39
1 Energy Analysis and Sustainable Solutions for a Distribution Warehouse Faculty Advisors – Dr. Joe Marriott and Dr. Melissa Bilec July 31, 2009 Revised September 1, 2009 Matt Kaminski University of Pittsburgh College of Engineering [email protected] Kathleen Kessler University of Pittsburgh College of Engineering [email protected] Abigayle Sterle Cornell University College of Engineering [email protected]

summer research papr

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: summer research papr

 

  

 

1

     

Energy Analysis and Sustainable Solutions for a Distribution Warehouse 

   

  

Faculty Advisors – Dr. Joe Marriott and Dr. Melissa Bilec  

July 31, 2009 Revised September 1, 2009 

                

Matt Kaminski University of Pittsburgh College of Engineering [email protected] 

Kathleen KesslerUniversity of Pittsburgh College of Engineering 

[email protected] 

Abigayle SterleCornell University 

College of Engineering [email protected] 

 

Page 2: summer research papr

 

  

 

2

Table of Contents EXECUTIVE SUMMARY ......................................................................................................................................................... 4 INTRODUCTION ....................................................................................................................................................................... 6 BACKGROUND ........................................................................................................................................................................... 6 FACILITY DESCRIPTION AND OPERATIONS ............................................................................................................... 7 General Operations ............................................................................................................................................................ 8 Physical Description .......................................................................................................................................................... 8 Energy Usage ........................................................................................................................................................................ 9 

ENERGY AUDIT ....................................................................................................................................................................... 10 Methods ................................................................................................................................................................................ 10 Electricity ........................................................................................................................................................................ 10 Natural Gas ..................................................................................................................................................................... 11 

RESULTS ............................................................................................................................................................................... 11 Electricity ........................................................................................................................................................................ 12 Natural Gas ..................................................................................................................................................................... 13 

IMPROVEMENTS .................................................................................................................................................................... 14 Methods ................................................................................................................................................................................ 14 Electricity ........................................................................................................................................................................ 14 Natural Gas ..................................................................................................................................................................... 15 Results: Electric ............................................................................................................................................................ 17 Results: Natural Gas .................................................................................................................................................... 19 

OFFICE MODIFICATIONS .................................................................................................................................................... 26 Methods ................................................................................................................................................................................ 26 Results ................................................................................................................................................................................... 26 Investment Recommendations .............................................................................................................................. 26 Performance Based Improvements and Additional Recommendations ............................................... 27 

INNOVATIONS ........................................................................................................................................................................ 28 Methods ................................................................................................................................................................................ 28 Results ................................................................................................................................................................................... 28 Fuel Cell Forklift ........................................................................................................................................................... 28 Cool/Reflective Roof ................................................................................................................................................... 28 Solar Panel Integration .............................................................................................................................................. 29 

Page 3: summer research papr

 

  

 

3

High Volume, Low Speed Industrial Fans .......................................................................................................... 29 CONCLUSIONS ......................................................................................................................................................................... 31 ACKNOWLEDGEMENTS ...................................................................................................................................................... 32 WORKS CITED ......................................................................................................................................................................... 33 APPENDIX ................................................................................................................................................................................. 35 Appendix A .......................................................................................................................................................................... 35 Appendix B .......................................................................................................................................................................... 36 Appendix C ........................................................................................................................................................................... 38 Appendix D .......................................................................................................................................................................... 39  

 

Page 4: summer research papr

 

  

 

4

 

Energy Analysis and Sustainable Solutions for a Large Distribution Warehouse Matthew Kaminski, Kathleen Kessler and Abigayle Sterle Mascaro Center for Sustainable Innovation University of Pittsburgh 

