将热电制冷技术集成到丙烷垂直冷冻柜中以降低其能耗的理论评估

《Energy》：THEORETICAL ASSESSMENT OF THERMOELECTRIC SUBCOOLING INTEGRATION INTO A PROPANE VERTICAL FREEZING CABINET TO MINIMIZE ITS ENERGY CONSUMPTION

　　P. Aranguren | A. Casi | A. Rezania
纳瓦拉公立大学工程系智能城市研究所，Arrosadia校区，31006帕姆普洛纳，西班牙

摘要：《基加利修正案》促进了碳氢化合物在蒸汽压缩制冷循环中的使用，因为它们对环境的影响可以忽略不计。然而，蒸汽压缩制冷系统不仅由于使用制冷剂而对环境产生负面影响，还因为其能源消耗而造成负面影响。已经研究了多种技术来降低丙烷系统的能源消耗，其中将热电制冷技术应用于丙烷蒸汽压缩系统的研究却很少。本文首次研究了在丙烷垂直冷冻柜中加入无需辅助能源的热电制冷器以延长其使用寿命的方法。该热电系统放置在冷凝器之后，通过冷凝器的强制气流实现丙烷的过冷，这种新颖的布置在文献中尚未见报道。此外，还优化了热电模块的数量和供电电压。使用由12个热电模块组成的热电制冷器（每组3个模块，总共4组），在1.5伏电压下运行时，使得冷冻柜的日能源消耗降低了5.96%。同时，由于实现了15.48K的有效过冷度，冷却能力提高了8.50%，COP（Coefficient of Performance，性能系数）提高了6.13%。对于由2组热电模块组成的热电制冷器，在2.5伏电压下运行时，最低回收期为4.6年。

**术语表**
**定义及单位**
- 空气（Air）：m3
- 比热容（Specific heat）：J/(kg·K)
- 能源消耗（Energy consumption）：kWh/day
- 电动势（Electromotive force）：V
- 比焓（Specific enthalpy）：J/kg
- 电流（Current）：A
- 热导率（Thermal conductivity）：W/(m·K)
- 质量流量（Mass flow）：kg/s
- 无用过热（Non-useful superheating）：K
- 热传递（Heat transfer）：W
- 冷冻柜的热增益（Thermal gains of the cabinet）：W
- 冷却能力（Cooling capacity）：W
- 热量排出（Heat rejection）：W
- 压力（Pressure）：bar
- 普朗特数（Prandt number）：无
- 体积热生成（Volumetric heat generation）：W/m3
- 雷诺数（Reynolds number）：无
- 内部电阻（Internal electrical resistance）：Ω
- 热阻（Thermal resistance）：K/W
- 过冷度（Subcooling）：K
- 温度（Temperature）：K
- 有用过热（Useful superheating）：K
- 速度（Velocity）：m/s
- 电压（Voltage）：V
- 体积流量（Volume flow）：m3/h
- 消耗功率（Consumed power）：W
- 温差（Temperature difference）：K
- 塞贝克系数（Seebeck coefficient）：V/K
- 特尔姆森系数（Peltier coefficient）：V/K
- 托马斯森系数（Thomson coefficient）：V/K
- 斯蒂芬-玻尔兹曼系数（Stefan-Boltzmann coefficient）：W/(m2·K)
- 密度（Density）：kg/m3
- 效率（Efficiency）：无

