CO₂热泵就是采用CO₂作为制冷剂的热泵或空调，普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂，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。
二氧化碳热泵机组使用的优点：
为什么要用CO₂，最主要的原因是目前大量使用的氟利昂如R12、R22等被证明对环境有破坏作用。一个破坏作用是对臭氧层的破坏，一个是具有温室效应，而CO₂是地球本身就有的气体，来自于地球，即使排放到地球对环境也没有影响。但CO₂作为制冷剂的热泵系统，其工作压力超高，高压超过100kgf/cm2，而R22的热泵系统高压一般为2kgf/cm2多，因此，CO₂热泵系统的配件、铜管等都需要耐高压，由此导致其成本比一般的热泵系统高很多。但作为热泵来说，采用CO₂还有一个好处就是其排气温度较高，而且在低温下的效果也比较好，作为热泵热水器来说，就意味着可以烧更高温度的热水，如90℃，也可以在更低环境温度下工作，如-15℃等。
二氧化碳热泵机组普及的难题
目前，国内有许多空气能企业在推广宣传二氧化碳热泵机组，但是产品质量和使用效果存在一定差异。质量好的二氧化碳热泵机组在系统设置、产品性能、稳定安全性上有相应的要求，因此在选用的时候需要特别注意。
首先，二氧化碳热泵系统需参考相关业内设计标准进行装备。二氧化碳热泵机组在国内发展并不成熟，因此需要以国内外对二氧化碳热泵系统的研究成果为依据，参考相关业内设计标准装备二氧化碳热泵系统，如GB/T18430.1-2007《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组、工业或商业用和类似用途的冷水(热泵)机组》、GB/T21362-2008《商业和工业用及类似用途的热泵热水机组》及日本的 JRA4050-2001《热泵热水器的性能(二氧化碳制冷剂)标准》等。同时，考虑到二氧化碳热泵热水机组在国内的使用需求和量产的前景规划，还需要结合机组的经济性和适用范围，合理设置和分布相应的组成部件，设计合适高效的二氧化碳热泵系统;采取多种措施和方法解决安全和泄漏的问题，选用承压性能好的阀门、管道和容器;布管方式合理，在合理的位置根据系统需求添加相应组件，如回热器、气液分离器、相关阀门等。
其次，二氧化碳热泵还需搭配性能优化的压缩机和换热器。在确定二氧化碳热泵系统构造和组成的基础上，针对市场需求和现有的开发需求(制冷量、管路有害过热、蒸发温度、热水的日供水量、供水温度、热泵热水机组COP等)，通过计算确定压缩机的适用类型和型号。在此基础上，分析并选用合理的换热器，二氧化碳热泵系统的气冷器的工作压力很高，通常达8MPa，比常规气体冷却器的工作压力高得多，故在材料选用和结构设计上要考虑能承受较高的压力。目前的防结垢板式换热系统，可以有效的降低换热器水侧的结垢速率，提升系统性能。
再次，二氧化碳热泵系统控制优化，安全有保障。关于最优COP与冷却压力和出口温度的关系，现有的研究结果很大部分都是基于曲线拟合得出的相应结果，针对考虑的因素不同，也产生了各种不同形式的COP与冷却压力关系式。基于上述现状可知，寻求最优压力获取COPmax的方法目前没有一个业内统一认可的标准。国内外不少研究数据显示，通过调节气冷器出口温度和冷却压力，能够获得COPmax。
二氧化碳热泵系统压力比普通热泵高5～10倍，因此有诸多对于二氧化碳热泵安全性能否保障的质疑。二氧化碳热泵系统效率高，出水温度高，低温性能好，而恰恰是因为二氧化碳系统运行压力高，才使其拥有由于其他热泵的上述优点。二氧化碳热泵系统设置压力传感器、压力开关、安全阀、泄压阀，包括机械和电子等三种压力防护保障方案，使用户在二氧化碳压力方面没有任何顾虑。
