锂离子电池工厂建筑设计浅析

锂离子电池工厂建筑设计浅析

郑铁铸

武汉东研智慧设计研究院有限公司，湖北省武汉市，430000

摘要

随着锂离子电池在能源存储和电动汽车领域的广泛应用，其生产工厂的建筑设计显得尤为重要。本文首先探讨了锂离子电池工厂建筑设计的基本原则，包括总则、规划、建筑。随后，文章详细分析了建筑设计的痛点难点，如消防设计、抗渗设计、特殊房间、楼地面防静电和空间管理。通过A\B\C案例的比较分析，本文提取了设计难点，并指出问题改进建议。文章总结了研究成果，并对未来锂离子电池工厂建筑设计的研究方向提出了建议。本研究旨在为锂离子电池工厂的建筑设计提供理论指导和实践参考，以促进锂离子电池工厂建筑设计中提能、增效、绿色。

关键词： 锂离子电池工厂,规划, 建筑, 空间管理, 造价

一.总则：

1. 适用于电池工厂新建、改造、扩建的设计。
2. 满足安全生产、节约能源、保护环境、技术先进、经济合理。
3. 锂离子电池工厂设计应合理利用资源，保护环境，防止生产过程产生的废气、废水、废渣、粉尘、噪声、振动、电磁辐射等对环境的污染和危害。

二、规划：

2.1布局经典案例

布局一：4个生产单位排列式，站房集中布置，厂前区集中布置，生产单元能源通过集中架空管廊输送。

项目概况：纲领为4*3GWH，4个生产单元，主要为单层钢结构厂房，建筑面积30万平方米。项目地址：河南郑州，设计完成时间：2020年10月

布局二：2个生产单位与站房集中布置，厂前区（含研究中心）集中布置，生产单元能源通过架空管廊输送，贴邻布局。

项目概况：2*8GWH，2个生产单元，主要为两层钢结构厂房，建筑面积30万平方米。项目地址：江西赣州，设计完成时间：2022年5月

布局三：5个生产单位与站房行列式布置，厂前区（含研究中心）集中布置，生产单元能源通过架空管廊输送，贴邻布局。

项目概况：2*10GWH+3*10GWH，5个生产单元，主要为三层钢筋混凝土厂房，建筑面积128万平方米。项目地址：四川成都，设计完成时间：2023年4月

2.2总平面布置

1. 建筑物、构筑物等设施按照功能区域宜集中组合布局；
2. 甲类化学品库退用地红线应满足当地规划要求，退场内道路不小于5米；室内外高差不小于0.3米；
3. 总平面布置应利用地形、地势及工程地质条件，按要求进行布置：1）应依据生产工艺要求布置建筑物、构筑物及有关设施；2）应满足场地排水及道路接口的竖向设计要求；3）应根据物流装卸、废水、雨水重力流等因素进行竖向设计；4）改扩建做好评估后优先利旧；
4. 甲类库单独设置，优先考虑雨棚建筑；
5. 单体建筑四周宜考虑环形车道，满足物流和消防要求；
6. 厂房或库房卸货雨棚区域场地不宜设置立杆型路灯，安装雨棚上设置路灯考虑。电气专业与总图、建筑专业协调评估。
7. 室外消火栓、消防接合器位置应该统一规划，给排水专业与总图、建筑专业综合评估位置，地上设置还是地下设置。

2.3竖向设计

1. 建筑物室内地坪标高高出室外地坪标高不应小于0.15m,建筑物室内地坪标高高出室外道路平均标高不宜小于0.3m。厂区出入口标高不宜低于厂外道路路面标高。
2. 甲类化学品库开门采用坡道（其余叉车使用坡道要求相同），坡度不应大于10%，室内如果做反坡，坡度不应大于10%，室内做截水沟时可不做反坡。做截水沟时，上铺镀锌格栅盖板（重载型，按道路使用载荷要求）。

2.4绿化设计

1. 绿化应做到无表土裸露。
2. 停车场充电区域，设置充电桩区域绿化宽度不大于1m时，需要考虑管线敷设空间，建议以草坪为主。

三、建筑

3.1生产车间布局

案例一（车间分别为电极车间、化成分容车间、模组及PACK车间）：

单层钢结构厂房为主，配套站房敷设方便。占地面积较大。站房单边布置，局部集中布置。

案例二（车间分别为电极车间、化成分容车间、模组及PACK车间）：

二层钢结构厂房为主，站房单边布置，占地面积居中，管线布局方便。

案例三（电池生产车间（含电极车间、化成分容车间、模组及PACK车间等））：

三层钢筋混凝土厂房为主，站房双边边和居中布置，占地面积较小，管线布局复杂。

以上三个案例，单层厂房具有较大的灵活性，方便根据以后工艺变化进行施工改造，管线、站房布局灵活，但是占地面积大；多层厂房工艺固化，后续调整改造困难，集约化程度高，占地面积小，钢筋混凝土厂房建设过程前期按进度付款资金压力较小，建设投入及后续运营费用占优。

