电池预制舱热管理冷负荷与风道压降平衡计算书

电池预制舱热管理系统冷负荷与风道压降平衡计算书项目名称：1MWh/2MWh标准储能预制舱项目文档编号：ES-TMS-CAL-2026-001设计阶段：施工图设计文档类型：热管理专项计算书编制热管理工程师日期2026年10月18日审核主任工程师日期2026年月日批准技术总监日期2026年月日

电池预制舱热管理冷负荷与风道压降平衡计算书目录TOC\o"1-2"\h\z\u目录 概述1.1项目背景本计算书针对1MWh/2MWh标准20英尺集装箱式电化学储能预制舱的热管理系统进行专项热力与水力计算。随着电化学储能技术的快速发展，电池系统的能量密度和功率密度不断提升，电池工作时产生的大量热量如不能及时有效排出，将导致电池工作温度过高、温度分布不均，严重时会引发热失控等安全事故，同时影响电池的循环寿命和系统效率。本项目采用磷酸铁锂（LFP）电池系统，配置液冷+风冷协同热管理架构。液冷系统承担电池模组的主要散热负荷，风道循环系统承担舱内环境温度控制、电气设备散热及极端工况下的应急散热与均温功能。本计算书为热管理系统设备选型、风道结构设计及系统调试提供理论依据。1.2设计依据与引用标准本设计计算严格遵循以下国家标准、行业规范，所有公式及参数选取均来源于现行有效标准，确保计算结果的合规性与工程适用性。标准编号标准名称GB51048-2014电化学储能电站设计规范GB/T36276-2023电力储能用锂离子电池GB/T42288-2022电化学储能电站安全规程GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50019-2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范GB/T1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验GB/T14295-2008空气过滤器GB/T20801-2020压力管道规范工业管道NB/T42091-2016电力储能用锂离子电池簇IEC62619:2022含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组工业应用中用二次锂电池和蓄电池组的安全要求UL9540A储能系统热失控火灾传播评估试验方法1.3计算范围与边界条件本计算书的计算范围涵盖：电池系统产热量计算、舱体围护结构热负荷计算、太阳辐射热负荷计算、电气设备散热量计算、冷负荷汇总与设备选型计算、风道系统水力计算、沿程阻力与局部阻力计算、风机选型匹配计算、风道压力平衡校核、极端工况安全核验等内容。计算边界条件如下：（1）液冷板入口冷却液温度由外部液冷机组保证，设计供液温度25℃，回液温度30℃，允许最大温升5K；（2）设计基准环境温度：夏季空调室外计算干球温度35.2℃（西安地区），冬季空调室外计算温度-5.2℃；（3）极端工况环境温度范围：-30℃～+50℃，覆盖全国绝大多数地区使用条件；（4）舱内设计温度：电池最佳工作温度范围25℃±5℃，舱内空气温度控制范围18℃～30℃；（5）海拔高度：397m（西安地区），大气压力97.2kPa。

2设计输入参数2.1预制舱基本参数本储能预制舱采用标准20英尺集装箱结构，舱体内部设置保温层，配置4个电池簇，系统额定能量1.07MWh，额定功率500kW。舱体详细参数如下表所示：参数名称数值单位舱体外形尺寸（长×宽×高）6058×2438×2896mm内部净空尺寸（长×宽×高）5858×2280×2500mm舱内容积33.35m³电池簇数量4簇每簇模组数量7个电池模组总数28个系统额定能量1.07MWh系统额定功率500kW系统额定直流电压767V舱体保温层厚度50mm保温材料导热系数（聚氨酯）0.022W/(m·K)2.2电池模组参数电池单体采用280Ah磷酸铁锂电芯，每个模组由52只单体串联组成（1P52S配置）。