RETROCOMMISSIONING AUDIT REPORT › wp-content › uploads › 2019 › 08 ›...

39
RETROCOMMISSIONING – AUDIT REPORT DECEMBER 2, 2013

Transcript of RETROCOMMISSIONING AUDIT REPORT › wp-content › uploads › 2019 › 08 ›...

  • RETROCOMMISSIONING –  AUDIT REPORT 

    DECEMBER 2, 2013 

  • P a g e  | 1 

    EXECUTIVE SUMMARY 

     was contracted by   to complete audit phase retrocommissioning services at the .    is an 81,856  ft2 building  that houses college 

    and high school science classes, research labs, fitness center, auditorium and offices.  The building was completed in 1998.   

    Retrocommissioning  (RCx)  is  a  collaborative  process with  the  RCx  consultant  and  building  staff  that evaluates  how  a  building  system  is  operated  and maintained,  and  then  identifies ways  to  improve overall  building  performance  including  thermal  comfort,  energy  performance,  indoor  air  quality  and system functionality.  The RCx process at the Science Center consisted of 2 phases, an audit phase and an  implementation phase  including  verification.   The  scope of  investigation was  limited  to  the HVAC system.     

    The RCx team participated in the Focus on Energy RCx program as well as the Focus on Energy customer business incentive program.  These programs provide financial rebates based on the total energy savings implemented. 

    Prior to beginning the audit phase,   reviewed the building’s utility data.  For a 1 year period in 2012, the college spent $254,000 on electric and gas utilities.  Compared to other similar lab and educational buildings, the Science Center energy intensity is approximately average.     

     identified numerous energy efficiency opportunities during the RCx audit.  

    ’s estimated a  total savings of $52,501/year  in gas and electric costs.   The  implementation cost was estimated to be $230,000 and the total Focus on Energy rebate is estimated to be $35,000. 

    Table 1:  Summary of Savings 

    Electric  Savings  Gas Savings 

    Cost Savings 

    Cost Avoidance 

    Simple Payback 

    Implementation Cost 

    26%  46%  21%  $52,501/yr  4.4 yrs  ~$230,000 

    gltiffanyjobText BoxHGA

    gltiffanyjobText BoxHGA

    gltiffanyjobText BoxHGA

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 2 

    TABLE  OF  CONTENTS 

    EXECUTIVE SUMMARY ....................................................................................................................................... 1 

    INTRODUCTION.................................................................................................................................................. 3 

    SCIENCE CENTER OVERVIEW ............................................................................................................................... 4 

    PRELIMINARY ENERGY‐USE ANALYSIS ................................................................................................................ 6 

    BUILDING SYSTEM DESCRIPTIONS ..................................................................................................................... 12 

    HVAC ................................................................................................................................................................... 12 

    RECOMMENDED ENERGY EFFICIENCY MEASURES .............................................................................................. 18 

    Overview ............................................................................................................................................................. 18 Recommended Measures .................................................................................................................................... 19 

    ADDITIONAL RECOMMENDATIONS ................................................................................................................... 26 

    Overview ............................................................................................................................................................. 26 

    IMPLEMENTATION PLAN ................................................................................................................................... 28 

    ENERGY EFFICIENCY MEASURES FOR FUTURE IMPLEMENTATION ...................................................................... 30 

    Overview ............................................................................................................................................................. 30 Future Measures ................................................................................................................................................. 30 

  • P a g e  | 3 

    INTRODUCTION 

    This report summarizes the retrocommissioning process that was completed at the .      ( ) was hired by    to 

    complete  an  extensive  building  retrocommissioning  (RCx)  process  through  the  Focus  on  Energy Retrocommissioning program.   This program provides  incentives  to  the building owner based on  the total energy savings of  the  implemented measures.   The  first phase of  this project  included  the audit portion of the RCx process only. 

    The project timeline is summarized below. 

    The following systems were evaluated during the RCx process: 

    Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) Equipment and Controls

    This  report summarizes  the  findings  that were  identified during  the study.   This  report  is  intended  to provide the building manager and staff with a record of existing building operation and summarize the estimated savings from each of the measures that were identified.   

    As part of the RCx process, the RCx team functionally tested all major HVAC equipment, including all the AHUs, chilled water system, hot water system and terminal units.  The audit phase of the project included approximately 8 visits.   

    Project Stage  Dates Completed RCx Audit Kickoff  July 2, 2013 Audit Phase  July 2013 through November 2013 Implementation Phase  TBD Verification Phase  TBD Persistence Phase  TBD 

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 4 

    SCIENCE  CENTER  OVERVIEW 

      is  an  81,120  ft2,  four  story  science  education  building  located  on  the  campus  of    in  .   The  building  houses  classrooms,  offices,  laboratory facilities,  laboratory support  spaces,  fitness  center  and  large  lecture hall.   The also utilizes a number of classrooms in the facility.  There are approximately 50 fume hoods throughout the facility.   The building  is used during the academic year as well as during the summer session.   The building also hosts summer conferences.   

