University of Tennessee Center for Industrial Services Energy - - PowerPoint PPT Presentation

University of Tennessee 


Center for Industrial Services

Energy Assessments “Home & Business”

Today’s Topics

➢HVAC ➢Chillers and Towers ➢Lighting ➢Pumps & Motors ➢Ventilation & Fans ➢Water Conservation ➢Insulation ➢Renewable Energy Sources

➢Solar Heating ➢Photovoltaic (solar cells) ➢Geothermal

What is Energy Assessment…..

• Help understand energy use

–Home or Business – what’s the difference? – Heating & Cooling

• Electrical power
• Natural gas

– Lighting systems – Windows and doors – Insulation & building envelops – Significant energy users

Why is it Important ……

• Significant increases in cost

– Rising fuel surcharges – Vulnerable energy supplies – Population growth / limited supply – Environmental pollution – Simply the right thing to do – Economic benefit – monetary drivers

How do you accomplish …….

• Identify energy & waste

– system waste = costs (needless) – improvement opportunities – planning - current / future strategies

• ID what to do, options & approaches
• Plan / implement savings opportunities

– Oriented to $’s, Pain, & Worry

Project Savings Quiz

• Quantity: (1) 5 HP electric motor
• Operations: 24 hours/day; 7 days / week
• Electric rate: $ 0.095 per kWH
• Annual Cost: a) $ 387

b) $ 775 c) $ 1,550 d) $ 3,100 e) $ 6,200

$0.862 ¡ ¡ Per ¡HP ¡-­‑ ¡Hr.

Correct ¡answer

Lighting Systems Quiz

• Quantity: (100) Halogen lamps & ballast
• Operation: 400 watt (50 watt ballast); ½ day; 7 days
• Electric rate: $ 0.095 per kWH
• Annual Cost: a) $ 3,725

b) $ 7,550 c) $ 11,575 d) $ 15,600 e) $ 18,725

$ ¡4.27 ¡ ¡ per ¡Hour

Correct ¡answer

Lighting Project Example

• Quantity: (100) HBF Replacements
• Operation: Lower Watts; no ballast; ½ day; 7 days
• Electric rate: $ 0.095 per kWH
• Annual Cost: a) less than $ 1,000

b) $ 1,150 c) $ 2,300 d) $ 4,680 e) $ 9,350 f) $11,890

25 ¡to ¡50% ¡ ¡ Saved

Correct ¡answers Correct ¡answers

LED ¡Technology ¡ 164 ¡Watts ¡/ ¡unit ¡ $1.55 ¡/ ¡hour ¡ ¡ versus ¡ $4.27 ¡/ ¡hour

Correct ¡answers

Energy Consumption

Power ¡ConsumpDon ¡ ¡-­‑ ¡Electrical ¡Average ¡Cost

$ ¡ $ ¡ 4,889 $ ¡ 9,778 $ ¡ 14,667 $ ¡ 19,556 $ ¡ 24,444 $ ¡ 29,333 $ ¡ 34,222 $ ¡ 39,111 $ ¡ 44,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Power ¡for ¡Lights, ¡Electronics, ¡ Motors, ¡and ¡other ¡Electrical ¡ Systems HVAC ¡Energy ¡Consumption

Integral ¡Calculus: ¡dy ¡= ¡∫ ¡(0.2345x6 ¡+ ¡12.099x5 ¡-­‑ ¡212.93x4 ¡+ ¡1569.9x3 ¡-­‑ ¡4770.2x2 ¡+ ¡7109.7x ¡+ ¡20920) ¡dx

HVAC ¡Cost $90,000 ¡Annual Jan Jun Dec

Air ¡Handlers ¡for ¡the ¡building

Natural Gas - Heating

ConsumpDon ¡ ¡of ¡Natural ¡Gas ¡-­‑ ¡Monthly ¡Average ¡Cost

$ ¡ $ ¡ 4,250 $ ¡ 8,500 $ ¡ 12,750 $ ¡ 17,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

y ¡= ¡-­‑0.7312x6 ¡+ ¡30.397x5 ¡-­‑ ¡486x4 ¡+ ¡3745.2x3 ¡-­‑ ¡13965x2 ¡+ ¡20615x ¡+ ¡5194.2 R² ¡= ¡0.9724