**符号说明**
下标（Subscripts）和上标（Superscripts）：用于区分不同物理量或状态

**1. 引言**
《基加利修正案》和相关的国家法规推动了碳氢化合物制冷剂（如丙烷R290）的更广泛应用，因为它们具有优异的性能和极低的全球变暖潜能值（GWP）。最近，政府间气候变化专门委员会在《2021年气候变化——物理科学基础》报告中指出，R290的20年GWP为0.072，100年GWP为0.02，远低于传统氟利昂类制冷剂的GWP值，这归因于其化学结构中只有三个碳原子[1]。嵌入式或独立式制冷系统是商业制冷中最常用的冷藏设备，用于保鲜易腐产品。国际制冷协会（IIR）估计2010年全球有1.2亿台商业制冷设备在运行[2][3]。这些系统广泛使用的主要原因是其便携性和相对较低的成本[4]。独立式系统通过两种方式影响全球变暖：直接通过泄漏，间接通过运行时的能源消耗[5][6]。在超市中，约30%到60%的电能被制冷设备消耗[7]，国际能源署报告称工业化国家3-5%的总电能消耗来自超市[8]。因此，商业制冷占工业化国家总电能消耗的3%。
丙烷是小型制冷设备（如商用或家用冰箱）的重要替代制冷剂。与传统HFCs相比，R290的热性能提高了系统效率[9][10][11][12]。然而，各国对易燃制冷剂的限制各不相同，欧洲多数国家遵守IEC 60335-2-89电气安全标准，规定了碳氢化合物的电荷限制。近年来，多项研究致力于进一步提高R290制冷系统的性能，包括优化换热器以减少质量负荷[13]、细化毛细管长度[14]、优化压缩机[15]、改进内部换热器[16]或引入喷射器[17]。
热电制冷已被证明可以提升蒸汽压缩系统的运行效率[17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33]。热电制冷器是一种利用珀尔帖效应进行冷却的固态设备。Winkler等人在2006年首次将热电制冷器（TESC）计算纳入蒸汽压缩系统，理论研究表明其能使超临界CO2蒸汽压缩系统的COP提高38%，同时冷却能力提高20%[18]。后续的理论研究集中在超临界CO2制冷系统上，例如Sarkar等人将COP提高了25.6%[19]，Yazawa等人使用工程方程求解器分析得出COP提高22.6%、冷却能力提高6%[20]，Jamali等人将COP提高了1.8%[21]。然而，上述研究采用的计算模型未考虑换热器的影响，而这些换热器对热电设备运行有显著影响[22][23]。此外，这些研究还假设了恒定的热电性能和压缩机效率。Dai等人将热电制冷器纳入超临界CO2系统，并通过5K的恒定温差考虑了换热器的影响，计算结果显示COP提高了22.5%[24]。2019年Liu等人通过计算验证了热电制冷器的效果，结果显示COP提高6.6%，冷却能力提高11.3%[25]。Liu的研究模型与Dai的类似，同样通过恒定温差考虑了换热器的影响。2019年Astrain等人研究了超临界CO2制冷循环，考虑了上述计算缺陷，当使用20个热电模块时，COP提高了20%，冷却能力提高了25.6%[26]。2022年Casi等人开发并验证了一个包含热电制冷器热阻、温度依赖的热电性能以及蒸汽压缩循环主要组件的计算模型[27]。

**2. 计算方法**
所提出的联合计算模型结合了热电制冷和蒸汽压缩制冷两种系统的仿真。这两个模型均用Matlab? R2020b编程实现，其准确性通过实验验证，实验中将热电制冷器纳入蒸汽压缩系统后，性能系数、冷却能力、压缩机功率和热电模块功耗的偏差分别在±5%、±6%、±3%和±7%范围内[27][34]。

**3. 计算模型细节**
联合计算模型包含两个独立模型：一个模拟热电制冷过程，另一个模拟蒸汽压缩制冷过程。这两个模型均经过实验验证，实验结果显示性能系数、冷却能力、压缩机功耗和热电模块功耗的偏差均在合理范围内[27][34]。
图1展示了计算模型与实验数据之间的相对误差：联合系统的COP（a）、制冷功率（b）、压缩机功耗（c）和热电模块功耗（d）[27]。
图2为包含热电制冷器的垂直冷冻柜运行过程的计算流程图，说明了各模型的输入参数和输出参数。蒸汽压缩模型的输入参数包括有用过热、无用过热、过冷度、压缩机模型、蒸发器温度、环境温度以及热电制冷器热侧出口压力损失等[2.1]。该模型计算冷凝器出口处的丙烷温度和体积流量，将其输入热电制冷器模型以确定其制冷能力、功耗和输出温度[2.2]。热电制冷模型的输入参数包括热电模块类型、数量、供电电压以及热侧和冷侧换热器的热阻[2.3]。

**4. 结论**
本研究将热电制冷器集成到位于冷凝器气流中的丙烷垂直冷冻柜中，且无需额外辅助设备。计算方法考虑了热电制冷器的热阻、温度依赖的热电性能以及蒸汽压缩循环各组件的功耗。首次将热电制冷器置于冷凝器气流中，充分利用现有的强制气流，从而优化了换热器的热阻。通过调整热电模块数量和供电电压，找到了最佳工作点，量化了热电制冷对丙烷冷冻柜的能量效益。这种新型配置利用了冷冻柜中已有的强制空气对流，以确保制冷剂充分冷凝，从而提高热能转换系统（TESC）的热传递效率，无需为TESC添加额外的辅助设备（如风扇或泵）。图4详细展示了TESC在制冷系统中的安装方式。TESC位于冷凝器前方，并利用冷凝器的强制气流来冷却丙烷。因此，计算模型需要确定TESC对冷凝器气流的影响，这包括由于TESC造成的额外压力损失而导致的体积流量变化，以及气流经过TESC时温度升高的影响。