    The building was constructed in 1998.  The building consists of 6 levels, including lower level, 1st, 2nd, 3rd, 4th floors and a mechanical penthouse  located above the 4th floor.   There  is a parking ramp  located on the back side of the building. 

    Figure 1: Aerial view of [building]

  • P a g e  | 5 

    Since the 1998 opening of the building there have been fairly few modifications to the building systems, except the following changes:  

    RM 402 (old room #420) hoods, supply and exhaust boxes were replaced with a new Phoenixcontrols system that replaced the original Anemostat system in approximately 2011

    As part of an energy efficiency project, the AHU and exhaust fan controls were upgraded frompneumatic control to digital control.

    o The exhaust fans were tied into the DDC system so that they could be scheduled offwhen the hoods were not in use.

    o The AHU’s could also be scheduled more effectively using the DDC system.o EF‐21 and 22 were installed for chemical storage cabinets so that exhaust fans

    associated with hoods could be shut down and not run 24/7 because they were alsopreviously connected to chemical storage cabinets.

    VFD’s were added to the hot water distribution pumps.

  • P a g e  | 6 

    PRELIMINARY  ENERGY‐USE  ANALYSIS 

    Electric and gas utility data were compiled for electric and gas utility data and are shown  in the tables and graphs below.  The 2007 MGE walk‐through audit also included the 2007 utility consumption, which is included below for reference.   

    There  is  limited data available to benchmark  the Science Center  to other similar educational  facilities.  EPA  portfolio manager  does  not  currently  have  a  category  for  college  science  buildings  or  college buildings  in general.   K‐12 buildings are benchmarked  in the portfolio manager system, but comparing the science center to a K‐12 building is not reasonable because the science center has longer hours than K‐12 facilities and also has much more intensive use, especially with the fume hoods. 

    Energy Benchmarks for Science Center‐2012 

    Area [ft2] 

    Energy Use Intensity ‐ 

    Site [kBTU/ft2/yr] 

    Energy Use Intensity ‐ Source 

    [kBTU/ft2/yr] 

    Energy Cost [$/yr] 

    Energy Cost  Intensity [$/ft2/yr] 

    81,856  236  416  $ 254,727  $ 3.21 

    Energy Consumption from  2007 and 2012 

    Year  Electric  (kW‐hr) 

    Max Peak Demand (kW) 

    Natural Gas  (Therms) 

    2012  1,767,045  417  133,000 

    2007  1,718,127 ‐ 102,116 

  • P a g e  | 7 

     was able to do some benchmarking to buildings that we have previously worked on and also used the  Labs21 benchmarking  tool  to benchmark  the Science Center.   The  results of  this  comparison are shown in the table below. 

    Similar Buildings  Square Footage  kBtu/Sq. Ft. 

    Seamans Center  247,116  190.0 Avg. Building in region w/ Lab space  N/A  223.0 

    81,856  236.2 Medical Education Research Facility  214,536  410.0 Carver Biomedical Research Building  134,628  480.0 Bowen Science Building  324,000  490.0 U of Iowa Pharmacy Building  142,968  710.0 

    Overall, the Science Center energy intensity would be considered average when comparing the building to other lab facilities.  However, the lab use in the Science Center is intermittent and one would expect significantly  lower energy  intensity when comparing  the building  to  intensive  lab buildings.   Based on peer buildings, good target site energy  intensity would be 165 kBtu/ft2‐yr, which  is a 30% reduction  in the building current energy use.  100 kBtu/ft2‐yr for the Science Center would be exceptional energy use and is a 58% reduction in energy consumption.   

    Figure 2: Target Energy Performance Goal Based on Other Buildings and Existing Building Usage 

    236

    165

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    Current Energy Use Target EnergyPerformanceS

    ite Ene

    rgy Intensity

     (kBtu/ft‐sq‐yr)

    Target Energy Performance

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 8 

    Figure 3:  Electricity Consumption History 

    Electric consumption shows a pattern typical of a building with electric cooling and gas heating with a significant increase in electricity consumption in the warm months.  Due to the large amount of outside air brought in for hood make‐up air, the summer consumption is double the winter electric consumption due to high chiller energy consumption.   

    0

    50000

    100000

    150000

    200000

    250000

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    kW‐hr

     Electric Consumption

    2011 2012 2013

  • P a g e  | 9 

    Figure 4: Peak Demand History 

    Peak electric consumption  is  indicated  in the figure above.   Peak electric consumption  is fairly typical, except one would not expect the peak values to plateau over so many months.  The high peak values in the shoulder season  indicate  that  the chiller plant  is unable  to operate efficiently at  low  load, or  that there could have been one very hot day in each of these months that caused a spike in the kW, as the graph  is  indicating that maximum kW  in each of the months, not an average, as  indicated  in the graph below.  

