二氧化碳（CO₂，冷媒編號 R-744）是人類最早使用的冷媒之一，早在 19 世紀末便已廣泛應用於船舶冷凍與食品工業。然而，隨著合成冷媒（CFC、HCFC、HFC）的發明與普及，CO₂ 在 20 世紀中葉逐漸被取代。如今，在全球暖化潛勢（GWP）管制日益嚴格的背景下，CO₂ 以其 GWP=1、ODP=0、不可燃、無毒的絕對環境優勢，透過跨臨界循環（Transcritical Cycle）技術，在商用冷凍與冷鏈領域強勢回歸[1]。本文將從工程師的角度，系統性解析 CO₂ 跨臨界冷凍系統的熱力學原理、系統架構、關鍵組件設計，以及在台灣亞熱帶氣候條件下的適用性與工程對策。

一、為什麼 CO₂ 重新成為冷媒選項？

CO₂ 作為冷媒的歷史可追溯至 1866 年，美國人 Thaddeus Lowe 首次將其應用於製冰系統。到了 1890 至 1930 年代，CO₂ 冷凍系統在船舶冷凍、啤酒廠與冷藏倉庫中佔有重要地位。然而，1930 年代 CFC 冷媒的發明，以其低壓、穩定、不可燃的操作優勢迅速取代了 CO₂——後者的高運轉壓力在當時被視為設備成本與安全性的劣勢[2]。

八十年後的今天，環境法規的演進徹底改變了冷媒選擇的判斷標準。《蒙特婁議定書》基加利修正案的全球推進，加上歐盟 F-Gas 法規 2024 年修訂版（Regulation (EU) 2024/573）大幅加嚴 HFC 配額，使得 R-404A（GWP 3,922）、R-507A（GWP 3,985）等傳統商用冷凍冷媒面臨加速淘汰的命運[3]。在此背景下，CO₂ 的環境特性變得無可匹敵：

  • GWP = 1：所有冷媒中最低的全球暖化潛勢，作為 GWP 的計算基準本身
  • ODP = 0：不破壞臭氧層
  • ASHRAE 34 安全分類 A1：低毒性、不可燃，是唯一同時具備零環境衝擊與 A1 安全等級的冷媒
  • 廣泛可取得：CO₂ 為工業副產品，來源充足、價格低廉且不受配額管制

歐洲超市產業是 CO₂ 跨臨界系統商業化應用的先驅。根據 Shecco 的市場調查報告，截至 2025 年底，歐洲已安裝超過 50,000 套 CO₂ 跨臨界冷凍系統，廣泛應用於 Carrefour、Tesco、ALDI、Lidl 等連鎖超市[4]。這一數字較五年前成長了近三倍，充分證明了 CO₂ 跨臨界技術的商業成熟度。

二、CO₂ 的熱力學特性與跨臨界循環

理解 CO₂ 跨臨界冷凍系統，必須從其獨特的熱力學性質出發。CO₂ 的臨界溫度為 31.1°C，臨界壓力為 73.8 bar——這兩個數值是理解整個系統設計邏輯的關鍵[5]。

亞臨界與跨臨界循環

傳統冷媒（如 R-134a、R-404A）的臨界溫度遠高於一般環境溫度（R-134a 臨界溫度 101.1°C），因此冷凍循環的高壓側始終處於臨界點以下的飽和區域——冷凝器中冷媒以等溫等壓的方式釋放潛熱，完成從氣態到液態的相變化。這就是「亞臨界循環」（Subcritical Cycle）。

CO₂ 的情況截然不同。當環境溫度超過約 25°C 時，冷凝溫度將接近甚至超過臨界溫度 31.1°C。此時，高壓側的 CO₂ 無法進行傳統的氣液相變冷凝——它處於超臨界狀態，是一種密度介於氣液之間的超臨界流體。在這種「跨臨界循環」（Transcritical Cycle）中，高壓側的熱交換器不再是「冷凝器」，而稱為「氣冷器」（Gas Cooler），CO₂ 在其中以顯熱方式（溫度連續下降但不發生相變）向外界排熱[5]。