**2.1. 蒸汽压缩制冷模型**

蒸汽压缩制冷系统（VCRS）模型利用质量和能量守恒方程来求解系统的各个组成部分：蒸发器、压缩机、冷凝器、内部热交换器（IHX）和膨胀装置。其输入参数包括柜内产品的温度、环境条件、有用过热度、无用过热度、压缩机模型、柜体信息以及TESC产生的压力损失。根据产品的设定温度，使用方程（1）计算蒸发温度，其中ΔT表示产品温度与设定蒸发温度之间的差值（表2中给出为12K）。通过Refprop? 9.1软件可以计算出蒸发器的压力。接着，使用方程（2）得到蒸发器的出口温度，其中有用过热度设为5K（表2中给出）。最后，利用方程（3）计算来自低压侧的内部热交换器的入口温度，同时设定无用过热度为5K。

**2.2. 热电制冷模型**

热电制冷模型通过冷凝器的出口温度、丙烷质量流量等参数与蒸汽压缩制冷模型相连。该模型模拟热电制冷器产生的冷却效果及所需功耗。热电制冷器的性能受多个因素影响，包括热电模块（TEMs）的数量、每个模块的电压、类型以及冷热端的热阻等。热电模块位于TESC之后，其出口温度受TESC运行状态的影响。热电模块低压侧的出口温度通过热电模块的性能参数计算得出。为了得到这些温度值，需要假设高压侧的入口温度。

**3. 压缩机模型**

压缩机模型在第3.1.1节中有详细描述，其中使用制造商提供的数据表来建立经验曲线。压缩机的输入参数包括吸气压力、吸气温度和排气压力，输出参数包括丙烷的质量流量、压缩机的功耗和排气温度。压缩机的吸气压力等于蒸发压力，排气压力等于冷凝压力。

**4. 冷凝器模型**

冷凝器的设计考虑了空气流速、入口温度和出口温度等因素。冷凝器的出口温度由空气流速、冷凝器内部温度及TESC的冷却效果共同决定。由于冷却过程中空气流会经历压力损失，因此通过计算冷凝器风扇的风量（受TESC内部组件、冷凝器压力损失及风扇本身性能的影响）来确定空气流速。假设主要的热传递方式是管外的强制对流，因为强制对流的热传递系数比相变系数低两个到三个数量级，且在冷凝器中大部分热量通过强制对流传递[35]。管道的导热性较强且厚度较小，因此忽略了其导热贡献。外部热传递系数综合考虑了管内的对流热传递（方程（5）和管外的对流热传递（方程（6）及辐射热传递（方程（8））[36]。Zukauskas公式被用来计算对流系数。

**5. 迭代过程**

迭代过程通过图5的流程图展示。首先根据制造商数据表确定压缩机的性能参数，然后基于这些参数和输入值计算其他系统组件的状态。整个计算过程中需要反复迭代，直到误差在允许范围内。最后根据计算结果修正初始假设，直至收敛。

**6. 结论**

该配置通过利用冷冻柜内的强制空气对流提高了热能转换系统的效率，减少了额外设备的需求。TESC的输出温度及其压力将获得TESC出口的比焓值，从而得到高压侧内部热交换器的进口温度，这是迭代过程中需要假设的温度之一，如图5所示。TESC的COP（Coefficient of Performance，性能系数）和其冷却能力可以通过方程（15）、（16）计算得出，其中表示丙烷的质量流量，分别表示丙烷在TESC入口和出口的比焓值。最后，表示TESC的电力消耗，通过将流经TESC的电压和电流相乘计算得出。

2.3. 计算模型的耦合
整个冷却能力的COP是通过方程（18）获得的，其中系统的冷却能力是用方程（17）计算的，同时考虑了丙烷的质量流量以及其在蒸发器入口和出口的比焓值；压缩机的能耗（）和TESC的能耗分别来自蒸汽压缩模型和热电过冷模型。

