由于发动机余热的缺失，新能源汽车只能依靠辅助电加热实现制热，造成冬季续航里程急速衰减。跨临界CO 2 循环以其优异的制热特性和环保特性，成为车用空调领域热泵空调的替代方案之一。
目前研究如下：
（1）1990 年，G． Lorentzen 等首次提出跨临界CO 2 循环，就是针对乘用车空调系统，随后其研究团队搭建了世界上首台CO 2 汽车空调系统，验证了其可行性。
（2）在性能对比方面，伊利诺伊大学、马里兰大学、三电、尼桑等，在全环境温度和不同行驶工况下对比研究了CO 2 与Ｒ134a 的制冷能力，验证了CO 2 汽车空调可以获得与Ｒ134a 相当的制冷量，但在怠速、城市工况、高温工况下能效略低;
（3）在打冷效果方面，2000 年日本卡索尼克公司在国际汽车工业替代制冷剂大会上发表结果表明，CO 2 乘用车空调系统的降温能力不低于 Ｒ134a 系统，随后，戴姆勒公司指出CO 2 系统能够提供更低的车厢温度和更短的快速打冷时间。S． Memory 等进行了宝马 328i 型轿车的打冷实验，结果表明跨临界CO 2 空调系统的快速打冷时间比 Ｒ134a 缩短近 15 min。同时，A． Dragi的实验结果表明，快速打冷后，CO 2 系统蒸发器侧空气送风温度比 Ｒ134a 低6 ℃ 。跨临界 CO 2 循环的制热特性明显优于Ｒ134a 系统。
乘用车热泵空调具备制冷、制热、除湿除雾、化霜等功能。
下图所示为直接式CO 2 热泵空调实现形式，采用四通换向阀实现制冷制热两大基本功能的切换，该系统简洁紧凑，管路连接简单; 采用直接换热避免二次换热损失; 执行部件少，控制易实现。
在该基本形式下，衍生如下图所示的实现形式，即带除湿除雾功能的直接式CO 2 热泵空调实现形式。在空调箱内增加一个换热器，制冷模式下，打开空调箱风门，便可实现先除湿后加热，达到对挡风玻璃除雾的目的。随着CO 2 空调的发展，四通阀、双向节流阀等主要部件逐渐成熟，该方案也将成为较为主流的实现形式。
受四通换向阀、双向节流阀等部件成熟度限制，另一种CO 2 热泵空调将空调箱内的制热和制冷换热器分开，即阀件组合直接式CO 2 热泵空调实现形式，如下图所示。系统含两个节流阀、两个旁通阀、一个车外换热器、一个车内制冷换热器、一个车内制热换热器等。该方案避开使用四通换向阀，提升了系统可靠性，但额外增加了换热器、节流阀和旁通阀，使系统成本增加。
由于跨临界CO 2 循环的高压特性，运行高压可达 10 MPa 以上，存在安全隐患。下图所示为间接式CO 2 热泵空调实现形式，正是应对上述缺点，将高压部件全部放在乘员舱外，通过二次回路实现热和冷的传递。
但二次回热导致CO 2 循环气体冷却器出口温度升高，引发性能恶化，尤其在高温下十分显著。综合直接式和间接式的优缺点，半间接式循环如下图所示。
车外换热器采用直接换热，车内换热器为间接换热，克服了高温制冷条件下二次换热导致性能衰减的问题，同时成员舱内没有高压部件，但系统复杂程度大大增加。
上海交通大学陈江平团队对比研究了CO 2 直接式和间接式系统性能，与传统系统相比，间接系统使系统加热能力下降 6%，压缩机功耗增加 15%，COP 降低 19%。与直接系统相比，间接系统的气体冷却器出口温度从 34. 3 ℃升至 40. 5 ℃，压力从 9. 2 MPa 增至 10. 8 MPa，性能恶化显著。
乘用车跨临界 CO 2热泵空调性能参数及其影响的研究较多。
（1）最优排气压力。
S． C． Kim 等通过实验给出了与气体冷却器出口温度相关的最优高压经验关联式；上海交通大学的WangDandong 等在对跨临界 CO 2汽车空调的制热性能研究基础上，也提出了最优压力的预测公式，其预测值比 S． C． Kim 等的预测值低。
此外，M． S． Kim 等也通过添加高压扰动的方法，试图实时寻找系统的最优压力，但实验结果运行参数存在明显振荡，也并未应用于乘用车热泵空调。
（2） 系统影响参数 。
S．C． Kim 等针对环境温度、风量、进 /出风温度、压缩机转速等变量对跨临界 CO 2热泵空调性能的影响进行了充分研究。
（3）性能提升。
中科院理化所田长青研究团队采用两级转子压缩机搭建了跨临界CO 2 热泵空调系统，分别在－20～ 0 ℃ 和 35、45 ℃ 下研究了制热和制冷特性，并与跨临界CO 2 基本循环进行了对比，结果显示，制热条件下带中间冷却的系统制热量和能效分别提50%～132%和18. 9% ～61. 9%，制冷条件下带中间冷却系统制冷量和能效分别提升19. 8%和12. 8%。
H． Cho 等研究指出CO 2 热泵空调存在最优的充注量；
Wang Dandong 等实验研究了跨临界CO 2 热泵空调的充注量影响特性，将充注量分为欠充区、平台期、过充区。
Yin Xiang 等使用无量纲数表征充注量，全面阐述了随着环境温度、压缩机转速等变化，跨临界CO 2 热泵空调欠充区、平台期、过充区的转变分界。 CO 2 为高压工质，适当降低充注量可增加系统的安全性，在保证性能的前提下，需综合考虑设计运行范围，通过极限工况充注量平台期的差值给予气液分离器容积设计参考，尽可能降低系统的总充注量。
C． Subei 等通过 CFD 和一维模型，分别研究了跨临界CO 2 热泵空调的管路压降，并指出管路压降在系统仿真研究中不应被简单忽略，乘用车热泵空调一般采用快速接头、软管等形式连接，其压降对系统总体性能有较大影响。
在氟化烃制冷剂替代的大背景下，客车及轨道车辆行业也在积极寻求下一代制冷剂。
西安交通大学曹锋研究团队在 2019 年制冷年会上展示了其研发的客车跨临界CO 2 热泵空调样机，并搭建了完整的制冷制热动态仿真模型进行了深入研究。
上海交通大学陈江平研究团队研发了跨临界CO 2 轨道车辆空调样机，在 45 ℃ 环境温度下，制冷量达到 16. 2 kW，系统能效为 1. 5。
C． Luger 等采用多目标优化设计方法，对轨道车辆跨临界CO 2 热泵空调系统进行建模优化，通过人工神经元方法获得了体积更紧凑、质量更轻、功耗更低的轨道车辆跨临界CO 2 热泵空调设计方案。
客车及轨道车辆的跨临界CO 2 热泵空调尚处于起步阶段，但其结构形式更接近商用跨临界CO 2 热泵采暖及热水器机组，充注量相对较多，系统所需功能也更为简单，因此热泵方面的相关经验较为充足。 此外，客车运行地理区域和气候类型相对固定，在较为寒冷地区推广客车跨临界CO 2 热泵空调，更能发挥其优异的制热特性。
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