高壓側運轉壓力的工程意義

跨臨界循環中，氣冷器出口的 CO₂ 溫度與壓力不再耦合（不同於亞臨界循環中冷凝壓力由冷凝溫度唯一決定）。工程師可以透過高壓閥或壓縮機的控制來調整高壓側壓力，以在特定環境溫度下達到最佳 COP。典型的跨臨界運轉壓力範圍為 80–120 bar[6]——這意味著系統的高壓側管路、閥件、接頭與壓力容器均須採用專為高壓設計的組件，設計壓力通常需達 130–140 bar。

COP 與環境溫度的關係

CO₂ 跨臨界循環的 COP 對環境溫度高度敏感。在環境溫度低於 25°C 時，系統可運轉於亞臨界模式，COP 表現與傳統冷媒系統相當甚至更優。然而，當環境溫度升至 35°C 以上，跨臨界循環的 COP 下降幅度顯著，這是因為氣冷器出口溫度被環境溫度「托底」，高壓側的膨脹損失增大[7]。這一特性使得高溫氣候成為 CO₂ 跨臨界系統的最大工程挑戰，也是本文後續將重點討論的議題。

三、CO₂ 冷凍系統的架構與關鍵組件

現代 CO₂ 跨臨界冷凍系統已發展出多種成熟的系統架構，以因應不同的應用需求與氣候條件。

Booster 系統：中溫 + 低溫雙級壓縮

Booster 系統是商用超市 CO₂ 冷凍系統的基礎架構。系統包含兩組壓縮機：低溫壓縮機（LT Compressor）服務 -35°C 至 -30°C 的冷凍展示櫃，中溫壓縮機（MT Compressor）服務 -10°C 至 -5°C 的冷藏展示櫃[6]。低溫壓縮機的排氣匯入中溫吸氣側，再由中溫壓縮機提升至氣冷器壓力。閃發器（Flash Tank）或中間冷卻器（Intercooler）設置於中壓段，用以分離閃發氣體（Flash Gas）並對液態冷媒進行過冷。

並聯壓縮（Parallel Compression）

在高環境溫度下，閃發器中產生的閃發氣體量顯著增加。若將這些中壓閃發氣體全部導回中溫壓縮機吸氣側，會降低系統整體效率。並聯壓縮技術在 Booster 架構中增設一組專用壓縮機，直接從閃發器吸入中壓氣體並壓縮至氣冷器壓力，避免了不必要的節流損失。研究顯示，並聯壓縮可在高環境溫度下提升系統 COP 達 10%–20%[7]。

膨脹機（Ejector / Expander）

跨臨界循環中，從氣冷器出口到蒸發器入口的膨脹過程涉及巨大的壓差（可達 40–80 bar），以傳統膨脹閥進行節流會造成可觀的熱力學不可逆損失。膨脹機技術（Ejector 或 Expander）可部分回收這些膨脹功，將其轉化為壓縮功或動能，提升循環效率[8]。

  • 多射流器（Multi-Ejector）：利用高壓 CO₂ 的動能引射低壓蒸發器出口的氣體，提升壓縮機吸氣壓力，降低壓縮功。Danfoss 的多射流器模組已在歐洲超市中廣泛商業化應用，可提升系統 COP 達 15%–25%
  • 膨脹渦輪（Expander Turbine）：將膨脹功直接回收為軸功驅動壓縮機或發電機，理論效率更高但機械複雜度亦更高，目前仍處於研發與試驗階段

氣冷器設計

氣冷器是 CO₂ 跨臨界系統中取代傳統冷凝器的關鍵組件。由於高壓側壓力可達 80–120 bar，氣冷器的管路與翅片設計需承受遠高於傳統冷凍系統的壓力等級。常見設計採用小口徑微通道（Microchannel）換熱器，利用較小的管徑來承受高壓，同時提供優良的換熱效率與緊湊的體積[6]。

在高溫氣候地區，蒸發式氣冷器（Evaporative Gas Cooler）透過在氣冷器表面噴水蒸發來降低進風溫度，可有效將氣冷器出口 CO₂ 溫度降低 5–8°C，顯著提升跨臨界運轉的 COP。這項技術對台灣等亞熱帶地區的 CO₂ 系統設計尤為重要。

高壓安全設計

CO₂ 系統的高運轉壓力要求嚴謹的安全設計。所有高壓側組件需符合壓力容器法規（如 PED、ASME），並配置安全閥（Relief Valve）與爆破片（Rupture Disc）作為超壓保護。系統停機時，CO₂ 的壓力會隨環境溫度上升而持續升高——在密閉系統中，40°C 環境溫度對應的 CO₂ 飽和壓力約為 100 bar。因此，系統設計必須考慮停機期間的壓力管理策略[5]。