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    450

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    kW

     Peak Electricity Demand

    2011 2012 2013

  • P a g e  | 10 

    Figure 5: Average Peak kW by Month 

    15 minute electric demand  information was analyzed for the period from July 2012 through July 2013.  Based  on  the  15 minute  average  demand  profiles,  there  is  enormous  opportunity  in  savings.    For example, the July 2012 demand profile indicates that electric consumption is fairly constant throughout the day.    This  indicates  that  the  chiller and air handlers are  running 24/7 at near  full  capacity.    This indicates opportunity for equipment scheduling. 

    The winter peak demand  is more typical profile.   However, there  is opportunity  to  further reduce  the unoccupied standby power, which is currently around 125kW.    

  • P a g e  | 11 

    Figure 6:  Gas Consumption History 

    Gas consumption also follows the traditional usage pattern, with an increase in the winter months due to space heating.  Gas usage in the summer remains significant due to the reheat for the reheat boxes associated with the HVAC system air handlers.   There  is also some gas usage associated with domestic hot water.   The summer gas usage should not be as high as  indicated.   One would expect summer gas usage to be about 10‐15% of the peak winter gas usage.  The RCx process will further investigate how to reduce reheat energy in the facility. 

    02000400060008000

    100001200014000160001800020000

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    Therms

     Gas Consumption

    2011 2012 2013

  • P a g e  | 12 

    BUILDING  SYSTEM  DESCRIPTIONS  

    HVAC  

    Air Distribution System 

    The building  is served by three  indoor air handling units.   All air handling units have chilled water and hot water  coils,  variable  speed  supply  and  return  fans,  steam  humidification  and  serve  variable  air volume  boxes.    The  air  handlers  have  a  combination  of  pneumatic  and  electric  actuators,  but  are controlled entirely by the building BAS.  RC Studio is utilized for the BAS front end. 

    Figure 7: Sample Screenshot from RC Studio BAS 

    AHU‐1,  the unit  that  serves  the basement and 1st  floor  is  located  in  the basement mechanical  room. AHU‐2 and AHU‐3 are located in the penthouse above the 4th floor.  AHU‐2 serves the 2nd and 3rd floors, while AHU‐4 serves the 4th floor.  AHU‐3 is different from the other air handlers, in that there is no relief air  and  the  unit  is  an  89%  outside  air  unit  that  is  designed  to  provide mostly make‐up  air  for  the numerous hoods located on the 4th floor.   

    Air Handler Summary 

    Tag  Type Unit 

    Design Cfm 

    Location  Serves 

    AHU‐1  VAV  18,120  Basement  Basement and 1st floor 

    AHU‐2  VAV  38,250  Penthouse  2nd floor and 3rd floor 

    AHU‐3  VAV  41,500  Penthouse  4th floor 

  • P a g e  | 13 

    There are a total of 22 exhaust fans in the building.  Most of these fans serve hood exhaust.  The other exhaust fans are for general bathroom exhaust and mechanical room space cooling in the warm months. 

    On the exhaust fan used for hood exhaust there  is a make‐up box that  is used to maintain a minimum exhaust plume velocity. This ensures that contaminant exhaust is removed and diluted with ambient air at a rate that avoids chemical laden air coming into contact with the building or being brought down the sides of the building with any downdrafts that occur as the wind moves around the building.  The make‐up box damper is controlled by the Anemostat master controller which regulates flow based on the total exhaust flows from the associated exhaust boxes  in the spaces.   A schematic of this exhaust system  is shown in the figure below.   

    Figure 8:  Exhaust Fan Make Up Box Schematic 

    Terminal Units 

    The air handlers serve VAV boxes that communicate with the local zone thermostats to maintain space temperature setpoints.   

    There are three typical terminal unit configurations in the spaces: 

    Standalone pneumatic VAV boxes with no hoods Standalone pneumatic VAV boxes with hood controlled by Anemostat exhaust box and general

    exhaust. Anemostat DDC  supply VAV with multiple  hoods.    Exhaust  box  on  each  hood  and  1  general

    exhaust box per room controlled by Anemostat DDC system

  • P a g e  | 14 

    The majority of the VAV boxes are stand‐alone pneumatic boxes that do not communicate with the BAS.  This configuration is illustrated in the figure below. 

    Figure 9:  Stand Alone Pneumatic VAV Schematic 

  • P a g e  | 15 

    For the spaces that have only one or two fume hoods  in the spaces, such as Rm 312 or 314, there  is a standalone pneumatic VAV supply box, with an Anemostat‐controlled exhaust box for general exhaust and  the hood exhaust.   The exhaust boxes are controlled  such  that  there  is a constant volume of air being exhausted  from  the  space  regardless of  the  sash position.   Therefore,  the  face velocity on  the hood is maintained at 100 fps and the total volume (cfm) being exhausted from the hood changes based on sash position through the hood exhaust box damper position modulation.   The general exhaust will modulate its damper to maintain a constant exhaust cfm for the entire room.   

