sustainable energy efficient roofs - myths vs facts

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4/3/2013 1 WJE Sustainable Energy Efficient Roofs Myths vs. Facts Southern Regional Conference Austin, Texas WJE Sustainable Energy Efficient Roofs Myths vs. Facts Solutions for the Built World 2 Presented by Edis Oliver, PE Principal WJE Goals for the Program Define a “Sustainable Roof” Learn the challenges in roof design Learn all components in roof selection. Learn how to procure sustainable energy efficient roofs Solutions for the Built World 3

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WJE

Sustainable Energy Efficient Roofs

Myths vs. Facts

Southern Regional ConferenceAustin, Texas

WJE

Sustainable Energy Efficient RoofsMyths vs. Facts

Solutions for the Built World 2

Presented byEdis Oliver, PE

Principal

WJE

Goals for the Program

• Define a “Sustainable Roof”

• Learn the challenges in roof design

• Learn all components in roof selection.

• Learn how to procure sustainable energy efficient roofs

Solutions for the Built World 3

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WJE

About WJE

• Engineers, architects and material scientists

• Completely independent.

• No ties to any:

– Manufacturer

– Distributor

– Contractor

• No exclusionary or proprietary specifications

Solutions for the Built World 4

WJE

Sustainable Roof Definition

• A sustainable roof is that which:

– Has the longest trouble‐free service life.

– Has the lowest life cycle cost.

– Produces the greatest energy saving.

– Best serves as a platform for other requirements.

Solutions for the Built World 5

WJE

Requirements for Sustainability

• Sound roof drainage design.

• Proper wind resistant construction.

• Proper energy efficiency.

• Proper installation of all roof components

• Regular inspection and maintenance.

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WJE

• Low slope roof = Less than 3:12 pitch• Steep slope roof = Greater than 3:12• Should be no such thing as a “Flat” roof

Roof Terminology

Solutions for the Built World7

WJE

Design for Area Wind Zone

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WJE

2009 IBC Requires R‐22 Roof Insulation

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WJE

All Roof Components?

• Roof drains

• Through‐wall flashings

• Roof mounted equipment

• Access ladders, steps, and cross‐overs

• Lightning protection

• Skylights

• Fall protection and tie‐offs/restraints

Solutions for the Built World 10

WJE

Roof Drains

• 2009 IBC requires 100% redundancy with primary and overflow roof drains.

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Primary roof drain (Sumped)

Overflow roof drain

Overflow Scupper

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Raise Through‐wall Flashings

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Roof Access

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Access Ladders

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Fall Protection

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Fall Restraints and Tie‐Offs

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Fall restraint tie‐off

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Lightning Protection

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Skylights

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Manage Equipment

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X √

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Manage Equipment

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Manage Equipment

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BituminousRoofs

MetalRoofs

Chemical SheetRoofs

Fluid & SprayApplied Roofs

Low Slope Roofs

Types of Roof CoveringsLow Slope Roof Family

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WJE

Low Slope Roof Family

AsphaltBuilt-up

Coal Tar PitchBuilt-up

SBS Modified APP Modified

BituminousRoofs

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WJE

• Multi‐ply bituminous Asphalt based

• Asphalt built‐up with gravel surface

• Modified bitumen

• Single‐ply chemical

• Ethylene propylene diene monomer (EPDM)

• Polyvinyl chloride (PVC)

• Thermoplastic olefin (TPO)

Common Low Slope Roofs

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• Nailable deck = Lightweight insulating concrete, gypsum or wood

• Non‐nailable substrate = roof insulation

• 3 or 4 layers of glass fiber ply sheet

• Hot asphalt binds and waterproofs

• Smooth surface or gravel aggregate

Multi‐ply Bituminous Asphalt Based

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Lightweight Insulating Concrete

26Solutions for the Built World

WJE

Ply Application

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WJE

Good Metal Deck Prep for Roofing

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Proper Metal Deck Roof Construction

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Rigid Roof Insulation on Metal Deck

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Second and Third Layers with Staggered Joints

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WJE

• Applies to all buildings in Texas

• Reroofing is a “substantial modification” to a building.

• All buildings must comply (minimum R‐22 roof insulation).

• Public buildings must have design submitted to SECO.

Texas Energy Code

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Roof Application Schematic

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WJE

• Mop plies in hot asphalt

• Heat weld plies with open flame torch

• Adhere plies with cold MB adhesive

• Self adhering plies

Four Application Methods for Modified Bitumen

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WJE

Mopping plies in hot asphalt

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Torching Energy Star Cap Sheet

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Applying with Cold Adhesive

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Ballasted EPDM Reroof

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WJE

TPO with Heat Welded Seams

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WJE

Myth No. 1

• Myth:

• The skin or roof covering is the most important consideration in a roof decision.

• Fact:

• Wrong.  The complete assembly (air to air) is the most important consideration.

