華中科大楊諾&亞利桑那大學郝磬Materials Today Physics：用于空氣消毒的熱電加熱/冷卻集成系統

在過去的兩年中，新冠病毒在全球廣泛傳播，造成超過250萬人死亡。如何有效消滅病毒成為人們關注的熱點。與其他方法相比，熱滅菌具有快速和安全性高的優點。傳統的熱滅菌方法利用電熱絲升溫滅菌。其缺點是加熱消毒后排出的空氣溫度太高、帶來不舒適。

2021年5月8日，Materials Today Physics?在線刊發了華中科技大學楊諾教授課題組和亞利桑那大學郝磬教授合作的題為《用于空氣消毒的熱電加熱/冷卻集成系統》(“An integrated thermoelectric heating-cooling system for air sterilization— a simulation study”)的研究論文。

在這項工作中，提出了一種使用半導體熱電片同時進行加熱和冷卻的系統來進行空氣滅菌。由于半導體熱電片存在熱側和冷側，因此可以同時實現高溫滅菌和低溫冷卻的功能。該系統呈U形，一端為空氣入口，另一端為空氣出口。熱電設備放置在系統的中間，并通過多個熱電片實現逐級加熱和冷卻的功能。在熱電片兩側的肋片可以增強換熱性能。流入該系統的空氣，首先流經熱電片高溫側的散熱片進行高溫滅菌。然后，再流經熱電片低溫側進行冷卻降溫。

本文通過計算流體動力學模擬研究了該熱電消毒系統的各項性能。結果表明，利用一般商用熱電片，系統中的空氣溫度可以達到65℃以上。在加熱區的末端的過濾網可以捕獲空氣中的病毒，并通過一定時間高溫加熱將其最終大比例滅活。該系統的優勢在于，空氣經過熱電片冷側后，其溫度可以降到40℃，使得消毒后輸出的空氣較為舒適。同時，整個系統的能量利用率也非常高，其性能系數COP可以達到5.4。如果選擇熱電性能更好的材料Bi_0.5Sb_1.5Te₃對提高系統性能更有利。熱端消殺溫度可以達到80℃，出口溫度可保持40℃，并且整個系統的COP值會達到7.8。

本文介提出的熱電集成系統可同時實現高溫消毒和空氣降溫，該系統不僅提高了整體能源效率，而且在空氣消毒方面具有巨大的應用潛力。

華中科技大學能源學院楊諾教授和亞利桑那大學郝磬教授為該論文的通訊作者，能源學院碩士生季仁才第一作者，合作者還有潘騰、彭桂龍博士、馬建強。

楊諾教授課題組得到了國家重點研發計劃的支持。

該系統受發明專利CN 202010695984.5和CN 202011029176.1保護。

文章編號：Materials Today Physics 19 (2021) 100430

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100430?

圖1（a）熱電加熱和冷卻集成系統模型示意圖；（b）典型熱電裝置的示意圖。

圖2（a）器件兩端的溫差與電流的關系； （b）每個熱電設備的加熱功率，冷卻功率和溫度。 （c）頂視圖的增強通道模型部分的溫度分布和流線； （d）增強通道沿流動方向x的溫度變化； （e）不同ZT熱電材料的下COP_c和COP ^*。

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