    The configuration  for  the “hybrid”  system with both pneumatic  supply boxes and Anemostat exhaust boxes is illustrated below. 

    Figure 10: Hybrid Pneumatic and Anemostat DDC System Schematic 

  • P a g e  | 16 

    For  hood  intensive  areas,  the  VAV  boxes  are  part  of  the  Anemostat  hood  control  system.    The Anemostat system is a vintage DDC system that was installed during the original construction.  The front end  for  this system  is  located  in room 113A.   While  the system  is dated,  it has all  the  features of  the latest variable volume hood control systems.   The system  is  intended  to maintain space  temperature, provide make‐up air for the hoods, and maintain the space at a slight negative pressure.  The supply VAV boxes work in conjunction with the exhaust boxes and hood controls.  The following is the sequence of operation for the components of the system: 

    Hood exhaust box modulates damper position to maintain a constant 100 fpm face velocity atthe hood sash.  This allows the total exhaust volume to be reduced as the hood is lowered.

    General exhaust box modulates damper position  to maintain a  fixed offset between  the  totalsupply air and total exhaust air to maintain the lab at slightly negative pressure.

    Supply  boxes modulate  to maintain  space  temperature  and  supply make  up  air  quantity  tooffset the exhaust losses from hoods.

    The  Anemostat  supply  and  exhaust  system  was  replaced  in  Rm  402  in  approximately  2011  with  a Phoenix controls system.  This system is tied into the RC Studio’s BAS but controlled with local Phoenix controllers.   This is the only space that has been retrofitted in the facility. 

    Figure 11:  Anemostat Supply and Exhaust System for Intensive Lab Spaces Schematic 

  • P a g e  | 17 

    Heating System 

    Heating is provided by (2) 4400 MBH non‐condensing natural gas fired boilers  located  in the basement boiler room.   These units serve the building reheat coils, air handler hot water coils, fin tube radiators and the domestic hot water heat exchanger. 

    The boiler  system  layout  is a variable volume primary  system with  lead/lag pumps on variable  speed drives.   Fin  tube  radiators and  cabinet unit heaters are  located  throughout  the building  in perimeter spaces.  The units have standalone thermostats and are not tied into the BAS. 

    There is also an 837 MBH steam boiler that provides steam for the AHU humidifiers and some lab loads. 

    Cooling System 

    A 400‐ton Trane rotary screw water cooled chiller provides chilled water for the buildings air handlers.  The unit capacity is large relative to the building to handle the large amount of outside air that may be needed  to  provide make‐up  air  for  the  large  number  of  hoods.    However,  typically  in  the  summer months the hoods will be off, and the cooling capacity is much greater than the actual demand. 

    The cooling tower is located on the roof.  The unit has both low and high speed fan operation.  

    The chilled water piping configuration is a constant volume primary only setup.  The lead/lag pumps for the system are located in the basement boiler room. 

    DOMESTIC WATER HEATING 

    Domestic  hot water  is  provided  to  the  building  through  a  heat  exchanger.    The  hydronic  hot water system supplies 180°F water to the heat exchanger and 120°F is produced on the domestic side. 

  • P a g e  | 18 

    RECOMMENDED  ENERGY  EFFICIENCY MEASURES 

    OVERVIEW 

    The following energy efficiency measures (EEMs) were recommended as part of the Science Center RCx energy audit.  The ID#’s nomenclature is as follows: 

    “M” prefix are proposed measures for the Focus RCx program. “C” prefix are measures for the custom business incentive program

    The total annual savings of all the measures submitted for incentives was calculated to be $52,501.  The total cost of implementation is approximately $156,100 for a simple payback of 3.0 years. 

    The  Focus  on  Energy  RCx  program maximum  incentive  is  $0.20/ft2  or  $16,371.    Based  on  the  RCx measures M1 through M5, the RCx incentive is maxed out. 

    Measure C1  is being  submitted as a  custom business  incentive.   This program provides  incentives of $0.80/therm and $0.04/kW‐hr.  The total incentive for C1 is estimated to be $19,500. 

    The table below summarizes the estimated savings for measures M1 through M5 and C1. 