此外，工作周期是通过方程（19）计算的，其中表示冷冻柜的热增益，如3.1.3节所定义，表示由计算模型计算出的制冷系统的冷却能力。每日能耗（单位：千瓦时）是通过方程（20）计算的，其中考虑了压缩机和TESC的功耗。另外，在制冷系统和TESC运行时，还计算了冷凝器风扇的名义功耗（36瓦）。

3. 计算模型输入参数的描述
本手稿计算了将热电过冷系统纳入垂直丙烷冷冻柜中的影响。虽然计算模型具有足够的通用性，可以模拟任何其他类型的冷冻柜，但本文特别选择了一个特定的冷冻柜进行计算分析。

3.1. 垂直冷冻柜
计算研究基于FRICON YWC型垂直冷冻柜，其净体积为335升，使用丙烷来实现产品的低温。该冷冻柜的内部尺寸为1521 x 540 x 624毫米，顶部装有管式带翅片蒸发器，并配备有风扇；压缩机为Embraco NEU2168U，排量为16.8立方厘米；冷凝器为带风扇的管式翅片冷凝器，用于强制空气通过；还包括一根毛细管。表2列出了根据实验数据获得的关于该冷冻柜的蒸汽压缩制冷系统的主要输入参数。假设所有研究场景中IHX（Internal Heat Exchanger，内部热交换器）的有效性为恒定值，即50%。

3.1.1. Embraco压缩机
Embraco NEU2168U型密封往复式压缩机的性能参数是根据制造商的数据表确定的。从遵循ASHRAE测试条件的性能曲线数据中选取了18个点进行分析。蒸发温度范围在-40°C至-10°C之间，冷凝温度在35°C至55°C之间，最大工作温度为130°C，排量为16.8立方厘米，转速为2900转/分钟。根据蒸发温度、冷凝温度和吸气温度，可以利用最小二乘法得到丙烷的质量流量、压缩机功耗和排气温度。表达式（21-22）涉及冷凝压力（）、蒸发压力（）和吸气温度（）。此外，表3还列出了方程（21）、（22）、（23）中使用的系数。质量流量的均方根误差（RSME）为3.353×10^-5千克/秒，功耗的均方根误差为11.705瓦。方程（23）将压缩机出口处的丙烷比焓值（）与入口比焓值（）以及压缩机功耗（）和制冷剂质量流量（）联系起来。

3.1.2. 冷凝器和冷凝器风扇
冷凝器是一种多层管式翅片冷凝器，由外径为...的钢管组成，呈盘绕状排列，总有效传热面积为0.51平方米，如图4所示。钢管材料为钢，每侧共有38根管子，管子之间的间距为...，管子之间的间距为...。通过冷凝器风扇强制空气流动的方式，可以确定丙烷的出口温度。当热电过冷器安装在冷冻柜中时，冷凝器风扇首先将环境空气引导通过热电过冷器，然后再通过冷凝器，如图4所示。TESC受益于冷凝器的强制对流效应[40]，但由于其位于冷凝器上游，因此会降低空气流速并升高空气温度。冷冻柜使用的风扇型号为EBM PAPST M4Q045-CA03-51，轴流叶轮直径为230毫米，角度为220度，额定功耗为36瓦，其特性曲线可在图6中查看。冷凝器的压力损失曲线也显示在图6中。

3.1.3. 热增益
冷冻柜的热增益是使用Secop热计算软件获得的。计算时考虑了冷冻柜的内部尺寸、隔热层厚度、门材类型与尺寸、环境温度和内部温度以及可能的额外热负荷。表4包含了软件计算热增益所需的全部信息。

3.2. 热电过冷器
TESC的功能是降低冷凝器出口处丙烷的温度，如图3所示。一系列热电模块依次排列以实现所需的丙烷温度。每个模块主要由三个部分组成：位于丙烷与TESC冷侧之间的冷侧热交换器、两个热电模块，以及位于热电模块热侧并向冷凝器气流释放热量的热侧热交换器，如图7所示。

3.2.1. 冷侧热交换器的热特性
每个TESC模块都配备一个冷侧热交换器，如图7所示。该热交换器由截面面积为16.06平方毫米的通道组成，通道蜿蜒穿过与热电模块直接接触的铜块。热特性计算采用了Gnielinsky-Nusselt公式，同时考虑了冷凝器出口处的过冷水[41]，如方程（24）、（25）所示。总对流传热面积为0.006平方米。

