工程实验室设施对于研发创新至关重要,但它们以消耗大量能源而闻名,通常每平方英尺比标准办公楼或教室多4至5倍。 这种强度源于对通风的要求、高设备负荷和严格的安全规程。 随着能源成本的上升和全球气候需要的不断增长,减少这些环境中的能源消耗不仅仅是一个业务问题;这是一个战略优先事项,可节省大量费用、减少环境影响、提高机构声誉。 该条概述了一个全面、可操作的框架,以优化工程实验室的能源使用,同时维护甚至改善实验室内部工作的质量和安全。

了解工程实验室的能源使用

精确地分析能源消耗模式是任何削减战略的基石。 在大多数工程实验室中,由于废气、热和有毒物质所需的高空气变化率,高活性气体控制系统约占能源总使用量的50%至60%。 剩余的消耗量分布在专门设备(如炉、CNC机器、压缩机、电子显微镜)、照明和插头负荷中。光是Fume罩就能够消耗相当于每年典型的家用能源,因为其耗尽的空气条件,这些主要汇能使设施管理人员能够瞄准能够产生最大影响的干预。 全面的能源审计——往往利用次级计量和自动化数据——对于查明效率低下、参照类似设施衡量业绩和建立跟踪改进的基线来说是必不可少的。

除了简单的计量,了解实验室设计、使用模式和运行时间表之间的相互作用至关重要。 许多实验室即使在无人使用时也保持连续运行,设备经常在备用模式中运行,从而吸引闲置的动力。 通过将能量流动分为可控制的类别 — — 通风、流程负荷、照明和辅助系统 — — 工程人员可以优先进行提升和行为改变,从而产生即时回报。

减少能源消费战略

优化照明系统

照明虽然在实验室能量使用中通常占一小部分(10-15%),但能节省较少的水果。从荧光或白炽装置升级到高效LED来源,可以减少50%至75%的照明能耗。LED灯也产生较少的热量,这可以减轻冷却系统的负担,这是空调实验室的协同效益。除了光源本身之外,先进的控制能扩大节省。占用传感器自动变暗或关闭储存室、走廊和工作站等无人占用区的照明。日光采集系统根据自然光的可用性调整人工照明水平,确保连续照明,同时尽量减少浪费。 美国能源部就LED改造和照明控制提供了广泛的指导,包括机构实验室设施的案例研究。此外,任务照明——如果工人使用局部、可调整的固定装置进行详细工作,就可以补充较低的环境水平,进一步减少总体需求。

升级HVAC和通风系统

鉴于HVAC在实验室能源方面占主导地位,加热、冷却和通风方面的改进产生最高回报,一种已证明的办法就是采用可变空气量系统,以取代恒定的装置。VAV系统根据实时需求调节空气供应,例如,在烟雾罩关闭或空间没有占用时减少空气流量——刮扇能源和空调费用。热回收轮或乙烯轮从废气中捕获能量,并将其转移到进气新鲜空气中,预热或冷却,而不发生交叉污染。低流量烟罩在不危及安全的情况下降低所需的排气率,直接削减必须更换的空调空气量。国际可持续实验室研究所为实验室的高性能HVAC提供设计准则和资源。此外,在不占用时重新设置温度定点,不违反湿度或安全阈值,使低能使用低。低流量烟罩可确保保层的保养,如清洁、冷冻器和更换。

实施智能设备管理

专门的实验室设备 — — 从烤箱和自动柜到高性能计算集群 — — 消耗了大量的电能,即使闲置。系统设备管理方法可以减少浪费而不妨碍研究。首先,采购 ENERGY STAR[ 认证的或对冰箱、冷藏器和计算机等普通电器的其他效率评级模型。第二,实行严格的“下调”政策:使用后关闭仪器,并在可能的情况下使用可编程定时器或智能电条来切断备用电。第三,通过在停机时(当公用事业可能提供较低费率时)安排高耗能过程来巩固工作量。 对于超低温冷器,将定点从80°C提高到70°C(如果样本完整性允许的话)可以将能源使用率降低20%至30%。 各研究组共享设备还可以最大限度地提高利用率,并尽可能减少单位的抽取电量。 最后,实施一个色码标签系统,提醒工作人员注意每个设备节能做法。