    Table 2:  Summary of Savings 

    Table 3:  Recommended Measure Summary 

    Electric  Savings  Gas Savings  Cost Savings  Cost Avoidance  Simple Payback

    26%  46%  21%  $52,501/yr  3.0 yrs 

    ID#  EEM Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Installed Cost ($) 

    Payback(yrs) 

    M1  Schedule AHU's 1 and 2 266,568  32,806  $21,324  $100  0.1 

    M2  Fix HW valve leak on AHU‐2 40,779  14,716  $10,620  $1,000  0.1 

    M3  Fix CW valve leak on AHU‐1 4,656  794  $769  $1,000  1.0 

    M4  Fix AHU‐2 Mixed Air Damper Issues 8,954 ‐ $716  $1,000  1.3 

    M5  Modify Rm 402 VAV Control 11,460  2,012  $1,923  $3,000  1.3 

    C1  Pneumatic VAV Upgrade and Design Flow Mods 91,761  12,382  $17,149  $150,000  8.7 

    Implemented Total  424,178  62,710  $52,501  $156,100  3.0 

  • P a g e  | 19 

    RECOMMENDED  MEASURES  

    EEM #M1 – Modify Air Handler Schedules 

    Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Energy Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Implementation 

    Cost ($) 

    Payback (yrs) 

    266,568  32,806  $ 21,324  $ 100  0.1 

    All air handlers were set to run 24/7.  It is not clear why all the air handlers were set to run 24/7.  Based on conversations with the controls contractor, there were schedules established previously for the air handlers.  However, there was some turnover in the facilities department and it is possible that the schedules were removed at some point. 

     recommends that AHU‐1 and AHU‐2 are scheduled to better match the building occupancy.  

    AHU‐1 can most likely be scheduled to match the fitness center hours, as it tends to be thespace used over the widest range of hours.

    AHU‐2 can be scheduled to reflect general building occupancy which appears as indicated in thetable below.

    AHU‐3 needs to run to provide make up air for the exhaust fans that run 24/7 for the chemicalstorage area.  This includes EF‐3, 21 and22 for a total 24/7 exhaust volume of 5,035 cfm.  It isrecommended that an unoccupied sequence is created for AHU‐3, such that it will maintain aconstant volume of supply air to make up for the exhaust hoods.  Additionally, the anemostatboxes need to be controlled such that they remain closed during this unoccupied mode ofoperation unless they are being used to supply make‐up air for the 24/7 exhaust fans.

    Figure 12:  Starting Point for Schedule Modifications 

    AHU  Season  M  T  W  R  F  Sat  Sun  Comments 

    AHU‐1  Academic Hours  6a‐9p  6a‐7p  7a‐6p  1p‐9p  Match fitness center hours Summer Hours  7a‐7p ‐  ‐

    AHU‐2  Academic Hours  6a‐8p  6a‐6p  8a‐6p  ‐ Summer Hours  7a‐7p ‐  ‐

    AHU‐3  Academic Hours  On 24/7 Supply make‐up air for 24/7 exhaust 

    fans Summer Hours  On 24/7 

    It is anticipated that the schedules will need to be adjusted slightly during implementation.   

    Implementing an optimal routine start for the air handlers is another way to reduce AHU runtime, as well as eliminate outside air when the units are in warm up mode.

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 20 

    EEM #M2– Fix How Water Leak on AHU‐2 

    Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Energy Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Implementation 

    Cost ($) 

    Payback (yrs) 

    40,779  14,716  $ 10,620  $ 1,000  0.1 

    Upon  investigation  of  operation  on  AHU‐2,  it  was  discovered  that  the  hot  water  coil  valve  was consistently leaking and heating the air even when the hot water coil valve was commanded closed. 

    Figure 13:  AHU‐2 indicating the hw valve closed but still heating over coil 

    This valve should be replaced with a functional 2‐way valve.  As discussed in the additional measures list, there is a VFD on the hot water pump and a 3‐way valve is no longer needed, especially if a d.p. sensor is added to control the HW pump, rather than controlling the pump based on outdoor air temperature. 

  • P a g e  | 21 

    Figure 14: AHU‐2 Leaky HW Valve 

  • P a g e  | 22 

    EEM #M3– Fix Hot Water Leak on AHU‐2 

    Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Energy Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Implementation 

    Cost ($) 

    Payback (yrs) 

    4,656  794  $769  $1,000  0.1 

    During investigation, it was noticed that the chilled water coil valve, when commanded closed, appeared to  leak. This  leak was evidenced by the  large temperature difference between discharge air and mixed air. 

    Figure 15: AHU‐1 CW Valve Leak 

    This valve should be replaced or repaired.  If the system is converted to a variable volume chilled water system, this valve should be replaced from a 3‐way valve to a 2‐way valve.  

