發器，CO2的管徑小、管排數多。
（14）因為系統壓力大，CO2于蒸發器中之冷媒分布較均勻。
（15）氣體密度高，可降低使用的管路與壓縮機尺寸，而使系統重量減輕、結構緊湊、體積小。
 
與普通熱泵的區別：
 
CO2熱泵采用CO2作為制冷劑，普通熱泵一般用環保冷媒作為制冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬于蒸汽壓縮式，但也稍有不同，CO2熱泵屬于超臨界循環，即在冷凝器端，CO2是不會被冷凝成液體的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節流的。
 
問題與展望
CO2熱泵熱水器面臨的主要問題在于不斷提高效率和降低成本，從而提高自身與常規熱泵熱水器的競爭力。在提高效率方面需要依靠在技術方面的創新。

1) 膨脹機構的開發
通過理論分析，采用膨脹機替代節流閥并回收膨脹功可以大幅度提高跨臨界CO2循環的性能。因此國內外許多研究機構都在投入大量的研發力量進行研究，目前公開文獻報道涉及膨脹機型式有活塞式、自由活塞式、渦旋式、滾動轉子式、擺動轉子式、滑片式等，雖然已經開發出樣機，但是許多技術性問題仍需要突破。

2) CO2壓縮機效率的不斷提高。
壓縮機是整個跨臨界CO2循環系統的關鍵部件，其效率的高低直接影響系統的性能。目前許過廠家和研究機構通過改進CO2壓縮機的結構，提高加工精度，改善運動部件的潤滑條件等措施提高CO2壓縮機的效率。

3) 換熱器換熱效率的不斷提高。
通過對CO2循環系統的有效能分析發現，除節流損失外，換熱器的損失同樣占據總損失的很大一部分，對單級CO2循環，甚至超過了節流損失，因此開發高效緊湊式換熱器是提高CO2循環系統性能的至關重要。

4)CO2熱泵熱水器的冷熱同時利用。
理論研究表明，同時利用CO2熱泵熱水器的冷熱量可以顯著提高系統的效率，因此，研制同時提供熱水和制冷的熱泵熱水器更有意義。