随着《蒙特利尔议定书・基加利修正案》落地实施，全球加速淘汰高 GWP 氟化制冷剂（HFCs），天然制冷剂路线成为制冷行业转型核心方向。二氧化碳（工质编号 R744）作为百年前就投入使用的制冷介质，再度成为研究与工程应用热点。区别于传统制冷剂亚临界循环，CO₂普遍采用跨临界循环运行。
　　
　　1、二氧化碳制冷重新被重视的原因
　　‌环保属性卓越‌：二氧化碳（CO₂，制冷剂编号R744）的臭氧消耗潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）仅为1，是目前已知最环保的天然制冷剂之一。相较传统HFCs（如R410A的GWP=2088），使用CO₂可将商用制冷系统的直接碳足迹降低至接近零。
　　‌政策强力推动‌：中国“碳达峰、碳中和”目标（2030/2060）及《基加利修正案》加速淘汰高GWP制冷剂，推动CO₂成为政策导向的首选替代方案。
　　‌经济性优势‌：CO₂为工业副产品，来源广泛、成本低廉，仅为传统氟利昂制冷剂的约1/10，大幅降低长期运行与替代成本。
　　
　　二氧化碳制冷优点
　　制冷性能：0℃时单位容积制冷量为传统制冷剂的5–8倍，系统更紧凑，压缩机体积可减小30%以上。
　　传热与流动：黏度仅为氨的5.2%、R12的23.8%，流动阻力小，传热效率优于CFC类制冷剂，提升换热器效率。
　　安全与兼容：无毒、不可燃、化学性质稳定，高温下不分解有害物质；与常见金属材料兼容，密封性好，泄漏无爆炸或毒性风险。
　　余热回收：跨临界循环中气体冷却器排出的高温热量（可达90℃以上）可高效回收，用于场馆除湿、冰面维护、生活热水等，实现冷热联供。
　　2、二氧化碳制冷缺点
　　系统运行压力极高
　　跨临界工况高压侧运行压力普遍 7～10 MPa，是传统氟利昂系统3 倍以上。
　　压缩机、阀门、换热器、管路、接头均需采用高强度承压结构，材料、制造工艺标准提升；设备初始投资高于常规 HFC 系统；对焊接工艺、密封结构、压力检测、安全阀保护提出严苛要求，运维门槛上升；停机静置时，环境温度升高会持续抬升静态压力，必须配套压力缓冲与安全泄压设计。
　　高温环境下基础循环能效偏低
　　CO₂临界温度仅 31.06 ℃，当室外气温长期高于临界温度，基础跨临界循环节流损失显著增大，系统 COP 明显下滑。在亚热带、热带夏季高温工况，未搭载能效增强装置的基础系统，能效低于传统 R404A、R134a 系统。
　　循环控制逻辑复杂
　　系统存在最优高压压力，最优压力随环境温度、负荷实时变化；需要电子膨胀阀、高压调节阀联动控制。相比常规制冷系统，控制算法复杂度更高，对控制器、传感器可靠性要求更高。
　　泄漏管理要求更高
　　高压工况下微小渗漏会持续影响性能；系统必须加强法兰、阀件密封设计，配套持续泄漏监测。
　　3、二氧化碳三类制冷循环
　　亚临界制冷循环：流程和常规蒸气压缩制冷一致，压缩机吸排气、蒸发、冷凝温度压力均低于临界值，依靠工质相变潜热换热；早期 CO₂制冷、复叠制冷低温级普遍采用该循环。
　　跨临界制冷循环：吸气、蒸发侧仍处于亚临界状态，靠潜热吸热；排气压力高于临界压力，高压侧为显热换热，高压换热器称作气体冷却器，不再是传统冷凝器。
　　超临界循环：全流程参数高于临界点，工质不会液化，属于气体循环；仅原子能发电场景应用，制冷空调领域不使用。
　　4、二氧化碳复叠制冷系统原理
　　复叠制冷属于蒸气压缩制冷的特殊架构，整套系统通常整合 2–3 套适配不同工作温区的蒸气压缩制冷循环协同工作。
　　拿两级复叠制冷循环来说，整套系统拆分为高温、低温两个层级：高温层级选用中温制冷剂，低温层级选用低温制冷剂，两套独立的单级压缩制冷系统叠加配合完成制冷流程。
　　高低温两级依靠冷凝蒸发器完成热量传递：高温侧的中温制冷剂在该设备内蒸发吸热，使低温侧制冷剂释放热量、冷凝为液态；吸收了低温侧热量的中温制冷剂蒸气，会经由高温制冷循环把热量散至外界环境；已经液化的低温制冷剂经过低温侧节流阀降压节流后，输送至蒸发器吸收待冷却物件的热量，蒸发实现制冷，得到目标低温工况。
　　
　　目前工程里主流的 CO₂复叠制冷方案分为 HFCs/CO₂、NH₃/CO₂两种，低温侧统一采用 CO₂制冷回路，高温侧可按需选配 HFCs 制冷回路或是氨制冷回路；系统运行期间，CO₂低温回路冷凝温度大多维持在−5∼−10∘C，系统最大工作压力管控在2.8∼3MPa，运行状态安全稳定。
　　除此之外，CO₂复叠制冷还可以对接 CO₂载冷系统、热泵系统搭建全域冷链体系，可输出−70∘C∼95∘C的温度区间，兼容速冻、冷冻、冷藏、生产加工车间等各类工况，单套系统就能满足多温区使用需求，现已大量投入物流仓储、畜禽屠宰、水产处理、食品加工这类行业使用。