具有梯度和恒定材料特性的热电空调系统的成本-性能权衡

热电（TE）空气冷却是一种固态技术，有潜力替代传统的基于蒸汽压缩的空调。本文针对具有位置相关（梯度）与恒定材料特性的热电空调系统给出了详细的系统级建模。从成本-性能权衡角度提供了系统设计优化策略。我们的建模考虑了系统两侧的实际情况对流换热。考察了对流换热系数、空气流量与热电材料特性在热电腿厚度、模块填充因子与输入电流等关键参数变化下的影响。TE 材料同时考虑恒定材料特性与梯度特性，并依据降温程度、性能系数（COP）与功耗进行比较。对于梯度材料，我们采用一维有限元方法求解耦合的电学与热流方程，其中材料特性沿 TE 腿位置任意变化。我们发现，与恒定特性材料相比，梯度材料可提升降温程度，但仅以牺牲 COP 为代价。在 ZT = 1 的恒定材料特性与相对较低电流下，TE 冷却器在等效制冷量时的功耗可低于传统空调。考虑到需求灵活运行、低噪声与高可扩展性等额外优势，热电冷却有望成为未来空调应用的竞争性技术。