  • P a g e  | 23 

    EEM #M4– Fix AHU‐2 Mixed Air Damper Issues 

    Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Energy Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Implementation 

    Cost ($) 

    Payback (yrs) 

    8,954  ‐  $716  $1,000  1.3 

    AHU‐2 mixed air damper was commanded closed, but remained 20% open.  This is causing the economizer function to operate at a less than optimal rate because the mixed air temperature setpoint cannot be achieved. Based on BAS data, the economizer can only operate at 60% OA levels, not 100%  

    Figure 16: AHU‐2 Mixed Air Damper Control Issues  

  • P a g e  | 24 

    EEM #C1– Pneumatic VAV Upgrade  

    Electricity Savings (kWh/yr) 

    Natural Gas Savings 

    (Therm/yr) 

    Energy Cost Savings ($/yr) 

    Estimated Implementation 

    Cost ($) 

    Payback (yrs) 

    91,761  12,382  $17,149  $150,000  8.7 

    As described in the building description section, most of the VAV boxes in the building are pneumatically controlled and not connected to the building automation system.  While pneumatic controlled boxes are generally reliable, pneumatic control limits the functionality of the system in regards to scheduling, temperature setbacks, occupancy sensors and other optimization strategies for VAV systems.  

     The proposed retrofit would remove the existing 63 standalone pneumatic boxes and replace them with DDC boxes and thermostats.  The upgrade would enable the system to be optimized in the following ways: 

    Standby mode can be added to VAV boxes such that the box minimum flow can be reset to alower flow or zero when the space is not occupied as determined by a zone schedule or localoccupancy sensor.  Additionally, the temperature setpoints can be relaxed during this standbymode

    Unoccupied mode can be added for the VAV boxes that are associated with air handlers thatcurrently run 24/7 to satisfy the make‐up air requirements of the 24/7 exhaust fans

    Duct static pressure reset for the air handlers can be programmed to reduce the duct staticpressure based on the box demand

    Revise AHU discharge temperature reset based on feedback from the VAV boxes and zones Units that were scheduled 24/7 can now be scheduled because boxes can turn AHU's back on if

    spaces go out of unoccupied temperature setback/setup range Optimal start/stop sequence can be utilized so that programmed schedules are not overly

    generous to account for the worst case warm‐up period on a design hot or cold day Optimize box control utilizing the discharge air temperature sensor Demand control ventilation for auditorium space using CO2 sensor in the space Local stat override to turn on AHU if scheduled off to allow for more off time than what can be

    done currently Install demand control ventilation in the auditorium space to reset VAV box minimums Peak shaving by modifying room setpoints as building kW approaches predefined threshold Close VAV hot water valves when AHU’s are off to reduce HW pump energy

     In addition to the DDC VAV box retrofit, the minimum flows for the boxes should be recalculated.  The original minimum flows were quite large and assumed that the hoods would be running all the time.  The new minimum flows should be determined for the following operating modes:  associated hood on, 

  • P a g e  | 25 

    hood off and room vacant and hood off and room occupied.  There is significant savings in revising the minimum flow requirements for the boxes.    

  • P a g e  | 26 

    ADDITIONAL  RECOMMENDATIONS 

    OVERVIEW 

    In  addition  to  the  energy  efficiency  measures  documented  above,  the  RCx  team  also  identified additional  issues that will  improve the building performance.   None of these  issues by  itself has a very large  energy  impact,  but  in  aggregate  there  is  significant  savings  in  completing  all  these  items  and therefore   recommends these measures are implemented. 

    ADDITIONAL IMPROVEMENT SUMMARY 

    The  table  below  lists  numerous  improvements  that  were  not  listed  in  the  report  but  should  be considered for implementation.  No energy savings calculations were performed for these measures.  

    Table 4:  Additional Improvement Summary Table 

    ID#  Improvement  Description Estimated 

    ImplementationCost 

    A1  Return airflow station filter is plugged Clean flow straightener and potentially upgrade flow station  $200 

    A2 Modify AHU hw valve control so that mixed air maintained at 70, not so valve goes wide open   

    Saves on pumping power during unoccupied period  $200 

    A3  Replace the AHU HW  3‐way valves with 2‐ way valves  

    This will reduce the HW pump power consumption by allowing the drive to ramp down at night 

    $2,500 

    A4 Implement temperature reset on the cw supply temperature setpoint 

    This measure would reduce the chiller power consumption  $500 

    A5  Upgrade AHU airflow stations 

    New airflow stations will improve the return fan control and allow sequence to be updated 

    $6,000 

    A6  Install hw system d.p. sensor  Then revise control so that hw vfd maintains the dp setpoint  $3,500 

    A7  Install RA temperature sensor on AHU‐2 This sensor will improve troubleshooting capabilities  $500 

    A8  Troubleshoot AHU‐2 outside air dampers No outside air is being brought in this unit  $1,000 

    A9  Troubleshoot AHU‐1 mixed air dampers Mixed air damper commanded closed but it remains 7% open  $1,000 

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 27 

    A10  Troubleshoot AHU‐2 high filterpressure drop Currently there is a 1.5” pressure drop on unit filters  $500 

    A11  Troubleshoot AHU‐3 face andbypass issues  

    Face damper commanded open and only 50% open, face commanded closed and only 80% closed.  Bypass commanded open and only 60% open. 

