《Applied Thermal Engineering》：Comprehensive assessment of energy and environmental performance of CO
2 heat pump system with dual indoor units for electric vehicles
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CO?热泵系统在电动汽车中替代R-1234yf的可行性研究，通过双室内配置优化提升冷却与加热性能，实验与模拟验证显示其节能29.0%且碳排放降低20.1%，尤其在低温加热时表现更优。
崔洪硕|韩圣民|李尚民|李浩成
韩国大学机械工程系，409创新厅大楼，首尔城北区安南洞，大韩民国
摘要
近期，针对全氟和多氟烷基物质的监管限制加速了向环保制冷剂的转变。在现有的替代品中，二氧化碳（CO?）因其低全球变暖潜能值（GWP）和零臭氧层破坏潜能值（ODP）而脱颖而出。尽管最近的研究越来越多地关注将二氧化碳整合到汽车系统中，但与广泛使用的R-1234yf系统的比较研究仍然有限。此外，二氧化碳相对较低的制冷性能仍然是一个重大挑战。本研究通过采用双室内机组配置，利用实验和仿真方法提高了二氧化碳系统的性能，从而解决了这些问题。该系统在各种驾驶循环下的稳态和瞬态条件下进行了评估，并与传统的R-1234yf热泵系统进行了比较。主要研究结果表明，在相同的功耗下，双室内机组的二氧化碳系统实现了略高于R-1234yf系统的制冷能力，而单室内机组的二氧化碳系统仅提供了R-1234yf系统77%的制冷能力。在制热模式下，双室内机组的二氧化碳系统的制热能力约为R-1234yf系统的2.3倍。在驾驶循环条件下，双室内机组的二氧化碳系统的制冷性能与R-1234yf系统相当，同时将制热时间从600秒缩短至180秒。在制冷模式下，能源效率提高了29.0%；在制热模式下，能源效率提高了18.5%，从而延长了行驶里程。此外，环境评估显示，在制冷运行过程中，二氧化碳的生命周期二氧化碳排放量减少了20.1%。这些结果支持了双室内机组二氧化碳热泵系统作为电动汽车可持续解决方案的可行性。
引言
电动汽车（EV）通常使用热泵系统来管理车厢和电池的温度[1]、[2]。由于对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的监管限制不断加强[3]、[4]，从合成制冷剂（如R-1234yf）向二氧化碳的转变得到了越来越多的鼓励。虽然R-1234yf本身不被归类为PFAS，但其生产过程可能涉及基于PFAS的材料，这些材料由于持久性、生物累积潜力以及对生态和健康的负面影响而受到严格的环保法规约束[5]、[6]。随着欧盟和美国等地区逐步采取措施限制或淘汰与PFAS相关的物质，R-1234yf的制造和使用可能会遇到重大挑战[7]、[8]。相比之下，作为不含PFAS的天然制冷剂，二氧化碳提供了一种可持续且符合法规要求的替代方案，有助于长期可行性并符合全球环保标准[9]。
传统制冷剂也存在一些显著的缺点，包括高全球变暖潜能值（GWP）、高昂的成本以及较高的易燃性[10]、[11]。因此，二氧化碳在汽车热泵系统中越来越受到关注[12]、[13]。二氧化碳在典型应用中是环保且安全的，其GWP为1，ODP为0[14]、[15]。它不易燃、成本低廉、化学性质稳定且不具腐蚀性，因此具有出色的热稳定性[16]、[17]。此外，虽然R-1234yf在低温下的制热性能较差，但二氧化碳在低温条件下的制热性能更优，使其既节能又环保[18]。
鉴于这些优势，使用二氧化碳的汽车热泵系统已在多个地区得到积极研究[16]、[19]、[20]，尽管这项技术仍处于发展阶段，许多基本方面仍在研究中。除了基础系统配置外，还积极探索了二次循环、注入方法和新型组件概念等先进技术。Wang等人[21]研究了二氧化碳热泵系统在冬季条件下的制热性能，发现配备移动压缩机的系统在极寒环境中实现了5.6千瓦的制热能力和1.8的性能系数（COP），优于蒸汽注入系统。Wang等人[22]进一步开发了一种带有二次节流的二氧化碳空气源热泵系统，并对其能量和熵效率进行了实验分析。这种方法解决了制冷剂分布不均和热交换效率低的问题，使功耗降低了8.1%，COP提高了9.4%，熵效率提高了6.1%，同时在环境温度为-5°C时实现了45°C的车厢温度。Li等人[23]提出将相变材料（PCM）集成到二氧化碳热泵系统中，用于电池温度管理，其中PCM作为热交换器将热能从制冷剂回路传递到电池回路。这种方法旨在延长冬季行驶里程，并在-15°C的环境温度下将系统能耗降低多达44%。Yang等人[24]分析了喷射-膨胀式二氧化碳热泵系统的制冷和制热性能，发现通过回收膨胀功来增加二次流的压力，与仅使用内部热交换器（IHX）的系统相比，COP提高了21.6%，制冷能力提高了3.67%，尽管在制热方面的效果不如制冷方面显著，表明需要进一步优化以适应以制热为主的运行模式。
