某鋰電池廠房暖通設(shè)計(jì)

陶庸 侯國(guó)慶

1 中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司湖南分公司

2 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

鋰離子電池具有能量密度高，使用時(shí)間長(zhǎng)，無功率損耗小，無記憶效應(yīng)以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[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(yīng)用于電子產(chǎn)品、交通工具、電網(wǎng)儲(chǔ)能、航空航天等領(lǐng)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(duì)電池性能起著至關(guān)重要的作用[2]，鋰離子動(dòng)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(jiǎn)要介紹廠房建筑概況和工藝生產(chǎn)基本流程，重點(diǎn)敘述廠房車間的空調(diào)、通風(fēng)、防排煙設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)進(jìn)行的概括，并針對(duì)廠房?jī)?nèi)暖通的節(jié)能方法的提出一些思路。

1 項(xiàng)目概況

本廠房建設(shè)地在湘潭（圖2），廠房地上有3 層，局部設(shè)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(fù)一層功能為變配電所，一層為勻漿、涂布機(jī)頭、涂布機(jī)尾、極片制作輾軋及分條車間，二層是模切、疊片、全自動(dòng)焊接車間，烘烤車間，注液車間、隧道爐高溫浸潤(rùn)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(cè)試及常溫靜置車間。

圖2 項(xiàng)目航拍圖

2 空調(diào)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)荷特點(diǎn)

鋰電池廠房?jī)?nèi)車間多，潔凈區(qū)對(duì)空氣品質(zhì)要求高，負(fù)荷計(jì)算較復(fù)雜。相對(duì)濕度≤5%及露點(diǎn)為-45 ℃區(qū)域的生產(chǎn)車間采用傳統(tǒng)表冷器處理無法達(dá)到生產(chǎn)要求的相對(duì)濕度，需采用專業(yè)的除濕設(shè)備（轉(zhuǎn)輪）進(jìn)行除濕。

2.2 負(fù)荷計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，相對(duì)濕度≤5%及露點(diǎn)為-45 ℃區(qū)域面積15394 m2，冷負(fù)荷為16200 kW，夏季除濕機(jī)轉(zhuǎn)輪再生加熱蒸汽量約為8826 kg/h，冬季除濕機(jī)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(shè)備，發(fā)熱量較大，非潔凈區(qū)域空調(diào)冷負(fù)荷為7070 kW，空調(diào)熱負(fù)荷為2294.9 kW。

工藝?yán)渌?fù)荷：根據(jù)工藝專業(yè)提資，鋰電池廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)設(shè)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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，冷水機(jī)組選型要滿足廠房不同產(chǎn)能時(shí)對(duì)空調(diào)變化的需求；采用電動(dòng)壓縮式冷水機(jī)組時(shí)，空調(diào)負(fù)荷變化較大時(shí)宜采用變頻調(diào)速式冷水機(jī)組[3]。

2.3.1工藝?yán)湓丛O(shè)計(jì)

廠房?jī)?nèi)工藝?yán)鋬鏊?fù)荷由2 臺(tái)額定制冷量為3868 kW 變頻離心冷水機(jī)組承擔(dān)，在制冷站房設(shè)置一套分、集水器，分別由廠房南側(cè)接至正、負(fù)極勻漿車間內(nèi)工藝設(shè)備及其他車間工藝設(shè)備。

2.3.2空調(diào)冷源設(shè)計(jì)

鋰電池工廠相對(duì)濕度≤5%及露點(diǎn)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(shè)備空調(diào)負(fù)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?jī)?nèi)空調(diào)冷負(fù)荷由五臺(tái)變頻離心冷水機(jī)組承擔(dān)，單臺(tái)機(jī)組額定制冷量3868 kW，機(jī)組均設(shè)置于制冷站房一樓。在制冷站房另外再設(shè)置一套分、集水器，分別接至南、北區(qū)空調(diào)機(jī)房及除濕機(jī)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(shè)計(jì)

鋰電池廠房?jī)?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?jī)?nèi)的熱水鍋爐。

組合式轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)冬季和夏季在進(jìn)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(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，這些熱量均由公用站房?jī)?nèi)蒸汽鍋爐提供的0.6 MPa 飽和蒸汽承擔(dān)。

2.4 冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷水系統(tǒng)分為2 套系統(tǒng)，廠房工藝?yán)鋬鏊疄橐粋€(gè)系統(tǒng)。鋰電池工廠車間空調(diào)設(shè)備所需冷水為另一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，因廠房呈南北對(duì)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(jī)區(qū)，南區(qū)分為南區(qū)舒適性空調(diào)區(qū)、南區(qū)除濕機(jī)區(qū)，均由制冷站房?jī)?nèi)分、集水器供給。冷水系統(tǒng)采用一級(jí)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(jī)組及分容、化成區(qū)域組合式空調(diào)機(jī)組四季皆供冷水。冬季關(guān)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?jī)?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(shè)自動(dòng)排氣閥。水系統(tǒng)由設(shè)在制冷站房的一體化定壓補(bǔ)水設(shè)備進(jìn)行定壓和補(bǔ)水。

