CO2熱泵就是採用CO2作為冷凍循環冷媒的熱泵或空調，一般的熱泵採用冷媒作為製冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬於蒸氣壓縮式，但稍有不同的地方是CO2熱泵屬於超臨界氣體的循環，即在冷凝器端CO2是不會被冷凝成液體的，而CHFC/CHF冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再降壓膨脹的。 至於為什麼要選擇CO2呢？

最主要的原因是目前大量使用的CHFC/CHF如R12、R22等冷媒被證明對環境有破壞作用，一個破壞作用是對臭氧層的破壞，一個是具有溫室效應。另外目前也有用HFC冷媒R134a、R407c、R417及R410等環保冷媒。而CO2是地球本身就有的氣體，來自於地球，即使排放到地球對環境也沒有影響，而應用於系統中卻可以有效的減少CO2的排放量。

但CO2作為製冷劑的熱泵系統，其工作壓力超高，高壓超過100kgf/cm2，而R22的熱泵系統高壓一般為20kgf/cm2多，因此，CO2熱泵系統的配件、銅管配管等都需要耐高壓，因此導致其成本比一般的熱泵系統高很多。

但作為熱泵來說，採用CO2還有一個好處就是其排氣溫度較高，而且在低溫下的效果也比其他的冷媒較好，作為熱泵熱水器來說，就意味著可以有更高溫度的熱水，如90℃，也可以在更低溫環境溫度下工作，如-15℃等。