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普林斯顿大学新闻

深入探究:普林斯顿为“净零”校园奠定了基础

普林斯顿大学以满足其能源需求,以及实现零碳排放的目标,2046年成立300周年,一个完整的需要重新考虑如何使用能源和提供在每个实验室,每一个办公室,每一个宿舍,在每个停车场和车库——即使在通路和运动场。

这一庞大工程的基础工作正在进行中,因为在接下来的十年里,大学将经历其历史上最广泛的建筑项目之一。

Workers operating a drill

工人们将一个钻头放入地下,将挖出组成普林斯顿地质交换系统的数百个钻孔中的一个。

和大多数院校一样,普林斯顿大学历史上一直依赖的能源——主要是蒸汽、热能和电力——都是通过燃烧化石燃料来驱动的。今天,该大学正朝着一个系统迈进,该系统将采用无燃烧技术的组合,以优化和减少整体能源使用,并消除碳排放。

普林斯顿取暖是淘汰汽化而实现一个新的低温加热水能源系统由电动热泵蓄热器和geo-exchange捕获热量从校园建筑在夏季和储存能量在地下,直到再次需要在冬天。这所大学是全国首批将这些技术大规模结合起来的大学之一。

地区能源系统(在工业术语中称为)将同时提供大学的其他主要能源需求加热水(用于家庭热水和加热空间),冷冻水(用于冷却空间和设备,如激光、电子显微镜、CT扫描仪和计算机设施),并通过微电网供电。最终,它将几乎完全由可再生能源提供电力,包括普林斯顿大学自己供应的太阳能。

“到2046年,我们将拥有一个超级节能的校园,拥有一个超级可靠的系统,一个完全通过可再生能源供电的校园,”普林斯顿能源工厂主任Ted Borer说。“普林斯顿有机会以身作则,所以即使是在我们的设施里,人们也会看着我们说,‘哇,现在我看到普林斯顿做了什么,我明白了。我可以在我的设施里跟踪他们的思维过程。’我们可以通过校园里的行为影响成千上万甚至数百万人。”

鉴于政府间气候变化专门委员会2021年的报告,这些措施——以及在全球消除碳排放——至关重要。该报告警告人类行为对地球气候的“明确”影响。

正如普林斯顿大学Andlinger能源与环境中心和High Meadows环境研究所的“Net-Zero America”报告所描绘的那样,该大学在其能源使用方面正在进行重大转变。研究人员提出的每一种方案都涉及能源效率方面的大规模投资、交通和建筑领域的大规模电气化、能源储存以及清洁能源生产的空前扩张。

引领未来可持续校园之路

丹麦贸易委员会(Danish Trade Council)北美地区能源咨询主管尼尔斯·维尔斯特鲁普(Niels Vilstrup)表示,普林斯顿大学在其校园内对地区能源的做法,为全球其他大学和机构需要进行的变革奠定了基础。

丹麦人对在这些能量转换中学习和指导他人有特别的兴趣。维尔斯特鲁普表示,哥本哈根在区域能源和可持续能源技术方面有着悠久的历史,有望在四年内成为世界上第一个碳中和城市。它已经成为其他城市的灯塔,就像普林斯顿大学希望成为其他学校的灯塔一样,因为普林斯顿大学从蒸汽能源跨越了几代人,成为最大的地理交换系统之一。

Vilstrup表示:“必须有人迈出第一步。“这绝对不是一件容易的事情,但令人惊讶的是,普林斯顿接受了这里所有的东西,并走了这条路,因为它将为许多其他大学走在前面。”

普林斯顿的蒸汽分配系统贯穿校园地下的一个网络,为180栋建筑提供服务,其中一些建筑的历史可以追溯到18世纪。“这是一个相当低效的输送系统,而我们可以做得更好,”Borer说。“我们估计,我们产生的20%的能量永远不会到达建筑物——它损失在地下,比管道中的蒸汽更冷。”

普林斯顿的新热水供暖系统与蒸汽供暖系统相比有许多优点。首先,它在一个低得多的温度下工作,这需要更少的能量。校园里的建筑传统上接受450华氏度的蒸汽加热,而现在它们将提供140华氏度的热水加热。

为了减少新系统的总负荷,普林斯顿大学正在积极提高现有建筑的效率。这包括将单层窗户换成双层甚至三层窗户。它还包括在需要的地方增加隔热层,并对建筑物进行空气密封,以消除冬季的热量损失和夏季的冷空气。

生命周期成本分析表明,构建、维护和操作新系统的成本要低于继续操作现有系统的成本。Borer说:“总的来说,升级建筑,将蒸汽转化为区域热水,使用热泵、热存储和地理交换,大学的供热和制冷系统需要的输入能源大约是现在的六分之一。”

地理交换:“热存钱罐”