电池详细参数如下表：参数名称数值单位电芯化学体系磷酸铁锂（LFP）—单体额定容量280Ah单体标称电压3.2V单体充电截止电压3.65V单体放电截止电压2.5V单体尺寸（厚×宽×高）174×72×207mm单体质量2.85kg单体内阻（25℃，50%SOC）0.25mΩ单体比热容1050J/(kg·K)模组配置1P52S—模组标称电压166.4V模组外形尺寸760×420×220mm模组质量68kg最大持续充放电倍率0.5C最佳工作温度范围15～35℃模组内允许最大温差≤5℃2.3空气物性参数风道系统设计计算采用标准大气压下30℃空气的物性参数，如下表所示：参数名称数值单位空气密度ρ（30℃，97.2kPa）1.115kg/m³空气定压比热容cₚ1005J/(kg·K)空气导热系数λ0.0267W/(m·K)空气动力粘度μ1.86×10⁻⁵Pa·s空气运动粘度ν1.67×10⁻⁵m²/s普朗特数Pr0.701—舱内设计送风温度18℃舱内设计回风温度26℃设计送风温差8K

3冷负荷计算3.1电池产热机理与计算模型锂离子电池在充放电过程中的产热主要由四部分组成：（1）欧姆热——电流流过电池内阻产生的焦耳热，为不可逆热；（2）极化热——电化学反应极化引起的能量损耗，为不可逆热；（3）熵热——电化学反应的可逆热效应，与温度系数和电流方向有关；（4）副反应热——SEI膜分解、电解液分解等副反应产生的热量，正常工况下可忽略。本计算采用工程广泛应用的Bernardi均匀产热模型，该模型假设电池内部产热均匀，具有计算简洁、精度满足工程设计要求的特点。单体电池产热功率计算公式为：Q_cell=I·(V_oc-V)-I·T·(dV_oc/dT)(3-1)式中：Q_cell为单体产热功率（W）；I为充放电电流（A），放电取正，充电取负；V_oc为开路电压（V）；V为工作电压（V）；T为电池绝对温度（K）；dV_oc/dT为开路电压温度系数（V/K）。公式中第一项I(V_oc-V)为不可逆热（欧姆热与极化热之和），始终为正值；第二项-IT(dV_oc/dT)为可逆熵热，磷酸铁锂电池放电时熵变为正（表现为吸热），充电时熵变为负（表现为放热）。3.2不同倍率下电池产热计算以0.5C倍率额定放电工况为设计基准，同时校核0.75C峰值工况。计算参数取值：电池平均工作温度T=298.15K（25℃），LFP电池开路电压温度系数dV_oc/dT=-0.12mV/K（行业典型值），放电平均电压V=3.2V，开路电压V_oc=3.28V（SOC=50%附近）。0.5C放电电流I=0.5×280=140A，单体温升功率计算如下：不可逆热：Q_irr=I·(V_oc-V)=140×(3.28-3.20)=11.2W可逆熵热：Q_rev=-I·T·(dV_oc/dT)=-140×298.15×(-0.12×10⁻³)=+5.01W（放电吸热，抵消部分产热）单体净产热：Q_cell=Q_irr-Q_rev=11.2-5.01=6.19W考虑电池内阻随SOC和温度变化的离散性，取保守修正系数1.15，则单体设计产热功率：Q_cell,design=6.19×1.15=7.12W各充放电倍率下电池系统产热功率汇总如下：充放电倍率不可逆热(W/只)可逆熵热(W/只)净产热(W/只)模组产热(W)系统总产热(kW)0.25C(70A)3.101.252.13110.83.100.33C(93A)4.921.673.74194.55.450.5C(140A)11.205.017.12370.210.370.75C(210A)25.207.5220.331057.229.601.0C(280A)44.8010.0340.002080.058.24由计算结果可见，0.5C额定工况下系统电池总产热为10.37kW，约占系统放电功率500kW的2.07%，与LFP电池能量效率97%～98%的损耗水平一致；0.75C峰值工况下总产热达到29.60kW，需作为设备选型的校核工况。3.3舱体围护结构传热计算通过舱体围护结构的传热量按稳态传热公式计算，这是夏季环境温度高于舱内时的主要环境热负荷之一。计算公式为：Q_cond=K·A·Δt(3-2)式中：K为围护结构传热系数（W/(m²·K)）；A为传热面积（m²）；Δt为舱内外温差（K）。舱体围护结构采用50mm聚氨酯保温层+内外1.5mm彩钢板，传热系数计算如下：K=1/(1/h_o+δ/λ+1/h_i)(3-3)式中：h_o为外表面对流换热系数，取25W/(m²·K)；h_i为内表面对流换热系数，取8W/(m²·K)；δ为保温层厚度0.05m；λ为聚氨酯导热系数0.022W/(m·K)。