为提升高热流密度下LED灯具的自然对流散热性能，以一款基于热电制冷(TEC)的单颗LED小型灯具模组为研究对象，在采用实验测量和回归拟合准确获得TEC性能参数的基础上，建立了有无TEC参与散热的等效热路模型，并选择合理的数学公式对其进行性能描述，进而遵循本文设计的计算流程快速得到各种散热性能数据。LED模组的散热分析表明：在恒定的LED热功率下，施加最佳的TEC电流可获得最高的散热性能；LED热功率越低，安装TEC的散热性能越比常规方法优异。经遗传算法优化前后的性能对比分析表明：优化后结构中TEC的合理工作区明显增大，能满足LED更高功率的散热需求；当LED为0.493 W时，优化后结构的最佳结温仅为15.66 ℃，远低于30 ℃的环境温度。基于TEC实验数据建立的等效热路模型，能为装配TEC的LED模组提供快速完整的散热设计分析与结构优化的合理方案。