Building ¡Heat Heat ¡for ¡Hot ¡Water ¡(Showers, ¡ ¡ Kitchen, ¡& ¡Laundry) ¡plus ¡ ¡Heat ¡for ¡ ¡ Laundry ¡Dryers

Dec Jun Jan Heating ¡Cost $26,900 ¡Annual

Why are You Here?

$$$$$$$

“Don’t ¡Know” “Tree ¡Hugger” “Energy ¡Strategy” “High ¡Cost ¡of ¡Energy”

Introductory Perspectives

• 10% ¡concepts ¡ ¡
• 90% ¡practical ¡application ¡

–20-­‑to-­‑1 ¡payback ¡

• No ¡expensive ¡& ¡advanced ¡solutions ¡

–simple, ¡effective, ¡low-­‑cost, ¡and ¡quick

Transformations ¡are ¡generally:

Introductory Perspectives

Not ¡just ¡about ¡energy ¡equations ¡and ¡numbers ¡

• People ¡are ¡greatest ¡factor


in ¡saving ¡energy


• People ¡must ¡be ¡engaged ¡and


informed ¡about ¡energy


• People ¡must ¡be ¡involved ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡at ¡all ¡levels ¡of ¡the ¡organization

People are the Most Important 
 Factor for Saving Energy

• Some people are more excited about energy efficiency than others
• Even the barely-excited


people will contribute small
 energy-saving ideas

• When the most-excited


people get involved, big
 energy savings occur

• Energy teams of excited 


people are the best way to achieve energy savings.
 Each success occurs by doing an energy-saving event

Heating, Ventilation & 
 Air Conditioning (HVAC)

Low-­‑cost ¡energy ¡solutions ¡with ¡high ¡payback

Definition

H ¡= ¡Heating ¡ V ¡= ¡Ventilating ¡ A ¡= ¡Air ¡ C ¡= ¡Conditioning

• Air-Handling units (ventilation) are covered later

Why Care About HVAC?

• HVAC ¡systems ¡provide ¡heating, ¡cooling, ¡humidity ¡

control, ¡filtration, ¡fresh ¡air ¡(indoor ¡air ¡quality), ¡ building ¡pressure ¡control, ¡and ¡comfort ¡control

• HVAC ¡systems ¡are ¡essential ¡for ¡employee ¡productivity ¡

and ¡product ¡quality ¡

• HVAC ¡systems ¡are ¡the ¡single ¡largest ¡energy ¡

expenditures ¡in ¡an ¡energy ¡bill ¡(approx. ¡50%) ¡for ¡ buildings ¡

Why Care About HVAC?

Monitoring, ¡adjusting, ¡and ¡controlling ¡HVAC ¡systems ¡achieve ¡significant ¡ savings ¡in ¡your ¡energy ¡bill.

Heat ¡Transfer ¡& ¡ ¡Heat ¡ Generation ¡in ¡Buildings

Psychrometric Chart

Indoor ¡ASHRAE ¡Comfort ¡ Conditions ¡ ¡

(American ¡Society ¡of ¡
 Heating, ¡Refrigerating, ¡and ¡
 Air-­‑Conditioning ¡Engineers) Note: See tighter comfort windows on next slide based on ASHRAE people survey.

Psychrometric Chart

Tighter recommended conditions for indoor comfort based on survey of people per ASHRAE Standard 55 Thermal Environmental conditions for Human Occupancy

Summarize as a Table of Indoor Comfort Conditions 70° winter 76° summer
 example on next slide

“We ¡currently ¡have ¡AC ¡that ¡uses ¡R22. ¡ ¡What ¡are ¡requirements ¡ and ¡what ¡actions ¡should ¡we ¡be ¡taking ¡to ¡change ¡over?” ¡


• Requirements ¡in ¡the ¡USA ¡(future) ¡from ¡EPA ¡website: ¡ ¡

www.epa.gov/ozone/title6/phaseout/hcfcfaqs.html ¡ 
 
 
 
 
 


“You ¡can ¡still ¡use ¡R22 ¡for ¡servicing ¡existing ¡AC ¡and ¡refrigeration ¡ until ¡2020 ¡but ¡no ¡R22 ¡in ¡new ¡equipment ¡after ¡January ¡1,2010.”

