新型磷酸鐵鋰電池在建筑施工中的工具應用研究

黃啟威 陳效明 李偉祥

施工現(xiàn)場的安全一直是我們國家建筑現(xiàn)場管理的重中之重，特別是在機電安裝工程領域，由于機電安裝工程的特點，安裝專業(yè)多，安裝部位多，末端設備多，持續(xù)周期長，重復性工作多等重要特點，再結合施工場地中的三級臨電設計體系，導致對安裝工程末端工作安全影響非常大。近年來，由于電池技術突飛猛進的發(fā)展，電池的應用領域越來越多，應用規(guī)模越來越大，在此種情況下，鐵鋰電池的無線化應用在很多建筑領域都有應用，但充電時間長，有效使用時間短。本文從項目實際情況和需求出發(fā)，通過項目的使用回溯，得出應用角度的經(jīng)濟分析。

一、建筑施工場地的觸電事故成因

建筑施工現(xiàn)場的安全管理是一項非常重要的管理工作，從設備安全到施工安全都是項目管理工作中的剛性工作任務，具有非常重要的管理意義。而對于建筑施工過程中的安全事故來看，觸電事故是其中非常重要且占比非常大的部分，在多年的項目工作中總結，觸電事故的特點如下：

（1）臨電環(huán)境事故率高于高壓環(huán)境，接電的生產(chǎn)工具事故多于固定的電氣設備。

（2）高溫，潮濕環(huán)境事故高發(fā)，金屬物品較多存放不合理引發(fā)的事故也較多。

（3）二三季度因氣候原因，也導致觸電事故容易高發(fā)。

觸電事故的高發(fā)，除了環(huán)境因素以外，更多的有管理上的疏漏和操作習慣的影響，雖然整體在我國降低，但依然有一些原因是可以控制的，比如：

（1）施工現(xiàn)場三級臨電設置點位較多，且使用過程缺少監(jiān)管，基本處于自由使用狀態(tài)。

（2）操作不正規(guī)或用電設備接地不當。

（3）設備或線纜材料因使用不當導致的裸露長期存在。

（4）電氣操作人員未經(jīng)專業(yè)的電氣專業(yè)知識培訓。

二、采用新型應用技術的項目背景

項目為某地鐵施工項目，新型應用技術主要在項目機電安裝、消防工程，電氣工程部分，主要內容包括：

1.通風空調系統(tǒng)

通風空調系統(tǒng)設備安裝，含隧道通風系統(tǒng)包括風井、車站公區(qū)通風空調系統(tǒng)、設備管理用房通風系統(tǒng)、空調水系統(tǒng)。

2.給排水及消防系統(tǒng)

給排水及消防系統(tǒng)設備安裝，含地鐵站內（含便民服務區(qū)）的給排水及消防系統(tǒng)，給排水及有關消防設施。給水系統(tǒng)包含生產(chǎn)用水和生活用水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)組成；排水系統(tǒng)包括：污水、廢水和雨水排水系統(tǒng)。

3.低壓配電與照明系統(tǒng)

低壓配電與照明設備及其配電管線的安裝，含車站和區(qū)間的電纜及橋架和電線，風機設備控制箱、組合風閥控制箱、冷卻塔負荷開關箱，動力配電箱、照明配電箱、安全照明配電箱、區(qū)間配電箱（雙電源）、公區(qū)智能照明系統(tǒng)，插座、開關面板、照明燈具（含應急）、疏散標志燈、出口標志燈；站廳和站臺層公區(qū)、區(qū)間照明燈具的安裝。

從地面總配電柜至站廳層配電柜采用YJV-3×70+2×35mm2電纜從通風口引至站內。站廳層內從分配電柜用YJV-3×50+2×25mm2電纜分別引一路電源至其他系統(tǒng)總配電箱，從分配電柜用YJV-3×35+2×16mm2電纜引一路電源至照明配電箱。