改用热水供暖只是普林斯顿向更可持续的未来转变的一部分,最终实现净零排放。

新泽西夏季炎热,冬季寒冷,这使它成为普林斯顿大学通过地理交换提供热量的理想之地。地理交换依靠热泵来捕获、保存和循环夏季的热量供冬季使用。

“在这种情况下,我们能够捕捉可能被浪费的能量,并在以后加以利用,”位于堪萨斯城的Burns and McDonnell公司的项目经理Justin Grissom说,该公司为中心校园的多个地理交换项目组件提供全面的项目管理,同时也是现有热工设施转换项目的记录工程师。“基本上,地面变成了一个大电池,储存热能。它不是一个电池,而是一个热电池。”

Grissom说,在大多数机构设置中,在最热的月份从建筑中抽出的热量会通过冷却塔排入大气。

普林斯顿大学将通过其现有校园的近1000个地质交换孔和新泽西州西温莎华盛顿路外的新湖校区的200多个钻孔来收集这些热量,这些热量将储存在地表下的岩石中。这些深孔在现有校园挖了850英尺,在新建筑工地挖了600英尺,包含一个闭路管道系统,可以让水通过地面循环。

管道被灌浆包围,因此管道内的水不会直接接触到地下水源或岩石本身,岩石会通过传导被加热到90度。

普林斯顿大学已经在湖畔公寓和劳伦斯公寓以及刘易斯艺术中心进行了规模较小的地理交换。作为整体校园规划的一部分,普林斯顿最终将在新的罗伯茨体育场和东车库下面增加地理交换能力。

Forrest Meggers speaks about measuring the cutting-edge sustainability energy initiatives as research

Play Video: Campus Geo-Exchange Leads Us to Net-Zero Emissions

福雷斯特·梅格斯,建筑和Andlinger能源与环境中心的副教授,建筑与工程项目的联合主任,正在测试和测量普林斯顿新能源系统的性能,通知大学的能源和设施专业人员及其顾问,在真正的时间。他的研究也将使其他希望在未来实现这些技术的人受益。

表现在效率的前沿

地质交换技术并不是新技术,但普林斯顿同时使用地质交换和热回收制冷机是一项新技术,Salas O’Brien的副总裁兼高级机械工程师Brandon Dachel说,他是地质交换领域、设计和TIGER设施的记录工程师。

该大学的新热回收冷却器将捕获作为校园建筑冷却空气副产品产生的热量。在普林斯顿目前的系统中,热量通过该大学热电联产工厂的冷却塔排出,该工厂是产生蒸汽和冷冻水的中心设施。

达切尔说:“有了热泵,你就可以用同一台机器生产冷冻水和热水。所以,传统上你需要通过冷却塔来拒绝热量,而我们正在回收这些热量,并将其输送到热水供暖系统。”

达切尔说,在普林斯顿这样的校园里,无论什么季节,通常都需要供暖和制冷。Borer解释说:“在冬天最冷的一天,我们仍然需要从实验室设备和电脑上散热。在夏天最热的时候,我们仍然需要为水槽、淋浴、洗碗、空调‘再加热’和消毒器、笼式洗衣机和高压灭菌器等设备提供热量。”

不列颠哥伦比亚省温哥华Integral Group的负责人弗拉基米尔·米克尔(Vladimir Mikler)表示,由于加热和冷却技术将包含在一个系统中,而不是两个系统,而且由于它不需要燃烧作为能量输入,因此可以实现更精确、更高效和更经济的温度控制。湖校区地理交流系统的记录工程师。

Integral集团与普林斯顿大学合作,进行精密的每小时分析,以预测普林斯顿大学新建筑一整年的能源需求。

Mikler说:“作为设计的一部分,我们开发了该系统,不仅考虑了其峰值容量,而且我们还设计了一种在全年中表现最佳的方式。”

普林斯顿大学将能够在最佳时间生产热水和冷冻水,在电价最便宜的时候用电,而不是在用电高峰时期。加热和冷冻水将保存在两个主要地质交换地点附近的热能存储或TES水箱中,直到需要时,在夏季和冬季负荷最重的日子里提供随时可用的水。

computer renderings of buildings

两个最先进的,leed认证的设施将用于控制普林斯顿的新能源系统,TIGER(左)和TIGER CUB(右)。TIGER代表热综合地质交换资源;CUB是中央公用大楼的首字母缩写。

老虎和虎仔

这些系统的控制将被安置在两个新的设施中:TIGER和TIGER CUB。(TIGER代表热综合地质交换资源;CUB是central utility building的首字母缩写。)

大学需要两个设施以最有效、可靠和成本效益地操作系统。作为一个相对平坦的场地上的新建筑,湖校区系统将能够在更低的热水温度下运行,并使用高密度聚乙烯管道,而不是校园中央山坡上所需的碳钢。

普林斯顿的新设施包括研究生宿舍和设施,这些设施将获得LEED和被动式住宅认证,一个带健身空间的球拍中心,一个垒球体育场,灵活的橄榄球和娱乐场,一个越野球场,和一个屋顶太阳能的停车场。

鉴于湖校区的新建筑是在目前最高的能源标准之上建造的,而且总能源负荷将更低,它的热水系统将在华氏120度(比现有校园低20度)的条件下运行得更高效。

普林斯顿大学未来的建筑将达到或超过最高的可持续性标准,允许减少基础设施和公用事业,所需能源更少。

“普林斯顿大学非常擅长全局思维和整体思维,”Integral Group副校长Justin Chin说。“他们的第一个方法,也是正确的方法,是设计一开始就不需要能量的被动系统。无论还需要什么能源,都要尽可能以最有效的方式解决问题——在这种情况下,使用电热泵技术和低温热水。”