 EXECUTIVE SUMMARY  Chapman  Properties,  owners  of  the  Leetsdale  Industrial  Park,  requested  an  energy  analysis  of  this  warehouse.    The motivation behind this request was to identify where changes and retrofits could be implemented within the building to save on both monetary expenditures and energy consumption.  The company would like to market themselves as both a more cost‐effective and sustainable alternative to other developers, and in learning about these changes, would have the resources to begin their transformation.  This research paper details the sustainable suggestions for a large distribution warehouse, which consists of both warehouse and office space.   To  begin,  a  thorough  energy  analysis  of  the  building  was  completed.    After  walking  through  the  building  and  taking inventory of all of the specifications from both the tour and an examination of the blueprints, the electric and natural gas utility bills for 2007 and 2008 were analyzed.  This analysis was utilized to see where energy was being consumed so that wastes could be identified.  63% of  the building’s energy costs were due to electric consumption, while 37% were  from natural gas.   These results came from the 2008 utility bills, which served as the basis for all analyses.  58% of the building’s entire electricity demand came  from  lighting  the  warehouse  and  office  space,  and  the  12  forklifts  in  the  warehouse  accounted  for  25%  of  the building’s electricity demand.  After  the  building’s  current  electricity  consumption  was  evaluated,  the  building  was  modeled  through  the  U.S. Department of Energy’s ENERGY‐10 program to get an accurate baseline model.   The program also provided a similarly detailed  low‐energy  case  as  a  suggestion  for  improvements.    This  case  served  as  a  reference  for  all  of  the  suggested changes in this project.   We  categorize  updates  as  either  improvements  or  innovations.    The  improvements were  given  this  title  because  they were  determined  to  be  the  most  easily  implemented  suggestions.    Under  this  category,  electricity  consumption  was analyzed  by  examining  the  lighting  and  fan  systems  to  see  what  changes  could  be  made  to  make  the  systems  more efficient.  For the natural gas analysis, ENERGY‐10 was used to change the roof and wall insulation, the number, size and type of windows,  overhangs  and  the HVAC  system.   These  sustainable  retrofits were used  to determine  the maximum amount of energy savings.  The suggested improvements found to have a payback period (pbp) less than fifteen years were as follows: 

• Set point temperature of warehouse thermostats to 50°F (0 years) • Office Thermostat setup 76°F & setback 67 °F (0 years) • Adding Smart Power Strips to the office (0.1 years) • Installing programmable thermostats in the warehouse with 5°F setback (0.8 years) • Install occupancy sensors to current warehouse lights (1.3 years) • Replace current warehouse lights with high bay T5HO fluorescent fixtures & occupancy sensors (4.3 years) • Replace current radiant heat with direct gas‐fired heaters (4.6 years @ 40% efficiency/12.2 years @ 15%) • Add dimming/occupancy sensors to the office (4.7 years) • Replace current warehouse lights with high bay T5HO fluorescent fixtures (6.8 years) • Replace current warehouse lights with high bay T8 fluorescent fixtures & occupancy sensors (6.8 years) • Replace exhaust fans with more efficient versions and/or regular maintenance of these fans (7 years) • Adding fiberglass insulation to upper walls (11+ years, depending on R‐value) • Replace current warehouse lights with high bay T8 fluorescent fixtures (14 years) 

Page 5: summer research papr

 

  

 

5

 Finally, a group of innovative ideas were discussed.  Due to the high upfront costs and reliability issues of these ideas, it was determined that they were better suited for future warehouse construction.  Also, a selection of case studies involving the constructions of green warehouses in the United States was included in the appendix section.  These studies would also be useful when considering options for future warehouse constructions. 

Page 6: summer research papr

 

  

 

