某锂电池厂房暖通设计

陶庸 侯国庆

1 中衡设计集团股份有限公司湖南分公司

2 中机国际工程设计研究院有限责任公司

锂离子电池具有能量密度高，使用时间长，无功率损耗小，无记忆效应以及环保等优点[1]，随着制造工艺技术不断提高，生产成本逐步减小，近几年来广泛应用于电子产品、交通工具、电网储能、航空航天等领域。锂电池工厂基本流程图如图1：

图1 锂电池生产流程图

制胶、匀浆涂布工艺对电池性能起着至关重要的作用[2]，锂离子动力电池的生产离不开车间良好的空气品质，本文以某锂电池生产厂房为例，简要介绍厂房建筑概况和工艺生产基本流程，重点叙述厂房车间的空调、通风、防排烟设计内容，对设计中的难点进行的概括，并针对厂房内暖通的节能方法的提出一些思路。

1 项目概况

本厂房建设地在湘潭（图2），厂房地上有3 层，局部设有地下室（变配电房），厂房高度为23.86 m，厂房面积66426 m2。建筑类别为多层丙类厂房。负一层功能为变配电所，一层为匀浆、涂布机头、涂布机尾、极片制作辗轧及分条车间，二层是模切、叠片、全自动焊接车间，烘烤车间，注液车间、隧道炉高温浸润和化成车间，三楼是隧道炉高温老化车间，二封车间、分容车间、高温老化OCV 测试及常温静置车间。

图2 项目航拍图

2 空调设计

2.1 负荷特点

锂电池厂房内车间多，洁净区对空气品质要求高，负荷计算较复杂。相对湿度≤5%及露点为-45 ℃区域的生产车间采用传统表冷器处理无法达到生产要求的相对湿度，需采用专业的除湿设备（转轮）进行除湿。

2.2 负荷计算

经过计算，相对湿度≤5%及露点为-45 ℃区域面积15394 m2，冷负荷为16200 kW，夏季除湿机转轮再生加热蒸汽量约为8826 kg/h，冬季除湿机加热需蒸汽量2305.5 kg/h，冬季再生转轮除湿再生加热蒸汽量约为7060 kg/h。非洁净空调区域面积约25249 m2，其间有大量生产设备，发热量较大，非洁净区域空调冷负荷为7070 kW，空调热负荷为2294.9 kW。

工艺冷水负荷：根据工艺专业提资，锂电池厂房内生产设备所需冷水612 m3/h，供水温度为8～12 ℃，供回水温差10 ℃。

2.3 冷热源方案

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》，冷水机组选型要满足厂房不同产能时对空调变化的需求；采用电动压缩式冷水机组时，空调负荷变化较大时宜采用变频调速式冷水机组[3]。

2.3.1工艺冷源设计

厂房内工艺冷冻水负荷由2 台额定制冷量为3868 kW 变频离心冷水机组承担，在制冷站房设置一套分、集水器，分别由厂房南侧接至正、负极匀浆车间内工艺设备及其他车间工艺设备。

2.3.2空调冷源设计

锂电池工厂相对湿度≤5%及露点为-45 ℃区域需要全年除湿，需要冷冻水来冷却被转轮除湿后而升温的空气，另外分容、化成等区域设备空调负荷大，冬夏季节均需要供冷。厂房舒适性空调区域夏季需要提供冷冻水，为车间降温除湿使用。

锂电池厂房内空调冷负荷由五台变频离心冷水机组承担，单台机组额定制冷量3868 kW，机组均设置于制冷站房一楼。在制冷站房另外再设置一套分、集水器，分别接至南、北区空调机房及除湿机房。冷水供水温度为7 ℃，冷水回水温度为12 ℃。

2.3.3空调热源设计

锂电池厂房内厂房舒适性空调区域冬季需要供热，供热热水的供回水温度为60 ℃/50 ℃，热源为布置在厂区公用站房内的热水锅炉。

组合式转轮除湿机冬季和夏季在进行空气除湿后，需要利用高温空气用于转轮再生，另外在冬季需要对新风进行预热，这些热量均由公用站房内蒸汽锅炉提供的0.6 MPa 饱和蒸汽承担。

2.4 冷水系统设计

冷水系统分为2 套系统，厂房工艺冷冻水为一个系统。锂电池工厂车间空调设备所需冷水为另一个独立系统，因厂房呈南北对称布置，此系统内采用南、北两区分别供水，北区分为北区舒适性空调区、北区除湿机区，南区分为南区舒适性空调区、南区除湿机区，均由制冷站房内分、集水器供给。冷水系统采用一级泵两管制系统，立管为异程式，水平管为同程式，厂房除湿机组及分容、化成区域组合式空调机组四季皆供冷水。冬季关闭分、集水器舒适性空调区供、回水主管阀门，打开舒适性空调区接至锅炉房管道上阀门，由锅炉房内提供60 ℃热水。各水系统立管的顶端及各层水平管的坡顶处均设自动排气阀。水系统由设在制冷站房的一体化定压补水设备进行定压和补水。