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四、商用冷凍應用：超市與物流中心

商用超市是 CO₂ 跨臨界冷凍系統最成熟也最大規模的應用場域。一座中型超市的冷凍冷藏系統通常涵蓋數十台展示櫃與數間冷藏庫，總冷凍能力從數十 kW 到數百 kW 不等。

整合式冷凍冷藏系統

CO₂ Booster 系統的最大優勢之一，是以單一冷媒同時服務中溫（冷藏）與低溫（冷凍）負荷，取代傳統超市中分別使用 R-404A 冷凍系統與 R-134a 冷藏系統的雙系統架構。整合式設計不僅簡化了管路配置與冷媒管理，更因消除了一組冷凝器與相關設備而降低了初始投資與維護成本[4]。

展示櫃直接膨脹 vs 間接系統

CO₂ 系統搭配展示櫃的方式分為直接膨脹（Direct Expansion, DX）與間接系統（Indirect / Secondary Loop）兩種。DX 系統將 CO₂ 直接送至展示櫃蒸發器，換熱效率高但管路系統延伸至賣場區域；間接系統則以 CO₂ 冷卻載冷劑（如乙二醇溶液），再由載冷劑循環至展示櫃。DX 系統在歐洲較為普及，但在亞洲市場，部分業者考量管路長度與高壓安全性，傾向採用間接系統作為過渡方案。

熱回收利用

跨臨界循環的氣冷器出口 CO₂ 溫度可達 80–100°C，蘊含大量可回收的高品位廢熱。歐洲超市普遍將此廢熱用於冬季店內暖氣與生活熱水加熱，實現能源的整合利用。在寒冷氣候地區，熱回收的經濟效益可顯著縮短系統的投資回收期[4]。即便在台灣的亞熱帶環境，超市的生活熱水需求（清潔用水、員工盥洗）仍可作為全年性的熱回收應用場景。

TEWI 比較

TEWI（Total Equivalent Warming Impact，總等效暖化衝擊）是評估冷凍系統環境影響的綜合指標，同時考量冷媒直接排放（洩漏）與間接排放（能源消耗）。多項歐洲實測研究顯示，CO₂ Booster 系統的 TEWI 較 R-404A 系統低 20%–40%[3]。在冷媒洩漏率相同的假設下，CO₂ 的直接排放影響幾乎可忽略（GWP=1 vs. GWP=3,922），而間接排放差異則取決於氣候條件與系統設計水準。

五、冷鏈與工業冷凍應用

CO₂ 的應用範疇已從超市冷凍向更廣泛的冷鏈與工業冷凍領域擴展。

大型冷凍庫的 CO₂ 系統設計

對於 -25°C 至 -40°C 的大型冷凍庫，CO₂ 可作為低溫段冷媒，以其優異的容積冷凍能力（Volumetric Refrigerating Capacity）提供高效的低溫製冷。CO₂ 在 -30°C 蒸發溫度下的容積冷凍能力約為 R-404A 的 5–8 倍，這意味著更小口徑的管路、更緊湊的蒸發器與更低的冷媒充填量[5]。

CO₂/NH₃ 串疊（Cascade）系統

CO₂/NH₃ 串疊系統是大型工業冷凍領域的技術焦點。系統以 NH₃（R-717）作為高溫段冷媒驅動冷凝器，CO₂ 作為低溫段冷媒服務冷凍庫蒸發器，兩者透過串疊換熱器（Cascade Heat Exchanger）進行熱交換[2]。這種架構結合了 NH₃ 在高溫段的能效優勢與 CO₂ 在低溫段的容積效率優勢，同時將 NH₃ 的使用限制在機房區域，降低了 NH₃ 充填量與洩漏風險。歐洲的大型物流冷凍倉儲已廣泛採用此架構。

冷鏈物流的 CO₂ 應用前景

冷鏈物流中，CO₂ 的應用正從固定式冷凍設備向運輸冷凍延伸。CO₂ 冷凍冷藏車利用液態 CO₂ 的蒸發潛熱提供冷量，具備快速降溫、無機械振動、低噪音等優勢。此外，液態 CO₂ 作為蓄冷介質，在冷鏈中繼站的快速充填與釋冷應用也展現了發展潛力[9]。