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WJE

Life Cycle of Low Slope Roof Products

Solutions for the Built World

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Organic Asphalt Felts

Glass Fiber Ply Sheet

Ballasted 45 Mil EPDM

CSPE Hypalon

Unreinforced 45 Mil PVC

APP Modified Bitumen

SBS Modified Bitumen

60 Mil TPO

Reinforced 60 Mil PVC

Reinforced 60 Mil EPDM

Evaloy PVC

Spray in Place Foam

Coal Tar Felts

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WJE

Type Avg.Years, RIEI

• Metal Panels 25

• Coal Tar Pitch BUR 23

• Asphalt BUR 16.7

• SBS Modified 16.6

• TPO 15.0 *

• APP Modified 14.1

• Reinforced PVC 14.2

• EPDM 13.0

• Reinforced Hypalon 12.8

• Polyurethane Foam 12.1

Estimated Roof Lives

Data from Roofing Industry Educational Institute, 2000

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Myth No. 2

• Myth:

• Single‐ply roof membranes are cheaper than multi‐ply modified bitumen membranes.

• Fact:

• Wrong.  Single‐ply roofs are usually applied over cheaper assemblies.

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WJE

Proper Modified Bitumen Roof System

Solutions for the Built World

2 Layers of insulation with joints staggered.

Fastener through 

bottom layer only.

Fastener through top deck flange.

Fully adhered roof 

membrane.

WJE

Typical Single Ply Roof Assembly

Solutions for the Built World

Thermal break (energy loss) at 

joints.

Thermal bridge at fastener.

Fastener rubbing on underside of membrane.

Fastener through bottom 

of flute.

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WJE

Single Insulation Layer Failure Mode

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Fastener  head punctures membrane

Unsupported screw rocks

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Single Ply Failure Mode

•Fastener Backout

WJE

Summary Note

• When roof membranes are both fully adhered, not mechanically fastened…

• When the roof insulation assemblies are identical…

• The cost of a single‐ply membrane and multi‐ply modified bitumen membane are equal.

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WJE

Myth No. 3

• Myth:

• White roofs save energy.

• Fact:

• Wrong. Heat island effect maybe, but energy for your building?  Unlikely.

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WJE

Two key attributes of a roofing system that affect a building’s energy usage:

Reflective Properties

Insulative Properties

“Cool Roofs”:The Hot Topic

50

WJE

Reflectance…

• Reduces heat gain 

• Cools roof surface

Simply put… a highly reflective roof can return a significant portion of the sun’s energy back to the atmosphere and the roof’s surface stays cooler

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WJE

How Cool is a Cool Roof?

Source: U.S. DOE/EPA

Some Typical Reflective Values

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WJE

How Cool is a Cool Roof?89 ºF noon

EPDMsingle-ply

173 °F

BUR toppedwith capsheet

158 °F

BUR topped with aggregate

159 °F

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WJE

How Cool is a Cool Roof?

Cool coating over BUR108 °F

Cool single-ply121 °F

89 ºF noon

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WJE

So What Are the Trade‐Offs?

Insulation  R‐Value

??

???

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WJE

Energy Costs…

Electricity for Commercial Customers, $/kwh

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Average Retail Price of Electricity, Commercial End Use

BostonNewarkRaleighAtlantaMiamiClevelandChicagoSt. LouisMinneapolisFort WorthColo.Sprgs.PhoenixSan DiegoFresnoSeattle

Source: EIA, 200956

WJE

Annual Energy SavingsSouthern

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5 15 25 32

R-Value

An

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Sa

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Miami Atlanta Fort Worth Phoenix San Diego

Annual Energy Savings For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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Annual Energy SavingsCentral

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5 15 25 32

R-Value

An

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al

Sa

vin

gs

, $

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ua

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Newark Raleigh St. Louis

Colorado Spgs Fresno

Annual Energy Savings For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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WJE

Annual Energy SavingsNorthern

-6

-4

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0

2

4

6

5 15 25 32

R-Value

An

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Sa

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re

Boston Cleveland Chicago

Minneapolis Seattle

Annual Energy Savings For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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WJE

Annual Energy SavingsAll

-10

0

10

20

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5 15 25 32

R-Value

An

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Boston Cleveland Chicago

Minneapolis Seattle Miami

Atlanta Fort Worth Phoenix

San Diego Newark Raleigh

St. Louis Colorado Spgs Fresno

Annual Energy Savings For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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Another Way To Consider the Trade‐Offs…Southern

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Miami Atlanta FortWorth

Phoenix San Diego

Ann

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Cooling Heating

Cost Increase

Cost Savings

Annual Energy Savings with R-15 Insulation For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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Another Way To Consider the Trade‐Offs…Central

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Newark Raleigh St. Louis Colo.Spgs

Fresno

Ann

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are

Cooling HeatingCost Increase

Cost Savings

Annual Energy Savings with R-15 Insulation For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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Another Way To Consider the Trade‐Offs…Northern

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Boston Cleveland Chicago Minneapolis Seattle

Ann

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Cooling Heating

Cost Increase

Cost Savings

Annual Energy Savings with R-15 Insulation For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

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Considering the Effect Insulation Has…

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0

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Ann

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Cooling Heating

Cost Increase

Cost Savings

Annual Energy Costs/Savings For a Reflective Roof Membrane vs. a Black Roof Membrane

Ft. Worth

R-15 R-15 R-15R-25 R-25 R-25

MinneapolisSt. Louis

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WJE

Insulation vs. White Roof

• Best value = R‐22 Roof Insulation.

