电芯测试实验室暖通设计分析

电芯测试实验室暖通设计分析

李莉

中国电子系统工程第二建设有限公司

摘  要：本文结合某锂电池应用研发项目对电芯测试实验室的暖通设计要点做全面的介绍。通过对电芯测试实验室的各个指标分析，从特点、冷热源、空调形式等设计要点切入，介绍电芯测试实验室暖通设计方案。

关键词：恒温室；暖通设计；孔板侧送风计算，CFD数值模拟；

引言：电芯是动力电池的“心脏”，电芯优劣决定了整个动力电池系统的安全性、性能、能量、充电能力和使用寿命；一个电池企业最重要的能力就是开发电芯。电芯测试实验室是评估电芯的性能的重要场所；电芯需要在其中进行一系列的测试，包括电性能测试、机械性能测试、环境适应性测试等，以测量电芯的各项性能参数，如能量密度、功率密度、循环寿命等。电芯的容量测试需在恒温环境中进行，精确控制温度是确保测试结果准确性的关键步骤。

1 电芯测试实验室的特点

电池容量的精确测试需要在特定条件下进行：应在25℃的恒定温度下进行，以保持测试的准确性，温度偏差可能会影响测量结果。因此电芯测试需在恒温实验室环境下进行，温度基数25℃，温度波动度±1℃，温度均匀度≤1℃。电芯表面都有气流吹过，没有死角，确保环境因素不干扰测量结果。

2电芯测试室的布局

电芯测试室的布局方式宜遵循以下原则：

（1）宜在建筑物内区且独立的受控区域。

（2）电芯测试需要测试设备，这些设备直接放在测试间内，设备散热会影响室内温度恒定，把测试设备单独隔间放置不仅可以减小恒温房面积，有利于恒温房温度恒定，节约空调能耗；也利于设备检修。因此电芯测试室一般通常设计为测试室和设备间间隔设置形式，见图1。

    图1某电池测试室工艺平面

3电芯测试室的设计要点

3.1 电芯测试室的暖通系统划分

某电芯测试实验室暖通空调系统设计分为三个类型的空调系统，室内设计参数为：

三个类型的空调形式为：

（1）恒温电池测试间：温度要求25℃，温度波动度±1℃，温度均匀度≤1℃；要求每个电芯表面都有气流吹过，没有死角。

根据T/CECS 644-2019《恒温恒湿实验室工程技术规程》中3.0.1的规定恒温电池间属于Ш级恒温恒湿实验室。气流组织宜采用上送下回，孔板送风、架空地板回风。由于恒温电池测试间布局的特殊性，靠墙2边是货架，共10层，货架每层均匀摆放电芯。如果采用上送下回形式，由于货架层板的遮挡，无法保证每个电芯表面都有气流吹过，没有死角。根据本项目的特点，恒温电池间采用孔板侧送，上回风形式。

恒温电池间每间单独设计一台吊顶式恒温空调机组，安装在实验室吊顶上，送风管道分别送到两侧送夹墙风，再通过侧墙孔板送入房间，回风采用顶回。根据《洁净厂房设计规范》GB50073-2001，为满足卫生要求，每人每小时新风量不得小于40m³/h。房间新风由原新风机组预留管道提供新风，新风送入房间回风管道，与室内回风混合处理后送入室内。

（2）设备间为普通实验室，每间实验室设计一台吊顶式空调机组，安装在实验室吊顶上，气流组织采用上送上回风形式。房间新风由原新风机组预留管道提供新风，新风送入房间通过安装在吊顶上的新风口送入室内。

（3）控制室为普通办公室，采用风机盘管加新风形式。

3.2电芯测试室的冷热源

恒温电池间内部的散热设备是电芯，根据电芯的种类不同，其发热量不同。本项目根据工艺提资，电芯平均发热功率为0.7W，每个房间约1500个电芯，设备散热量为1.05KW。结合计算得出的房间冷负荷，恒温电池间暖通设计不需要考虑冬季供冷。

设备间两侧靠墙放满了设备，这些设备散热量比较大且数量多，需要根据提资计算设备散热量，结合计算得出的房间冷负荷，一般情况下设备间暖通设计需要考虑冬季制冷。

控制室是普通办公室，冬季需要供热。

由于电芯测试室的特殊性，暖通系统冷热源做如下设计：

空调机组全年（包含过渡季节）均采用四管制水系统，可以保证全年不间断冷水和热水供应，满足电芯测试室夏季需除湿再热，冬季需制冷的需求；办公室的风机盘管接入大楼内区两管制水系统，保证能夏季制冷冬季供热需求。

4电芯测试室的设计难点

4.1恒温电池间的全面孔板侧送风的设计计算

目前恒温空调送风系统中，大多采用孔板顶送方式。孔板侧送风速度场影响因素多，水平均匀温度场难形成，设计计算更为复杂，应用难度更高。

参照设计手册[1]中设计计算过程如下：

本项目侧墙长10m，宽3m，高6m，吊顶高度2.6m。温度均匀度不大于1℃。

图2恒温电池间平面图                   图3恒温电池间立面图

（1）计算室内夏季热负荷

Q=Q1+Q2+Q3=4KW

其中，Q1为外墙及屋顶传热，Q2为照明灯具散热量，Q3为房间设备散热量

（2）根据（1）计算得出的热负荷和选取的送风温差，计算送风量。

Ls=Q/(Cp·ρ·Δt)=4x3600/(1.2x1.01x2)=6000m³/h

Cp—送风气流的定压比热容，KJ/(Kg·K)