R 22 – Current $90 / lb.

• Many ¡buildings ¡have ¡both ¡chillers ¡and ¡cooling ¡towers ¡

– chillers ¡and ¡cooling ¡towers ¡use ¡energy – opportunities ¡to ¡save ¡energy


• Chillers ¡

– Prevalent ¡in ¡office ¡buildings

• largest ¡single ¡energy-­‑consumer ¡
• large ¡motors ¡typical ¡(25 ¡to ¡125 ¡HP)

Why Care About 
 Chillers and Cooling Towers?

Typical cooling tower and chiller - commercial 


• ffice building



 Note: Municipal Buildings
 chillers and cooling towers generally larger

Typical Chiller & Cooling Tower

Gas Heat ¡Removal “Compressor”

High ¡Pressure ¡

• Hot ¡Gas

“Evaporator” “Air ¡Cooled ¡System”

Low ¡Pressure ¡

• Hot ¡Gas

High ¡Pressure ¡

• Cool ¡Freon ¡

Liquid

Cold ¡supply Hot ¡return “ ¡Process” Liquid

Expansion ¡Valve Motor ¡& ¡Fan Motor Freon ¡Boiling ¡Point ¡ ¡ Varies ¡based ¡on ¡refrigerant ¡ (-­‑46 ¡to ¡-­‑35 ¡deg ¡C); ¡

• Water ¡freezes ¡at ¡0 ¡deg ¡C

Low ¡ Pressure ¡ Liquid/Gas

“Reservoir” 250 ¡PSI 250 ¡PSI 100 ¡PSI

WWWWWW WWWWWW

“Condenser”

Gas Hot ¡Water ¡ ¡ Return “Compressor”

High ¡Pressure ¡

• Hot ¡Freon ¡

Gas

“Water ¡Cooled ¡System”

High ¡Pressure ¡

• Cool ¡Freon ¡

Liquid

Liquid

Expansion ¡Valve Motor Freon ¡Boiling ¡Point ¡ ¡ Varies ¡based ¡on ¡refrigerant ¡ (-­‑46 ¡to ¡-­‑35 ¡deg ¡C); ¡

• Water ¡freezes ¡at ¡0 ¡deg ¡C

“Reservoir” 250 ¡PSI 250 ¡PSI 100 ¡PSI Cool ¡Water ¡ Supply “Evaporator” Cold ¡supply Hot ¡return “ ¡Process”

Expansion ¡Valve Low ¡ Pressure ¡ Liquid/Gas

250 ¡PSI 100 ¡PSI

WWWWWW WWWWWW

Low ¡Pressure ¡

• Hot ¡Gas

“Condenser”

Example – Efficiency Savings

• Energy Efficiency (COP = 4) versus (COP = 2)

Calculation Basis:

• 100 ton chiller operating 8,700 hours (round the clock)
• 6 cents per KWh,
• electric motor
• 1 KWh = 3,413 BTU’s per hour
• COP = 4; annual operating cost = $45,900
• COP = 2; annual operating cost = $91,800

Double ¡the ¡COP; ¡cut ¡the ¡energy ¡bill ¡by ¡½ ¡

System ¡Related ¡Energy-­‑saving ¡Opportunities ¡


• Overall ¡System ¡Savings ¡if ¡Reset/raise ¡Chilled ¡Water ¡Temp ¡(continued) ¡

– Chiller ¡water ¡is ¡raised ¡to ¡54 ¡°F ¡(OK ¡for ¡HVAC) ¡instead ¡of ¡typical ¡ARI ¡ settings – Compared ¡to ¡44 ¡°F ¡setting…… ¡ – ¡(54 ¡-­‑ ¡44) ¡= ¡(10 ¡°F) ¡x ¡(2 ¡% ¡savings ¡per ¡°F) ¡= ¡20% ¡energy ¡savings ¡!!!
 