6

 INTRODUCTION The work described in this report was performed by undergraduate research students under the direction of the Mascaro Center for Sustainable Innovation at the University of Pittsburgh in Pittsburgh, Pennsylvania.   This report identifies the benefits  provided  by  increased  energy  efficiency  in  a  specific  warehouse.    These  recommendations were  based  upon observations, measurements and evaluations made specifically for an identified warehouse.   The objective of this research project is to identify and evaluate the current energy consumption of a distribution facility in  Leetsdale  Industrial  Park.    In  doing  so,  recommendations  can  be made  about  the most  significant  opportunities  to conserve energy,  lower operating costs and strengthen  the “green” marketability of  this specific warehouse and others owned and managed by Chapman Properties.   BACKGROUND In the United States, buildings account for 39% of the country’s total energy consumption, 72% of electricity, 14% of that of potable water and consume 40% of  its  raw materials.   Buildings are also  responsible  for 38% of  all  carbon dioxide emissions and 30% of the country’s waste output (1).  Unfortunately, of all federally funded research from 2002 to 2004, only  0.2%  was  spent  to  research  green  building  practices  and  technologies.    This  funding  is  miniscule  compared  to environmental and economic impact that the building industry has in the United States (2).  However, as the benefits of sustainable building design become increasingly acknowledged and accepted by the researchers, policy makers, and the general public, commercial developers have begun to see the need for an increase in efficiency and sustainability in their buildings.   The  need  for  energy  conservation  in  commercial  buildings  is  significant.    Of  the  green  building  research  that  is  being conducted,  the  majority  is  spent  exploring  office  space  improvements  which  have  allowed  commercial  storage  and distribution spaces to trail behind in efficiency practices.   In 2006, commercial buildings were responsible for 18% of all energy consumed in the United States (3).  In particular, warehouses are currently responsible for 7% of all commercial building energy consumption (4).  Common areas of warehouse energy loss include air infiltration through loading docks, inefficient  lighting,  poorly  insulated  roofs  and  windows,  lower  thermal  resistance  values  of  walls  and  lighting  in unoccupied areas.   Some  of  the  benefits  associated with  a more  sustainable  building  design  are  the  improvements  of  both  air  and water quality, employee productivity, comfort and health, the conservation of natural resources and perhaps most notably, the reduction  in  operating  costs  (1).    As  the  cost  of  energy  continues  to  rise,  property  owners  and  tenants  are  becoming increasingly interested in investing in sustainable design and construction.   Chapman Properties,  founded in 1982, owns the warehouse analyzed in this report.   This Pittsburgh‐based commercial developer has operations in Pennsylvania, Connecticut, New York and California, and presently employs twenty experts in construction management, marketing,  finance  and  property management  (5).    They maintain  the  highest  standards  of ethics in their business practices; thus, they have taken an interest in “greening” their current commercial properties.  If implemented,  the  sustainable  changes  suggested  here  will  help  the  company  to  demonstrate  active  leadership  in  the property management industry while simultaneously reducing the operational costs for facility occupants who lease the space.    This  research  deals  specifically  with  one  of  their  warehouses  located  in  the  Leetsdale  Industrial  Park  in  Leetsdale, Pennsylvania.  The Leetsdale Industrial Park is located approximately fifteen miles northwest of Pittsburgh.  The 126 acre park is bordered by the Ohio River and its developments include distribution, office, light manufacturing, and industrial crane spaces (Figure 1).  The riverfront business environment attracts internationally recognized companies including Air Products and Chemicals, FedEx, Shell Lubricants and Almatis Inc. (Alcoa) (5) (6).  Chapman Properties recently acquired new land near the Pittsburgh Airport where it will oversee the construction of new energy efficient warehouse storage, light manufacturing and office spaces.   

Page 7: summer research papr

 

  

 

7

 Figure 1. Map of Leetsdale Industrial Park. (6) 

 

FACILITY DESCRIPTION AND OPERATIONS Table 1 contains a description of the distribution facility in Leetsdale, Pennsylvania.  

Table 1. Description of Distribution Facility. Building Description 

Area  124,162 sq ft (warehouse = 119,215 sq ft, office = 4947 sq ft) Height of Building  30 ft at roof line, 42 feet at center  Lower Walls of Warehouse 

6 ft height, 8 inch split‐faced concrete masonry w/rigid board insulation, R‐7 

Upper Walls of Warehouse 

24‐36 ft height, 6 inch smooth‐faced concrete block with 4 inch insulated metal wall panels, R‐13 

Roof  16.7 degree pitch from edge to center of building, metal roof with 6 inch fiberglass batt insulation, R‐19 

Floor  Concrete slab Warehouse Windows  11,548 sq ft of translucent panels facing the West Loading Area  15 loading dock doors and 1 truck ramp Office Space  11 office rooms, one large conference room, gender specific 

locker rooms and restrooms, one driver’s lounge Office Windows  530 sq ft double glazed, low‐e windows on the northern face 

and 550 sq ft on western face Appliances  130 overhead lights, seven computers, three printers, one 

fax/copy machine 

  