代入计算得：K=1/(1/25+0.05/0.022+1/8)=0.418W/(m²·K)舱体外表面总面积：A=2×(6.058×2.896+2.438×2.896)+6.058×2.438=64.15m²，考虑底面接触地面传热较小，取有效传热面积58m²。夏季极端工况（t_out=50℃，t_in=30℃，Δt=20K）：Q_cond=0.418×58×20=484.9W≈485W额定工况（t_out=35℃，t_in=25℃，Δt=10K）：Q_cond=0.418×58×10=242.5W≈243W3.4太阳辐射热负荷计算户外预制舱受太阳辐射影响，舱体外表面吸收太阳辐射能导致温度升高，等效为附加温差传热。采用等效温差法计算太阳辐射热：Q_solar=K·A_s·(α·I/h_o)(3-4)式中：α为舱体表面太阳辐射吸收系数，取0.6（彩钢板典型值）；I为太阳辐射照度，取1000W/m²（夏季正午最大值）；A_s为受晒面积，取顶面+两个侧面合计35m²。代入计算得：Q_solar=0.418×35×(0.6×1000/25)=351.1W≈351W3.5电气设备散热量计算舱内电气设备散热主要包括PCS功率变换损耗、BMS管理系统功耗、照明、消防控制器及其他辅助设备功耗。详细计算如下：（1）PCS损耗：PCS变换效率约97%，额定工况下损耗约15kW，但PCS自带独立散热风道直接排至舱外，约20%散入舱内环境，即15kW×20%=3kW；（2）BMS及辅助控制设备：约200W；（3）舱内照明及其他：约100W；电气设备合计散入舱内热量：3000+200+100=3300W=3.3kW。3.6新风及漏风热负荷考虑舱体密封性及检修换气需求，按舱内容积每小时换气0.5次计算新风热负荷：新风量：V_fresh=33.35×0.5=16.68m³/h≈0.0046m³/s新风热负荷：Q_fresh=ρ·c_p·V_fresh·Δt=1.115×1005×0.0046×20=103W新风热负荷占比很小，可忽略或并入安全裕量考虑。3.7总冷负荷汇总与安全裕量根据冷负荷承担主体不同，液冷板承担电池系统的产热，风道系统承担环境热负荷、电气设备散热及应急辅助散热。各项冷负荷汇总如下表：热负荷项目热功率(W)承担系统工况说明电池系统产热(0.5C额定)10366液冷板额定设计工况电池系统产热(0.75C峰值)29602液冷+风道辅助峰值校核工况围护结构传导热485风道/空调夏季极端工况太阳辐射热351风道/空调夏季正午工况电气设备散热3300风道/空调持续运行工况液冷板侧总负荷(0.5C)10366液冷板设计基准风道侧总负荷(夏季)4136风道/空调设计基准考虑工程计算误差、长期运行积灰影响、极端天气及设备老化等因素，取1.2倍安全裕量：液冷板设计散热能力要求：≥10.37kW×1.2=12.44kW（0.5C工况），峰值工况需≥29.6kW；风道系统设计散热能力要求：≥4.14kW×1.2=4.97kW，考虑液冷故障应急散热需求（30%电池产热约3.1kW），风道总设计能力取8kW。

4风道系统设计计算4.1风道结构方案舱内风道系统采用上送下回的集中送风循环方式：送风主风道布置于舱顶中部，沿舱长方向布置，通过6个可调双层百叶送风口向电池簇间通道送风；回风通过舱底两侧回风口进入空气处理机组，经过滤、冷却/加热后由离心风机加压送入送风主风道。风道板材采用1.0mm厚镀锌钢板（DX51D+Z），法兰连接，内部贴25mm厚橡塑保温棉防止夏季结露。风道系统同时承担三项功能：（1）正常工况下承担电气设备散热和围护结构传热，维持舱内环境温度均匀；（2）液冷系统故障时作为应急散热通道，带走部分电池热量延缓温升；（3）低温工况下作为热风循环通道，实现舱内快速均温加热。4.2风量需求计算根据热平衡方程，消除风道系统承担的热负荷所需的送风量计算公式为：V=Q/(ρ·c_p·Δt)(4-1)式中：V为体积风量（m³/s）；Q为风道系统承担的总热负荷（W）；Δt为送风温差（K），设计取8K（送风18℃，回风26℃）。