CO₂熱泵即采用CO₂作為制冷劑的熱泵系統，由于CO₂的冷媒代號為R744，所以CO₂熱泵也稱R744熱泵。

CO₂熱泵與普通熱泵的工作原理基本一樣，在設定的時間內，當儲熱水箱的水溫低于溫度控制器設定值時，熱泵、風機及循環水泵自動開啟，風機將空氣吸入蒸發器，蒸發器內的熱媒吸收空氣中的熱能后，經熱泵（壓縮機）加壓后產生高溫，再通過熱交換器將熱量釋放給水使水溫升高 ，熱媒降溫后經節流閥流回蒸發器，如此反復進行吸熱和放熱，直到被加熱水的水溫達到設定溫度時，熱泵和風扇停止工作。

CO₂單位容積制冷量是其他制冷劑的數倍，其優良的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機與系統的尺寸，使整個系統非常緊湊；CO₂冷媒，對臭氧層的破壞幾乎無破壞作用，GWP也低；高熱效率的CO₂冷媒配合夜間離峰電費將大大降低操作成本；良好的性和化學穩定性，CO₂安全無毒，不可燃，適應各種潤滑油及常用機械零部件材料，即便在高溫下也不分解產生有害氣體；具有與制冷循環和設備相適應的熱力學性質，CO₂的蒸發潛熱較大；與常規制冷劑相比，CO₂跨臨界循環的壓縮比較小，約為2.5～3.0，可以提高壓縮機的運行效率，從而提高系統的性能系數。

采用CO₂排氣溫度較高，可以得到更高溫度的熱水，55~90℃范圍內可調；CO₂熱泵可在-20℃工作，即使在嚴寒環境也可供應90℃熱水。

CO₂在地球上是取之不盡、用之不竭的自然物質，作為一種天然冷媒工質，憑借其環保、無毒以及優良的跨臨界循環等特點，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。

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。
 

CO₂作為制冷劑的主要缺點，是其具有較低的臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力（7.37MPa）。特別是后者，若采用跨臨界循環，CO₂制冷系統的工作壓力最高可達10 MPa，這對系統的材料強度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻，無疑，其生產成本也較其他空氣源熱泵機組要貴一些。

CO₂熱泵系統能否安全可靠的運行，與其基本材料的選擇，以及零件、儀表等承壓能力是否足夠強等也都有著莫大的關聯。一般的配件和材料承受不了CO₂熱泵的壓力要求，需要采用專用的零部件和材料才能滿足。

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