3.2.2. 热电模块
模拟使用的热电模块为Marlow RC12-6-01LS[42]，尺寸为40.1 x 40.1毫米，高度为3.01毫米。这些热电模块由Bi2Te3材料制成，包含127个热电偶，每个热电偶的尺寸为0.14 x 0.14 x 0.15立方厘米。热电模块位于冷侧热交换器的两侧，如图7所示。

3.2.3. 热侧热交换器的热特性和压降
热侧热交换器位于热电模块的热侧与环境之间。每个TESC模块有两个这样的热侧热交换器。选择了利用冷凝器产生的强制对流的热管进行热传递。由于热电过冷器位于冷凝器上游，它降低了空气流速并提高了空气温度。冷冻柜使用的风扇型号为EBM PAPST M4Q045-CA03-51，轴流叶轮直径为230毫米，角度为220度，额定功耗为36瓦。其特性曲线可在图6中查看。

3.3. 冷冻柜的热增益
冷冻柜的热增益是通过Secop热计算软件获得的。计算时考虑了冷冻柜的内部尺寸、隔热层厚度、门材类型与尺寸、环境温度和内部温度以及可能的额外热负荷。表4列出了软件中所需的所有参数。

3.4. TESC系统性能影响分析
本节研究了TESC系统中热电模块数量及其供电电压对系统性能的影响。这些结果与未添加热电过冷器时冷冻柜的运行情况进行了比较。表6包含了仅包含内部热交换器的制冷循环结果，环境温度为25°C。表6. 包含内部热交换器的丙烷制冷装置的运行参数：（W）（W）工作周期（%）（千瓦时/天）（°C）（°C）1.380 65 39.54 39 0.81 47.26 4.84 25 35.7 为了考虑输入参数的固有不确定性以及缺乏完整的系统实验数据，进行了随机不确定性分析。这确保了所报告的性能提升在统计上是显著的，尽管运行条件可能存在变化。为此采用了拉丁超立方抽样技术，对最具代表性的变量（即蒸汽压缩系统的COP和日能耗）的最大计算不确定性分别确定为±2.54%和±1.94%。

4.1 COP
可以包含在蒸汽压缩制冷系统中的热电子冷却（TESC）块的数量取决于冷凝器的横截面积（0.265 x 0.28 m2）。每个TESC块的尺寸允许每个过冷级别放置两个块。由于每个块有两个热电模块（TEM），因此本研究中研究的TEM数量分别为4个、8个、12个和16个（即2个、4个、6个和8个块）。如图10所示，不仅TEM的数量决定了系统的最佳COP，还决定了它们的供电电压。根据包含的TEM数量，最佳工作电压可以从2.5 V（2个块）变化到1.5 V（8个块）。当系统中包含6个TESC块（12个TEM）时，COP提高了6.13%，达到1.465。
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图10. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的COP值

TESC块的数量越多，冷凝器的气流压力损失越大，导致冷凝温度升高，从而压缩比（VCRS COP）减小。相反，TESC块数量越多，TESC的COP越好，因此VCRS COP也越高。因此，如图10所示，存在一个最佳的TESC块数量。

4.2 冷凝器入口处的空气温度
冷凝器入口处的空气温度是一个决定性参数，需要对其进行描述以理解整个系统的运行情况。到达冷凝器的空气已经通过了TESC（如图4所示），因此其温度高于环境温度。计算模型考虑了这一现象，因为冷凝器的热散发受到影响，进而影响整个制冷系统的运行。图11显示了空气进入冷凝器时的温度。可以看出，TESC块的数量及其供电电压越大，冷凝器入口处的空气温度越高。TESC在冷凝器气流中的存在不仅影响空气温度，还影响空气速度，因为同一风扇必须克服更大的压降，因为TESC块增加了额外的压降。没有添加TESC时，空气速度为1.49 m/s，而添加2个、4个、6个和8个TESC块时，空气速度分别为1.37 m/s、1.27 m/s和1.19 m/s。这两个因素共同决定了制冷循环的冷凝温度，如第4.3节所述。