2.5 空调风系统设计

洁净室的送风量由洁净等级要求、人员所需最小新风量以及热、湿负荷计算确定[4]。空间较大、人员较多，温、湿度波动范围小，洁净度要求高的空调区域宜采用全空气系统[3]，厂房内洁净区域采用全空气定风量空气调节系统，空调风系统采用上送下回形式，使车间内形成较为均匀的温、湿度场和一致的洁净度；考虑到噪声要求，送风口出口风速为3 m/s，在房间下部回风口风速为1.5 m/s[3]。

非洁净区车间高度一般在4 m 左右，空调设备采用组合式空调柜，空调风为上送上回，送风口采用可调节双层百叶风口，回风口则可以采用可调节单层百叶风口。

厂房内的办公房间及厂房入口处大厅设置风机盘管，新风为吊顶式新风机，采用上送上回的气流组织形式。

2.6 冷却水系统设计

冷却塔采用方形横流塔，集中设置于公用站房屋面。冷却水泵，冷水机组及冷却塔之间均通过共用集管的方式连接，冷却水泵设置于冷却水系统供水管上。冷水机组和冷却塔进水管道上均设置与对应冷却水泵连锁开关的电动两通阀[3]。

考虑到相对湿度低的区域全年需要除湿，转轮再生需要提供冷冻水，分容、化成区域发热量大，冷水机组需全年运行提供冷冻水，电动压缩式冷水机组冷却水水温不宜过低[3]，因此在冷却塔内设置电辅助加热器，以便在冬季极端天气下冷却水温度过低，加热冷却水辅助制冷主机启动运行。

3 通风设计

锂电池厂房内存在多个散发有毒气体、有爆炸危险气体的场所[3]，如NMP 室、废NMP 储罐间、电解液间、电池拆解房等均需要设计事故通风系统，通风系统排风量不小于房间换气次数12 次/h，均需要采用防爆通风设备。

厂房内存在发热量大的区域，如涂布车间，真空泵房，空压站房、变配电房等，这些房间通风需根据不同情况分别进行设计。变配电房的通风量按发热量计算，必要时需设计空调系统以保证变配电房内变压器等设备正常运行。涂布车间通风需根据涂布机设备通风需求进行设计。真空泵房设备发热量很大，除考虑设置机械通风设备外，需另外考虑设置空调设备，或采用水冷型真空泵。空压站内通风需考虑房间排除热量的通风量以外，仍需考虑空压机压缩空气的空气需求，预留足够的自然进风口面积以保证设备正常运行和房间排热时的自然补风量。

4 防排烟设计

厂房同层内相同防火分区采用同一系统，竖向不同层采用共用排烟井道，共用屋面同一排烟风机的形式，每个防火分区内的防烟分区面积划分为200～400 m2左右，排烟系统的最小排烟量按最大防烟分区面积×120 m3/(m2·h)计算[5]，内走道长度大于60 m，划分为若干个防烟分区，每个防烟分区的排烟量按防烟分区面积×60 m3/(m2·h)计算，走道排烟风机排烟量按最大防烟分区面积×120 m3/(m2·h)计算。排烟风机的排烟量考虑10%～20%的漏风量[5]。

每个防火分区设置一套补风系统，补风量不小于机械排烟量的50%，且补风系统需要设置密闭阀，以阻止平时室外空气进入厂房车间，影响室内空气质量。厂房内因对洁净度进行控制，部分封闭楼梯间不允许设置可开启外窗，故需要设计机械加压送风系统，并在楼梯间贴临内走道的隔墙处设置泄压阀，以维持楼梯间内余压值为40～50 Pa。

5 设计小结

项目由于时间紧，锂电池厂房暖通设计对于暖通设备可靠性和效果的要求高，所以在设计时，对于节能的考虑不够充分，锂电池厂房的暖通优化设计存在以下几点：

1）除湿设备可采用余热回收型机组回收热量，以节约转轮再生能耗。

2）空调区散湿量小且技术经济合理时[5]，宜采用温湿度独立控制系统。洁净区内湿负荷主要为工作人员，洁净区单位面积散湿量小于30 g/(m2·h)，故可采用温湿度独立控制空调系统技术，减少经过转轮处理的风量，节约能源消耗。

3）分容、化成区域设备散热量大的区域，冬天则可考虑采用水环热泵，冬季回收废热为毗邻的非洁净区供暖。

4）冷水主机可设置部分机组为磁悬浮冷水机组，以提高在部分负荷下设备的IPLV 值，达到良好的节能效果。

5）冬季可考虑采用自然冷源（冷却塔）进行供冷，以节省制冷主机能耗。

6）在回风干球温度为28 ℃时，冷冻水供水温度从7 ℃升至15 ℃，机组COP 提升比例为21.1%[6]，运行过程中可提高供回水温度，增大供回水的温差，节约运行能耗。

本文结合锂电池工厂工艺要求，分析了锂电池厂房内空调、通风、防排烟设计要点，总结了一些存在优化潜力的设计内容。暖通设计人员应在满足工艺生产要求的基础上，不断优化，真正实现绿色节能锂电池工厂暖通设计。