3.2综合站房设计：

综合站房包含锅炉房（导热油、蒸汽）、纯水站、给水加压泵房、消防水泵房、消防控制室、制冷站、空压站、柴油发电机房、变配电间、库房等，统计面积包含厂前区及生活区能耗。项目规模越大，单位面积1GWH所需面积越小。随着工艺水平不断提升产能越做越大，站房设备选型体积也会不断提高，站房消防高度控制24米以内，发展方向局部设备基础下沉正负零以下，局部屋面抬高到24米以上（抬高部分屋面面积占比不超过1/4）。

3.3主厂房中站房设计：

案例一：站房两边敷设、屋顶中间分区敷设

站房设置在厂房中间，风管支管为主，节材节空间，路径短，能效高。

站房设置在厂房长向两边，风管干管支管结合，不节材，空间管理难，路径长，能效不高。

案例二：站房单边敷设、厂房中间分区敷设

中间放置减少干管，节材节空间，路径短，能效高。

四、设计要点：

4.1 消防设计

1. 单层厂房，面积超大、尺寸超长超宽厂房，局部设置多层设备用房（无人值守），面积占比不超过1/4,消防要求按照单层标准执行；一级耐火等级面积不限，站房区域进行防火隔墙，疏散距离不超过80米，考虑设备影响疏散距离，不够时可局部考虑设置跨设备梯作消防用，化成等无人值守区域疏散距离可放宽，但需在图纸中注明；
2. 多层厂房，面积超大、尺寸超长超宽厂房，进深建议控制90m，或者内部设置内院时进深可放宽（最终以当地消防部门意见为准），疏散距离按60m考虑，设置喷淋系统，一个防火分区面积不超过12000m2;考虑设备影响疏散距离，不够时可局部考虑设置跨设备梯作消防用，化成等无人值守区域疏散距离可放宽，但需在图纸中注明；
3. 消防控制室、强电间、弱电间采用防火墙与其它区域隔开，消防系统可不与相邻区域保持一致，降低消防标准。
4. 报警阀间设备及围堰设置，库房等区域阀组较多，集中设置在一间房，避免对着外窗均布，影响使用及美观。
5. 甲类化学品库、NMP库泡沫消防用量设计标准统一，以满足中下线为宜。
6. 洁净区及非洁净区防火墙建议采用玻镁板，厂房防火墙采用3小时，仓库防火墙采用4小时，空调机房、配电房防火隔墙不小于2小时，生产区域之间及中转仓库和其它生产部分应采用耐火极限不低于2小时的防火隔墙和1小时的楼板分隔。厂房内办公区域采用2小时防火隔墙进行分隔，必须至少一处对外的独立疏散，其它疏散可以借用其它区域。
7. 甲类化学品仓库，占地面积不超过1500m2,每个防火分区不超过500m2。
8. 化成分容车间设置于联合厂房时，应形成独立的防火分区。

4.2 抗渗设计：

1. 项目采取污染防止分区原则，按照其分区防治的要求执行，分区如下（地坪处理）：

2.重点防渗区，含电芯生产车间（涉及液体原料与生产废水的区域：正负极清洗间、匀浆工段、涂布工段、电解液存放区、金像间等）、电解液仓库、污水处理站、甲类化学品库、NMP地罐区、污水管网、拆解间。

渗透系数：1x10-10cm/s

渗透材料：防渗系数为P6的钢筋混凝土，厚度大于250mm及其它防渗材料组合使用（建议采用：2mm厚HDPE或1.5厚聚氨酯防水层）。

3.一般防渗(防潮)区，含电芯生产车间其他区域、原材料库、化成分容车间、模组车间、综合站房。

渗透系数：1x10-10cm/s

渗透材料：防渗系数为P6的一般混凝土；1.5厚玻纤胎SBS自粘砂面防潮隔汽卷材.

3. 其余区域为简单防渗(防潮)区，无特殊构造要求，地坪防潮层采用1.5厚玻纤胎SBS自粘砂面防潮隔汽卷材.
4. 材料性能：1.5 厚玻纤胎SBS自粘砂面防潮隔汽卷材,拉伸性能≥500N/50mm、水蒸气透过量≤3g/（㎡·24h）、钉杆撕裂强度≥165N、不透水性1000mm水柱，2h无渗漏、加热伸缩率≤1％.