ρ—送风气流的密度，Kg/m³

Δt—送风温差，因为本项目送风出口后直接吹到电芯表面，所以出口后温度考虑风机和管道温升，取Δt=2℃

（3）确定孔板送风出口风速Vs，考虑到漏风量和孔口噪声，设定出风速度2≤Vs≤5m/s。取孔板孔口直径ds=5mm。

Vs=1500ʋ/ds=1500x15.06x10-6/5 x10-3=4.71m/s

ʋ—空气运动粘度系数，25℃时ʋ=15.7x10-6㎡/s

（4）计算开孔净面积Fk及开孔率K

Fk= Ls/(3600·Vs·α)=6000/(3600x2x0.78)=0.45㎡。

K= Fk / F=0.45/(10x2x2)=0.011

α—孔口流量系数。α=0.740.82，取0.78

F—孔板总面积

（5）确定孔口中心距l（m）和孔口数目N

l= ds=0.886x5/=0.042m

N= Na·Nb=a/l·b/l=10/0.42x2/0.42=11588个

（6）校核理论射流长度Lj[2]

一般情况下，孔板侧送风的室内气流流型可以看作是圆形平行射流的叠加。

Lj=M03/4 / B01/2=1.2m

M0—动量通量，m4/s2。M0= L·Vs ，其中L为孔口出风量，m³/s。

B0—浮力通量，m4/s3。B0= gLΔt/T0 0.000028Q，其中Q为余热量。

（7）竖井稳压层的宽度H

H=0.0011SLs/Vs/F=0.12m

F—孔板总面积，m2。

S—稳压层内有孔板部分的气流最大流程，m。

工程上考虑维护和施工的方便，取稳压层高于0.2m。本项目稳压层高度为0.25m。

4.2送风进入稳压层的开孔设计

由于机组安装在吊顶上，回风口设置在吊顶中间，送风进入两边侧墙稳压层的入口只能设置在房间的门口位置，即稳压层的一端。由于房间很长，有10m，送入稳压层的流速也不能过高，否则会影响靠近进风口一端的孔板送风，远离送风口的一端也要保持一定的流速。

根据以往的施工经验和后期的CFD模拟结果，送入稳压层的气流的均匀性对孔板送风射流的均匀性影响很大。为了解决上述问题，在稳压层上增设送风静压箱，详见图4；静压箱内设置导流板，静压箱底部开孔，气流通过静压箱底部的孔板送入稳压层，再由稳压后的孔板均匀送风送入房间，相当于双层孔板送风。保证静压层的压力稳定，以保证孔板送风的射流的均匀性。

5孔板送风CFD数值模拟结果及分析

5.1物理模型

本项目建立的数值模拟用物理模型如图4所示，参照房间模型选取6个截面进行分析，选取截面位置名称及视角方向如图5所示。

图4数值模拟计算的物理模型                 图5截面选取及视角的建立

5.2模拟结果及分析

运用FLUENT软件进行数值模拟的结果如下图所示。

从图6我们可以看出，最大速度出现在回风口与孔口射流附近，房间内气流均匀，无气流死角。靠近送风孔板出风口风速较高，出风后速度迅速衰减，整体房间速度场比较均匀。房间内温度场也比较均匀，送风气流可以很好的带走电芯表面热量。方案可以满足室内±1℃恒温要求。

图6截面B温度及速度云图

下图7所示的是静压箱及稳压层内的速度及压力变化云图。从图中可以看出，送风在静压箱入口产生紊流，速度和压力产生剧烈变化，但是对于下层稳压层没有造成影响。稳压层内的风速和压力很均匀，保证了孔板射流出风的均匀性。

图7截面D速度及压力云图

5结语

（1）本文结合某电芯测试实验室的暖通设计过程，从工艺平面布置、暖通系统划分、冷热源的选择、设计难点分析及数值模拟结果分析等方面详细阐述了电芯测试室的暖通该如何设计，才能确保电芯测试室持续、高效、稳定的运行。

（2）侧向孔板送风方案设计需综合考虑房间的温湿度要求，需要控温的设备位置及散热，送风孔板的孔径及开孔率，竖向稳压层的厚度，送入稳压层的气流的均匀性等多种因素，最终选择合适的空调形式及方案，满足实际的使用需求。CFD数值模拟的应用，很好的辅助及验证了设计方案的可行性。

（3）此电芯测试室的暖通系统仅是针对此项目特点的暖通设计。未来可能会出现更新、更先进、更可靠的技术与理念，也不断鞭策暖通设计师们砥砺前行。

参考文献

[1]陆耀庆.《实用供热空调设计手册》.第二版.北京.中国建筑工业出版社版本.2007

[2]吴昊、柳建华等.《全面孔板侧送风测试室设计和实验研究》. 2014年上海“机械工程、热能工程”研究生学术论坛论文集. 上海.2014