《实验室建设》National Renewable Energy Laboratory 国家可再生能源实验室

国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory简称“NREL”),位于美国科罗拉多州,是美国可再生能源和能源效率的研究和开发的主要实验室。实验室科研人员的核心目标就是加速科技创新研究来创造可靠、可替代的能源方案。策略的核心是实验室的研发能力,从理解可再生资源到这些资源转化为可再生的电力和燃料,最终实现新能源电力和燃料用于家庭、商业建筑和车辆。

因此,实验室对找到新能源方法来推动家庭、商业和汽车的发展作出杰出的贡献。这是美国唯一一所专门致力于可再生能源基础研究的国家实验室。该实验室目前有员工约1500人,另有800名访问研究人员、实习生或合同工。据悉,该实验室每年研究资金约3.5亿美元。

blob.png

今天的智能手机是一个复杂的电源设备,使用一个约1,400mAh容量的小型锂离子电池为包括触摸屏显示器、中央处理单元、天线、扬声器和麦克风等各种电子系统供电。所有组件,包括用于构建它的材料,都经过优化,可以尽可能高效地执行,以延长电池寿命。

越来越多的智能手机所体现出来的电力系统整合的重要性,正越来越多地被证明。混合动力汽车和屋顶太阳能阵列说明了消费级电力系统集成,大型太阳能和风力发电机组的安装提供了一个未来的工业规模的电力系统。对高性能、高功率电气系统的需求提高了制造商的能力,推动了研究工作。

在美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)工作的研究人员几十年来一直在开发电力系统,他们认识到了这种表现良好的电力系统的重要性,并开始实施一项名为“能源系统集成”的举措,以改善开发过程。

他们意识到,解决方案必须是一个全面的方法,可以在受控环境下成功测试、建模和开发电力系统。只有在严谨的科学环境下,科学家才能正确地开发解决方案; 为此,NREL建立了能源系统集成设施(ESIF),该设施首次能够大规模地开发和测试完整的低压和中压电力系统,并高效的运行。正如NREL在其所有工作方面的高效率目标一样,建造团队开发了一个工作场所,其能耗比全国平均办公楼消耗的能源少74% ,提供高海拔实验室空间,广泛的户外测试区域,不断的为实现这一目标而努力,最终荣获了2014 年度《研发杂志》实验室。

blob.png

国家可再生能源实验室(NREL)建筑规划

blob.png

blob.png

blob.png

进入实验室空旷的场地,首先映入眼帘的便是在阳光下熠熠生辉的太阳能板、停车场、行政大楼和实验楼的屋顶全都安装了太阳能板。在项目建设整个过程中,建筑师和工程师与NREL官员和研究人员一起工作,了解该设施需要什么。事实上,建筑设计机构进行了一个广泛的调查过程,确定了该设施将进行哪些类型的研究。

1、可持续发展战略以严格的低能耗为目标

ESIF办公楼已达到每平方英尺23.0 kBTU的能源消耗率(EUI),比全国平均水平高出74%。数据中心的电力使用效率(PUE)为1.04; 全国平均数据中心PUE介于1.5和2.0之间。

采用了一系列先进的技术和最佳实践来平衡建筑物的能源和性能目标:

可操作的窗户使整个建筑物自然冷却和通风

由太阳能供电的风扇辅助控制办公室环境

垂直和水平的外部遮阳设备,能控制进入建筑物的日光并减少太阳能热量的获得

大面积散热天窗与15英尺长的天窗相结合,使日光深入办公室内

每天上午10:00至下午2:00在办公室和实验室建筑物,灯光自然熄灭

来自实验过程和电能被有效管理,收集并转移到其他实验室以供同时使用/再利用

数据中心的产生热量在冬季被重复利用

blob.png

blob.png

除了屋顶的太阳能电池板,该建筑外墙使用最新的保温材料,热量损失极小,窗户采用双层甚至三层玻璃,隔热隔音。部分窗户采用了智能变色玻璃,可任意改变玻璃的透光率来控制室内亮度。

blob.png

NREL能源消耗率模拟图

2、舒适的办公区域

blob.png

blob.png

3、实时仿真的研究和测试环境

实验室区域由14个实验室、高台控制室、室外测试台、超绿色办公大楼和高性能计算数据中心组成,致力于将新兴的太阳能、氢气、生物燃料和风能技术提供给主流市场。实验室的核心是研究配电总线(REDB),这是美国第一个集成的兆瓦级半实物仿真系统。REDB允许研究人员和制造商在全功率和实际负载水平上进行实时仿真的集成测试,并在上市之前评估组件和系统性能。

blob.png

blob.png

国家实验室已经研发成功了用氢气作为动力的汽车,只需在氢气加气站充个3-5分钟,车子就可以飞驰三百、五百英里。

一个千万亿次的高性能计算数据和可视化中心扩展了ESIF的研究能力,能够对材料特性,工艺和完全集成的系统进行大规模建模和仿真。可视化中心提供了在三维空间中,身临其境的虚拟环境中体验这些复杂系统模拟的能力,能以1:1的比例模拟现实场景,从而让研究人员直观地进行分析,降低研究成本。

blob.png

blob.png

研究人员向记者展示了两个例子,一个是模拟风力涡轮机形成的风洞,戴上3D眼镜后甚至可走进风洞内部,了解风洞对其他风力涡轮机的影响;另一个是模拟汽车内部的冷暖空气流动情况,有助于研究对车内局部如司机位置单独进行加热,从而提高汽车能效。

该项目获得美国建筑师协会(AIA)杰出建筑奖,国际室内设计协会(IIDA)可持续发展奖,2014年度实验室,2014年美国最佳实验室,创造的能源“整体一体化”设计方法获得了美国绿色建筑委员会LEED的白金级奖章。

本文的部分图片文字来源于网络,版权归原作者或者来源机构所有。