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。所以CO2是熱泵系統工質替代中有潛力的天然工質之一。
CO2跨臨界系統氣體冷卻器端的溫度滑移可以與變溫熱源較好的匹配，它在熱泵熱水器方面的應用具有其它供熱方式無法比擬的優勢。日本主要家電公司聯合科研院所紛紛對CO2熱泵熱水器進行了深入的研究和開發，總結了開發中存在的問題和關鍵技術。結果表明CO2熱泵熱水器與電或燃氣熱水器相比較具有較高的性能系統（COP），其商業開發已經初步開始，市場前景為廣闊。
CO2作為制冷工質具有一些的優勢：對環境無害的自然界天然存在的物質（ODP=0，GWP=1）；優良的經濟性，且無回收問題；良好的安全性和化學穩定性，CO2安全，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，單位容積制冷量相當高；具有良好的輸運和傳熱性質，CO2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。由于CO2的臨界溫度很低（304.21K），因此CO2的放熱過程不是在兩相區冷凝，而是在接近或超過臨界點的區域的氣體冷卻器中放熱。
在CO2跨監界制冷循環中，其放熱過程為變溫過程，有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫熱源相匹配，是一種特殊的勞倫茲循環，當用于熱泵循環時，有較高的放熱系統。在超臨界壓力下，CO2無飽和狀態，溫度和壓力彼此獨立，能夠實現滿足實際需要的多種控制策略。當蒸發溫度、氣體冷卻器出口溫度保持恒定時，隨著高壓側壓力的變化，循環系統的COP存在大值，通過優化調節可節省壓縮功。