4.3 冷凝温度
图12显示了在不同数量的TESC块及其供电电压变化下，制冷系统的冷凝温度。可以看出，空气温度和空气速度都会影响制冷系统的冷凝温度，在没有TESC的情况下，系统的冷凝温度为35.7°C，而添加不同数量的TESC后，冷凝温度可高达47.65°C。空气速度较低会降低对流系数，而较高的空气温度会减弱环境空气与冷凝器之间的热传递，两者都会增加冷凝温度，从而对制冷系统的运行产生负面影响。然而，TESC提供了过冷度，增加了蒸发器处的焓差，从而有利于系统的运行。
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图12. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的冷凝温度

4.4 冷却能力
图13显示了在冷冻柜中加入热电子冷却装置后所实现的冷却能力。随着供给TEMs的电压增加，冷却能力也随之增加，但如图10所示，高电压供应甚至可能会降低制冷装置的COP。在不损害COP的情况下，可实现的最大冷却能力为616.54 W，增加了14.30%。在最佳COP运行点下，如果包含6个块并供给1.5 V电压，冷却能力增加了8.50%。
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图13. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的冷却能力值

4.5 压缩机消耗
图14显示了压缩机的消耗量与TESC块数量及其供电电压的关系。供给TEMs的电压增加会降低压缩机的消耗量。更大的过冷度会降低内部热交换器高压端的入口温度，从而降低低压端的出口温度，进而降低压缩机的吸气温度。较低的吸气温度增加了吸气气体的密度，减少了压缩过程中的比功。因此，由于压缩过程中所需的焓增益减少，压缩机的电能输入被最小化。然而，对于6个和8个TESC块，当电压供应达到较高值（6个块时超过8 V，8个块时超过6 V）时，由于冷凝温度的增加导致压缩比的增加，压缩机的功耗开始略有上升。由于TESC增加了散热量（图11），冷凝器入口处的气流温度也升高，这一现象抵消了如果吸气温度降低时压缩机功耗的自然减少。
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图14. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的压缩机消耗量

4.6 TESC COP
图15显示了所研究的不同TESC的COP。可以看出，当包含2个块时，TESC的COP最好。其原因是安装不同数量TESC块时达到的冷凝温度不同。TESC热侧管道的压力损失改变了冷凝器的体积流量。TESC块数量越多，空气速度越低，从而获得更高的冷凝温度，以及冷凝器出口处丙烷与环境之间的温差越大。后者对TESC的运行产生了负面影响（如图10所示）。
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图15. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置中TESC的运行情况

还可以观察到，TESC的COP需要高于参考COP，即不包含TESC时的制冷循环COP。为此，需要向TEMs提供较低的电压。在最佳运行点下，当包含6个块且供给1.5 V电压时，TESC的COP为6.539。

4.7 TESC过冷度
图16显示了不同数量的TESC块及其不同供电电压下，TESC能够为系统提供的过冷度。可以看出，获得的过冷度从4.12 K变化到57.96 K。需要注意的是，如图10所示，超过4至5 V的供电电压并不理想，因为它们会降低组合系统的COP。此外，值得注意的是，位于TESC下游的内部热交换器（IHX）提供的过冷度与TESC提供的过冷度成反比。TESC提供的过冷度越高，IHX提供的过冷度越低，因此在压缩机入口处的IHX过热度越小。IHX提供的过冷度范围在2.15到14.51 K之间，产生的过热度在3.31到24.57 K之间。压缩机吸气处的过热度会改变其运行方式，如图14所示。此外，排气温度也会发生变化，但始终确保该温度不超过制造商规定的压缩机最大工作温度130°C。
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图16. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的过冷度

4.8 工作周期
柜子的工作者是指蒸汽压缩系统为达到所需产品温度而运行的时间百分比。图17显示了在不同数量的热电子冷却装置加入的情况下，系统的工作者。可以看出，包含的热电模块数量越多，工作周期越短。此外，供给TEMs的电压越高，工作周期也越短。这一事实有利于减少柜子的能耗，因为运行时间减少，从而消耗的能量也减少。
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图17. 当添加不同尺寸的热电子冷却装置时，制冷装置的工作者

4.9 垂直冷冻柜的日能耗
定义垂直冷冻柜运行的参数是其日能耗。本节包括不包含TESC时系统的日能耗（压缩机和冷凝器风扇的消耗）以及包含不同数量TESC时压缩机、TESC和冷凝器风扇的日能耗。这一数值将明确热电子冷却是否有利于整个系统的运行，因为冷冻柜其余的日能耗在所有研究场景中都是恒定的（例如照明、控制系统）。图18显示了在不同数量的热电子冷却装置下，由于冷却循环导致的冷冻柜的日能耗。最低日能耗为4.55 kWh/天，减少了5.96%，这部分增加直接体现在超市的能源费用上。
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图18. 冷冻柜的日能耗

