CO2热泵即采用CO2作为制冷剂的热泵系统，由于CO2的冷媒代号为R744，所以CO2热泵也称R744热泵。

  CO2热泵与普通热泵的工作原理基本一样，在设定的时间内，当储热水箱的水温低于温度控制器设定值时，热泵、风机及循环水泵自动开启，风机将空气吸入蒸发器，蒸发器内的热媒吸收空气中的热能后，经热泵（压缩机）加压后产生高温，再通过热交换器将热量释放给水使水温升高 ，热媒降温后经节流阀流回蒸发器，如此反复进行吸热和放热，直到被加热水的水温达到设定温度时，热泵和风扇停止工作。

  CO2单位容积制冷量是其他制冷剂的数倍，其优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使总系统非常紧凑；CO2冷媒，对臭氧层的破坏几乎无破坏作用，GWP也低；高热效率的CO2冷媒配合夜间离峰电费将大幅度的降低操作成本；良好的性和化学稳定性，CO2安全无毒，不可燃，适应任何润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害化学气体；具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，CO2的蒸发潜热较大；与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5～3.0，能大大的提升压缩机的运行效率，来提升系统的性能系数。

  采用CO2排气温度比较高，能够获得更高温度的热水，55~90℃范围内可调；CO2热泵可在-20℃工作，即使在严寒环境也可供应90℃热水。

  CO2在地球上是取之不尽、用之不竭的自然物质，作为一种天然冷媒工质，凭借其环保、无毒以及优良的跨临界循环等特点，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。

  CO2热泵采用CO2作为制冷剂，普通热泵一般用环保冷媒作为制冷剂，两者的工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式，但也稍有不同，CO2热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，CO2是不会被冷凝成液体的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。

  CO2作为制冷剂的主要缺点，是其具有较低的临界温度（31.1℃）和较高的临界压力（7.37MPa）。特别是后者，若采用跨临界循环，CO2制冷系统的工作所承受的压力最高可达10 MPa，这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻，无疑，其生产所带来的成本也是其他空气源热泵机组的好几倍。

  CO2热泵系统能否安全可靠的运行，与其基本材料的选择，以及零件、仪表等承压能力是不是足够强等也都有着莫大的关联。一般的配件和材料承受不了CO2热泵的压力要求，而在国内相关零部件的研发比较滞后。CO2热泵压缩机和零部件的问题还需全方面的研发跟进。