引言

随着我国现代化的进程，建筑能耗逐年增加，约占全国总能耗的30%。建筑能耗的持续增加不仅激化了能源供求矛盾，还带来一系列的资源和环境问题。目前，我国已是世界上温室气体排放量最大的国家。传统燃煤供暖的污染物排放已成为冬季雾霾的最大根源之一；尤其是北方地区部分城市周边、城乡结合部和农村等尚不能实现集中供暖的区域，以火炕和土暖气为主的供暖形式，热损失大、效率低和能耗高，产生的CO、SO2 和可吸入颗粒物

等污染物浓度高。

据研究和估算，如果能够用热泵系统来尽可能代替传统的电锅炉和化石能源锅炉对建筑物进行供暖，将环境中的空气热能（归根结底是太阳能）作为制热能量的主要来源，将在2019 年通过建造超过300,000 户家用热泵而节约大约500 MW 的化石能源发电所产生的电能[1]。由于热泵系统对于运行工况的妥善适应性[2-4]，使其在全球范围内大多数地区推广和使用成为可能。因此，近年来许多学者研究了热泵系统在供暖领域的使用[5-10]，其中首推

跨临界CO2 热泵系统。首先，作为完全来自于大气环境的纯天然制冷剂，CO2 具有其他制冷剂不可比拟的环境友好性与安全性，况且其良好的低温流动性也很适合于寒冷地区冬季的运行工况。在超临界的工作条件下[11-13]，无相变过程的CO2 在气体冷却器中以巨大的温度滑移作用对循环水放热，可以将循环水直接从低温条件提升到超过80 ℃的高温条

件，十分适合供暖领域的温度要求[14-16]。因此，结合跨临界CO2热泵系统良好的低环境温度适应性和高出水温度能力，这种热泵系统十分值得在供暖领域进行推广和使用。同时，在日本之后，欧洲、美国和中国也相继出台了政策与国家标准等[17-21]，专门针对跨临界CO2热泵提供相应的便利来迎合广阔的未来市场。

在冬奥会场馆中，跨临界CO2 循环系统同样能够体现出举足轻重的作用。据报道，2022 年冬奥会中，超过5 个训练和比赛场地将依靠跨临界CO2 制冰机直接进行冰面铺设，考虑到跨临界CO2 循环广泛的冷热温区适应性，跨临界CO2 制冰机的制热量非常适宜在冬奥会场馆中进行使用，实现场馆供暖、热水供应和浇冰水制取。

但是跨临界CO2热泵在供暖领域的应用中存在一项技术难点：供暖应用条件下超过40 ℃的回水温度很大程度上影响了跨临界CO2热泵超高制热量和能效的发挥。

为了解决上述技术难题，近年来一些学者提出了一种并行式跨临界CO2 热泵系统，能够在充分发挥跨临界CO2热泵高出水温度与低环境温度适应性的突出优势的前提下，大幅度缓解高回水温度对制热量和能效比的衰减作用，具有十分优异的性能优势和发展前景[22-25]。本文借助GT-Suite 仿真模拟平台及极值搜索控制方法，对并行跨临界CO2 系统的稳态性能与变工况优化方法做出分析与讨论，以期在行业内进行推广。

1 仿真模型和实验台搭建

图 1 所示为并行跨临界CO2 循环系统原理。采用一个跨临界CO2循环作为并行系统的主要供能部分，负责从低温的大气环境中吸收热量并转移给循环水；同时采用另一个跨临界CO2 循环作为并行系统的辅助过冷器，一方面吸收气体冷却器出口温度较高的CO2 制冷剂的热能，一方面将这些热能全数转移给循环水，不仅起到了冷却气体冷却器出口CO2 的效果，还进一步提升了系统的制热量。