站臺層內從站廳層配電柜用YJV-1KV-3×70+2×35mm2電纜分別引一路電源至其他系統(tǒng)總配電箱。

現(xiàn)場臨時用電設施，需要操作人員接受過正規(guī)的電氣操作規(guī)程培訓，并建立完善的檢查制度。

施工流程分解圖：

三、電動工具在建筑施工過程的應用趨勢

無線手持電動工具，即為將傳統(tǒng)的接電電動工具，指將電池組供電的工具替代接電工具，從而降低或者減少接電的末端電線。本文中涉及到的主要為建筑工程中涉及到的無線手持電動工具，比如手持鋸、手電鉆等，主要應用在安裝工程中。

建筑施工中三級臨電配置與作業(yè)現(xiàn)場工區(qū)多、專業(yè)多、交叉作業(yè)多的復雜環(huán)境影響下，導致電器設備的工作條件存在多并發(fā)、散在、隨機的特點，工作環(huán)境又帶來線纜的折損消耗比較大，從而更容易導致事故的發(fā)生。傳統(tǒng)插電式手持電動工具存在距離有限、使用頻繁、接電臨時且隨意、容易磨損外露導致安全隱患等局限性，帶來較大的觸電危險，以及因觸電造成的墜落等次生傷害、將手持電動工具無線化的思路，如果能夠有效減少或去除電纜線的使用，降低對配電系統(tǒng)中各部件的操作概率，用電池作為電動工具的動力源，能夠避免大部分觸電事故的發(fā)生。

無線手持電動工具其生產(chǎn)占比正在逐年增加，在建筑工地推廣使用無線手持電動工具無疑對施工現(xiàn)場臨電安全管理起到很大作用，大量降低線纜的使用，節(jié)省成本，規(guī)避了電纜線浸水、破損、漏電而發(fā)生安全事故。施工人員攜帶方便，操作靈活。

無線工具移動性好，觸電風險低，而有線工具雖然可以連續(xù)使用，但其可能存在反復接線、拖曳破損等，以及在使用過程中存在的違章操作、監(jiān)管不力、不利環(huán)境條件等因素，導致觸電風險居高不下。

綜合安全角度考慮，在工程標準層施工階段、不需要連續(xù)性長時間使用以及觸電風險較大的施工區(qū)域可以應用無線手持電動工具。

四、磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢

1.鋰電池

鋰電池大家都很熟悉了，它的顯著優(yōu)勢是比鉛酸電池具備更高的能量儲存密度；同樣的規(guī)格，是常規(guī)鉛酸電池的六到七倍左右，充放電次數(shù)耐久性長，使用壽命超過鉛酸電池三倍左右；高功率承受力強，輕便，同體積狀態(tài)下，與鉛酸電池相比只有四到五分之一；可耐高低溫，理論工作溫度從零下20度到60度，綠色健康，環(huán)境污染小，在生產(chǎn)、使用、報廢的生命周期中，都不會產(chǎn)生重金屬相關的有毒有害元素和物質。

但鋰電池也有其特定的不太有利的部分，比如：有可能存在一定安全隱患，可能引致火災或者爆炸，所以鋰離子電池均需設置防護線路，防止電池因充電放電過程缺少控制和保護導致安全事故。同時，生產(chǎn)要求相對條件較高，生產(chǎn)成本略高。

2.磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是采用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為電池陽極，以碳作為陰極的新型鋰離子電池。其工作原理為在充電過程時，磷酸鐵鋰的鋰離子脫出，經(jīng)電解質傳遞到陰極，被陰極材料接受并結合；與此同時，電子從陽極被釋放，從外電路到達陰極，以保持反應的平衡。在放電過程則完全相反，在陰極結合的電子脫出，經(jīng)電解質回到陽極，電子從陰極被釋放，自外電路回到陽極，從而提供能量。

新型磷酸鐵鋰電池具有工作電壓跨度很大、能量儲存密度很大、反復循環(huán)使用次數(shù)多，壽命長、低電壓場景下安全性能好、不受記憶效應影響的優(yōu)點。