 ¡Also, ¡chiller ¡COP ¡
 ¡improves ¡linearly ¡
 ¡by ¡increasing ¡
 ¡chilled ¡water ¡T ¡


Change the Operating Temperature

Case Study: Freon Leaks

• County Justice Center:

– Fouled Exchanger – High Compressor Head pressure – Freon 22 Leaks – Constant recharging – Older unit with some age – replacement

• One time savings of $24,000 (R-22 cost)
• Efficiency gains with new unit - $14,600
• Potential Savings: $38,600

Component Related Energy-saving Opportunities

• Reduce Condenser Fouling

• Fouling increases condensing temperature (condenser heat exchanger)
• Treated water to avoid water mineral salts deposition on tube walls
• 1 degree rise = 1% decrease/loss in full load rating
• System works harder to achieve same cooling results


• Maintain Proper Condenser Flow Rates

– 20% Reduced flow increases energy by 3% – Reduce Condenser Water Temperature – Each degree reduction save 1.5% on operating cost

• Check for ΔT between cooling tower and condenser, should be < 2 °F difference
• If >2°F above incoming cooling tower temperature; identify and correct

– Cooling tower bypass mixing warm return water with condenser discharge (startup or cold weather ) – Pipe insulation can also be a problem

Additional Opportunities

Air-to-water flow – 2 types:

(1) Cross-flow: Air flow perpendicular to water flow.

– Air flow enters vertical faces of the cooling tower – Meets fill material. – Hot water gravity flows from distributor through fill. – Air continues through the fill into open plenum. – Cold water to basin – pumped back to process.

(2) Counter-flow:

– Counter-flow design, air flow opposite water flow. – Air flow enters open area beneath the fill – Air drawn vertically through tower fill. – Water sprayed through nozzles into top of fill; gravity flows downward opposite to air flow. – Cold water to basin – pumped back to process

(3) Induced draft – typically pull-through system

Types of Cooling Towers

• Cooling towers use water in 3 ways


(1) Evaporation, (2) Drift, and (3) Bleed-off

• This figure illustrates water use 


in a typical cooling tower.

1. Evaporation (E) controlled by thermodynamics;

• Water evaporation removes heat
• 1200 lbs/hrs = 100 tons of cooling; 2.4 gpm of water
• 2.

Bleed off (B) – removes mineral salts / solids

• Evaporation doesn’t remove salts / dirt / dust
• Water typically high in Calcium Carbonate - limestone
• Salts collect on cooling surfaces if not removed
• Also known as “blow-down” – similar to boilers ops
• 3.

Drift (D) – function of design

• Typical is 0.05 to 0.2% of tower water lost to drift
• Entrained water droplets out top of tower
• Caused by upward lift of air flow
• 4.

M (makeup water) = E + B + D

5.


Types of Cooling Towers

Building ¡with ¡these ¡systems ¡don’t ¡return ¡a ¡lot ¡

• f ¡the ¡water ¡to ¡the ¡sewer ¡but ¡they ¡pay ¡for ¡the ¡

sewer ¡cost ¡nonetheless.

Water Consumption Case Study

• Municipal Water Supplies

–Cooling Towers - (2) for Building –Supporting (2) 300 ton Chillers for building – 50% –Approximate Water Supply needed:

• Evaporative Losses – 2.4 GPM Water per 100 tons cooling
• Blow down on tower – 1 to 2% of water supply
• Drift from tower – 0.2% of water Supply

–Water Flow Daily: 10,000 gallons 2.4 x 24 x 60 x 3 / (1.022) –Sewer Cost being paid as well

Can ¡you ¡see ¡where ¡the ¡water ¡Increases ¡in ¡the ¡ summer ¡months?

