二氧化碳作为制冷剂，拥有悠久的历史和独特的优势。在20世纪初，它曾广泛应用于制冷领域，但在氨和氟里昂制冷剂兴起后，二氧化碳制冷剂逐渐被淘汰。然而，随着全球对环境保护和碳减排的重视，二氧化碳制冷剂再度受到关注。尤其是在中国提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标后，其在商用制冷领域的应用潜力更加凸显。

二氧化碳制冷剂的使用具有以下优点：首先，它是天然物质，对大气臭氧层无破坏作用，能减少全球温室效应，且来源广泛、价格便宜，有助于降低制冷剂替代成本，节约能源，解决化合物对环境的污染问题。此外，二氧化碳安全无毒、不可燃、不爆炸，具有良好的热稳定性，即使在高温下也不分解出有害气体，对人类健康、食品和生态环境均无损害。

二氧化碳在制冷系统中的应用展现出其独特的性能优势：单位制冷量大，分子量小，相较于常规制冷剂，其制冷能力提高5～8倍。这使得相同冷负荷的制冷系统可以采用更小的压缩机，减轻重量，实现系统紧凑设计。二氧化碳黏度小，传热性能优于CFC类制冷剂，能改善全封闭制冷压缩机的散热条件。

然而，二氧化碳制冷剂也存在一定的缺点。高浓度二氧化碳会抑制生命，浓度过高时，可能引起呼吸器官损害，甚至导致窒息死亡。二氧化碳的临界压力和临界温度相对较高，无论采用亚临界循环还是跨临界循环，其运行压力都将高于传统制冷空调系统，给系统设计带来挑战，同时增加了制造成本。

二氧化碳在汽车空调、热泵热水和复叠制冷循环领域的应用表现出其独特价值。在汽车空调领域，二氧化碳制冷剂能有效减少对环境的影响。在热泵热水领域，二氧化碳在超临界条件下的特性有助于在极低温度下将热水加热至高温度（90℃以上）。在复叠制冷循环中，二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性使其成为CO2/NH3复叠制冷循环的理想选择，适用于低温级制冷剂。

为了确保安全，二氧化碳应用时需进行泄露监控。特定情况下，如二氧化碳浓度超过限定值，仅允许受过训练的人员进入，并确保报警器能同时发出声音和灯光报警，覆盖室内和室外区域。通风系统与报警器应使用不同电源，报警器应能启动通风系统，并最好能启动关断阀。通风口和检测器应安装在较低位置，确保检测器能监测二氧化碳浓度而非缺氧情况。

最后，CO2/NH3复叠式制冷循环系统结合了NH3高温级制冷循环和CO2低温级制冷循环，通过蒸发-冷凝器（中间换热器）耦合，实现低温蒸发温度和适中冷凝压力的双重目标。系统流程和对应的p-h图显示了低温级CO2制冷循环和高温级NH3制冷循环的耦合方式，以及蒸发-冷凝器中的传热温差，这一设计有效地优化了制冷性能。