TIGER和TIGER CUB的设计都是为了获得美国绿色建筑委员会(U.S. Green Building Council)颁发的LEED(能源与环境设计领导奖)认证,并为它们所包含的设备配备了被动通风和冷却系统。

ZGF建筑事务所的负责人Maryam Katouzian说:“这是普林斯顿大学令人钦佩的目标之一——推动我们所有人从我们设计的建筑和我们指定的系统中得到最好的结果。”

这两座建筑都被设计为展示设施,反映了普林斯顿突出其可持续发展使命的愿望,Katouzian说。

她说:“普林斯顿希望每个人都知道他们接手了什么,他们希望人们从中学到东西——他们正在为此做准备。”“这让我们有机会利用建筑美学,而不是将这座建筑视为‘后台’设计。你希望人们从远处看这座建筑,并想走近它,了解里面发生了什么。”

普林斯顿是可持续能源的典范

普林斯顿新区域能源系统的安装和实施为学习和教学提供了机会。

普林斯顿大学的教授,包括建筑和Andlinger能源与环境中心的副教授,建筑与工程项目的联合主任Forrest Meggers,都与大学的能源和设施专业人士及其顾问合作,测试和测量新系统的性能。

此外,对可持续能源感兴趣的学生、社区成员和机构代表也有机会通过参观普林斯顿的设施,与普林斯顿的新能源系统进行接触。

“他们有兴趣了解它的机制和成本,”可持续性办公室(Office of Sustainability)负责学术参与和校园实验室倡议的助理主任Ijeoma Nwagwu说。“还有一件重要的事情,那就是正在进行的思维过程。有很多这样的接触。我们正在讨论我们的能源之旅,以及为什么我们要将地理交换作为更大的教育努力的一部分。”

Eric Van Nus的插图,积分群;马蒂尔达·卢克,传播办公室

进入零

作为到2046年实现净零排放计划的一部分,普林斯顿大学正在安装一个由电热泵、热存储和地理交换驱动的新的热水能源系统——成为全国首批将这些技术结合到这种规模的地点之一。该系统将由包括太阳能在内的可再生能源供电。上图的示意图让我们看到了该系统将如何与普林斯顿西温莎华盛顿路附近的新建筑一起工作。一个类似的系统正在现有的校园安装。

  1. 校园建筑:在夏季的几个月里,热量从校园建筑中移走。热量被转移到水流中,再返回TIGER CUB(普林斯顿热集成地质交换资源中心公用建筑),然后被导向地质交换钻孔,并储存在地表以下的岩石中。在冬天,热量从地下抽出,通过相同的系统返回给老虎幼崽和校园建筑。
  2. 低温加热和冷冻水分配管道:分配管道将用于冷却空间的冷冻水(华氏40度)和用于加热和热水的热水(华氏120度)从TIGER CUB输送到校园建筑。它们还将热量从校园建筑发送到TIGER CUB,在那里,热量被导向地质交换管道,并在夏季储存在地质交换场。
  3. TIGER CUB/热回收制冷机设备:控制湖校区能源需求的主要设备,TIGER CUB正在建造中,以获得美国绿色建筑委员会(us Green Building Council)的LEED认证,它将包含一个被动通风和冷却系统。它将配备热回收制冷机,这种机器可以捕捉冷水冷却过程中产生的热量。
  4. 地理交换管道:地理交换管道将TIGER CUB的热水(从正在冷却的校园建筑或由热回收冷却器捕获)发送到地理交换领域存储。当校园需要热量时,它会将能量从地球交换场传输回TIGER CUB。
  5. 地质交换领域:地质交换钻孔,在新校园挖600英尺深(普林斯顿现有校园挖850英尺深)的洞,将包含管道,使地下水在地下循环,通过传导将热能转移到地表以下的岩石。岩石被加热到90度,能量储存在那里,直到冬天需要。
  6. 加热和冷冻水热能储存罐:热能储存罐将储存在最佳时间生产的加热和冷冻水,成本最低,能源效率最高。然后,这些水可以抽出来,在需求高的时候供应到校园。
  7. 备用混合冷却器:在夏季,当地热交换场变暖,无法有效地吸收制冷过程中的额外余热时,备用混合冷却器将把余热排除到大气中。冷却器可以在干或湿/混合模式下运行。在干燥模式下,冷空气被吹过温水盘管,就像典型的汽车散热器一样。当需要排出更多的热量时,冷却器可以在湿/混合模式下运行,在吹过线圈之前,水被喷洒和蒸发以预冷却空气。预冷空气在被排入大气之前,将从盘管中吸收更多的余热。
  8. 电力庭院:校园新区的主要电力供应进入电力庭院,在那里它被分配到建筑物和设施,主要使用可再生能源,包括普林斯顿自己的太阳能电池板。在那里将安装一台发电机,在停电的情况下保持TIGER CUB的正常运行。