    $1,500 

    A12  Close exhaust valve dampers when air handlers are off 

    Closing dampers will reduce heat loss due to stack effect, especially in the winter 

    $1,300 

    A13  Schedule pond fountain to go off at night There is an existing timer in the control panel for this unit  $200 

    A14  Replace AHU‐3 CW thermometer  Thermometer is broken  $200 

    A15  Troubleshoot AHU‐1 economizer damper 

    Economizer damper commanded closed but remained 5% open 

    $500 

    A16  Replace AHU‐1 HW thermometer  Thermometer is broken  $200 

    A17  Troubleshoot AHU‐2 economizerdamper 

    Economizer damper commanded closed but remained 3% open 

    $1,200 

    Total  $21,000 

  • P a g e  | 28 

    IMPLEMENTATION  PLAN  

    The  information below  is  intended to assist    in formulating a plan to  implement the recommendations outlined  in this report.   Due to the building complexity and various control systems, implementation of the measures is more complicated than a conventional building.   

    Phase 1:  

    Project Time Frame: 12/20‐1/20 

     Facilities Projects 

    Participants: EC facilities staff, 

    AHU‐2 Hot Water Valve Repair AHU‐1 Chilled Water Valve Repair AHU‐2 Mixed Air Damper Other miscellaneous damper issues

    Anemostat Recommissioning 

    Participants: Anemostat TAB technician, Anemostat Controls Tech,  facilities staff, 

    Recalibrate flow stations, dampers, thermostats and other devices Replace faulty transducers Review system programming Modify programming as necessary

    Rm. 402 Phoenix Recommissioning 

    Participants: Masters Phoenix Controls Tech, TAB technician,   facilities staff, 

    Recalibrate flow stations, thermostats and other devices Install space occupancy sensor Modify programming so that minimum flow values change based on exhaust fan status and

    room occupancy condition

    gltiffanyjobText BoxHGA

    gltiffanyjobText BoxHGA

    gltiffanyjobText BoxHGA

  • P a g e  | 29 

    Phase 2: Design and Bidding 

    Project Time Frame: 1/20‐3/20 

    Design Services for Controls Upgrade 

    Recalculate minimum flows for all VAV boxes.  Calculation to determine minimum flows forVAV  boxes when  associated  exhaust  fans  are  on  and  off,  as well  as  standby  flow whenexhaust fan is off and room is vacant.

    Write  design  narrative  for  VAV  pneumatic  to  DDC  conversion  including  the  followingelements

    o Equipment schedule for box and coil sizeo Box sequences of operationo Graphics requirements including reporting and trendingo Points listo Alarm requirementso Occupancy sensor locationso AHU temperature and pressure reset sequenceso Meter screen updateso Peak limiting sequenceso Define project alternates potentially including the following:

    CW pump VFD and CW AHU valve mods HW diff pressure sensor install Stack modification to eliminate need for rain sensor

    EC to Bid Project 

    VAV box installation contract Controls contract

    o QCS is preferredo Other controls contractors could be used but it would add some complexity to the user

    interface

    Phase 2: Implementation 

    Project Time Frame: 6/1‐8/15 

    Installation Services 

    Complete upgrades as outlined in the bid package

    Commissioning Services 

    Complete commissioning on all implemented measures

  • P a g e  | 30 

    ENERGY EFFICIENCY  MEASURES  FOR  FUTURE IMPLEMENTATION 

    OVERVIEW 

    A  number  of measures were  identified  but  not  recommended  for  implementation  at  this  time.    For these measures,  the  simple payback was  significantly  longer  than  the payback  for  the  recommended measures.    In most cases  the simple payback was greater  than 10 years and  it did not make sense  to investment money in these improvements until all the other low cost measures are completed. 

    FUTURE  MEASURES 

    Convert Chilled Water Systems to Variable Volume 

    The existing chilled water system consists of the chilled water loop and the condenser water loop.  Both of these systems are constant volume systems.  Each AHU has a 3‐way chilled water valve that maintains a constant flow of chilled water regardless of the amount of water needed by the coil. 

    The condenser water flow is also maintained by a constant flow pump. 

    This system could be modified to a variable volume primary  flow chilled water system.   The  following changes would be required: 

    Install VFD’s for the pumps and upgrade motors as necessary Add bypass valve in cw system not maintain min flow Switch AHU cw coil valves from 3‐way to 2‐way valves Install d.p. sensor used to control cw pump speed

    Figure 17:  Minimum Flows Possible for Chilled Water System 

    System  Pumps  Current Flow  Minimum Req’dFlow 

    Chilled Water  P‐1,2  770 gpm  417 gpm 

    Condenser Water  P‐3,4  1,200 gpm  425 gpm 

    The  estimated  cost  savings  for  this measure  is  approximately  $2,300/yr.   However,  the  cost  for  this measure would likely exceed $30,000.  