2.5 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潔凈室的送風(fēng)量由潔凈等級(jí)要求、人員所需最小新風(fēng)量以及熱、濕負(fù)荷計(jì)算確定[4]?？臻g較大、人員較多，溫、濕度波動(dòng)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?jī)?nèi)潔凈區(qū)域采用全空氣定風(fēng)量空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，空調(diào)風(fēng)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(chǎng)和一致的潔凈度；考慮到噪聲要求，送風(fēng)口出口風(fēng)速為3 m/s，在房間下部回風(fēng)口風(fēng)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(shè)備采用組合式空調(diào)柜，空調(diào)風(fēng)為上送上回，送風(fēng)口采用可調(diào)節(jié)雙層百葉風(fēng)口，回風(fēng)口則可以采用可調(diào)節(jié)單層百葉風(fēng)口。

廠房?jī)?nèi)的辦公房間及廠房入口處大廳設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管，新風(fēng)為吊頂式新風(fēng)機(jī)，采用上送上回的氣流組織形式。

2.6 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

考慮到相對(duì)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(jī)組需全年運(yùn)行提供冷凍水，電動(dòng)壓縮式冷水機(jī)組冷卻水水溫不宜過低[3]，因此在冷卻塔內(nèi)設(shè)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(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。

3 通風(fēng)設(shè)計(jì)

鋰電池廠房?jī)?nèi)存在多個(gè)散發(fā)有毒氣體、有爆炸危險(xiǎn)氣體的場(chǎng)所[3]，如NMP 室、廢NMP 儲(chǔ)罐間、電解液間、電池拆解房等均需要設(shè)計(jì)事故通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量不小于房間換氣次數(shù)12 次/h，均需要采用防爆通風(fēng)設(shè)備。

廠房?jī)?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(fēng)需根據(jù)不同情況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。變配電房的通風(fēng)量按發(fā)熱量計(jì)算，必要時(shí)需設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)以保證變配電房?jī)?nèi)變壓器等設(shè)備正常運(yùn)行。涂布車間通風(fēng)需根據(jù)涂布機(jī)設(shè)備通風(fēng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。真空泵房設(shè)備發(fā)熱量很大，除考慮設(shè)置機(jī)械通風(fēng)設(shè)備外，需另外考慮設(shè)置空調(diào)設(shè)備，或采用水冷型真空泵。空壓站內(nèi)通風(fēng)需考慮房間排除熱量的通風(fēng)量以外，仍需考慮空壓機(jī)壓縮空氣的空氣需求，預(yù)留足夠的自然進(jìn)風(fēng)口面積以保證設(shè)備正常運(yùn)行和房間排熱時(shí)的自然補(bǔ)風(fēng)量。

4 防排煙設(shè)計(jì)

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(fēng)機(jī)的形式，每個(gè)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(jì)算[5]，內(nèi)走道長(zhǎng)度大于60 m，劃分為若干個(gè)防煙分區(qū)，每個(gè)防煙分區(qū)的排煙量按防煙分區(qū)面積×60 m3/(m2·h)計(jì)算，走道排煙風(fēng)機(jī)排煙量按最大防煙分區(qū)面積×120 m3/(m2·h)計(jì)算。排煙風(fēng)機(jī)的排煙量考慮10%～20%的漏風(fēng)量[5]。

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

5 設(shè)計(jì)小結(jié)

項(xiàng)目由于時(shí)間緊，鋰電池廠房暖通設(shè)計(jì)對(duì)于暖通設(shè)備可靠性和效果的要求高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于節(jié)能的考慮不夠充分，鋰電池廠房的暖通優(yōu)化設(shè)計(jì)存在以下幾點(diǎn)：

1）除濕設(shè)備可采用余熱回收型機(jī)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(jì)合理時(shí)[5]，宜采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)。潔凈區(qū)內(nèi)濕負(fù)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(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，減少經(jīng)過轉(zhuǎn)輪處理的風(fēng)量，節(jié)約能源消耗。

3）分容、化成區(qū)域設(shè)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(jī)可設(shè)置部分機(jī)組為磁懸浮冷水機(jī)組，以提高在部分負(fù)荷下設(shè)備的IPLV 值，達(dá)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(jìn)行供冷，以節(jié)省制冷主機(jī)能耗。

6）在回風(fēng)干球溫度為28 ℃時(shí)，冷凍水供水溫度從7 ℃升至15 ℃，機(jī)組COP 提升比例為21.1%[6]，運(yùn)行過程中可提高供回水溫度，增大供回水的溫差，節(jié)約運(yùn)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?jī)?nèi)空調(diào)、通風(fēng)、防排煙設(shè)計(jì)要點(diǎn)，總結(jié)了一些存在優(yōu)化潛力的設(shè)計(jì)內(nèi)容。暖通設(shè)計(jì)人員應(yīng)在滿足工藝生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能鋰電池工廠暖通設(shè)計(jì)。