化成除濕機與高溫空調熱泵運用

文／陳昊 深圳市比亞迪鋰電池有限公司坑梓分公司 廣東深圳 518000

引言：

鋰電池生產(chǎn)線各工藝車間有明確的環(huán)境參數(shù)需求，鋰電池生產(chǎn)環(huán)境中對電池放電容量、內阻、循環(huán)性能等有非常重要的影響，當環(huán)境溫濕度不達標時，電池的放電容量降低，內阻變大，循環(huán)性能衰減嚴重，甚至導致鋰電池產(chǎn)品出現(xiàn)漏液、鼓包等危險狀況。

1.化成房和高溫浸潤的環(huán)境要求和運行能耗

化成是對注液后的電芯進行激活的過程，通過充放電使電芯內部發(fā)生化學反應，形成一層鈍化膜，保證后續(xù)電芯在充放電循環(huán)過程中安全、可靠，延長電池使用壽命。化成房露點溫度-40℃，干球溫度25±3℃，潔凈度等級：萬級。

高溫浸潤是對注液后的電芯進行反應的過程，通過浸潤使電芯內部發(fā)生吸附反應，在干燥房間，一定溫度下，對未封口的鋰電池進行開口電池靜置，促進電解液吸收，保證充分反應后的電芯在充放電循環(huán)過程中安全、可靠，延長電池使用壽命。高溫浸潤房干球溫度45±5℃，潔凈度等級：三十萬級。

化成工藝和高溫浸潤工藝作為相鄰工序，化成房生產(chǎn)中環(huán)境一直處于低濕的要求，對于-40℃露點溫度下的生產(chǎn)車間，設計計算后，化成房除濕空調系統(tǒng)采用單級轉輪一次回風除濕機組。

圖1 -40 露點溫度除濕機空氣處理流程圖

圖2 -40 露點溫度除濕機空氣處理焓濕圖

（1）對于要求-40℃露點溫度的化成房，新風W首先通過過濾器及一級表冷盤管，冷卻除濕至點O1，與室內狀態(tài)N 混合至點C，經(jīng)過二級表冷盤管冷卻至點O2，進入轉輪除濕至點O3，經(jīng)過風機溫升約2℃，至點O3’轉輪出口空氣O3 露點溫度約-50℃，達到車間所需的送風濕度要求。送風再經(jīng)三級表冷盤管或電（蒸汽）加熱后送入車間內。

單級轉輪一次回風除濕機組的控制邏輯：化成房室內環(huán)境溫度需要控制在25±3℃，通常根據(jù)回風溫度控制三級冷卻盤管水閥開度，以控制送風溫度；對送風濕度的控制邏輯，根據(jù)回風濕度調節(jié)二級冷卻盤管水閥以控制轉輪入口空氣溫度，也可結合轉輪再生溫度的控制，改變轉輪除濕模塊的性能，最終調節(jié)送風含濕量；對于再生側，除濕機機組通過監(jiān)控轉輪再生出口空氣溫度控制再生電加熱器功率或再生蒸汽用量。

（2）高溫浸潤車間生產(chǎn)中環(huán)境一直處于高溫的要求，對于45℃溫度下的生產(chǎn)車間，設計計算后，高溫浸潤車間空調系統(tǒng)采用普通高溫空調組合式機組。

（3）高溫浸潤車間熱負荷計算：

Q1：維護結構耗熱量

表1 維護結構熱負荷計算

Q2：冷風侵入耗熱量

表2 冷風侵入耗熱量

Q3：冷風滲透耗熱量

①傳送帶空氣滲透耗熱量

滲透耗熱量Q3=0.278CpV(tn-tw)ρw=60.4kW。

②外門空氣滲透耗熱量

滲透耗熱量Q3=0.278CpV(tn-tw)ρw=0.7kW。

Q4：電芯的耗熱量

計算得，Q4=1.4kW

以上可得，房間總熱負荷Q=（Q1+Q2+Q3+Q4）=126.7 kW。

當前高溫浸潤車間溫度管控要求為40℃～50℃，即室內溫差不大于10℃；本項目送風溫度取52℃，回風溫度取44.5℃，送風最大溫差取7.5℃（現(xiàn)場實測，亦是如此）；根據(jù)以上基本計算公式得：G=Q/cp（t2-t1）=126.7/7.5/1.01=16.72kg/s；即送風量為：16.72＊3600/1.29=46677m3/h。該房間共需要1 臺送風量不小于為50000 m3/h，加熱量不小于126.7kw 的高溫風柜。

（4）同理計算化成房（凈化等級：萬級）冷負荷：

對于萬級潔凈、低露點區(qū)域，送風溫差不宜超過10℃[1]、送風含濕量差值不超過2g/kg；則送風狀態(tài)點S即為溫度為（tn-10）℃的等溫線與含濕量的交點。表冷器處理后的空氣，經(jīng)風機后等濕升溫送（風機溫升一般取0.5～3℃）。