 

Page 8: summer research papr

 

  

 

8

General Operations The warehouse evaluated in this report is owned by Chapman Properties and is currently being leased for the distribution of oil barrels and packaged fuels, see Figure 2. Sixteen employees are involved in the operation.  The employees work year round, Monday  through  Friday,  from  7:30  AM  to  4:30  PM.    Some  employees work  past  4:30  PM  and  others work  on Saturday mornings.    On  average,  twelve  employees work  in  the warehouse  during  business  hours  and  the  remaining people work in the office space that is enclosed within the main building. 

Figure 2. (Left) Looking down aisle of warehouse space; (Right) Drums of oil stored in high‐bay ceiling warehouse  

Physical Description 96% of the area of the building is used as a warehouse, while the remaining 4% contains the office, lying in the northwest corner.  A basic layout of the facility is shown in Figure 3.  The western face of the storage space features a truck docking area with sixteen dock doors and two ramps.   

 Figure 3. Layout of distribution facility in Leetsdale Industrial Park (7)

 The building walls contains two types of materials:, the first 6 ft are made of 8 in split‐faced concrete masonry, while the remaining 36 ft consist of 6 in smooth‐faced concrete block with insulated metal wall panels. The edges of the building stand at 30 ft and the metal, clerestory roof has a 16.7 degree pitch.  There are translucent panels running both parallel to the western face and the side with the dock doors. The storage space floor is made of concrete slab.  The building’s insulation varies depending on its location within the building.  6 in fiberglass batting insulates the roof to give it an overall R‐value of 19. An R‐value indicates an insulation’s resistance to heat flow, where a higher R‐value offers a more effective insulation.  The concrete masonry units that comprise the first 6 ft of the wall structures are filled with rigid board insulation, allowing this section of wall to achieve R‐7.   The wall sections above the concrete masonry have 

Page 9: summer research papr

 

  

 

9

fiberglass batt insulation, making these walls R‐13.  The current fiberglass insulation, although inexpensively purchased and easily installed, is more susceptible to air convection than spray foam insulation, and generally consists of only 15% recycled content.  The office consists of eleven office spaces, gender specific locker rooms and restrooms, a conference room and a driver’s lounge (Figure 4).  Each office space is located along the perimeter of the building, exposed to daylight and equipped with a  personal  computer.    Three  printers  and  one  fax/copy  machine  are  located  in  the  middle  of  the  space  and  the lunch/conference  room  contains  a  small  kitchen with  a  refrigerator.    There  are  double  glazed,  low‐e windows  on  the northern and western faces of the office.   Finally, approximately 130 overhead light bulbs illuminate the 5,000 sq ft office space.  

Figure 4. Inside conference room of office space

 Energy Usage 

Electricity is required for lighting, office space cooling, the operation of fans and louvers, forklifts, dock levelers, shrink‐wrap equipment in the warehouse and traditional office necessities in the office space.   The twelve electric forklifts are used to move oil drums and shipment orders around the warehouse and into delivery trucks.  The forklifts are charged for eight hours overnight on every weekday. Natural gas is required for the radiant heaters in the building and for heating hot water for the office space.  The primary source of  lighting for the warehouse consists of 241 High Intensity Discharge (HID) 400‐watt metal halide light fixtures.  The high‐bay fixtures are relatively energy efficient in that they have a long life and are able to illuminate a large area with a minimal amount of fixtures.  The energy efficiency of a light is generally determined by the ratio of its lumen output to the number of watts needed to generate that output; the efficiency of the current light fixtures is 85% (8).  Negative features of the high‐bay lights include that they require several minutes to turn on and have shown poor color consistency over their  lifetime.    In addition, the metal halide  light  fixtures experience a 20‐35% drop  in  light output at 40%  of  their  rated  life  (9).    The  fixtures  in  the warehouse  space  are  strategically  located  over  the  isles  so  as  to  not illuminate unnecessary space.  Gas‐fired unit heaters supply infrared radiant heat throughout the storage area of the warehouse.  The radiant heaters are mounted approximately 22 ft from the floor.  The floor and oil drums, which act as the warehouse’s thermal mass (bodies that store heat), absorb the infrared radiant heat energy and heat the air in the space.   The thermal masses continue to radiate heat even when the radiant heaters are turned off.  Thermostats in all areas of the storage space are maintained at 56°F,  while  those  in  the  office  area  are  kept  at  70°F  for  heating  and  74°F  for  cooling.    The  warehouse  space  is  not mechanically cooled, but fourteen exhaust fans with twelve adjacent fan louvers aid with air circulation and space cooling during the warmer months.

