二氧化碳热泵，即采用 CO₂ 作为制冷剂的热泵系统。由于 CO₂ 的冷媒代号为 R - 744，所以它也被称为 R744 热泵。与普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂不同，二氧化碳热泵在制冷和制热领域有着独特的地位。在全球对环境保护日益重视的背景下，它作为一种新型的热泵技术，正逐渐受到关注。普通热泵的制冷剂如氟利昂，对环境存在一定的破坏作用，而二氧化碳是地球本身就有的气体，来源广泛，即使排放到环境中也不会像氟利昂那样造成臭氧层破坏和温室效应加剧等问题。这使得二氧化碳热泵在环保方面具有显著优势，成为未来热泵技术发展的一个重要方向。
二氧化碳热泵与普通热泵的工作原理基本相同，都属于蒸汽压缩式循环系统。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、风机及循环水泵会自动开启。风机将空气吸入蒸发器，蒸发器内的 CO₂ 冷媒吸收空气中的热能。吸收热量后的 CO₂ 冷媒经热泵（压缩机）加压，产生高温。然后，高温的 CO₂ 通过热交换器将热量释放给水，使水温升高。与此同时，CO₂ 冷媒降温后经节流阀流回蒸发器，如此反复进行吸热和放热的循环过程，直到被加热水的水温达到设定温度，此时热泵和风扇停止工作。不过，二氧化碳热泵属于超临界循环，这是它与普通氟利昂热泵的重要区别。在冷凝器端，CO₂ 不会被冷凝成液体，而氟利昂冷媒在冷凝器端会被冷凝成液体再进行节流。
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，一方面会破坏臭氧层，另一方面具有温室效应。而 CO₂ 是地球本身就有的气体，对臭氧层几乎无破坏作用，全球变暖潜值（GWP）也很低。作为一种天然冷媒工质，它凭借环保、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 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，使整个系统非常紧凑。这在一些空间有限的应用场景中具有很大的优势，例如一些小型商业场所或居民住宅等。
高热效率的 CO₂ 冷媒配合夜间离峰电费，将大大降低操作成本。在一些地区，夜间电费相对较低，二氧化碳热泵可以利用这一特点，在夜间进行制热或制冷，从而节省运行成本。
CO₂ 具有良好的化学稳定性，安全无毒，不可燃，适应各种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气体。这使得二氧化碳热泵在使用过程中更加安全可靠，减少了因制冷剂泄漏等问题带来的安全隐患。
CO₂ 具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，其蒸发潜热较大。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，可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数。
采用 CO₂ 作为制冷剂的热泵排气温度较高，可以得到更高温度的热水，热水温度在 55 - 90℃ 范围内可调。并且，CO₂ 热泵可在 - 20℃ 的环境下工作，即使在严寒环境也可供应 90℃ 的热水，这是普通热泵难以达到的。
在家庭住宅领域，二氧化碳热泵可以用于供暖和提供生活热水。它能够在较低的环境温度下正常工作，为家庭提供稳定的温暖和热水供应。例如，在一些寒冷地区的住宅中，使用二氧化碳热泵可以满足冬季供暖需求，同时保证热水的供应，提高居民的生活质量。
商业场所如酒店、医院、学校等对热水和供暖的需求较大。二氧化碳热泵的高效性和环保性使其成为这些场所的理想选择。酒店可以利用二氧化碳热泵提供充足的热水供客人使用，医院可以保证医疗设备和病房的适宜温度，学校可以为师生创造舒适的学习和生活环境。
在工业领域，二氧化碳热泵也有广泛的应用。例如，食品行业需要对原材料进行加热处理，原油加热行业需要对原油进行加热以提高其流动性，电镀行业需要保持镀液的温度稳定等。二氧化碳热泵可以为这些行业提供稳定的工艺热水，满足工业生产的需求。
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、稳定安全性等方面有相应的要求。在市场上，已经有一些企业专注于二氧化碳热泵领域
二氧化碳热泵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，其生产成本也是其他空气源热泵机组的好几倍。此外，目前市场上产品质量参差不齐，消费者对二氧化碳热泵的认知度还相对较低，这也在一定程度上影响了其市场推广。
随着环保意识的不断提高和技术的不断进步，二氧化碳热泵有望在未来得到更广泛的应用。一方面，企业将不断加大研发投入，降低生产成本，提高产品质量和性能。例如，通过研发新型的材料和工艺，降低系统对高压的要求，从而降低成本。另一方面，政府的支持政策将继续推动二氧化碳热泵市场的发展。未来，二氧化碳热泵可能会在更多的领域得到应用，成为能源领域的重要组成部分。例如，在一些新能源汽车中，二氧化碳热泵可以用于空调系统，提高能源利用效率。同时，随着智能控制技术的发展，二氧化碳热泵的运行将更加智能化，能够根据不同的环境和需求自动调整运行参数，提高能源利用效率和用户体验。
总之，二氧化碳热泵作为一种具有环保优势和高效性能的热泵技术，虽然目前面临一些挑战，但在未来有着广阔的发展前景。通过企业、政府和社会各方的共同努力，相信二氧化碳热泵将为我们的生活和工业生产带来更多的便利和效益。