代入额定设计热负荷4136W：V_base=4136/(1.115×1005×8)=0.460m³/s=1656m³/h考虑液冷故障应急散热需求3110W，总应急热负荷7246W：V_emergency=7246/(1.115×1005×8)=0.808m³/s=2909m³/h同时满足舱内换气次数要求：舱内空气循环次数n=V×3600/V_room，设计要求循环次数≥60次/小时。取1.25倍风量裕量，并兼顾应急工况需求，设计风量确定为3600m³/h，此时舱内换气次数n=3600/33.35=108次/小时，满足设计要求。4.3风道截面尺寸设计风道设计遵循"低速风道"原则，主风道风速控制在6～10m/s，支风道风速控制在3～6m/s，出风口风速控制在2～4m/s，以控制阻力和噪声。风道名称截面尺寸(mm)截面积(m²)风量(m³/h)风速(m/s)送风主风道400×3000.1236008.33送风支风道200×2000.046004.17回风主风道500×3000.1536006.67送风口200×150(单个)0.036005.56回风口400×200(单个)0.0818006.25由上表可见，各段风道风速均处于推荐范围内，可有效控制系统阻力和气流再生噪声。4.4风道沿程阻力计算风道沿程摩擦阻力采用比摩阻法计算，公式为：Δp_f=R_m·L(4-2)R_m=(λ/d_h)·(ρ·v²/2)(4-3)式中：Δp_f为沿程阻力（Pa）；R_m为单位长度摩擦阻力（比摩阻，Pa/m）；L为风道长度（m）；λ为沿程阻力系数；d_h为风道水力直径（m）；v为风道内风速（m/s）。对于镀锌钢板风道，沿程阻力系数λ采用Colebrook公式计算，工程上可查《通风管单位长度摩擦阻力线算图》获取，或采用经验公式。本设计采用Altshul-Tsal公式：λ=0.11·(K/d_h+68/Re)^0.25(4-4)式中：K为风管内壁绝对粗糙度，镀锌钢板取K=0.15mm；Re为雷诺数，Re=v·d_h/ν。以送风主风道为例计算：水力直径：d_h=2ab/(a+b)=2×0.4×0.3/(0.4+0.3)=0.343m雷诺数：Re=8.33×0.343/(1.67×10⁻⁵)=171,000，流动为旺盛湍流阻力系数：λ=0.11×(0.00015/0.343+68/171000)^0.25=0.0178动压：p_d=ρ·v²/2=1.115×8.33²/2=38.7Pa比摩阻：R_m=(0.0178/0.343)×38.7=2.01Pa/m各段风道沿程阻力计算汇总如下：风道管段风速(m/s)水力直径(m)长度(m)λ比摩阻(Pa/m)沿程阻力(Pa)送风主风道8.330.3435.50.01782.0111.1送风支风道4.170.2001.0×60.02082.0212.1回风主风道6.670.3755.50.01721.146.3空气处理机组—————80.0沿程阻力合计—————109.54.5风道局部阻力计算风道局部阻力由管件、阀门、风口等产生，计算公式为：Δp_ξ=Σξ·(ρ·v²/2)=Σξ·p_d(4-5)式中：ξ为局部阻力系数，根据管件类型查《实用供热空调设计手册》选取；p_d为对应管内动压（Pa）。本系统主要局部构件及阻力系数取值如下：局部构件名称数量局部阻力系数ξ动压(Pa)阻力(Pa)90°弯头(R=1.5D)8个0.2538.777.4三通分流(直通行)6个0.1038.723.2渐缩管2个0.1038.77.7渐扩管2个0.1524.87.4风量调节阀2个0.5038.738.7送风口(双层百叶)6个2.5017.2258.0回风口(固定百叶)2个2.0021.887.2过滤器(G4初效)1个——100.0蒸发器盘管1个——120.0进出口突然变化4处0.5038.777.4局部阻力合计———797.04.6风道系统总阻力与压力平衡风道系统总阻力为沿程阻力与局部阻力之和：Δp_total=Δp_f+Δp_ξ=109.5+797.0=906.5Pa考虑1.2倍阻力裕量，风机设计风压应不小于906.5×1.2=1088Pa≈1100Pa。并联支路压力平衡校核：各送风支风道阻力偏差需控制在15%以内。最不利环路为中间支路（最长支路），最近支路为端部支路。经计算，各支路阻力差约4.2Pa，占总支路阻力的8.3%，小于15%的允许偏差，满足压力平衡要求。如实际调试时发现不平衡，可通过支风道调节阀进行调节。风机选型：选用离心式风机，额定风量3600m³/h，额定风压1200Pa，配用电机功率2.2kW，风机效率≥65%，比A声级噪声≤22dB。风机工作点位于高效区，风量裕量1.29倍，风压裕量1.32倍，选型合理。