Estimated ¡Savings ¡Potential ¡Here ¡= ¡$4,250

Energy-­‑saving ¡Opportunities ¡for ¡Cooling ¡Towers


• 2 ¡Biggest ¡Problems ¡for ¡Cooling ¡Towers ¡

– The ¡two ¡biggest ¡problems ¡with ¡cooling ¡towers ¡are: ¡
 ¡ ¡ ¡1) ¡poor ¡performance ¡– ¡inadequate ¡cooling
 ¡ ¡ ¡2) ¡premature ¡tower ¡failure ¡– ¡corrosion, ¡wood ¡deterioration, ¡rot, ¡fouled
 – Both ¡adversely ¡affect ¡energy ¡consumption. ¡

• Routine ¡tower ¡maintenance ¡
• Water ¡treatment ¡program ¡normally ¡avoids ¡ ¡problems ¡
• Consult ¡supplier’s ¡maintenance ¡manuals ¡for ¡

recommendations

Energy-saving Opportunities

Energy Efficient Lights

A short-course in 
 
 
 low-cost energy solutions that provide high payback 


Why Care About Lights?

• Energy efficient lights


use up to 75% less energy 
 than standard lighting, 
 produce 75% less heat, 
 and last up to 10 times longer
 than standard lights.


Energy-saving Opportunities

• Locate light fixtures near/above the work area where light needed

• Light level reduces as the square of the distance


E = I / d2

E = Illuminance (foot-candles or lux) Foot-Candles ~ Lux / 10 I = Intensity of lighting in candelas d = Distance from light source

Types of Lights

➢ Incandescent


• Standard "A" bulb

• Tungsten halogen, & reflector

➢ Fluorescent 


• Straight tube

• Compact fluorescent lamp (CFL)

➢ High Intensity Discharge 


• Mercury vapor (MV)

• Metal halide (MH)

• High pressure sodium (HPS)

➢ Low pressure sodium (LPS) ➢ Light emitting diode (LED) (LEDs will be best in future)

Indicates
 good
 energy
 efficiency 
 for indoor
 lighting

Light per Unit Energy

Lumens per watt

NOTE: 
 
 Some LEDs 
 are 60 lumens per watt and 131 has been achieved in labs so expect LEDs to be the best in future
 years

• Incand. ¡– ¡Incandescent ¡

LED ¡– ¡Light ¡Emitting ¡Diode ¡ MV ¡– ¡Mercury ¡Vapor ¡ MH ¡– ¡Metal ¡Halide ¡ HPS ¡ ¡ High ¡Press ¡Sodium ¡ ¡ LPS ¡– ¡Low ¡Press ¡Sodium

Trends for Lights

➢ Incandescent

Being phased out by Energy Independence and Security Act of 2007 – “EISA” – (Energy Bill)

Signed into law December 18, 2007

➢ All light bulbs must use 25% less energy than today’s incandescent bulbs by the year 2015. ➢ The phase-out will start with 100 watt bulbs in January 2012 and end with 40 watt bulbs in January 2014. Phase in 2012 to 2014 – specialty bulbs exempted ➢ By 2020, law requires all bulbs to be at least 70% more efficient (effectively equal to today’s CFLs energy consumption).

Light Controls

• Benefits of controls for lights can be significant 


• Energy reductions by as much as 75% by using skylights and dimmable

lighting controls.

• Electric Power Research Institute (EPRI) estimated savings

by using light controls

– offices (25-50%) – rest rooms (30-75%) – corridors (30-40%) – storage areas (45-65%) – meeting rooms (45-65%) – and warehouses (50-75%)

Lighting Example

Example: ¡Hallway ¡(Corridor) ¡Lights ¡ ➢ 25 ¡fixtures ¡operating ¡24/7 ¡@ ¡$0.06 ¡/ ¡kWh ¡ ➢ Each ¡fixture ¡equipped ¡with ¡(4) ¡32 ¡watt ¡T-­‑8’s ¡ ➢ Electronic ¡ballast ¡

• ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡kWh ¡= ¡365 ¡x ¡24 ¡x ¡32 ¡x ¡4 ¡x ¡25 ¡/ ¡1,000 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡28,032,000 ¡/ ¡1,000 ¡= ¡28,032 ¡kWh ¡