式中 LS為系統(tǒng)送風量，m3/h；Q 為空調區(qū)全熱冷負荷，kW；hN為室內狀態(tài)點N 的焓值，kj/kg；hS 為送風狀態(tài)點S 的焓值，kj/ kg。

式中LX 為系統(tǒng)新風量，m3/h；LR為滿足人員衛(wèi)生要求的新風量，m3/h；n 為空調區(qū)人員數(shù)量；LZ為滿足室內正壓要求的新風量，m3/h；V 為空調區(qū)體積，m3。注意：密封性好的話，1 次/h 換氣次數(shù)對于室內正壓為5Pa～10Pa。

混合狀態(tài)點C 由能量平衡方程計算確定（詳見公式1～公式4），具體過程如下：首先，由室內全熱冷負荷Q 和送風溫差△t，計算出送風量LS；然后，由人員衛(wèi)生要求、房間正壓要求計算出新風量LX；最后，回風量LH即為送風量LC與新風量LX之差。最后根據(jù)能量平衡方程計算確定hH，與NW 連線的交點，即為混合狀態(tài)點C。

計算得：房間總冷負荷Q=128 kW；

消除余熱送風量=34612m3/h；

消除余濕送風量=37372m3/h；

維持正壓風量=3114m3/h；最小新風量=3614m3/h；

該房間共需要1 臺送風量為45000m3/h 的轉輪除濕機。

按照計算選型設計，根據(jù)對工業(yè)園區(qū)的化成房和高溫浸潤車間進行能耗監(jiān)控統(tǒng)計，分析計算，得出一年的運行費用和能耗。

由表3 可知，化成房使用的除濕機和高溫浸潤使用的高溫空調，一年的運行能耗和費用巨大。隨著動力鋰電池需求的不斷增加，鋰電池生產(chǎn)工序各段的運行能耗已引起行業(yè)的關注。然而，鋰電池生產(chǎn)車間相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)較少，其生產(chǎn)能耗水平及節(jié)能空間尚不明確。筆者所在團隊在鋰電池廠房各工段設計中，結合已投產(chǎn)項目實際運行能耗的數(shù)據(jù)。本技術報告結合后段工序化成房和高溫浸潤車間的生產(chǎn)工藝及環(huán)境營造特點對生產(chǎn)過程中的用能特性進行分析，提出熱泵系統(tǒng)運用在化成房使用的除濕機和高溫浸潤使用的高溫空調中，來降低這兩種工序生產(chǎn)運行的能耗。

表3 化成房和高溫浸潤車間能耗統(tǒng)計

2.化成房和高溫浸潤的熱泵空調系統(tǒng)運用

高溫浸潤車間需要熱量，常年環(huán)境管控溫度為45℃±5℃；其后續(xù)工藝化成工序，需要制冷除濕，全年需要降溫，其環(huán)境管控要求為25℃±3℃，兩車間相鄰，空調設備布置也相鄰。應用熱泵技術實現(xiàn)高溫浸潤工序與化成工序的能量互補。

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱泵的工作原理就是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，它僅消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應用的低品位熱能利用起來達到節(jié)能目的?；煞渴褂玫某凉駲C和高溫浸潤使用的高溫空調使用過程中，高溫浸潤使用的高溫空調冷凝器中的冷媒通過相變放出的熱量可用來補償高溫空調加熱的溫度，費用成本要低于電或者蒸汽；而化成房使用的除濕機組蒸發(fā)器中的冷媒在相變過程中吸收熱量，放出冷量，可用于進入送風轉輪前的溫度調控，降低了表冷器使用所需的冷量。通過對熱泵系統(tǒng)工作原理的管控，極大程度的減少了使用過程中的費用。

對改善后采用熱泵后根據(jù)對工業(yè)園區(qū)的化成房和高溫浸潤車間進行能耗監(jiān)控統(tǒng)計，分析計算，得出一年的運行費用和能耗。

由表3 和表4 可知，年運行費用由300.4 萬元降為260.86 萬元，年運行費用降幅為39.54 萬元，應用熱泵技術實現(xiàn)化成工序和高溫浸潤車間工序的能量互補，從而節(jié)約運行能耗。

表4 改善后化成房和高溫浸潤車間能耗統(tǒng)計

結語：

本文通過對鋰電池廠房設計過程中，化成工藝和高溫浸潤工藝作為相鄰工序，對生產(chǎn)工藝、低露點環(huán)境特點及營造方法后提出除濕機和空調結合熱泵技術的運用，達到節(jié)能降耗的目的。同時根據(jù)各基地實測鋰電池廠房能耗現(xiàn)狀，對該類廠房的節(jié)能改造可從以下方面進行：由于涂布、電熱烘干是高能耗工藝，可采用或部分采用高溫熱泵，并結合蒸汽鍋爐冷凝水回收、空壓機熱回收，提升冷凝水、空壓機余熱的品位，實現(xiàn)高效烘干。此外，由于鋰電池本身具有儲存電能的能力，可結合光伏發(fā)電、蓄電技術，減少電能消耗或結合峰谷電價，通過夜間蓄電，降低能源成本。