利用CO2跨临界循环加热水的热泵装置的原理性系统与循环如图2一31所示。
图上方示出的系统组成与图2一30（b）类似。T一s图中的虚线分别表示被加热水的温度变化和低温热源侧的温度变化。
就一般情况而言，多数热泵从环境（水或空气）大热源吸热，热源温度变化较小，蒸发器中制冷剂的定温蒸发过程很适宜这种传热情况。热泵向有限流量的水或空气排热，被加热的流体温度升高，所要求的流体温升值或大或小。在小型直接凝结的空气热泵中，被加热空气的温升范围从（15一20）K（常规分体式机组）直到（30~40）K（大型区域热网供热），工业应用和直接对水罐加热的场合，则还要更高。这导致若用凝结排热的常规热泵循环方式，由于冷凝器中制冷剂定温排热与被加热流温升的不匹配，而要额外消耗相当多的功率。
这样的加热过程用CO2跨临界循环就很相宜。从图2一31中可以看到，要提高热泵的效率，应使CO2的排热温度曲线与被加热流体的吸热温度曲线形状相近似。
当要求加热水的温升较大时，用图2一31所示的CO2：单级压缩系统，适宜于要求加热温升（40~50）K的场合（取决于热源温度）。这种情况下，与传统循环相比，它很容易将比功降低40%，COPH也获得相应的改善。
当要求加热水温升较小时，上述系统的CO2：的排热温度曲线与被加热流体的吸热温度曲线匹配不理想，存在COPH：下降的问题。用分级压缩可以解决该问题。通过分级压缩，让CO2的排热温度曲线与期望的形状相接近。图2-32示出一个两级压缩的CO2热泵式水加热系统。将水的温度从35℃加热到60℃，适用于温带地区冬季供暖装置。图2-33利用T-s图给出在同样制热能力和加热温度要求下，传统R12热泵循环与CO2两级压缩热泵循环的比较。显然，由于热交换的温度匹配关系改善了，CO2系统的能效明显优于传统系统。
CO2热泵热水器也可应用在寒冷气候地区，同时提供生活热水和房间供暖热水。对于提供供暖热水和生活热水的CO2热泵热水器，气体冷却器可以有不同的布置方案，优化设计气体冷却器是提高CO2热泵热水器节能性能的重要途径之一。