4.3特殊房间设计：

1. 用水房间设计：金像间、正负极材料清洗间、空调机房、厕所、茶水间、报警阀间围堰、化成定容工段设计排水地漏，金像间、正负极材料清洗间、厕所、茶水间、报警阀间围堰、地面铺砖。金像间、正负极材料清洗间考虑排风设计。墙体采用加气混凝土砌块墙，厕所、茶水间、金像间、正负极材料清洗间侧墙贴瓷砖。
2. 拆解实验室的浸泡间，内部散热量大，200多度高温，吊顶采用玻镁板，净高尽量抬高。浸泡池上空增加不锈钢板集气罩，与风机连接。
3. 甲类化学品库，地面做2mmHDPE膜防渗层，应置于200厚地坪混凝土以下，垫层上做100厚保温层，地面采用防静电环氧地坪，当库房内设置-10度库房时库房区域可考虑不开外窗，消防满足即可，内部二次实施房中房围护墙面、顶面，屋面采用轻质屋面，考虑泄爆。地面开门处设置截流沟。室外做坡道，坡度不大于10%，室内宜做平，做坡道室内侧坡度不大于10%。
4. 洁净区房间或者工段：墙面采用玻镁板，顶面采用玻镁板。注意玻镁板板型（厚度及内部构造）具有一定的高度使用范围，根据高度合理选择或者从上部增加下调方管配套龙骨。
5. 洁净区提升机井道，进行抹灰面饰环氧涂料，保证洁净度要求。

4.4 楼地面防静电设计：

1. PVC地胶板贴导静电网；
2. 环氧地面下铺防静电铜箔；
3. 地面钢筋与端子连接，面层可采用环氧、固化剂、PVC地胶板、合金骨料面层。

以上设计建筑、电气专业进行配合，第三条结构专业需进行配合。

4.5空间管理设计：

1. 地下管路、架空管路设计原则。方案阶段采用SU模型规划线路，通过验证可以达到80%以上准确率，为外网先行施工时提供技术支撑。

地下管线：

水：雨水管线、污水管线、消火栓管线、给水管线、中水系统

电：路灯管线、弱电系统

动：燃气管线

架空管线：

水：喷淋系统

电：电缆系统

动：冷冻水系统、蒸汽系统、压缩空气系统

其它系统：NMP疏散及回收系统、导热油系统、废气系统、真空系统、氮气系统等

2. 综合站房至主车间架空管网。

包含导热油、蒸汽、压缩空气、电缆桥架、冷冻水、喷淋、纯水、真空、喷淋等各管线系统。建议管廊宽度按9米、敷设按照两层考虑，管底设计高度不低于5.5米，管线按照在一楼顶部、二楼楼面连接为主考虑。

3. 主厂房内部空间管理。

初步设计阶段，根据经验合理进行竖向管线规划，进行空间初步布局、标高规划。

五、洁净厂房装修工程造价分析：

从工期、造价等因素比较，在满足功能使用前提下，优先考虑干作业施工。

参考C电池项目主厂房折合到每平方米造价约8000元/m2，投资强度大，系统多，设计控制造价提出较高的考验。

结束语

在本研究中，我们深入探讨了锂离子电池工厂建筑设计重难点的多个维度，从总则、规划、建筑到公用动力，每一环节都紧密相连，共同构建了一个高效、安全且环保的生产环境。通过对多个成功案例的细致分析，我们发现，一个优秀的锂离子电池工厂建筑设计，在工艺及设备不断迭代升级持续改善前提下，建安设计等也在相应不断被动应对变化，前期合理规划，统筹考虑，项目设计运行管理尤为重要。还需要兼顾材料的选择、设备的配置以及环境控制系统的完善。

在功能性方面，我们的研究发现，合理的工厂布局能够显著提升效率，节约投资，减低运行成本。

对造价及材料分析，结合施工周期等，为方案确定提供有价值参考建议。

本研究不仅实现了对锂离子电池工厂建筑设计原则的全面分析。我们的研究结果表明，一个综合考虑技术、施工、造价的建筑设计，能够显著提升工厂的建筑设计性价比，降低运营成本，同时减少投资，缩短建设周期。这些发现为未来的锂离子电池工厂建筑设计提供了宝贵的参考和指导，也为相关领域的研究提供了新的视角和思路。

参考文献

《建筑设计防火规范》GB50016-2014

《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046

《洁净厂房设计规范》GB50073

《锂离子电池工厂设计标准》 GB 51377-2019

《锂离子电池企业安全生产规范》T/CIAPS0002-2017

《锂离子电池手册》/(德)赖纳、科特豪尔(ReinerKothauer)主编;陈晨等译，一北京:机械工业出版社，2018.5(2022.10重印)