某鋰電池廠房暖通設計

陶庸 侯國慶

1 中衡設計集團股份有限公司湖南分公司

2 中機國際工程設計研究院有限責任公司

鋰離子電池具有能量密度高，使用時間長，無功率損耗小，無記憶效應以及環(huán)保等優(yōu)點[1]，隨著制造工藝技術(shù)不斷提高，生產(chǎn)成本逐步減小，近幾年來廣泛應用于電子產(chǎn)品、交通工具、電網(wǎng)儲能、航空航天等領域。鋰電池工廠基本流程圖如圖1：

圖1 鋰電池生產(chǎn)流程圖

制膠、勻漿涂布工藝對電池性能起著至關重要的作用[2]，鋰離子動力電池的生產(chǎn)離不開車間良好的空氣品質(zhì)，本文以某鋰電池生產(chǎn)廠房為例，簡要介紹廠房建筑概況和工藝生產(chǎn)基本流程，重點敘述廠房車間的空調(diào)、通風、防排煙設計內(nèi)容，對設計中的難點進行的概括，并針對廠房內(nèi)暖通的節(jié)能方法的提出一些思路。

1 項目概況

本廠房建設地在湘潭（圖2），廠房地上有3 層，局部設有地下室（變配電房），廠房高度為23.86 m，廠房面積66426 m2。建筑類別為多層丙類廠房。負一層功能為變配電所，一層為勻漿、涂布機頭、涂布機尾、極片制作輾軋及分條車間，二層是模切、疊片、全自動焊接車間，烘烤車間，注液車間、隧道爐高溫浸潤和化成車間，三樓是隧道爐高溫老化車間，二封車間、分容車間、高溫老化OCV 測試及常溫靜置車間。

圖2 項目航拍圖

2 空調(diào)設計

2.1 負荷特點

鋰電池廠房內(nèi)車間多，潔凈區(qū)對空氣品質(zhì)要求高，負荷計算較復雜。相對濕度≤5%及露點為-45 ℃區(qū)域的生產(chǎn)車間采用傳統(tǒng)表冷器處理無法達到生產(chǎn)要求的相對濕度，需采用專業(yè)的除濕設備（轉(zhuǎn)輪）進行除濕。

2.2 負荷計算

經(jīng)過計算，相對濕度≤5%及露點為-45 ℃區(qū)域面積15394 m2，冷負荷為16200 kW，夏季除濕機轉(zhuǎn)輪再生加熱蒸汽量約為8826 kg/h，冬季除濕機加熱需蒸汽量2305.5 kg/h，冬季再生轉(zhuǎn)輪除濕再生加熱蒸汽量約為7060 kg/h。非潔凈空調(diào)區(qū)域面積約25249 m2，其間有大量生產(chǎn)設備，發(fā)熱量較大，非潔凈區(qū)域空調(diào)冷負荷為7070 kW，空調(diào)熱負荷為2294.9 kW。

工藝冷水負荷：根據(jù)工藝專業(yè)提資，鋰電池廠房內(nèi)生產(chǎn)設備所需冷水612 m3/h，供水溫度為8～12 ℃，供回水溫差10 ℃。

2.3 冷熱源方案

根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，冷水機組選型要滿足廠房不同產(chǎn)能時對空調(diào)變化的需求；采用電動壓縮式冷水機組時，空調(diào)負荷變化較大時宜采用變頻調(diào)速式冷水機組[3]。

2.3.1工藝冷源設計

廠房內(nèi)工藝冷凍水負荷由2 臺額定制冷量為3868 kW 變頻離心冷水機組承擔，在制冷站房設置一套分、集水器，分別由廠房南側(cè)接至正、負極勻漿車間內(nèi)工藝設備及其他車間工藝設備。

2.3.2空調(diào)冷源設計

鋰電池工廠相對濕度≤5%及露點為-45 ℃區(qū)域需要全年除濕，需要冷凍水來冷卻被轉(zhuǎn)輪除濕后而升溫的空氣，另外分容、化成等區(qū)域設備空調(diào)負荷大，冬夏季節(jié)均需要供冷。廠房舒適性空調(diào)區(qū)域夏季需要提供冷凍水，為車間降溫除濕使用。