加强建构信封和隔热

建筑封套在实验室改造中往往被忽视,但在热效率方面起着至关重要的作用。 改善墙壁、屋顶和地板的绝热性能可以减少加热和冷却负荷,而空气封装则可以防止不受控制的渗透。高性能的玻璃-双层或三层玻璃窗,低射涂层,限制了夏季的太阳热增量和冬季的热损耗。战略窗口遮蔽或电色玻璃可以进一步控制太阳负荷。在新的建筑或重大翻新中,设计一个密封良好的、隔热的建筑封套可以将HVAC能量使用量削减15%至25%。这些措施还能够提高占用舒适度,从而间接提高生产力。

利用可再生能源和现场发电

减少消耗只是战斗的一半;现场产生清洁能源可以抵消实验室剩余的碳足迹。由于面板成本下降和税收优惠措施的提供,屋顶或地面太阳能光伏电池阵列越来越可行。 对于热水需求高的实验室,太阳能热收集器可以预热器用于洗涤和加工需求。 在一些地区,使用天然气同时生产电力和热量的热能和电能或热能的热能联合发电系统,可以实现总的效率超过80%,高于单独的电网供应和锅炉系统。 虽然前期投资可能相当大,但长期能源成本节约和温室气体减排往往产生有吸引力的回报期,特别是在与可再生能源证书或电力购买协议搭配时。

其他最佳做法

  • 进行定期能源审计: 每一至三年安排全面审计,以查明新的机会,核实已安装措施的绩效,并随着技术和占用情况的发展调整战略.
  • 教育并吸引实验室的用户: 通过强制培训、标志和激励来培养节能文化。 了解自己行为与能源成本之间联系的学生和研究人员更有可能采取高效的行为。
  • 提供绿色实验室认证: 诸如实验室的LEED,我的绿色实验室,或实验室21基准工具等方案,为改进和表彰成就提供了结构化的框架.
  • 机构性能监测和反馈:[ 部署带有显示实时能量使用的仪表板的建筑物自动化系统. 自动化警报可以标出异常的悬崖,而月度报告可以与基准和以往时期进行比较.
  • 将烟雾罩管理化:[ 在不使用时关闭烟雾罩罩,并考虑在烟雾罩上安装自动的萨什近身或VAV控制器以减少排气流量。 仅这些措施就可以在有多个烟雾罩的实验室中将通风能量削减30%至50%。
  • 整合实验室设计提高效率: 在新建中,纳入开放式楼层计划和共享的公用事业走廊以减少条件化体积. 将高热设备定位在有目标冷却的专用区,与一般工作区分开.
  • 爆炸需求控制的通风: 使用传感器进行占用,CO2,挥发性有机化合物(VOC),温度实时调节通风率,确保安全,同时避免过度通风.
  • 引电塞负载: 鼓励对显示器,充电器,以及其他个人电子设备实行减电政策. 提供集中充电站和设备共享,以尽量减少设备数量.
  • 执行绿色采购政策:优先购买节能实验室设备和电器,考虑使用寿命周期成本(包括能源),而不是单考虑贴标价格.
  • 基准和分享结果: 参与国家或机构基准方案,将能源绩效与同行实验室进行比较。 公开分享成功可以激励进一步改进和传播最佳做法。

结论

减少工程实验室设施的能源消耗是一项多方面的努力,结合了技术升级、业务变革和文化转变。 这里概述的战略从照明和HVAC优化到设备管理、可再生能源和占用式参与,提出了实现能源使用和运营成本的有意义的削减的路线图。 重要的是,这些措施不应损害研究和教育的核心任务;设计良好的能效干预往往能提高室内环境质量、安全性和设备可靠性。 随着能源价格持续上涨和可持续性预期的提高,积极主动地管理其能源足迹的实验室不仅可以节省资金,而且还可以成为负责任的创新的领导者。 各机构通过采取系统、数据驱动的方法,可以将其实验室转变为效率模式,同时推动推动进步的科学工作。