磷酸鐵鋰電池已經(jīng)具備在局部垂直領域市場，特別是低電壓應用場景中，替換常規(guī)鋰電池產(chǎn)品，升級應用效率的生產(chǎn)能力，使用專用充電器還可以更快、耐高溫、容量大、沒有記憶效應。使用過程綠色環(huán)保、無毒、無污染，原材料來源更為廣泛，應用成本更低，安全性更好。

五、本項目中的應用經(jīng)濟效益分析

在安裝工程中，特別是地鐵項目的機電安裝工程中，電動工具的作用非常大，在電氣施工、風水電的施工中，支架及托架安裝過程中，電動工具能大幅提高工人的施工效率，與常規(guī)的有線工具相比，電池型的電動工具不再需要臨時配電的支持，在手持重量、操作靈活度上均有很大的提升。

一般的鐵鋰電池能夠為電動工具提供較好的動力，但受電池容量的影響，通常情況下需要6個小時充滿，現(xiàn)場工人在使用工具的時間大概能維持2個小時左右，以正常8個小時的工時計算，則至少需要4塊滿電電池才能夠滿足，并且在高強度充放電的情況下，電池的壽命大概在3～4個月需要更換一次，對項目生產(chǎn)中的成本又帶來了較大壓力。本項目所采用的磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池比一般的鋰離子電池更安全，具有可提供5～100AH容量的一系列大電芯尺寸，相比鉛酸電池，循環(huán)充電的次數(shù)和反復充電的耐用性要明顯強上很多。并且圓柱形磷酸鐵鋰電池具備廣泛的適應性，是目前所有系列中最熱門的產(chǎn)品，在本項目中應用的產(chǎn)品特點為：高密度產(chǎn)品，270～340Wh/L，工作時間長，放電電壓穩(wěn)定。

作為常規(guī)三級臨電設置的替代方案，在采用以下分析方法：

l.三級電對比分析法，是實踐中應用最廣的一種分析方法之一，即在同樣的條件下，對同樣指標的實際數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對得出相關的對比結果，從數(shù)據(jù)對比的過程和結果中確定差異的一種方法。

2.相關因素分析法，即根據(jù)所需要的數(shù)據(jù)分析指標與影響分析指標的前置考慮因素之間的關系，按照項目實際情況的受影響因素，從應用過程的實際影響因素計算出對有關參數(shù)指標差異，從而得到哪些因素具體影響哪些指標，比如在本項目中，通過充電時間和工作時間的對比，通過因素分析法，可以得到衡量電池優(yōu)劣的具體數(shù)據(jù)情況。

3.相關分析法，即根據(jù)指標之間既有直接聯(lián)系而又不構成相互變量影響的一種關系研究分析方法，且應用廣泛而又很有指導意義。

在本項目中得到的應用實際結果情況如下：

（1）減少臨電敷設人工費5萬元/站＊2站=10萬元。（縮短臨電施工周期10天）

（2）減少臨電材料費15萬元/站＊2站=30萬元。

（3）減少專職電工1人。工資為9000元/月＊20月=18萬元

（4）增加設備采購費用0.8萬元/套＊10套=8萬元。

（5）項目上用時間繼電器控制充電，充電時間為0時至8時，用電單價在最低值。常規(guī)地鐵站每月用電費用約為1萬元/站月＊20月＊2站=40萬元，采用磷酸鐵鋰電池應用的無線電動工具后，總電費為25萬元節(jié)約至電費15萬元。

綜合經(jīng)濟效益合計為：10萬元+30萬元+18萬元+15-8萬元=65萬元。

六、分析總結

從該項目的經(jīng)濟效益分析來看，可以總結以上幾點，在有效減少末端安全隱患的情況下，常規(guī)的電動工具對增加工人的生產(chǎn)效率有十分積極的意義和作用，無線電動工具充電時間長，連續(xù)使用時間短，新型電池的使用既改善了原有工具的成本和使用時間的弊端，更在復用率上有較好的經(jīng)濟收益和作用，在多個工地推進的意義上有非常好的價值和作用。本項目從人工和支出的角度做的經(jīng)濟收益測算也具備一定的參考價值。