• Works summer and winter and day and night.

• White roof offers little energy saving if building has at least R‐16 roof insulation.

• White roof does not stay white.

• White roof is mostly “feel good” for the heat island effect.

Solutions for the Built World 65

WJE

Myth No. 4

• Myth:  

• Recovering an existing roof is just as good as tearing the old roof off plus it saves money.

• Fact:

• Wrong. Recovered roofs only last 2/3 as long as when roofs are torn off plus they fail to meet the Texas energy code.

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WJE

Recover Existing Roof

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WJE

Recover is Poor Value

• Recovered roofs last about 2/3 as long.

• Likely to cover up long‐term deficiencies:– Wet insulation

– Rotten wood nailers

– Rusted deck

– Poor drainage

• Usually do not meet the Texas Energy Code.

• Likely not to retrofit for International Plumbing Code compliance.

Solutions for the Built World 68

WJE

Myth No. 5

• Myth:

• My 20 Year No Dollar Limit Roof Warranty will cover my problems.

• Fact:

• Wrong.  Roof warranties exclude almost everything likely to go wrong on your roof.

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WJE

Roof Warranty Coverages

• What does a roof warranty cover?

• Repair of leaks only if not caused by any of the listed exclusions in the warranty document.

Solutions for the Built World 70

WJE

Roof Warranty Exclusions

• Leaks caused by penetrations and equipment.

• Leaks at sheet metal, such as copings.

• Normal wear and tear.

• Materials failures not yet leaking.

• Wind damage above 55 mph, unless stipulated otherwise.

• Hail damage, unless stipulated otherwise.

Solutions for the Built World 71

WJE

Warranty Exclusions (Continued)

• Leaks at skylights

• Damage due to poor drainage or ponding.

• Deterioration due to chemicals.

• Failure of excluded materials.

• Damage due to excessive foot traffic.

• Unapproved modifications or alterations of the original roof.

• Work by unauthorized contractors.

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WJE

New Technology ‐ Solar

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WJE

Solar Technology and Roofs

• Installation must allow for roof maintenance access.

• Installation must allow for solar service traffic.

• Installation must meet wind design standards.

• Solar reflectivity, heat load, and wind effects on roof systems are under study and long‐term effects unknown.

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WJE

Provide for Roof Maintenance

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WJE

Possible Unintended Consequences

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WJESolutions for the Built World 77

Possible Unintended Consequences

WJE

Solar Energy Tips

• Ensure solar design accommodates roof maintenance and repair.

• Ensure solar design accommodates ASCE 7 wind zone design.

• Plan for roof replacement as part of the solar installation unless a very new roof.

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WJE

New Technology ‐ Green

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WJE

Green Roofs

• Weigh 35 to 65 lbs./sq. ft., or up to 20 times the weight of a conventional roof.

• Mostly limited to structural concrete decks.

• Know your plants.

• Plan for maintenance.

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WJE

Madison High School Agri‐ScienceNorth East I.S.D., San Antonio

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Green Roof Collapse in Illinois

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WJE

Keys to a Sustainable Energy Efficient Roofing System

• Most sustainable roof = longest life.

• Most energy efficient:

– Insulation trumps “cool roof” effect

– Texas Energy Code = R‐22

• Design the entire assembly and all components, not just the skin.

• Tear off old roof; do not recover.

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WJE

Keys to a Sustainable Energy Efficient Roofing System

• Good slope and drainage

• Wind resistant design

• Multiple layer insulation

• Equipment management

• Access ladders

• Fall protection

• Lightning protection

• Skylights

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Sustainable Roof Procurement

• Design must consider entire assembly and all components, not just the skin.

• Material price competition at three levels:

– National manufacturer – 4 or 5 manufacturers.

– Local roof material distributor.

– Local roofing contractors.

• Avoid proprietary or exclusionary products.

• Design‐Bid‐Build is best option.

Solutions for the Built World 85

WJE

Causes of Premature Roof Failure

Design50%

Materials20%

Maintenance15%

Labor15%

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WJE

0 5 10 15 20 21.7

Design and Installation Component

Maintenance Component

The Roof Maintenance Component

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The Wrong Way.

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WJE

The Right Way.

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WJE

Sustainable Energy Efficient Roofs

Myths vs. Facts

Southern Regional Conference

Thank You.