以往关于二氧化碳汽车热泵系统的研究主要集中在改进特定配置的制热能力和COP上，而不是将其实际集成到车辆热管理系统（VTMS）中。传统制冷剂如R-1234yf已在具有成熟车厢温度控制策略的车辆中得到广泛应用，而二氧化碳系统仍处于开发阶段，通常仅与基准二氧化碳循环进行对比，而不是与已建立的R-1234yf或R-290系统进行对比。为了评估二氧化碳是否可以在电动汽车中作为实际替代品，必须在使用常见边界条件和一致的能量使用及车厢舒适度指标的情况下，对其在稳态和瞬态条件下的性能进行评估。
为了解决这些不足，本研究提出并评估了一种带有双室内机组和内部热交换器的二氧化碳热泵系统，并将其与传统的R-1234yf热泵系统进行了直接比较。双室内布局增加了室内热传递面积，缓解了通常限制制热性能的室内侧限制，同时弥补了二氧化碳相对于R-1234yf的制冷能力不足。利用经过验证的仿真模型和台架测试数据，该研究在广泛的制冷和制热条件以及动态驾驶循环下评估了单室内和双室内二氧化碳系统以及R-1234yf系统的性能，并量化了它们的能耗和生命周期气候性能（LCCP）。结果表明，双室内二氧化碳系统可以在保持车厢舒适度的同时减少能耗和制热时间，证明了其作为电动汽车中R-1234yf可持续替代品的潜力。
本研究比较了一种配备双室内机组（DIU CO? HP）的先进二氧化碳热泵系统与一种广泛使用的基于R-1234yf的热泵系统（R-1234yf HP）。二氧化碳系统集成了内部热交换器（IHX）以实现额外的热能回收，并使用经过验证的仿真模型和实验台架测试对其系统级性能进行了评估。双室内机组二氧化碳系统分别与单室内机组二氧化碳系统（SIU CO? HP）和传统R-1234yf系统在制冷和制热模式下进行了对比。确定了所有系统的最佳电子膨胀阀（EXV）设置，并在包括代表性驾驶循环在内的各种运行条件下进行了能量和LCCP性能分析。结果表明，双室内机组二氧化碳系统提高了制冷和制热性能，改善了车厢舒适度，并降低了能耗，表明其作为电动汽车中R-1234yf的可持续替代品具有巨大潜力。
系统描述
电动汽车主要使用热泵系统来管理车厢和电池的温度[1]、[2]。由于对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的监管限制不断加强[3]、[4]，从R-1234yf等合成制冷剂向二氧化碳的转变得到了越来越多的鼓励。虽然R-1234yf本身不被归类为PFAS，但其生产过程可能涉及基于PFAS的材料，这些材料由于其持久性、生物累积潜力以及对生态和健康的不良影响而受到严格的环保法规约束[5]、[6]。随着欧盟和美国等地区逐步采取措施限制或淘汰与PFAS相关的物质，R-1234yf的制造和使用可能会遇到重大挑战[7]、[8]。相比之下，作为不含PFAS的天然制冷剂，二氧化碳提供了一种可持续且符合法规要求的替代方案，有利于长期可行性并符合全球环保标准[9]。
传统制冷剂还存在一些明显的缺点，包括高全球变暖潜能值（GWP）、高昂的成本以及较高的易燃性[10]、[11]。因此，二氧化碳在汽车热泵系统中越来越受到关注[12]、[13]。二氧化碳在典型应用中是环保且安全的，其GWP为1，ODP为0[14]、[15]。它不易燃、成本低廉、化学性质稳定且不具腐蚀性，因此具有出色的热稳定性[16]、[17]。此外，虽然R-1234yf在低温下的制热性能较差，但二氧化碳在低温条件下的制热性能更优，使其既节能又环保[18]。
考虑到这些优势，使用二氧化碳的汽车热泵系统已在多个地区得到积极研究[16]、[19]、[20]，尽管这项技术仍处于发展阶段，许多基本方面仍在研究中。除了基础系统配置外，还积极探索了二次循环、注入方法和新型组件概念等先进技术。Wang等人[21]研究了二氧化碳热泵系统在冬季条件下的制热性能，发现配备移动压缩机的系统在极寒环境中实现了5.6千瓦的制热能力和1.8的性能系数（COP），优于蒸汽注入系统。Wang等人[22]进一步开发了一种带有二次节流的二氧化碳空气源热泵系统，并对其能量和熵效率进行了实验分析。这种方法解决了制冷剂分布不均和热交换效率低的问题，使功耗降低了8.1%，COP提高了9.4%，熵效率提高了6.1%，同时在环境温度为-5°C时实现了45°C的车厢温度。Li等人[23]提出将相变材料（PCM）集成到二氧化碳热泵系统中，用于电池温度管理，其中PCM作为热交换器将热能从制冷剂回路传递到电池回路。这种方法旨在延长冬季行驶里程，并在-15°C的环境温度下将系统能耗降低多达44%。Yang等人[24]分析了喷射-膨胀式二氧化碳热泵系统的制冷和制热性能，发现通过回收膨胀功来增加二次流的压力，与仅使用内部热交换器（IHX）的系统相比，COP提高了21.6%，制冷能力提高了3.67%，尽管在制热方面的效果不如制冷方面显著，表明需要进一步优化以适应以制热为主的运行模式。
