Ebben az esetben a szén-dioxidot nem valódi hűtőközegként, hanem a hidegenergiát térben elszállító hőhordozó közegként (másodlagos hűtőközegként) alkalmazzák. Nincs expanziós szelep vagy kompresszor, a közvetítő közeg hőfelvétele a hűtési helyeknél közel ugyanazon a nyomásszinten történik, mint a hőleadás a hűtőkör elpárologtatójában.

A 0 °C alatt hagyományosan leggyakrabban használt közvetítő közegek a különböző sóoldatok, valamint a propilén- és etilén-glikol vizes oldatai, melyek hőmérséklete változik a hőleadás, ill. felvétel során. Ezzel szemben a szén-dioxidot alkalmazhatjuk fázisváltó hőhordozó közegként, hasznosítva a párolgási (látens) hőjét. A szén-dioxid párolgáshője -5 °C-on 245 kJ kg-onként, és könnyen kiszámolható, hogy ez a hőmennyiség (az erre a hőmérsékletre megfelelő, 30%-os), propilén-glikol oldat (melynek fajhője 3,8 kJ/kg K) 10,7 kg-jának, 6 K-es hőmérsékletváltozásának felel meg. Ez azt jelenti, hogy egy adott hűtési feladatra a forgalmazandó szén-dioxid tömegárama egy nagyságrenddel kisebb lehet, ami a csőméretek szempontjából még akkor is előnyös, ha figyelembe vesszük, hogy itt a visszatérő ágban (részben) gőz fázis áramlik. Továbbá a fázisváltás jó hőátadási tényezőt is eredményez a különböző hőcserélőkben. Ezen felül a szén-dioxid alacsony hőmérsékletű folyadékának kicsi a viszkozitása, ami tovább csökkenti a hőhordozó közeg keringtetéséhez szükséges energiafelhasználást.

A szén-dioxid fázisváltó közvetítő közegként való alkalmazására szolgáló megoldások egyikének elvi sémáját mutatja a 7.36. ábra. A folyadékleválasztó tartályból (2) a szivattyúkkal (3) juttatjuk el a folyékony szén-dioxidot az elpárologtatókhoz (1), ahol részlegesen elgőzölög, majd visszakerül a tartályba.  Eközben a tartály felső részéből a gőz fázis természetes áramlással jut a hőelvonást biztosító kaszkád hőcserélőbe (4), ahol kondenzálódik. Megjegyzendő, hogy amennyiben az elpárologtatók a szén-dioxid tartály alatt helyezkednek el, akkor esetleg természetes cirkuláció útján is megtáplálhatók. Az ábrán láthatótól eltérő megoldás, amikor a hűtési helyekről visszatérő közeg közvetlenül a kaszkád hőcserélőbe kerül, ott teljesen kondenzálódik, és csak utána engedik vissza a tartályba.

Fontos megjegyezni, hogy egyrészt ezt a megoldást is szokták a kaszkád rendszer megnevezéssel illetni, másrészt sokszor előfordul, hogy a szén-dioxidot egy rendszeren belül közvetítőközegként is használják (a közepes hőmérsékletszintű hűtési helyekhez), ill. tényleges alacsony hőmérsékletű hűtőközegként is (alsó fokozati expanzióval és kompresszorral, a mélyhűtéshez).

7.36. ábra. Közvetítő közeges rendszer CO2-vel

1- elpárologtató, 2- folyadékleválasztó, 3- folyadékszivattyú, 4- kaszkád hőcserélő, 5- kompresszor, 6- kondenzátor, 7- expanziós szelep