利用CO2跨臨界循環加熱水的熱泵裝置的原理性系統與循環如圖2一31所示。
圖上方示出的系統組成與圖2一30（b）類似。T一s圖中的虛線分別表示被加熱水的溫度變化和低溫熱源側的溫度變化。
就一般情況而言，多數熱泵從環境（水或空氣）大熱源吸熱，熱源溫度變化較小，蒸發器中制冷劑的定溫蒸發過程很適宜這種傳熱情況。熱泵向有限流量的水或空氣排熱，被加熱的流體溫度升高，所要求的流體溫升值或大或小。在小型直接凝結的空氣熱泵中，被加熱空氣的溫升范圍從（15一20）K（常規分體式機組）直到（30~40）K（大型區域熱網供熱），工業應用和直接對水罐加熱的場合，則還要更高。這導致若用凝結排熱的常規熱泵循環方式，由于冷凝器中制冷劑定溫排熱與被加熱流溫升的不匹配，而要額外消耗相當多的功率。
這樣的加熱過程用CO2跨臨界循環就很相宜。從圖2一31中可以看到，要提高熱泵的效率，應使CO2的排熱溫度曲線與被加熱流體的吸熱溫度曲線形狀相近似。
當要求加熱水的溫升較大時，用圖2一31所示的CO2：單級壓縮系統，適宜于要求加熱溫升（40~50）K的場合（取決于熱源溫度）。這種情況下，與傳統循環相比，它很容易將比功降低40%，COPH也獲得相應的改善。
當要求加熱水溫升較小時，上述系統的CO2：的排熱溫度曲線與被加熱流體的吸熱溫度曲線匹配不理想，存在COPH：下降的問題。用分級壓縮可以解決該問題。通過分級壓縮，讓CO2的排熱溫度曲線與期望的形狀相接近。圖2-32示出一個兩級壓縮的CO2熱泵式水加熱系統。將水的溫度從35℃加熱到60℃，適用于溫帶地區冬季供暖裝置。圖2-33利用T-s圖給出在同樣制熱能力和加熱溫度要求下，傳統R12熱泵循環與CO2兩級壓縮熱泵循環的比較。顯然，由于熱交換的溫度匹配關系改善了，CO2系統的能效明顯優于傳統系統。
CO2熱泵熱水器也可應用在寒冷氣候地區，同時提供生活熱水和房間供暖熱水。對于提供供暖熱水和生活熱水的CO2熱泵熱水器，氣體冷卻器可以有不同的布置方案，優化設計氣體冷卻器是提高CO2熱泵熱水器節能性能的重要途徑之一。
