二氧化碳是自然界中的一種物質(zhì)，也是一種非常好的制冷物質(zhì)。其實(shí)，二氧化碳作為制冷劑已經(jīng)有百年歷史，在19世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代前就被廣泛應(yīng)用，隨著氨、氟里昂制冷劑開始應(yīng)用，二氧化碳制冷劑便迅速地退出歷史舞臺(tái)。

　　2021年3月，北京舉辦了中國(guó)碳達(dá)峰碳中和成果發(fā)布暨研討會(huì)，發(fā)布了中國(guó)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)規(guī)劃。中國(guó)制冷行業(yè)碳的排放，一方面來自用電、生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，另一方面來自于制冷劑等非二氧化碳溫室氣體的排放。從全球來看，商用制冷是制冷的主體，其制冷劑排放量最大(按CO2當(dāng)量計(jì)算)，占制冷劑總排放量的30%以上，如果用CO2做制冷劑，可以將商用制冷系統(tǒng)碳足跡減少到幾乎為零！這就是為什么二氧化碳制冷劑又被大家重視的主要原因。

　　1、二氧化碳制冷劑的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　二氧化碳是天然物質(zhì)，ODP=0，GWP=1。使用二氧化碳作為制冷工質(zhì)，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用，可以減少全球溫室效應(yīng)，且來源廣泛、價(jià)格便宜，可以大大降低制冷劑替代成本，節(jié)約能源，解決化合物對(duì)環(huán)境的污染問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

　　二氧化碳安全無毒、不可燃、不爆炸，具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會(huì)分解出有害的氣體，泄漏對(duì)人體、食品、生態(tài)都無損害。

　　二氧化碳具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物性。分子量小，制冷能力大，0℃的單位制冷量比常規(guī)制冷劑高5～8倍，因而對(duì)于相同冷負(fù)荷的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)的尺寸可以明顯減小，重量減輕，整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊；潤(rùn)滑條件容易滿足，對(duì)制冷系統(tǒng)常見材料無腐蝕，可以改善開啟式壓縮機(jī)的密封性能，減少泄漏。

　　二氧化碳黏度小，0℃時(shí)二氧化碳飽和液體的運(yùn)動(dòng)黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流體的流動(dòng)阻力小，傳熱性能比CFC類制冷劑更好，可以改善全封閉制冷壓縮機(jī)的散熱。

　　缺點(diǎn)：

　　不能維持生命，如果濃度過高，會(huì)引起人的呼吸器官的損害，甚至窒息死亡；

　　有很高的臨界壓力和低的臨界溫度；CO2臨界溫度為Tc=31.1℃ ，臨界壓力為Pc=7.3MPa，水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為22MPa。

　　無論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都將高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，給系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)帶來許多難度，制造成本也相對(duì)比較高。

　　（制冷系統(tǒng)中使用的所有制冷劑的蒸發(fā)壓力曲線）

　　2、二氧化碳的應(yīng)用

　　二氧化碳的研究和應(yīng)用主要集中于三個(gè)方面：

　　一方面是汽車空調(diào)領(lǐng)域，由于制冷劑排放量大，對(duì)環(huán)境的危害也大；

　　熱泵熱水領(lǐng)域，二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個(gè)相當(dāng)大的溫度滑移，有利于在極低的環(huán)境溫度下將熱水加熱到一個(gè)更高的溫度（90℃以上）。

　　復(fù)疊制冷循環(huán)領(lǐng)域，二氧化碳良好的低溫流動(dòng)性能和換熱特性，采用它作為CO2/NH3復(fù)疊制冷循環(huán)低溫級(jí)制冷劑。

　　前面說過，二氧化碳濃度過高會(huì)引起人的呼吸器官的損害，甚至窒息死亡，因此需要進(jìn)行泄露監(jiān)控，相關(guān)要求如下：

　　若二氧化碳濃度超過限定值，只允許受過訓(xùn)練的人員進(jìn)入；

　　報(bào)警器必須同時(shí)發(fā)出聲音和燈光報(bào)警，并同時(shí)覆蓋室內(nèi)和室外；

　　通風(fēng)系統(tǒng)和報(bào)警器不得使用同一個(gè)電源；

　　報(bào)警器必須能啟動(dòng)通風(fēng)，最好還能啟動(dòng)關(guān)斷閥；

　　通風(fēng)口和檢測(cè)器必須安裝在盡可能低的位置；

　　檢測(cè)器必須監(jiān)測(cè)CO2 濃度，而非缺氧情況。

　　3、二氧化碳在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　CO2/NH3復(fù)疊式制冷循環(huán)由NH3高溫級(jí)制冷循環(huán)和CO2低溫級(jí)制冷循環(huán)疊加而成，兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)通過蒸發(fā)-冷凝器（中間換熱器）耦合起來，新系統(tǒng)既能滿足在較低蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)時(shí)合適的蒸發(fā)溫度，又可以滿足在環(huán)境溫度下冷凝時(shí)適中的冷凝壓力。

　　系統(tǒng)流程及對(duì)應(yīng)的p-h圖如圖4所示：

　　圖中：1-2-3-4-1為低溫級(jí)CO2帶節(jié)流閥制冷循環(huán)；5-6-7-8-6為高溫級(jí)帶節(jié)流閥制冷循環(huán)，因?yàn)榈蜏丶?jí)的放熱過程（圖中2~3過程）和高溫級(jí)的吸熱過程（圖中5~8過程）發(fā)生在蒸發(fā)-冷凝器中。而且，換熱過程與環(huán)境沒有熱交換。因此可以認(rèn)為，高溫級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)負(fù)荷與低溫級(jí)循環(huán)的冷凝負(fù)荷相等，蒸發(fā)-冷凝器中的傳熱溫差，一般取5~8℃。