鋰電池廠房內(nèi)空調(diào)冷負荷由五臺變頻離心冷水機組承擔，單臺機組額定制冷量3868 kW，機組均設置于制冷站房一樓。在制冷站房另外再設置一套分、集水器，分別接至南、北區(qū)空調(diào)機房及除濕機房。冷水供水溫度為7 ℃，冷水回水溫度為12 ℃。

2.3.3空調(diào)熱源設計

鋰電池廠房內(nèi)廠房舒適性空調(diào)區(qū)域冬季需要供熱，供熱熱水的供回水溫度為60 ℃/50 ℃，熱源為布置在廠區(qū)公用站房內(nèi)的熱水鍋爐。

組合式轉(zhuǎn)輪除濕機冬季和夏季在進行空氣除濕后，需要利用高溫空氣用于轉(zhuǎn)輪再生，另外在冬季需要對新風進行預熱，這些熱量均由公用站房內(nèi)蒸汽鍋爐提供的0.6 MPa 飽和蒸汽承擔。

2.4 冷水系統(tǒng)設計

冷水系統(tǒng)分為2 套系統(tǒng)，廠房工藝冷凍水為一個系統(tǒng)。鋰電池工廠車間空調(diào)設備所需冷水為另一個獨立系統(tǒng)，因廠房呈南北對稱布置，此系統(tǒng)內(nèi)采用南、北兩區(qū)分別供水，北區(qū)分為北區(qū)舒適性空調(diào)區(qū)、北區(qū)除濕機區(qū)，南區(qū)分為南區(qū)舒適性空調(diào)區(qū)、南區(qū)除濕機區(qū)，均由制冷站房內(nèi)分、集水器供給。冷水系統(tǒng)采用一級泵兩管制系統(tǒng)，立管為異程式，水平管為同程式，廠房除濕機組及分容、化成區(qū)域組合式空調(diào)機組四季皆供冷水。冬季關閉分、集水器舒適性空調(diào)區(qū)供、回水主管閥門，打開舒適性空調(diào)區(qū)接至鍋爐房管道上閥門，由鍋爐房內(nèi)提供60 ℃熱水。各水系統(tǒng)立管的頂端及各層水平管的坡頂處均設自動排氣閥。水系統(tǒng)由設在制冷站房的一體化定壓補水設備進行定壓和補水。

2.5 空調(diào)風系統(tǒng)設計

潔凈室的送風量由潔凈等級要求、人員所需最小新風量以及熱、濕負荷計算確定[4]。空間較大、人員較多，溫、濕度波動范圍小，潔凈度要求高的空調(diào)區(qū)域宜采用全空氣系統(tǒng)[3]，廠房內(nèi)潔凈區(qū)域采用全空氣定風量空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，空調(diào)風系統(tǒng)采用上送下回形式，使車間內(nèi)形成較為均勻的溫、濕度場和一致的潔凈度；考慮到噪聲要求，送風口出口風速為3 m/s，在房間下部回風口風速為1.5 m/s[3]。

非潔凈區(qū)車間高度一般在4 m 左右，空調(diào)設備采用組合式空調(diào)柜，空調(diào)風為上送上回，送風口采用可調(diào)節(jié)雙層百葉風口，回風口則可以采用可調(diào)節(jié)單層百葉風口。

廠房內(nèi)的辦公房間及廠房入口處大廳設置風機盤管，新風為吊頂式新風機，采用上送上回的氣流組織形式。

2.6 冷卻水系統(tǒng)設計

冷卻塔采用方形橫流塔，集中設置于公用站房屋面。冷卻水泵，冷水機組及冷卻塔之間均通過共用集管的方式連接，冷卻水泵設置于冷卻水系統(tǒng)供水管上。冷水機組和冷卻塔進水管道上均設置與對應冷卻水泵連鎖開關的電動兩通閥[3]。

考慮到相對濕度低的區(qū)域全年需要除濕，轉(zhuǎn)輪再生需要提供冷凍水，分容、化成區(qū)域發(fā)熱量大，冷水機組需全年運行提供冷凍水，電動壓縮式冷水機組冷卻水水溫不宜過低[3]，因此在冷卻塔內(nèi)設置電輔助加熱器，以便在冬季極端天氣下冷卻水溫度過低，加熱冷卻水輔助制冷主機啟動運行。