• Cost ¡Saving ¡Potential ¡= ¡28,032 ¡x ¡0.35 ¡x ¡0.06 ¡= ¡$590 ¡annually

Light Controls

• Types of Light Controls

• Timers

• Occupancy Sensors

• Photocells

• Dimmers

• Energy Management System (EMS)


Skylights for Indoor Lighting

• Natural lighting


• Skylights can be effectively 


used in many workplaces 
 such as warehouses (right) 
 and retail stores (below)

Exit Signs

• Incandescent

• In traditional exit signs, a single exit sign can be $33 per year. The cost of

replacement lamps and the labor to install them can add up to $24 per year per sign. 


• LEDs

• LED exit signs use only 1 to 5 watts of power per surface and cost less than

$5 per year to operate. Because LEDs also last much longer than incandescent lamps, lifecycle savings are available.


• Photo-luminescent

• Photo-luminescent materials absorb and re-radiate light, so these types do

not require electrical power (ZERO energy use). Must conform to National Fire Protection Code and UL requirements (UL924 ) that these must maintain particular levels of visibility for at least 90 minutes after other sources of light have been extinguished.

Physically “Lower the Lights”

• To increase lux (or foot-candles), consider moving light

fixtures lower (if currently in a high ceiling) to be closer above the work area/desks/benches.

• – extend the wires/conduit to hang the lights lower


– install a false ceiling (suspended tile ceiling).

• can also accomplish HVAC savings by reducing heat load


Energy-saving Opportunities

• Locate light fixtures near/above the work area where light needed

• Light level reduces as the square of the distance


E = I / d2

E = Illuminance (foot-candles or lux) Foot-Candles ~ Lux / 10 I = Intensity of lighting in candelas d = Distance from light source

Exit Signs

• Other Types


Electroluminescent panels: not as good as LED or photo-luminescent for exit signs. 
 


Cold cathode fluorescents: not as good as LED

• r photo-luminescent for exit signs.


Exit Signs

Comparison of Light Sources for Exit Signs


Lighting Case Study

• Attic Space Lighting– On when no one there

– Annual Operating Costs: $2,460

• High Traffic areas – less light needed

– Switch from T-8 Technology to LED – Annual operating savings: $8,840

• Parking Lot Lamps: Mercury Vapor

– $4,100 annual operating cost – Switch to exterior Energy efficient lighting – Annual operating savings: $2,000

• Annual savings potential: $13,300

Energy Efficient Motors & Pumps 


Low-cost energy solutions that provide high payback 
 by 
 saving energy in all facilities 
 at manufacturers, offices, etc.

Why Care About Motors?

➢Motors are everywhere

➢Fans, pumps, conveyors, anything that moves/turns, etc.) 


➢50% of U.S. electricity in offices flows through a motor. ➢64% of U.S. electricity in industry flows through motors

Motor Basics

• Basic Direct Current (DC) Motor

– Permanent magnet on perimeter. DC goes thru 


• rotor. Rotor turns when magnetic field is reversed 


by commutator switch.


• Basic AC Induction Motor

– Alternating current (AC) in 
 windings on stator. “Induces” 
 (& hence this is called “induction”)
 a magnetic field to turn the rotor

• ~100 % of building motors


are AC, so focus on AC motors


Note: These 
 are often called “squirrel cage” motors because
 the inside rotor
 turns similar to
 a circular cage
 turning when a
 squirrel runs in it

Motor Drive Belts

About one-third of electric motors use belt drives

• V Belts

– Most common type.