以往关于二氧化碳汽车热泵系统的研究主要集中在改进特定配置的制热能力和COP上，而不是将其实际集成到车辆热管理系统（VTMS）中。传统制冷剂如R-1234yf已在具有成熟车厢温度控制策略的车辆中得到广泛应用，而二氧化碳系统仍处于开发阶段，通常仅与基准二氧化碳循环进行对比，而不是与已建立的R-1234yf或R-290系统进行对比。为了评估二氧化碳是否可以在电动汽车中作为实际替代品，必须在使用常见边界条件和一致的能量使用及车厢舒适度指标的情况下，对其在稳态和瞬态条件下的性能进行评估。
为了解决这些不足，本研究提出并评估了一种带有双室内机组和内部热交换器的二氧化碳热泵系统，并将其与传统的R-1234yf热泵系统进行了直接比较。双室内布局增加了室内热传递面积，缓解了通常限制制热性能的室内侧限制，同时弥补了二氧化碳相对于R-1234yf的制冷能力不足。利用经过验证的仿真模型和台架测试数据，该研究在广泛的制冷和制热条件以及动态驾驶循环下评估了单室内和双室内二氧化碳系统以及R-1234yf系统的性能，并量化了它们的能耗和生命周期气候性能（LCCP）。结果表明，双室内二氧化碳系统可以在保持车厢舒适度的同时减少能耗和制热时间，证明了其作为电动汽车中R-1234yf的可持续替代品的潜力。
本研究将一种配备双室内机组（DIU CO? HP）的先进二氧化碳热泵系统与一种广泛使用的基于R-1234yf的热泵系统（R-1234yf HP）进行了比较。二氧化碳系统集成了内部热交换器（IHX）以实现额外的热能回收，并使用经过验证的仿真模型和实验台架测试对其系统级性能进行了评估。双室内机组二氧化碳系统分别与单室内机组二氧化碳系统（SIU CO? HP）和传统R-1234yf系统在制冷和制热模式下进行了对比。确定了所有系统的最佳电子膨胀阀（EXV）设置，并在包括代表性驾驶循环在内的各种运行条件下进行了能量和LCCP性能分析。结果表明，双室内机组二氧化碳系统提高了制冷和制热性能，改善了车厢舒适度，并降低了能耗，表明其作为电动汽车中R-1234yf的可持续替代品具有巨大潜力。
系统概述
系统描述
电动汽车主要使用热泵系统来管理车厢和电池的温度。典型的热泵系统包括压缩机、用于调节制冷剂流量的电子膨胀阀（EXV）、用于与外部环境交换热量的室外热交换器以及用于与车厢空气交换热量的室内热交换器。使用R-1234yf的传统系统基于简单的热泵循环运行。在夏季制冷过程中，热量从车厢中提取并排出
仿真模型生成与验证
使用GT-SUITE对R-1234yf、SIU CO?和DIU CO?热泵系统的制冷和制热性能进行了数值分析。为此目的开发并验证了组件、系统和车厢模型，具体细节如下小节所述。因此，实验结果仅用于构建组件映射并在组件和系统层面验证模型，而性能、瞬态和LCCP分析中呈现的所有结果均来源于这些实验结果
热泵性能的最佳EXV开度
电子膨胀阀（EXV）调节制冷剂的质量流量以及相关的高压侧和低压侧压力，因此对整个系统性能有显著影响。在本研究中，EXV开度被视为一个控制变量，目标是确定能够在最大化COP的同时提供足够制冷和制热能力的开度。因此，评估了传统R-1234yf系统以及带有单室内和双室内单元的二氧化碳系统的制冷和制热性能
结论
本研究比较了二氧化碳热泵系统与传统R-1234yf热泵系统的制冷和制热性能以及生命周期气候性能（LCCP）。为了提高二氧化碳系统的性能，采用了双室内机组配置。开发并验证了仿真模型，并根据组件级别的测量数据和台架测试对其进行了验证，然后使用该模型在广泛的运行条件下分析了系统行为。确定了R-1234yf HP、SIU CO? HP和DIU CO? HP的最佳EXV开度
CRediT作者贡献声明
崔洪硕：撰写——原始草稿、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、形式化分析。韩圣民：方法论研究、数据分析。李尚民：验证、数据整理。李浩成：撰写——审稿与编辑、监督、数据采集、概念构思。
资助
本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2023-00208700）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
