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。所以CO2是热泵系统工质替代中有潜力的天然工质之一。

CO2跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配，它在热泵热水器方面的应用具有其它供热方式无法比拟的优势。日本主要家电公司联合科研院所纷纷对CO2热泵热水器进行了深入的研究和开发，总结了开发中存在的问题和关键技术。结果表明CO2热泵热水器与电或燃气热水器相比较具有较高的性能系统（COP），其商业开发已经初步开始，市场前景为广阔。

CO2作为制冷工质具有一些的优势：对环境无害的自然界天然存在的物质（ODP=0，GWP=1）；优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，CO2安全，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；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，单位容积制冷量相当高；具有良好的输运和传热性质，CO2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。由于CO2的临界温度很低（304.21K），因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。

在CO2跨监界制冷循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放热系统。在超临界压力下，CO2无饱和状态，温度和压力彼此独立，能够实现满足实际需要的多种控制策略。当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持恒定时，随着高压侧压力的变化，循环系统的COP存在大值，通过优化调节可节省压缩功。