– 98% efficient new; drops to 93% due to wear after initial installation (5% loss) – Pulley size, driver torque, under/over-belting, belt design/construction causes

– V-belts lose efficiency dramatically at high torque – increased slippage

• Cogged Belts

– Slots perpendicular to belt’s length used with the same V belt pulleys – Reduce bending resistance – conform better with less slippage – Run cooler, last longer, and 2% better efficiency

• Synchronous Belts

– Aka, timing belts – Positive-drive, high-torque, spline belts and pulleys. – 98% efficient over wide load range. – Synchronous belts – less maintenance and re-tensioning, wet or oily environments, slip-free (until they fail) – Noisy, unsuitable for shock loads, and transfer vibrations. – 5% more energy efficient than V belts

• ➢10 or 20 to 1 payback typical

➢ For Example: ➢25 HP motor; 24 / 7 @ $0.06 per kWh ➢5% of annual cost = 5% x $9,800 = $490 ➢Cost of belt and installation = $25 - 50

Belt Replacement / Maintenance


Adjustable Speed Drive

• Adjustable-speed drives (ASDs)

– electronic or mechanical devices for motors designed for single-speed

• peration to drive a load at variable speeds.
• Variable-frequency drives

– electronic drives that vary the voltage / frequency of the motor power. Improves power factor and provide performance benefits such as soft- starting or over-speed capability

Regulator (Controls) Converter (AC to DC) Inverter (DC to AC) 60 - Hz Power Input

DC Link

Adjustable Speed Drive (ASD) Adjustable Frequency and Voltage Output Motor Load (pump, etc.) Pressure Sensor Feedback Signal from Process

Replace Motor, not Rewind

• All new motors sold in US are high efficiency.

– Older standard efficiency motors generally rewound and reused.

• Rewinding costs less but re-wound standard motors are

5% to 8% less efficient than high efficiency motors (EPACT

• r NEMA).

Motor Replacement Advice

• Standard (old technology) motors 50 hp or smaller

– High runtime (> 3,000 hours per year), – Replace with more efficient NEMA , before (old) motor fails – Payback usually less than 3 years (33% ROI)


• Standard (old technology) larger motors > 50 hp

– Replace at failure – Larger motors generally more efficient – Replacement not economically justified till failure

Energy Strategy for Motors

• Highest efficiency

–

• perate motors preferably at/

above 85% of full load, and definitely at/above 50% of full load.

• Motor efficiency drops 

• ff steeply for operation 


below 50% of full-load, or when the motor is idling.

• The energy efficiency strategy – choose the right-size, energy-

efficient motor & marry it with an optimized drive systems

Building Ventilation & Fans

• Low-cost energy solutions

with high dollar payback 


“Tees” “Elbows” “Diameter ¡Changes”

7 ¡inches 1 ¡inch

“No” “No” “No” “Yes” “Yes” “Yes”

Pipe ¡ ¡ Diameter 18 ¡ ¡ inches

“No”

6 ¡inches ¡

Inefficient ¡Design

18 ¡inches ¡ 18 ¡inches Pipe ¡ ¡ Diameter 18 ¡ ¡ inches 36 ¡inches

“Yes”

Two ¡Pipe ¡Diameter ¡Allowance

• Change ( + or ―10%) in fan motor electrical usage

check for clogged filters/ducts.

Lessons: Regular filter change out; belts adjusted

Ventilation Fans

Water ¡Conservation ¡Practices

Case Study: Water Conservation

• Justice Center Water Bill – total for facility

– Average monthly cost in past years: $4,500 – Current average cost in past year: $9,000 – Low to no change in number of inmates – No change in the pricing for water

• Annual savings potential: $120,000

– Find source of problem and correct (cause was a faulty water meter……)

• Lessons Learned: “Monitor billing closely”

Graphs ¡are ¡Excellent ¡Ways ¡to ¡see ¡Trends ¡and ¡Changes

General Notes on Insulation

• Double paned windows are 50% more energy efficient than

single paned units

• Triple paned windows are 90% more energy efficient
• Adequate insulation in attic spaces above rooms can lower

energy usage by as much as 30%

– Minimal depth of blown insulation is six inches

• Crawl space insulation under floors can lower energy usage by

as much as 35%

• Walls and windows the remainder (about 35%); windows

perhaps as much as 1/3 the wall loss if not thermally efficient

General Notes on Insulation

• Wall insulation is much harder to install after

building construction

– Possible but expensive

• Sealing windows and doors with weather

stripping can significantly reduce energy cost

– Especially with public buildings

• Isolating a building entrance from the main

halls and offices with a second set of doors to the building can lower energy usage.

