电池热失控气体扩散浓度场与通风换气次数计算书

电池热失控气体扩散浓度场与通风换气次数计算书（储能电站电池预制舱专项计算）项目编号DC-VEN-2026-018设计阶段施工图设计阶段文件类型专项计算书编制XXX审核XXX批准XXX编制单位XX工程设计研究院有限公司编制日期2026年10月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1编制目的随着锂离子电池储能电站规模化应用，电池热失控引发的可燃气体扩散及爆炸风险日益突出。为确保储能电池预制舱在正常运行及事故工况下的通风安全，合理确定通风换气次数与事故通风量，有效控制舱内可燃气体浓度低于爆炸下限（LEL）的25%报警阈值，特编制本计算书。本计算书旨在通过定量分析热失控气体产生量、扩散浓度场分布及通风稀释效果，为通风系统设计、设备选型及安全联锁逻辑提供技术依据。1.2编制依据本计算书依据以下现行国家标准、行业规范及技术资料编制：[1]GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》；[2]GB51377—2019《锂离子电池工厂设计标准》；[3]GB50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》；[4]GB/T36276—2023《电力储能用锂离子电池》；[5]GB51048—2014《电化学储能电站设计规范》；[6]DB63/T2286—2024《电化学储能电站消防设施要求》；1.3计算范围本计算范围覆盖储能电池预制舱内部空间，包括电池模组区、高压配电区及控制区。计算工况分为两类：（1）正常运行通风工况——排除电池正常散热及微量气体析出；（2）事故通风工况——单簇电池热失控触发后，舱内可燃气体扩散稀释至安全浓度所需的通风量计算。本计算不涵盖舱外气体扩散对周边环境的影响分析。2工程概况2.1储能预制舱基本参数本工程采用户外式锂离子电池储能预制舱，舱体为金属保温结构，外形尺寸及内部空间参数见表2.1。表2.1储能预制舱几何参数表序号参数名称数值1舱体外形尺寸（长×宽×高）6058mm×2243mm×2576mm2舱内净空尺寸（长×宽×高）5858mm×2043mm×2376mm3舱内计算体积V28.45m³4舱体结构形式金属保温预制舱5舱门数量及尺寸2樘，单扇1200mm×2100mm6通风口位置下部进风、上部排风（对角布置）7通风形式机械排风+自然进风2.2电池系统参数舱内布置磷酸铁锂（LFP）锂离子电池系统，电池模组及簇配置参数见表2.2。表2.2电池系统配置参数表序号参数名称数值1电池类型磷酸铁锂（LFP）方形铝壳电芯2单体电芯容量280Ah3单体电芯标称电压3.2V4单体电芯能量0.896kWh5每簇电池串数52并×204串6每簇电池数量10608只7每簇电池总能量9506.9kWh8舱内电池簇数量1簇3热失控气体产生量计算3.1热失控产气机理锂离子电池热失控是指电池内部短路引发链式放热反应，导致电解液分解、正极材料释氧、SEI膜破裂及负极与电解液剧烈反应，最终喷出大量可燃及有毒气体的过程。产气主要来源于电解液（碳酸酯类溶剂）的热分解及负极表面的还原反应。根据国内外实验研究（UL9540A、北京航空航天大学学报等），LFP电池热失控产气主要成分包括H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆等，各组分典型体积分数见表3.1。表3.1热失控产气组分及爆炸极限参数表气体组分典型体积分数（%）爆炸下限LEL（vol%）爆炸上限UEL（vol%）火灾危险性分类H₂（氢气）20～504.075.0甲类CO（一氧化碳）5～1512.574.0乙类CO₂（二氧化碳）10～30——窒息性CH₄（甲烷）2～85.015.0甲类C₂H₄（乙烯）2～82.736.0甲类C₂H₆（乙烷）1～53.012.4甲类其他（电解液蒸气等）余量——甲类3.2单电芯热失控产气量计算根据UL9540A测试方法及LFP电池热失控实验数据，单体电芯热失控产气总量按单位容量产气率估算。取单位容量产气率经验值q₀=0.16mol/Ah（标准状态）。单电芯产气量计算如下：n式中：n₀——单电芯热失控产气物质的量，mol；C_cell——单电芯额定容量，Ah；q₀——单位容量产气率，取0.16mol/Ah。