N3-01 · 前沿与新技术 / 新工质与 CO₂ 热泵
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课程大纲
学完能做什么
- 分清跨临界与亚临界循环在p-h图上的本质差异（气体冷却器无相变、无固定冷凝温度）
- 判断给定工况下CO₂循环处于跨临界还是亚临界区间
- 说清最优高压随气体冷却器出口温度变化的规律，并给出控制思路
- 评估CO₂热泵在低温采暖场景相对HFC/HFO热泵的优劣与适用边界
内容大纲
- CO₂为什么要跨临界
- CO₂临界点低（约31.1℃/7.38MPa）——常温环境下高压侧多处于超临界区
- 跨临界 vs 亚临界：气体冷却器不是冷凝器，没有恒温两相段
- 低温采暖的优势起点：CO₂饱和蒸气压本身高，低温下蒸发压力/密度衰减慢
- 代价起点：高压侧压力量级远高于HFC/HFO系统
- 跨临界循环p-h图与亚临界的差异
- 气体冷却器段：单相超临界区连续降温降焓，无饱和平台
- 节流过程：从超临界直接节流到两相区，仍是等焓过程（h_in = h_out，p-h 图上是竖直线，任何工质任何循环都一样）——跨临界的真正差异在于超临界区等焓线陡、节流后干度高、闪发气量大，节流㶲损占循环总不可逆损失的比例远大于亚临界，这正是 IHX 与喷射器在 CO₂ 上收益特别大的原因
- 蒸发段：仍是常规两相蒸发+出口过热，与亚临界一致
- 循环'框'在图上明显更'瘦长'，不可逆损失集中在节流——「不可逆损失」的定量定义、熵产与㶲损算式统一见 A5-07，本课只用结论、不重推
- 最优高压的成因、规律与跨/亚临界判别
- 无固定冷凝温度→高压不由环境温度被动决定，需要主动寻优
- 最优高压随气体冷却器出口温度升高而上升的定性规律
- 控制手段：背压阀/电子膨胀阀寻优控制，偏离最优高压两侧COP都下降
- 与亚临界系统"控制冷凝压力"思路的根本区别
- 亚临界分支的控制口径：低环温下 CO₂ 回落亚临界，控制目标由「寻最优高压」切回「控过冷度」——objective2 与 exercise① 要求的判别能力，落点在这条
- 跨临界高压设定值的生成、协调与守护
- 按架构分控制自由度：满液蒸发＋低压气液分离器架构下低压侧不做过热度闭环、高压控制阀近乎是唯一执行器（件级依据见 G10-01）；带 EXV 的架构是高压阀＋低压 EXV 的两入两出耦合；多蒸发器热泵（座舱＋电池 chiller）还要再加支路——执行器数目随架构变，不要写死成「双 EXV」
- p_opt 设定值怎么生成：一条路是 f(T_gc,out) 经验拟合线做查表前馈骨架＋在线修正，一条路是极值搜索（爬山/扰动观察）；取舍判据是标定成本 vs 工况覆盖，寻优步长要与 COP 平台区的平坦程度匹配——平台太平时步长过小分辨不出方向、过大又在最优点附近来回振
- 寻优环与蒸发侧过热度环的时标解耦：高压寻优走慢环、过热度走快环，靠快慢分离避免两环互相拉扯（双环解耦回链 K3-02，PID/前馈/增益调度通法回链 K3-05，本课不重讲）
- 寻优目标与高压保护/切断阈值冲突时的让路规则：安全优先于效率，先按分级降额压住排气压力、再谈 COP（降额曲线回链 K5-02，高压保护与 P-T 判据回链 G12-02）
- 跨临界专有的标定量清单与环境舱试验流程：p_opt 查表的温度/负荷网格、寻优使能与退出条件、亚临界↔跨临界切换迟滞——只列跨临界特有项，标定工具与通用流程回链 K6-01/K6-02
- 开停机与模式切换瞬态：高压侧压力冲击与停机平衡压力对控制策略的约束（对部件与密封的载荷谱后果归 H7-04，本课只讲控制侧怎么避）
- 本讲边界：循环侧为什么存在 p_opt、扫压方法与高环温效率惩罚归 H7-04；PID/前馈/增益调度通法归 K3-05；MPC 归 K3-06；可燃工质安全响应归 K5-03——本讲只讲跨临界高压设定值的生成、协调与守护
- 低温性能与效率手段
- 低温采暖：CO₂蒸发压力衰减慢，制热量/COP相对HFC/HFO衰减更平缓
- 内部热交换器（IHX）：用低压侧回气进一步冷却气体冷却器出口的超临界流体、压低节流前比焓——跨临界侧无饱和线，不能叫「过冷度」，只有系统回落亚临界模式时才谈过冷；对 CO₂ 的循环收益显著大于常规 HFC 工质。本课只讲它在循环上的收益与边界，IHX 本体的结构形式（同轴套管/双管/板式）、两侧压降分配与制造工艺见 G2-08