• Renewable ¡Energy ¡

Solar ¡Heating, ¡Photovoltaic, ¡ Geothermal, ¡etc.

Solar Heating

Payback usually 3 to 5 years (after tax credits)

• Heat Buildings

– Passive solar design

• Specially designed windows, walls, and floors
• Collect, store, and distributes heat energy in winter
• Reject solar heat for summer

– Active solar heating

• Collectors to absorb solar radiation,
• Transfer the solar heat directly to an interior space or to a storage system
• Heat transfer fluid can be liquid (water, glycol, etc.) or air.
• Hot Water

– Solar water heating systems include storage tanks and solar collectors - (2 types) – Active - circulating pumps & controls, and passive, which don’s – ~ 60% to 80% efficient at energy conversion to hot water

Solar Heating

Active solar heating

– Savings depend on climate –Reduce heating bills by 50%


DETAILS

– Pre-heat air as it enters a building

– Most economical in cold climates with good solar exposure. – Cost variation

• Larger systems cost less per unit of collector area
• Commercial systems installation range from 


$30 to $80 per square foot of collector area

• Commercial collectors - 10 year warranties or more
• Economics of an active space heating system can

be improved by heating domestic water by using

• therwise idle collector during summer months.

Solar Heating

Hot water (active or passive),

• Hot water bills should drop 50% - 80%
• Cloudy days - partially pre-heat water

entering conventional hot water tank


• Active system

• Has circulating pumps & controls

• Passive thermo-siphon

• No circulating pumps or controls,


so water tank must be above 
 solar panel for thermo-siphon flow


Photovoltaic Interest

Photovoltaic (PV) – Solar Energy Panels

– US locations get enough sunlight – payback in about 5 years (after tax credits); service life = 25 years

Tennessee: ~ 5 kWh/m2/day solar output ➢ One Panel: 4x8 panel ~ 3 square meters ➢ 20% efficient panel – that’s about 3-4 KW a day (will power a 100 watt bulb for about 35 hours) ➢ Best in class – Sharp – record holder

Photovoltaic

DETAILS of Photovoltaic Cell

• Semiconductor panel absorbs light
• Panel typically converts 10%-18% to kW

– 44.4% in laboratory (achieved May 2013) – materials science & design are keys – 100 square yards needed for a home

• Energy to usable DC Current electricity
• Energy to Power Inverter
• Production of AC voltage for use
• A typical small office = 35 kWh per day.

+

• ­‑

Building Schematic

(Typically: ¡4x8 ¡ft. ¡Panels)

Rise of Geothermal……

• GHPs ¡reach ¡high ¡efficiencies ¡ ¡

(300%-­‑600%) ¡on ¡cold ¡days

• Compare ¡to ¡conventional ¡pumps

¡ 175%-­‑250% ¡

• ¡GHPs ¡use ¡25%–50% ¡less ¡electricity ¡
• ¡Drawback ¡-­‑ ¡GHPs ¡typically ¡cost ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

twice ¡conventional ¡systems ¡ ¡ ¡

• As ¡GHPs ¡interest ¡increases, ¡costs ¡will ¡

come ¡down, ¡so ¡payback ¡ ¡should ¡ improve ¡in ¡the ¡future

Geothermal

• All US locations
• Payback less than 5 years - > 20%
• Unit wise – about same cost – installation

is more expensive..... Exclusive of the field line

• ¡Anywhere ¡there’s ¡a ¡sufficient ¡soil ¡layer ¡
• ¡Upper ¡10 ¡feet ¡of ¡the ¡earth's ¡surface ¡has ¡nearly ¡

constant ¡temperature ¡of ¡50 ¡-­‑ ¡60°F ¡

• ¡Geothermal ¡heat ¡pump ¡(GHP) ¡ ¡

– ¡pipes ¡buried ¡under ¡ground ¡near ¡building, ¡ – ¡plus ¡heat ¡exchanger ¡and ¡building ¡ductwork.

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