在制冷工况下，CO₂在压缩机内被压缩成高温高压的超临界流体，在气体冷却器中向外界散热，经节流阀节流降压成为低温低压流体，在蒸发器内吸热蒸发实现制冷，蒸发后的CO₂蒸汽被压缩机吸入完成循环。在制热工况下，通过四通阀改变制冷剂流向，使蒸发器和气体冷却器功能互换，实现制热。
当环境温度较低时，系统运行在亚临界状态，CO₂在冷凝器中冷凝成液体，经节流阀降压后在蒸发器内蒸发吸热，蒸发后的CO₂蒸汽被压缩机吸入，与传统制冷循环类似，但CO₂的工作压力和温度范围与传统制冷剂不同。
CO₂是天然制冷剂，ODP为0，GWP为1，对臭氧层无破坏，温室效应低，环保性好。化学性质稳定，无毒、不可燃、不爆炸，使用安全。CO₂的分子量小，制冷能力大，在相同冷负荷下，压缩机尺寸小、重量轻，系统紧凑。
应用案例
某办公楼改造项目：某办公楼总采暖面积8640㎡，原采暖热源为燃煤锅炉，改造时选用10台CO₂空气源热泵采暖机组替换，配套循环泵组、软水装置与定压装置。项目投资181万元，节能128tce，年碳减排量301吨，年节能经济效益约28万元。
某铁路段供暖项目：某铁路段选用CO₂热泵供暖机组替代传统制热设备，涉及5个站点约10,000㎡。CO₂空气源热泵供暖机组在零下15℃低温环境下可高效稳定运行，出水温度达65℃以上，室内实际温度平均值稳定在21-23℃。