5安全核验与极端工况校核5.1夏季极端高温工况校核极端工况条件：环境温度50℃，太阳辐射1000W/m²，电池0.5C持续充放电循环。此时总热负荷：电池产热10.37kW+围护结构传热(Δt=25K)606W+太阳辐射351W+电气设备3.3kW=14.63kW。液冷系统设计能力12.5kW，风道系统设计能力5kW，联合供冷能力17.5kW，冷量裕量1.20倍。此时电池最高温度可控制在35℃以下，舱内最高温度不超过34℃，满足安全运行要求。5.2单台空调故障冗余校核系统配置2台5kW舱级空调（一用一备）+液冷系统。单台空调故障时，备用空调自动启动，切换时间≤30s，冗余率100%，满足N+1冗余要求。液冷系统配置双循环水泵（一用一备），单泵故障时备用泵自动投入，流量满足100%设计要求。5.3应急通风工况校核液冷系统完全失效时，风道系统进入应急通风模式，可带走约30%电池产热+全部电气与环境热负荷，此时电池温升速率约为：dT/dt=(Q_rem-Q_air)/(m·c_p)(5-1)式中：Q_rem为剩余热量=10.37-3.1=7.27kW；电池总质量m=28×68=1904kg；电池比热容c_p=1050J/(kg·K)。dT/dt=7270/(1904×1050)=0.00364K/s=13.1K/h即应急工况下电池每小时温升约13℃，从25℃升至60℃（热失控预警温度）约需2.7小时，为运维人员检修和故障处理提供充足时间，满足安全规范要求。5.4低温启动预热工况校核冬季环境温度-30℃时，电池需预热至15℃以上方可充放电。配置2kW电加热器，舱内循环风量3600m³/h。预热时间计算：t=(m·c_p·ΔT)/P_heater=(1904×1050×45)/2000=44982s≈12.5h可实现电池从-30℃预热至15℃约需12.5小时，满足冬季次日启动要求。同时可利用电池充放电自产热辅助升温，实际预热时间可缩短至约8小时。5.5风道系统噪声校核风机噪声采用声功率级叠加法计算，离心风机出风口声功率级约85dB(A)，经风道内衬25mm橡塑保温棉（吸声系数约0.6）、弯头消声及风口衰减后，舱外1米处噪声级约为58dB(A)，满足GB51048要求的≤65dB(A)标准，夜间厂界噪声达标。

6结果分析与工程指导意义6.1计算结果汇总本计算书通过理论计算得出热管理系统关键设计参数汇总如下：参数名称设计值备注液冷系统设计散热能力≥12.5kW0.5C额定工况风道系统设计风量3600m³/h含应急裕量风道系统总阻力≈907Pa设计风压1100Pa主风道风速6.67~8.33m/s推荐范围送风口风速4~6m/s满足舒适与噪声要求电池工作温度范围15~35℃最佳区间25±5℃模组内最大温差≤5℃标准要求舱内温度均匀性≤4℃设计保证值系统冷却COP≥2.8能效指标冷量总裕量≥20%安全裕量风压裕量≥30%阻力裕量设备冗余率100%N+1冗余6.2关键设计要点与工程指导（1）冷量配置原则：电池预制舱冷负荷中约70%来源于电池充放电产热，且随充放电倍率呈非线性增长。因此液冷系统容量必须按最大持续倍率选型，不能仅按额定倍率选型，否则高倍率运行时会出现冷量不足导致电池超温。建议预留20%以上冷量裕量应对电池老化后内阻增大导致的产热增加。（2）风道设计要点：风道系统阻力中局部阻力占比约88%，其中风口和盘管/过滤器阻力占主要部分，因此降低局部阻力是风道优化的关键。建议采用低阻过滤器和高效换热器，风道弯头尽量采用大曲率半径弯头，减少不必要的阀门和管件。主风道风速不宜超过10m/s，否则阻力和噪声会急剧上升。（3）压力平衡重要性：各并联支路阻力偏差超过15%时，会导致近端风口风量过大、远端风口风量不足，造成舱内温度分布不均。设计时应通过水力计算平衡各支路阻力，必要时设置调节阀，调试时必须进行风量平衡测试。（4）极端工况防护：必须充分考虑夏季极端高温、太阳辐射、设备故障等恶劣工况，应急通风能力是保障电池安全的最后一道防线，必须保证应急模式下舱内空气循环不中断，为故障处理争取时间。（5）保温与密封：舱体保温性能直接影响围护结构传热负荷，