代入数据：n换算为标准状态（0℃，101.325kPa）下的气体体积：V式中：V_m——标准摩尔体积，取22.4L/mol。即单只280AhLFP电芯热失控产气约1.004m³（标态）。3.3单簇电池总产气量估算考虑最不利工况：单簇电池中发生1只电芯热失控，气体瞬间释放并扩散至整个舱室空间。保守起见，取热失控电芯产气全部进入舱内自由空间，不考虑舱壁吸附及管路泄漏损失。单电芯热失控产气体积V₀=1.004m³（标态），折算至舱内常温（25℃）工况：V式中：V_g——25℃工况下热失控产气体积，m³。该值为后续浓度场计算及通风量计算的基础气源数据。4气体扩散浓度场分析4.1扩散模型建立热失控气体释放后，在舱室内通过对流和扩散作用与空气混合。考虑到氢气密度远小于空气（ρ_H₂=0.0899kg/m³，ρ_air=1.185kg/m³），热失控气体整体密度小于舱内空气，存在明显的浮力分层现象——可燃气体优先在舱室上部空间积聚。本计算采用均匀混合模型（Well-MixedModel）作为保守估算，即假设气体瞬时释放后与舱内空气完全混合，计算平均体积浓度。该模型得到的是稀释后的最低浓度，实际局部浓度可能更高，设计时应配合可燃气体探测器布置于舱室顶部。4.2舱内平均浓度计算热失控气体瞬时释放后，舱内可燃气体的平均体积浓度按下式计算：C=式中：C——舱内气体平均体积浓度，%；V_g——热失控产气体积（25℃），m³；V_room——舱内计算体积，取28.45m³。代入数据：C=4.3可燃组分浓度分解与LEL校验按表3.1中各组分典型体积分数的中值分解，计算舱内各可燃组分的浓度，并采用LeChatelier公式校验混合气体爆炸下限。各组分浓度计算结果见表4.1。表4.1热失控后舱内可燃组分浓度计算表组分产气中体积分数（%）舱内浓度（%）LEL（vol%）占LEL比例（%）H₂35.01.3484.033.7CO10.00.38512.53.1CH₄5.00.1935.03.9C₂H₄5.00.1932.77.1C₂H₆3.00.1163.03.9采用LeChatelier混合气体爆炸下限公式：1式中：C_i——第i种可燃组分在混合气体中的体积百分数；LEL_i——第i种可燃组分的爆炸下限，vol%。代入数据计算混合气体LEL：1=8.75+0.8+1.0+1.852+1.0=13.402LEL即热失控混合气体的爆炸下限约为7.46vol%。热失控瞬间舱内气体平均浓度3.85%，已达到混合气体LEL的51.6%，远超GB50058规定的25%LEL报警阈值，存在爆炸风险。若考虑顶部局部浓度富集效应，顶部区域浓度可能达到平均值的1.5～2.0倍，即顶部局部浓度可达5.8%～7.7%，已接近或达到爆炸下限，必须立即启动事故通风系统进行稀释。5通风换气次数计算5.1正常运行通风换气次数正常运行工况下，通风系统主要用于排除电池散热及微量气体析出。依据GB50019—2015第6.4.3条及DB63/T2286—2024第5.4.3条，储能电池预制舱正常通风换气次数不应小于6次/h。正常通风量按下式计算：Q代入数据：Q式中：Q_n——正常通风量，m³/h；n_n——正常换气次数，取6次/h；V_room——舱内计算体积，m³。5.2事故通风换气次数确定事故工况下，依据GB50019—2015第6.4.3条，事故通风换气次数不应小于12次/h。考虑电池热失控气体的高危险性及顶部富集效应，本计算按最不利原则，要求事故通风后舱内可燃气体浓度降至25%LEL以下。采用连续稀释通风模型，舱内浓度随时间衰减方程为：C(t)=式中：C(t)——t时刻舱内气体浓度，%；C₀——初始浓度，取3.85%；n——事故换气次数，次/h；V——舱室体积，m³；t——通风时间，h。要求通风15分钟（0.25h）内舱内浓度降至25%LEL（即7.46%×25%=1.865%）以下。代入目标条件反算所需换气次数：Cexp(-n×0.25/28.45n=上述理论计算所需换气次数高达82.6次/h，远超规范规定的12次/h下限。考虑到工程实际中：（1）热失控气体并非全部瞬时释放，而是在数分钟内逐步喷出；（2）通风系统与可燃气体探测器联动，在浓度达到25%LEL时即启动事故通风；（3）气体主要在顶部积聚，顶部排风可高效排出。综合上述因素及GB50019的强制性规定，本工程事故通风换气次数取12次/h作为设计下限，同时在顶部设置高速排风阀以增强局部排气能力。5.3事故通风量计算按12次/h事故换气次数计算事故通风量：Q式中：Q_a——事故通风量，m³/h；n_a——事故换气次数，取12次/h。