华中科大杨诺&亚利桑那大学郝磬Materials Today Physics：用于空气消毒的热电加热/冷却集成系统

在过去的两年中，新冠病毒在全球广泛传播，造成超过250万人死亡。如何有效消灭病毒成为人们关注的热点。与其他方法相比，热灭菌具有快速和安全性高的优点。传统的热灭菌方法利用电热丝升温灭菌。其缺点是加热消毒后排出的空气温度太高、带来不舒适。

2021年5月8日，Materials Today Physics 在线刊发了华中科技大学杨诺教授课题组和亚利桑那大学郝磬教授合作的题为《用于空气消毒的热电加热/冷却集成系统》(“An integrated thermoelectric heating-cooling system for air sterilization— a simulation study”)的研究论文。

在这项工作中，提出了一种使用半导体热电片同时进行加热和冷却的系统来进行空气灭菌。由于半导体热电片存在热侧和冷侧，因此可以同时实现高温灭菌和低温冷却的功能。该系统呈U形，一端为空气入口，另一端为空气出口。热电设备放置在系统的中间，并通过多个热电片实现逐级加热和冷却的功能。在热电片两侧的肋片可以增强换热性能。流入该系统的空气，首先流经热电片高温侧的散热片进行高温灭菌。然后，再流经热电片低温侧进行冷却降温。

本文通过计算流体动力学模拟研究了该热电消毒系统的各项性能。结果表明，利用一般商用热电片，系统中的空气温度可以达到65℃以上。在加热区的末端的过滤网可以捕获空气中的病毒，并通过一定时间高温加热将其最终大比例灭活。该系统的优势在于，空气经过热电片冷侧后，其温度可以降到40℃，使得消毒后输出的空气较为舒适。同时，整个系统的能量利用率也非常高，其性能系数COP可以达到5.4。如果选择热电性能更好的材料Bi_0.5Sb_1.5Te₃对提高系统性能更有利。热端消杀温度可以达到80℃，出口温度可保持40℃，并且整个系统的COP值会达到7.8。

本文介提出的热电集成系统可同时实现高温消毒和空气降温，该系统不仅提高了整体能源效率，而且在空气消毒方面具有巨大的应用潜力。

华中科技大学能源学院杨诺教授和亚利桑那大学郝磬教授为该论文的通讯作者，能源学院硕士生季仁才第一作者，合作者还有潘腾、彭桂龙博士、马建强。

杨诺教授课题组得到了国家重点研发计划的支持。

该系统受发明专利CN 202010695984.5和CN 202011029176.1保护。

文章编号：Materials Today Physics 19 (2021) 100430

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100430 

图1（a）热电加热和冷却集成系统模型示意图；（b）典型热电装置的示意图。

图2（a）器件两端的温差与电流的关系； （b）每个热电设备的加热功率，冷却功率和温度。 （c）顶视图的增强通道模型部分的温度分布和流线； （d）增强通道沿流动方向x的温度变化； （e）不同ZT热电材料的下COP_c和COP ^*。

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