Hervorragende Designbedingungen im Batterieforschungslabor der University of Michigan

Herausforderungen bei der Laborgestaltung

Die Entwicklung des 700 Quadratmeter großen Labors stellte mehrere einzigartige Herausforderungen dar. Zum einen erforderte das Projekt den Umbau eines bestehenden Raums im zweiten Stock eines dreistöckigen Gebäudes in einen Trockenraum. "Das Gebäude fungiert als Mehrzweck-Forschungs- und Studieneinrichtung, und das Labor sollte in einem Raum installiert werden, der für Arbeitsbereiche genutzt wird", sagte David Parkman, leitender Projektingenieur bei SCS. "Die Installation dieses Labors bedeutete, den Bereich vollständig von den umliegenden angrenzenden Räumen und dem Flur zu isolieren." Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass sich die mechanische Ausrüstung auf dem Dach befinden und mit dem zweiten Obergeschoss des Gebäudes verbunden sein musste, ohne die Bewohner des dritten Obergeschosses zu stören.

Strenge Anforderungen an das Labordesign

Die Ausrüstung musste außerdem so spezifiziert werden, dass sie auf den verfügbaren Dachraum passt und so konzipiert sein, dass sie mit minimaler Geräusch- und visueller Beeinträchtigung arbeitet. Das Labordesign dauerte mehr als ein Jahr, mit mehreren Meetings zur Überprüfung der Designkonzepte und Details zum Installationszeitplan sowie der Koordination mit einem lokalen Auftragnehmer zur Organisation des Dachraums und dem Einsatz eines Industkranse zum Heben der mechanischen Ausrüstung an ihren Platz. Basierend auf der Größe und Aktivität im Raum wurden die Designbedingungen auf 70°F und ≤ -40°C Taupunkt bzw. ≤ 0,5 % relative Luftfeuchtigkeit festgelegt. Die Einhaltung dieser Bedingungen war essenziell, da hochenergetische Lithium-Ionen-Batterien in Umgebungen mit weniger als einem Prozent relativer Luftfeuchtigkeit hergestellt werden müssen, um die Hydrolyse des Elektrolytsalzes zu verhindern. Das Laborpersonal wünschte sich außerdem Fenster im Trockenraum für natürliches Licht. Aufgrund der Trennung der mechanischen Ausrüstung auf dem Dach und des Trockenraums zwei Ebenen darunter müssen die Zuluftbedingungen des Entfeuchtungssystems aufrechterhalten werden, um die zum Steuern des Raums bei 70°F, ≤ -40°C Taupunkt oder ≤ 0,5 % relativer Luftfeuchtigkeit erforderliche Trocknungskapazität bereitzustellen. „Wir mussten die Anforderungen des Labors erfüllen, aber auch andere Bereiche zwischen dem Standort der mechanischen Ausrüstung und dem Trockenraum umgehen“, sagte Parkman. „Daher mussten die Zuluftkanäle ebenso dampfdicht sein wie die Rückluftkanäle. „Wir müssen ein Labor, das von Räumen umgeben ist, die bei 75°F mit 60 % relativer Luftfeuchtigkeit gehalten werden, auf eine relative Luftfeuchtigkeit von einem halben Prozent halten“, fügte Parkman hinzu. „Dieser Unterschied macht die Integrität dieses Trockenraums kritisch, und wir mussten sicherstellen, dass jede Naht präzise abgedichtet ist.“ SCS stellt sicher, dass alle Projektelemente ausgeführt werden In anderen funktionalen Bereichen des Gebäudes waren mehrere kleine Zugangsklappen im Trockenraum erforderlich, um die zugehörigen Versorgungseinrichtungen dieser Räume und anderer Labore einstellen zu können. Diese mussten ebenso wie die Raumhülle mit Dichtungen versehen werden, um die Bedingungen aufrechtzuerhalten. „Da dieser Raum ursprünglich nicht als Trockenraum, geschweige denn als Labor vorgesehen war, waren mehrere Paneele im Raum notwendig, um Zugang zu Regelventilen und Abschalt-Schaltern für Gebäudedienste zu ermöglichen, die in das Design integriert werden mussten“, sagte Less. SCS nutzte seine umfangreiche Erfahrung, um qualitativ hochwertige isolierte Paneele einzubauen und alle Verbindungen abzudichten, um eine dampfdichte Umschließung zu gewährleisten. Alle Durchführungen für Sprinkler, elektrische Stromversorgung und Druckluft wurden mit derselben Qualitätskontrolle wie der Raum abgedichtet. Laborpersonal kann den Trockenraum durch einen Luftschleusen-Eingang betreten und verlassen, um das Eindringen von Feuchtigkeit von außen zu verhindern. Mit ordnungsgemäßer Abdichtung benötigt der Trockenraum nur 200 CFM Überdruck, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu vermeiden, das die Bedingungen im Inneren beeinflussen könnte. Um dieses Kontrollniveau zu erreichen, war eine große Menge mechanischer Ausrüstung erforderlich, einschließlich eines fortschrittlichen Entfeuchtungssystems, die alle strategisch auf dem Dach des Gebäudes platziert wurden. Munters Entfeuchtungssystem liefert Die Designkriterien und die erwartete Aktivität innerhalb eines Trockenraums bestimmen die Leistungsanforderungen an die Ausrüstung. Für das Battery Lab der University of Michigan mussten die Zulufttemperatur