最后，表7包含了在丙烷垂直冷冻柜中加入热电子冷却系统时的最佳运行工作点。表7. 包含热电子冷却装置的丙烷制冷装置的最佳运行参数：
VCRS（W）（W）工作周期（%）（千瓦时/天）
1.465 58 5.60 38 8.07 43.54 4.55 + 6.13 % + 8.50 % - 0.70 % - 7.90 % - 5.96 %
TESC（6个块；1.5 V）（W）（W）过冷度（K）（°C）（°C）
6.539 75.7 81 11.59 15.48 25.84 38.34

如表7所示，在丙烷垂直冷冻柜中加入热电子冷却非常有益，因为不仅能耗减少了近6.00%，冷却能力还增加了8.50%。插电式柜子可以直接从使用丙烷和加入热电子冷却中受益，从而降低其能耗和制冷剂充注量。此外，考虑到热电应用所具有的固有优势，如坚固性、无运动部件和制冷剂、耐用性、无需维护、模块化以及易于控制，这种混合系统不会引入任何复杂性或故障点，从而确保了整个系统的长期可靠性。由于全球运行着大量的独立系统，这些成果将对减少能源消耗和使用低GWP制冷剂产生重大影响。

4.10 经济评估
热电副冷却器不会增加系统的复杂性，但仍需考虑其经济影响。本节包括一项关于将优化的热电副冷却器集成到垂直冷冻柜中的成本和收益的初步研究。每个热电副冷却器模块的成本可假定为35欧元（包括热电元件以及热侧和冷侧的热交换器）。因此，包含6个优化热电副冷却器模块的总成本为210欧元。
考虑到丙烷冷冻柜实现了5.96%的净能量减少，并假设工业电价平均为0.23欧元/千瓦时，该系统的回收期为8.6年。需要注意的是，最优的热电副冷却器设计是基于最大日节能效果而非回收期来选择的。如果选择由两个模块组成的热电副冷却器，虽然日能耗会增加（4.66千瓦时/天），但由于安装成本降低，回收期可缩短至4.6年。

最后，不仅应注意回收期，还应关注减少垂直冷冻柜能耗的可能性，从而使该系统能够根据生态设计参数和二氧化碳排放要求在最具挑战性的市场中得到应用。

5. 结论
本文研究了将热电副冷却技术应用于丙烷制冷系统中的效果。热电副冷却器是一种简单、廉价、坚固且可靠的系统，无需使用制冷剂或运动部件，并能精确控制温度。由于其操作简便、无需维护且初始投资较低，将其应用于小型蒸汽压缩系统是合理的。本研究开发了一种计算方法论，能够模拟包含热电副冷却器的丙烷垂直冷冻柜的行为，且无需额外的能耗。此外，该方法论首次允许热电副冷却器利用冷凝器的强制气流来散热，从而简化了安装过程并取消了辅助设备的需求。
研究了不同规模的热电副冷却器，分别包含2、4、6和8个模块（相当于4、8、12和16个热电元件），以及不同的供电电压。供电电压对热电副冷却器的运行有显著影响，进而影响整个蒸汽压缩系统的性能。当使用6个模块（共12个热电元件）且每个模块供电1.5伏特时，系统获得了最佳能源运行效果：日能耗减少了5.96%，COP提高了6.13%，制冷能力提升了8.50%。在该运行点下，热电副冷却器的COP为6.539，冷却温差为15.48 K。当热电副冷却器由两个模块组成且供电2.5伏特时，回收期最短，为4.6年。
鉴于全球存在数以百万计的商用制冷设备，即使日能耗仅减少5.96%，也能显著降低全球二氧化碳排放量，这表明将热电副冷却技术整合到丙烷系统中是实现可持续冷却的一条有前景的途径。

**作者贡献声明**
Alireza Rezania：撰写、审阅与编辑、资料收集、研究
álvaro Casi：撰写、审阅与编辑、可视化、方法论设计
Patricia Aranguren：撰写、审阅与编辑、初稿撰写、项目管理工作、方法论制定、资金获取、数据分析、概念化构建