3 通風設計

鋰電池廠房內(nèi)存在多個散發(fā)有毒氣體、有爆炸危險氣體的場所[3]，如NMP 室、廢NMP 儲罐間、電解液間、電池拆解房等均需要設計事故通風系統(tǒng)，通風系統(tǒng)排風量不小于房間換氣次數(shù)12 次/h，均需要采用防爆通風設備。

廠房內(nèi)存在發(fā)熱量大的區(qū)域，如涂布車間，真空泵房，空壓站房、變配電房等，這些房間通風需根據(jù)不同情況分別進行設計。變配電房的通風量按發(fā)熱量計算，必要時需設計空調(diào)系統(tǒng)以保證變配電房內(nèi)變壓器等設備正常運行。涂布車間通風需根據(jù)涂布機設備通風需求進行設計。真空泵房設備發(fā)熱量很大，除考慮設置機械通風設備外，需另外考慮設置空調(diào)設備，或采用水冷型真空泵。空壓站內(nèi)通風需考慮房間排除熱量的通風量以外，仍需考慮空壓機壓縮空氣的空氣需求，預留足夠的自然進風口面積以保證設備正常運行和房間排熱時的自然補風量。

4 防排煙設計

廠房同層內(nèi)相同防火分區(qū)采用同一系統(tǒng)，豎向不同層采用共用排煙井道，共用屋面同一排煙風機的形式，每個防火分區(qū)內(nèi)的防煙分區(qū)面積劃分為200～400 m2左右，排煙系統(tǒng)的最小排煙量按最大防煙分區(qū)面積×120 m3/(m2·h)計算[5]，內(nèi)走道長度大于60 m，劃分為若干個防煙分區(qū)，每個防煙分區(qū)的排煙量按防煙分區(qū)面積×60 m3/(m2·h)計算，走道排煙風機排煙量按最大防煙分區(qū)面積×120 m3/(m2·h)計算。排煙風機的排煙量考慮10%～20%的漏風量[5]。

每個防火分區(qū)設置一套補風系統(tǒng)，補風量不小于機械排煙量的50%，且補風系統(tǒng)需要設置密閉閥，以阻止平時室外空氣進入廠房車間，影響室內(nèi)空氣質(zhì)量。廠房內(nèi)因?qū)崈舳冗M行控制，部分封閉樓梯間不允許設置可開啟外窗，故需要設計機械加壓送風系統(tǒng)，并在樓梯間貼臨內(nèi)走道的隔墻處設置泄壓閥，以維持樓梯間內(nèi)余壓值為40～50 Pa。

5 設計小結(jié)

項目由于時間緊，鋰電池廠房暖通設計對于暖通設備可靠性和效果的要求高，所以在設計時，對于節(jié)能的考慮不夠充分，鋰電池廠房的暖通優(yōu)化設計存在以下幾點：

1）除濕設備可采用余熱回收型機組回收熱量，以節(jié)約轉(zhuǎn)輪再生能耗。

2）空調(diào)區(qū)散濕量小且技術(shù)經(jīng)濟合理時[5]，宜采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)。潔凈區(qū)內(nèi)濕負荷主要為工作人員，潔凈區(qū)單位面積散濕量小于30 g/(m2·h)，故可采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，減少經(jīng)過轉(zhuǎn)輪處理的風量，節(jié)約能源消耗。

3）分容、化成區(qū)域設備散熱量大的區(qū)域，冬天則可考慮采用水環(huán)熱泵，冬季回收廢熱為毗鄰的非潔凈區(qū)供暖。

4）冷水主機可設置部分機組為磁懸浮冷水機組，以提高在部分負荷下設備的IPLV 值，達到良好的節(jié)能效果。

5）冬季可考慮采用自然冷源（冷卻塔）進行供冷，以節(jié)省制冷主機能耗。

6）在回風干球溫度為28 ℃時，冷凍水供水溫度從7 ℃升至15 ℃，機組COP 提升比例為21.1%[6]，運行過程中可提高供回水溫度，增大供回水的溫差，節(jié)約運行能耗。

本文結(jié)合鋰電池工廠工藝要求，分析了鋰電池廠房內(nèi)空調(diào)、通風、防排煙設計要點，總結(jié)了一些存在優(yōu)化潛力的設計內(nèi)容。暖通設計人員應在滿足工藝生產(chǎn)要求的基礎上，不斷優(yōu)化，真正實現(xiàn)綠色節(jié)能鋰電池工廠暖通設計。