考虑1.1的安全系数及管路漏风损失，设计设备风量取：Q5.4通风设备选型参数汇总表5.1通风系统设计参数汇总表序号参数项目设计值1正常通风换气次数6次/h2正常通风量Q_n170.7m³/h3事故通风换气次数12次/h（规范下限）4事故通风量Q_a341.4m³/h5设计设备风量（含1.1安全系数）≥376m³/h6通风设备形式防爆型轴流风机，ExdⅡBT46安全核验6.1可燃气体浓度安全核验事故通风启动后，舱内可燃气体浓度随时间变化计算见表6.1。以12次/h换气次数为基础，计算通风不同时间后的舱内浓度及占LEL百分比。表6.1事故通风下舱内浓度衰减计算表通风时间（min）舱内浓度（%）占混合LEL（7.46%）比例（%）是否低于25%LEL0（热失控瞬间）3.8551.6否52.7236.5否101.9325.9否（接近）151.3718.4是200.9713.0是由表6.1可知，在12次/h事故通风条件下，通风约12分钟后舱内浓度降至25%LEL以下，通风15分钟后浓度降至18.4%LEL，满足安全要求。考虑到探测器报警阈值设定为25%LEL，从报警到通风达标的响应时间约为2～3分钟，整体安全响应链条可靠。6.2有毒气体（CO）安全核验热失控产气中CO为主要有毒组分。依据GBZ2.1—2019《工作场所有害因素职业接触限值》，CO的时间加权平均容许浓度（PC-TWA）为20mg/m³，短时间接触容许浓度（PC-STEL）为30mg/m³。热失控瞬间舱内CO浓度为0.385%（体积分数），换算为质量浓度：ρ该浓度远超PC-STEL（30mg/m³），但储能舱为无人值守场所，正常运行时无人员进入。事故通风15分钟后，CO浓度降至约157mg/m³，仍高于职业接触限值，因此进入舱室前必须佩戴正压式呼吸器，且需持续通风至CO浓度降至30mg/m³以下方可进入。按12次/h通风，CO降至30mg/m³所需时间约为：t=6.3通风系统联动逻辑核验通风系统应与可燃气体探测报警系统实现联动，联动逻辑如下：（1）可燃气体浓度达到25%LEL时，预警报警，正常通风系统自动切换至高速运行；（2）可燃气体浓度达到50%LEL时，事故报警，启动事故通风风机，同时切断电池簇高压回路；（3）事故通风持续运行不少于30分钟，且可燃气体浓度连续10分钟低于10%LEL后，方可自动复位；（4）事故通风风机应采用防爆型电机，防护等级不低于IP55，防爆等级不低于ExdⅡBT4；（5）通风系统应具备手动/自动切换功能，手动操作按钮设置于舱外安全区域。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总本计算书主要计算结果汇总见表7.1。表7.1主要计算结果汇总表序号计算项目计算结果1单电芯热失控产气量（25℃）1.096m³2热失控后舱内平均浓度3.85vol%3混合气体爆炸下限LEL_mix7.46vol%4热失控瞬间占LEL比例51.6%5正常通风换气次数6次/h6事故通风换气次数12次/h7事故通风量（设计值）≥376m³/h7.2结果分析（1）热失控气体瞬时释放后，舱内平均浓度可达3.85vol%，占混合气体LEL的51.6%，远超25%LEL报警阈值，若不及时通风稀释，存在燃爆风险。（2）按规范规定的12次/h事故通风换气次数，约12分钟可将舱内浓度稀释至25%LEL以下，15分钟后降至18.4%LEL，满足安全要求。（3）氢气为热失控产气中最危险组分，其LEL仅4%，且密度小、扩散速度快，易在舱室顶部积聚。可燃气体探测器应优先布置于舱室顶部距顶板0.5m范围内。（4）CO有毒气体浓度在热失控瞬间极高，虽储能舱为无人值守场所，但运维人员进入前必须确认通风达标并佩戴防护装备。7.3工程指导意义本计算结果对工程设计具有以下指导意义：（1）通风设备选型：事故通风风机风量应不小于376m³/h，且采用防爆型设备，安装位置应靠近舱室顶部以高效排出富集的可燃气体；（2）探测器布置：可燃气体探测器应至少设置2个监测点，分别布置于舱顶和电池模组区，报警阈值分级设定（25%LEL预警、50%LEL事故报警）；（3）安全联锁：事故通风系统应与电池管理系统（BMS）、可燃气体探测器、消防系统联动，实现报警—通风—断电—消防的自动化安全响应链条；（4）运维要求：事故通风触发后，持续通风时间不少于30分钟，人员进入前必须检测气体浓度并佩戴正压式空气呼吸器；（5）