空调系统是新能源汽车能耗的主要来源之一，其能耗直接影响行驶里程[1,2]。随着公众对全球气候变化和平流层臭氧层破坏双重威胁的认识日益增强，替代空调系统中使用的制冷剂也成为了一个热门研究课题[3,4]。第四代制冷剂R744（二氧化碳，CO2）的全球变暖潜能值（GWP）为1，臭氧层破坏潜能值（ODP）为0，因此具有出色的环保性能。由于其良好的热物理和流动特性，R744在热泵模式下的加热性能优于传统制冷剂R134a，使其成为新能源汽车空调系统制冷剂替换的关键研究方向之一[5,6]。
我们研究团队之前提出了一种新型的CO2汽车空调系统，该系统采用二次节流、串联气体冷却器和单级压缩，并使用天然制冷剂CO2[7]。在该系统中，安装了一个额外的电子膨胀阀来形成二次节流回路，用于调节冷凝器内的压力，从而提高系统性能并降低能耗。在该系统中，车厢侧换热器在加热模式下作为气体冷却器，在制冷模式下作为蒸发器，因此在本研究中被称为双用途蒸发-空气冷却室内换热器（DPIHE）。由于CO2在超临界循环中运行，具有较高的工作压力、较高的蒸汽密度和较低的液体粘度，这些特性对换热器的传热能力和结构强度提出了严格要求。因此，微通道换热器已成为CO2汽车空调系统中的主流类型[8,9]。本研究的主要对象DPIHE采用了微通道换热器的结构，其性能对车厢内的热舒适性和空调系统的效率至关重要。然而，由于扁平管内的微通道具有非常小的流通截面积，制冷剂会遇到较大的流动阻力和压降，从而增加了系统的运行能耗。因此，如何在不牺牲传热性能的前提下降低微通道换热器的流动阻力，从而降低系统能耗并延长车辆行驶里程，是CO2汽车空调系统开发中的关键研究课题之一[10,11]。
以往关于微通道换热器性能改进的研究主要集中在修改几何特性上，如通道的截面尺寸、形状和流通面积，以提升管内的流动和传热性能[12,13]。例如，Dwivedi等人[14]对微通道换热器的应用范围和研究现状进行了全面分析，指出目前大多数研究集中在修改基本几何形状上。未来应致力于开发精确的数值模型和实验方法，以预测微通道换热器的传热和流动特性。Li等人[15]研究了长轴与短轴的比值（a/b）、体积比和填充率等几何参数对超临界CO2系统中微通道换热器传热和流动性能的影响，通过改变通道的截面形状和结构参数进行了实验。研究结果表明，改变通道体积分数对换热器性能的影响大于改变截面形状，量化了通道形状对传热和流动的影响程度。然而，这些改进需要重新设计和制造微通道换热器内的扁平管，这对制造过程带来了一定的挑战。最近的研究表明，仅仅调整扁平管的排列方式和流通通道的数量也能显著影响其整体性能。Liu等人[16]研究了在不同通道数量下，R134a填充的室外侧微通道换热器在电动汽车空调系统中的行为，发现当室外单元作为气体冷却器使用时，两通道配置的整体性能优于三通道配置；当同一换热器作为蒸发器使用时，两通道配置的传热能力提高了18%，表面温度分布更加均匀。Benouali等人[17]对配备不同电路和翅片排列的微通道换热器的汽车空调系统进行了实验，结果表明，在热泵模式下，与四通道布局相比，两通道微通道换热器可以降低压降并简化电路。最终优化的微通道换热器使系统加热能力提高了10–15%，COP提高了4–6%。Liu等人[18]进一步评估了在结霜条件下具有不同结构配置的微通道换热器在电动汽车热泵系统中的性能，结果表明，采用三通道平行排列（14–21–35）的换热器在结霜条件下的性能最佳，其加热能力比逆流排列（35–21–14）高出15.05–20.64%，COP提高了1.19–3.55%。尽管之前已有研究探讨了双用途微通道换热器，但大多数研究仅关注微通道截面几何形状的影响或单一运行模式（蒸发或气体冷却）下的性能优化，且通常使用R134a或R410A作为工作流体。流动排列对双用途CO2微通道换热器行为的影响及其相关物理机制尚未完全明确。
因此，在之前开发的配备串联气体冷却器和二次节流的CO2单级压缩系统[19]的基础上，本研究利用Dymola建模和仿真平台研究了不同的流动排列和扁平管分布对DPIHE传热行为和压降特性的影响。在此基础上，提出了一种高效、实用且结构简单的优化策略，以提高CO2汽车空调系统的性能。本研究的结果有望为进一步提高CO2汽车空调系统的能源效率、延长电池电动车的行驶里程以及促进CO2技术在新能源汽车中的广泛应用提供指导。