- 喷射器（ejector）替代节流阀：回收部分节流不可逆损失（该损失的定量算式见 A5-07；喷射器的工程实现与选型见 B3-02），是主要研究热点
- 补气增焓/多级压缩：进一步压低低温工况的压比
- 工程适用性与选型判断
- 常温工况CO₂系统COP通常不占优——优势区间集中在低环境温度端
- 高压侧部件（压缩机、气体冷却器、管路）设计门槛显著高于HFC/HFO
- 适用场景判断按三条判据分界、而不是按车型类别：①法规窗口与工质可得性（欧洲在 MAC 指令 GWP<150 约束下已有乘用车量产 R744 空调/热泵，车型类别本身不构成排除理由）②运行温区（高环温端的跨临界效率惩罚 vs 低温制热收益——低温制热仍是 CO₂ 的优势区间）③高压侧部件供应链与售后设备成熟度；极寒地区商用车/大巴、寒区固定式热泵之所以常被优先，是这三条恰好同时成立
- 与R290热泵、HFO+PTC混合方案的横向比较框架
关键公式
T_crit(CO₂) ≈ 31.1℃, p_crit(CO₂) ≈ 7.38 MPa
CO₂临界点——车用环境温度常年在此附近或以下，高压侧因此频繁进入超临界区
COP_h = Q_gc / W_comp
供热COP：气体冷却器放热量与压缩功之比，跨临界与亚临界通用定义
p_high,opt = f(T_gc,out)
跨临界循环存在使COP最大化的最优高压，随气体冷却器出口温度升高而上升，需背压阀/电子膨胀阀主动寻优（区别于亚临界由冷凝温度被动决定高压）
π = p_dis / p_suc
压比；比较前先对齐口径——跨临界工况按「同等蒸发温度＋同等气体冷却器出口温度（或同等制热出水温度）」比，只有系统回落亚临界模式时才谈「同等冷凝温度」。两种口径下 CO₂ 吸气压力都处于较高量级、压比通常明显低于 HFC/HFO，但压差大得多：压比小不等于压缩机轻松（承接 G1-06）
ΔT_gc = T_gc,in − T_gc,out
气体冷却器进出口温度滑移——超临界区无相变、沿程连续降温，与水/空气侧逆流可形成较好的温度贴合，利于大温升加热场景
关键概念
跨临界循环气体冷却器 gas cooler超临界流体临界点最优高压背压阀补气增焓喷射器 ejector内部热交换器 IHX温度滑移低温制热衰减多级压缩
推荐工具与标准
CoolProp / REFPROP（CO₂近临界区物性，物性剧变区间需高精度物性库） GT-SUITE / KULI（跨临界循环与最优高压寻优仿真） Simulink / Modelica（背压阀寻优控制策略开发） log p-h 图工具（对比跨临界与亚临界循环形态）
ISO 817 / ASHRAE 34（工质安全分类，CO₂为A1） GB/T 7778（制冷剂编号方法和安全性分类） GB/T 150.1~150.4-2024（压力容器；2016 复审转为推荐性标准、2011 版已于 2025-02-01 废止；超临界高压侧承压部件设计参考体系） SAE J639（车用空调系统安全要求）与 ISO 13043（道路车辆制冷系统安全要求）——车载口径的安全基准；部件耐压/证明压力/爆破安全系数按整车验收体系与企业规范执行，方法承接 G2-07、G11-01
工程案例
某商用车/大巴在-20℃以下极寒工况对比CO₂与R1234yf热泵采暖：CO₂蒸发压力衰减更平缓、制热量与COP低温衰减更缓，但需承担12MPa级高压侧部件成本与压缩机门槛，工程上按运行温区做经济性判断，而非全域替代。
动手做
交付物 · 给定一组CO₂跨临界热泵运行数据（吸/排气压力温度、气体冷却器出口温度、蒸发温度），①判断该工况跨临界还是亚临界；②判断当前高压是否偏离最优高压区间及调整方向；③估算COP并与R1234yf热泵定性对比，给出适用场景结论。
常见误区
- 把气体冷却器当冷凝器处理，用"控冷凝压力"的老思路控高压——超临界区无固定饱和温度，必须做最优高压寻优
- 沿用亚临界系统的节流阀选型/控制逻辑，忽视跨临界节流不可逆损失远大于亚临界（无相变潜热缓冲；该损失按 A5-07 的节流不可逆算式定量），实际COP与仿真差距明显
- 压缩机、管路、接头沿用HFC系统的强度等级，未按CO₂高压侧压力量级（数倍于HFC系统）重新校核
- 误以为"CO₂低温衰减小"等于"任何温度下COP都更高"——常温工况CO₂通常不占优，需要按运行温区判断适用场景
- 低估CO₂吸气密度大对压缩机排量选型的影响，照搬HFC系统的排量经验公式
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