  • P a g e  | 31 

    Modify AHU‐3 Configuration 

    AHU‐3 was designed originally to be a 90% outside air unit.  Only 1 room has return air back to AHU‐3.  The original design intent was that fume hoods run 24/7, as typically done in a lab building to meet code requirements.  The make‐up air for the hoods is provided by AHU‐3 and therefore must run 24/7 as well.  However,  EC  is now using  the hoods  intermittingly,  and  shutting  the units down when  there  are no chemicals  in the hoods.   When the exhaust fans associated with the hoods are off, there  is no way to return air back to AHU‐3 from the  lab spaces.   Therefore, AHU‐3 must continue to be used as a nearly 100% make‐up air unit.   

    Ideally, it would be best to have return air pulled from the lab rooms when they are used as traditional classrooms with all the hoods off.  AHU‐3 outside air percentage could then be reduced as the exhaust fans are shut down that serve the fume hoods. 

    However,  this would require extensive duct work modification  to  the AHU and  the rooms  throughout the 4th floor.  The controls would also be quite complex and further increase the project cost. 

    Based on the extensive modifications necessary it was determined that this measure is not feasible. 

    Implement Heat Recovery for AHU‐3 

    Airside heat recovery  is often used  in buildings with high exhaust or outside air requirements, such as labs.  A heat exchanger is utilized to heat or cool the make‐up air using the already conditioned exhaust stream.  Because the exhaust air is potentially contaminated with chemical exhaust, a run around loop or heat pipe system is typically used to avoid cross contamination of the air streams. 

    If  incorporated  into the original design, these heat recovery systems have reasonable payback periods and  work  quite  well.    However,  in  a  retrofit  application  there  are  tremendous  costs  involved.  Specifically, all the hood exhaust needs to be brought back to the same central location.  

    In  the Science Center most  fume hoods run a  fraction of  the  time, so  the overall savings  from a heat recovery system is greatly reduced.   

    Based on the above information, modifying the AHU‐3 system to include heat recovery is not feasible. 

  • P a g e  | 32 

    Replace Existing Boilers with Condensing Boilers 

    The  existing  boilers  are  non‐condensing  boilers  that  are  approximately  80%  efficient.    The modern modulating  burner  condensing  boilers  have  efficiencies  of  over  95%  when  the  supply  water temperatures are less than 120°F.  There are significant gas savings associated with a condensing boilers when they are operated in the condensing range. 

    At  the Science Center,  there are a number of  system modifications  that would be needed  to achieve condensing operation including the following: 

    VAV reheat coils would need to be sized for 120° or less entering water temperature.  They arecurrently sized for entering water temperature of 180°F.

    Domestic hot water would need a stand‐alone water heater, and not be tied into the hydronicsystem

    Additionally,  the  perimeter  heat  requires  180°F water.    Therefore,  the  proposed  condensing  boilers would need to be operated outside the condensing range when the outside air temperature is less than 30°F to effectively heat. 

    Based on all the modifications that are needed, installing condensing boilers at this time is not feasible. 

    Install Pony Chiller 

    The existing chiller is a 400 ton unit that is sized based on the large amount of outside air required to be cooled for fume hood make up on a design day.  However, most of the time, the actual cooling loads are a  fraction of  the  rated  capacity.   However,  this  chiller plant part  load performance  is not  very  good because it is a constant volume system. 

    Installing a pony chiller system  in conjunction with adding variable speed pumps to the system would enable  the  system  to have much better part  load performance,  such as during unoccupied hours, or when the majority of the exhaust fans that serve fume hoods are off when lab classes are not in session. 

  • P a g e  | 33 

    Modify Exhaust Stacks 

    The  existing  exhaust  stacks were designed with  the  assumption  that  the  exhaust  fans  run 24/7,  and therefore were designed without any means to avoid rain and snow from falling down the stack when the  units  are  off.    After  the  exhaust  fans  were  initially  scheduled  off,  there  were  issues  with  rain accumulating in the ductwork and fan housing.  A series of drains was added to the duct work, but there remained issues with water accumulating in the ductwork.   

    Based  on  these  issues,  a  rain  water  sensor  was  added  that  turns  on  the  exhaust  fans  if  they  are scheduled off and the sensor detects rain.   

    While the extra runtime is not very significant, it was reported by building occupants that the apparent random operation of the exhaust fans and hoods is a nuisance. 

    One solution would be to refabricate the exhaust ducts to allow self‐draining of the stack and eliminate the need for the rain sensor.  The figure below illustrates some solutions to this issue. 

    Figure 18: Alternate Stack Designs 

  • P a g e  | 34 

    Figure 19:  Existing Exhaust Stacks 

    At this time,   did not recommend the implementation of this item due to the longer payback of this measure compared to the other measures. 

    gltiffanyjobText BoxHGA