und Feuchtigkeit niedriger als der Design-Sollwert sein, um die internen fühlbaren und latenten Lasten aus der Anzahl der Personen im Raum, der Abluft von Arbeitsplätzen und der Wärmebelastung durch Menschen, Verarbeitungsgeräte und Beleuchtung aufzunehmen. „Das Munters Green PowerPurge Trockenmittel-System wurde als zentrales Bauteil des mechanischen Systems ausgewählt, weil es speziell für die Anforderungen von fortgeschrittenen Batterieherstellern entwickelt wurde, die eine niedrige Taupunktkontrolle benötigen und dabei weniger Energie verbrauchen als andere Systeme“, sagte Jeff Siemasko, Verkaufsleiter von Munters in Nordamerika. „Das hochleistungsfähige Green PowerPurge Trockenmittel-System verbraucht so wenig Energie wie möglich und wurde für die Anwendung mit niedrigem Taupunkt entwickelt, die die Lithium-Ionen-Batterie-Trockenraumindustrie benötigt“, sagte Curtis Musall, Präsident von Innovative Air Systems und OEM-Kundenbetreuer von SCS für Munters. Der Green PowerPurge ist energieeffizient, weil die Einheit als Energiesystem zur Rückgewinnung fungiert, das Abwärme von der heißesten Stelle des Trockenmittelrades sammelt und zur Regeneration nutzt. Dieser Prozess reduziert den Energiebedarf zur Reaktivierung, während er die Austrittstemperatur der Prozessluft senkt und so die Energiekosten für die Nachkühlung der an den Trockenraum gelieferten Luft reduziert. Laborbedingungen übertrafen Erwartungen „Green PowerPurge kann problemlos Taupunkte von -70°F/-56°C Zuluft liefern und dabei zwischen 25 % und 45 % der Kühlkosten des Trockenraums sowie 35 % bis 50 % der Energie für die Reaktivierung des Trockenmittels einsparen“, sagte Musall. Das Munters Entfeuchtungssystem kontrolliert den Taupunkt effektiv und effizient, und die Kühlung der Einheit stellt die erste Stufe der Temperatur- und Feuchtigkeitsentfernung dar, bevor die Endtrocknung über den Luftentfeuchter für die Zuluft zum Trockenraum erfolgt. Laut Less haben die Bedingungen in der Anlage die Erwartungen tatsächlich übertroffen. „Unsere Luftfeuchtigkeit ist normalerweise deutlich niedriger als die Spezifikation“, sagte Less. „Wir können die Bedingungen leicht über eine digitale Anzeige außerhalb des Raums überwachen, die auch an das Überwachungssystem des Universitätsgebäudes angeschlossen ist.“ „Die Unterstützung von Curtis und dem Munters-Team bei der Bestätigung der Designmerkmale und der Leistung war entscheidend für den Projekterfolg“, sagte Parkman. „Munters liefert seit fast 40 Jahren energieeffiziente Entfeuchtungssysteme für diese Anwendung und war unsere Quelle für diese Trockenraum-Designspezifikationen.“ „Die Qualität und Leistung von Munters entsprechen unseren Anforderungen bei der Gestaltung der Anlage zur Kontrolle dieser extremen Bedingungen“, fügte Parkman hinzu. „Wo die Installation eine vollständige Integration erfordert, hat Munters das Entfeuchtungssystem geliefert und Innovative Air Systems hat die benötigte Kälteanlage bereitgestellt, um die Anforderungen des Trockenraums/Entfeuchtungssystems zu erfüllen.“ „Scientific Climate Systems hat mit uns zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass wir genau die Art von Labor erhalten, die wir wollten, und um alle Parameter zu verstehen“, sagte Less. „Gemeinsam haben wir einen fantastischen, erstklassigen Raum für unsere Kunden entwickelt, um Batterien herzustellen.“ Projekt-Kurzinfos Design – 70°Fdb, ≤ -40°C Taupunkt oder ≤ 0,5 % relative Luftfeuchtigkeit Personen – Fünf (5) maximal im Trockenraum Personal Ein-/Ausgang – 5 pro Stunde Abluft – 1000 CFM Paneelumhausung (feuerhemmend) – 4“ Wände und Decke mit Unistrut-Befestigungssystem Personenzugang – Luftschleuse 6’ x 8’ Zugangsklappen – Neun (9) 24” x 24” abgedichtete Klappen zum Zugang zu Gebäudedienstleistungen Notausgang – Feuerschutztür, abgedichtet an die feuerhemmenden Flurwände der Universität Durchführungen und Abdichtung für automatische Feuerlöschsystemköpfe Boden – Dampfsperre versiegelt und ESD-Epoxy-Endbeschichtung Fenster – Acht (8) dreifach verglaste Sichtfenster in Reihe mit den Gebäudefenstern Entfeuchtung – Munters IDS-4500 GPP mit Gasreaktivierung, DX-Kühlspulen, HEPA-Filtration und elektrischem Nachheizen Zusätzliche Merkmale – Beheizte Schnee- und Nebelklappen für den Winter Controller (Munters) – Siemens integriertes Steuerungssystem mit HMI-Anzeige Trockenraum-Controller – nCompass Controller/HMI mit grafischer Anzeige von Raumtemperatur und Taupunkt Raumsensoren – Vaisala DMT 342 Temperatur- und Taupunktsensor Kanäle – Geschweißte Zuluft- und Rückluftkanäle mit 2“ Isolierung vom auf dem Dach montierten Entfeuchtungssystem über das 4. Stockwerk hinunter zum Trockenraum im 2. Stock DX-Kondensatoreinheiten – Eine (1) 25 PS und eine (1) 15 PS