製冰系統的 CO₂ 應用

CO₂ 在製冰領域有其獨特優勢。其高容積冷凍能力使得製冰系統的管路與換熱器可大幅縮小，而 CO₂ 優良的傳熱特性（液態密度高、黏度低、導熱係數高）更有助於提升製冰效率。在漁港、水產加工廠等需要大量碎冰或片冰的場景中，CO₂ 製冰系統正逐步取代傳統 R-22 與 R-404A 系統。

六、台灣亞熱帶氣候的適用性與工程對策

CO₂ 跨臨界系統在台灣應用的最大挑戰，毫無疑問是高環境溫度。台灣夏季（6–9 月）的日間室外溫度經常達到 33–36°C，南部地區（如高雄、屏東）甚至可超過 37°C。當環境溫度遠超 CO₂ 臨界溫度 31.1°C 時，跨臨界循環的 COP 將顯著低於亞臨界模式[7]。

高環境溫度對效率的影響

以一座典型的超市 CO₂ Booster 系統為例，在環境溫度 25°C 下的系統 COP 約為 2.8–3.2；當環境溫度升至 35°C，COP 可能下降至 2.0–2.4，降幅約 25%–30%[10]。這一效率損失主要源自氣冷器出口溫度升高導致的膨脹損失增大，以及壓縮機功耗的上升。若與同等條件下 R-404A 系統的 COP 2.5–3.0 相比較，CO₂ 在高溫條件下的能效劣勢不容忽視。

絕熱蒸發冷卻

絕熱蒸發冷卻（Adiabatic Evaporative Cooling）是提升 CO₂ 系統在高溫環境下效能的最有效手段之一。在氣冷器進風側設置濕墊（Wet Pad）或噴霧系統，利用水分蒸發將進風溫度降低 5–10°C。以高雄夏季典型的 35°C / 70% RH 條件為例，絕熱冷卻可將進風溫度降至約 28–30°C，使系統接近亞臨界運轉區域，COP 可回升 15%–25%[10]。絕熱冷卻的水耗量相對有限，且在高濕度環境下仍可發揮可觀的降溫效果。

蓄冷與夜間運轉策略

台灣的日夜溫差雖不如溫帶地區顯著，但夏季夜間溫度仍較白天低 5–8°C。透過蓄冷系統（Thermal Energy Storage, TES），利用夜間較低的環境溫度與較低的電價時段進行蓄冷，白天再以蓄冷釋放來補充系統冷量，可同時提升系統年均 COP 與降低電力尖峰需量費用。冰蓄冷或 CO₂ 液態蓄冷（利用 CO₂ 本身作為蓄冷介質）是可行的技術方案。

台灣市場現況與未來展望

截至 2026 年，台灣的 CO₂ 跨臨界冷凍系統安裝數量仍相當有限，主要集中於少數國際連鎖超市的試驗性導入與部分前瞻性冷凍食品業者的新建案。市場發展的主要障礙包括：國內具備 CO₂ 高壓系統設計與施工經驗的工程團隊不足、高壓組件的供應鏈尚未完全建立、以及業界對高環境溫度下系統效率的疑慮。

然而，長期來看，隨著 HFC 配額持續收緊導致 R-404A 等冷媒價格攀升、CO₂ 系統組件（尤其是多射流器與並聯壓縮模組）的成本持續下降，加上碳費徵收與 ESG 報告需求推動企業降低供應鏈碳排放，CO₂ 跨臨界系統在台灣的經濟可行性將穩步改善。對於規劃新建大型冷凍庫或超市冷凍系統的業主而言，現階段即應將 CO₂ 系統納入可行性評估的選項之中。

結語

CO₂ 跨臨界冷凍系統代表著冷凍工程在環境法規壓力與技術創新雙重驅動下的發展方向。從歐洲超過五萬套的成熟商業運轉經驗來看，技術本身的可靠性已無需質疑。對台灣而言，真正的工程挑戰在於如何透過系統架構最佳化（並聯壓縮、多射流器）、氣冷器強化設計（蒸發式冷卻）與運轉策略調整（蓄冷、夜間運轉），將亞熱帶氣候的效率劣勢控制在可接受的範圍內。作為冷凍空調工程技師，我們有責任在冷媒轉型的浪潮中，以扎實的工程分析取代觀望心態，為業主提供面向未來二十年的冷凍系統解決方案。