10/16/2013

1

Using Air Movement to Improve Energy Efficiency

Overview• Benefits of air movement

• Thermal comfort & ASHRAE Standard 55

• Energy savings: cooling & heating

• Product overview

• Application examples

Thermal Comfort

10/16/2013

2

ASHRAE Standard 55‐2010: Thermal Comfort

“Specify the combination of indoor thermal environmental factors and personal factors that will produce thermal environmental conditions acceptable to a majority of the occupants…”

Said another way…

‐ Quantify comfort for most

What is Thermal Comfort?

It Is All A Matter Of Perspective

Definition:“That condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment and is assessed by subjective evaluation.”

ANSI/ASHRAE Standard 55‐2010, Section 3

10/16/2013

3

Thermal Comfort – what affects it?

Thermal Comfort Variables:

Environmental Factors

• Air temperature (°F)

• Humidity (% RH)

• Radiant temperature (°F)

• Air speed (fpm)

Personal Factors

• Clothing insulation (clo)

• Metabolic rate (met) 

Definitions

• Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD)

• Predicted Mean Vote (PMV)

• Operative Temperature

Comfort Zone

PMV: ‐0.5 to +0.5

PPD < 10%

Operative Temperature ‐ Graphical Method

Operative Temperature (what people feel) = Air Temp +/‐ Radiant Effects – Air Speed Cooling Effect

10/16/2013

4

Comfort Zone ‐ Computer Model Method

Source: CBE Thermal Comfort Tool

Air Movement in Conditioned and             Non‐Conditioned Spaces

Temperature vs. Productivity & Accuracy

10/16/2013

5

Benefits of Large Overhead Fans

Cooling Applications

Designing for Thermal Comfort ‐ Cooling

Typical School Cooling Values

• Air temperature (75 °F)

• Humidity (50% RH)

• Metabolic rate (1 met)

• Radiant temperature (75 °F)

• Clothing insulation (0.5 to 1.0 clo)

• Air speed (40 fpm or less)

Typical

PPD 8%

PMV ‐0.39

Air Speed and Thermostat Offset

ASHRAE Thermal Comfort Tool100 ‐ 350 fpm best cooling per Watt

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Cooling Effect (°F)

Air Speed (Feet Per Minute)

Cooling Effect From Elevated Air Speed

Assumptions:85F Air Dry Bulb & Mean Radiant Temp20 fpm Air Speed (Base Conditions)60% Relative Humidity1.3 Met Metabolic Rate0.5 Clo Clothing Level

Sources:Thermal Comfort Tool ‐ UC BerkeleyANSI/ASHRAE Standard 55

10/16/2013

6

Graphical Method ‐ Shifting the Comfort Zone

Operative Temperature (what people feel) = Air Temp +/‐ Radiant Effects – Air Speed Cooling Effect

Designing for Thermal Comfort

Alternate Office Cooling Values

• Air temperature (79.5 °F)

• Humidity (50% RH)

• Metabolic rate (1 met)

• Radiant temperature (79.5 °F)

• Clothing insulation (0.5 to 1.0 clo)

• Air speed (125 fpm)

Alternate

PPD 5%

PMV ‐0.05

Savings from Airflow to Offset Temperature Increase

• According to the U.S. EPA and D.O.E. Energy Savings Calculator*, each degree of this 4.5°F thermostat offset saves 3% to 6% of cooling energy.

• This gives a total saving of 13% to 27% of cooling energy.

*U.S. EPA and D.O.E. Energy Savings Calculator

10/16/2013

7

Airflow in Non‐Sensitive Spaces

Reductions of 10‐20% in cooling energy

Benefits of Large Overhead Fans

Heating Applications

Air Movement for Winter Energy Efficiency

10/16/2013

8

Stratification in Heating Mode

• Difficult to balance heating and cooling requirements with one distribution system

• Warmer air rises towards the ceiling

• Stratification of 0.5 – 1.0 F°/ft.

• Higher average space temperature, heat loss, equipment runtime, discomfort

Fan Jet Requirement

• Jet that reaches floor• Minimum fan size• Open areas

Forward Operation (No Reverse)

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0%

Fan Energy (%

 Max W

)

Fan Speed (% Max RPM)

Fan Energy Consumption

10/16/2013

9

No Drafts

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 100 200 300 400 500 600 700

Cooling Effect (°F)

Air Velocity (Feet Per Minute)

Cooling Effect From Elevated Air Speed

Destratification Fan ResultsFan Off

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

11/2/2009 0:00 11/3/2009 0:00 11/4/2009 0:00 11/5/2009 0:00 11/6/2009 0:00 11/7/2009 0:00 11/8/2009 0:00 11/9/2009 0:00 11/10/2009 0:00

5’ AFF15’ AFF35’ AFF

Destratification Fan ResultsFan On

30

40

50

60

70

80

90

11/9/2009 0:00 11/10/2009 0:00 11/11/2009 0:00 11/12/2009 0:00 11/13/2009 0:00 11/14/2009 0:00 11/15/2009 0:00 11/16/2009 0:00 11/17/2009 0:00

5’ AFF15’ AFF35’ AFF

10/16/2013

10

ASHRAE Std 62.1 & Overhead Heating

Office

Zone Floor Area ‐ (ft2) 2000

Zone Population ‐ (people) 16

Breathing Zone Outdoor Airflow  (cfm) 200

Typical Zone Air Distribution Effectiveness (Ez) 0.8

Outdoor Air Intake Flow (cfm) 250

250 250

50

200

Ez = 0.8

200 200

200

Ez = 1.0

Winter Destratification ‐ Review

1. Uniform distribution

2. Reduce heating energy*

3. Reduce outdoor air intake requirements

*No change in thermostat setpoint

Reclaim the Ceiling

Ductwork Minimization

10/16/2013

11

• Problem:– Moist air + cold surface = condensation

–Corrosion of metal– Loss of product– Safety

Condensation Mitigation

•Solution:–BAF mitigate condensation by:

–Disturbing stagnant air film–Increasing surface temperature–Increasing air temperature near floor

Improving IAQ

Applications

10/16/2013

12

Industrial Applications (Factories, DC, & Service Centers)

Auto Dealerships – Showrooms and Service Centers

Aircraft Hangars & Terminals

10/16/2013

13

Government & Military

Retail & Commercial Spaces

Public Spaces

10/16/2013

14

Health Clubs & Recreation Centers

Healthcare & Physical Therapy

Schools – K‐12 & Universities

10/16/2013

15

Churches and Shopping Malls

Outdoor Covered Areas

Residential Spaces

10/16/2013

16

Large Diameter Fans and Energy Efficiency

LEED & Large Diameter Fans

Where fans can help:

• Energy & Atmosphere

– Reduce Energy Use

• Indoor Environmental Quality

– Increase Thermal Comfort

– Reduce Ventilation Intake

• Innovation & Design Process– Materials Reduction, etc…

LEED Details http://www.bigassfans.com/page/leed_pts

Big Ass Fans Testing Laboratory

10/16/2013

17

Oakland Unified School District

Oakland Unified School District

Locust Trace

10/16/2013

18

Locust Trace

Summary ‐ Benefits of Large Diameter Fans

• Improve thermal comfort

• Summer and winter energy savings

• Improve air distribution

• Reduce condensation 

Questions

Contact information:Greg Phipps

gphipps@bigassfans.com