Page 10: summer research papr

 

  

 

10

 ENERGY AUDIT 

Methods An energy audit was performed to  find a baseline value  for  the building’s current energy consumption.   The building’s energy consumption was analyzed in two areas: electric and natural gas.  First,  using  the  blueprints  of  the  building  supplied  by  Chapman  Properties,  a  thorough  inventory  of  the  building was taken.    The  number  and  specific  types  of  lights,  windows,  doors,  heaters,  wall  and  roof  insulation  and  flooring  were recorded along with all of the building’s dimensions.  The building’s operation schedule, thermostat settings and specific quantities and types of miscellaneous equipment used in the warehouse and office spaces were noted.  These components were then analyzed according to their effect on the building’s net energy consumption.   Electricity The  building’s  electricity  consumption was  determined with  two methods  used  as  a  check  on  one  another.    First,  the building’s monthly  electricity  bills  from  2007  and  2008 were  acquired  and  the monthly  consumption  and  costs were organized (Appendix A) (10).  The values printed on the bills served as the “actual” electricity consumption of the entire building.    Second,  the  electricity  consumption was  calculated  as  the  summation  of  the  individual  consumption  of  the major  electrical  devices  in  the  warehouse  and  office.    This  calculated  consumption  served  as  the  modeled  electric consumption.     To begin, the voltage, amperage, and/or wattage and operation schedule of the major electric devices in the warehouse and office  spaces were  recorded.   The major  electric devices  included  lighting, office air  conditioning, warehouse  fans, dock levelers, forklifts, shrink wrappers, computers, fax machines, copiers, printers and a refrigerator.     If  the wattage, or power, of a device was not  listed,  it was calculated using a variation of Ohm’s Law which states  that power is equal to the current in the device multiplied by its voltage.  Next, the wattage was multiplied by the number of hours per day that the device was in use.  When multiplied by the expected number of days that the device would be used each month, a value for monthly electrical consumption in kilowatt‐hours per month was determined.  This process was repeated for each electrical device in the warehouse and office, and the monthly values were summed to yield  the modeled  electric  consumption.    The  annual modeled  consumption  value was  compared  to  the  actual  yearly kilowatt‐hour value taken from the utility bills, and the electric portion of the energy audit was evaluated and analyzed.  Electricity Operation Assumptions The lights in the warehouse and office were assumed to operate for nine hours a day, five days a week.   Outdoor lights were  assumed  to  operate  fifteen  hours  a  day,  seven  days  a  week.    Lastly,  security  lights  were  assumed  to  operate continuously.  There  are  fourteen  exhaust  fans  and  twelve dampers  in  the warehouse  that  turn  on when  the  temperature  inside  the warehouse surpasses 80°F.  Using Pittsburgh weather data, an estimate of the number of days per month of needed fan operation was determined.  Based on the average summer temperatures, the exhaust fans and dampers were assumed to operate for ten days in May, twenty‐two days in June and July and fifteen days in August.   There  are  three  shrink‐wrap machines  that were  assumed  to  run  eight  times per  hour  for  eight  hours  a  day, Monday through Friday.  Twelve forklifts were assumed to charge for eight hours during the evening, Monday through Friday.  The fourteen dock levelers were assumed to each operate two minutes per day, Monday through Friday.  Wattages  of  computers,  fax/copy  machines,  printers,  air  conditioning  units  and  refrigerators  were  determined  using EnergyStar data for average appliance output.  

Page 11: summer research papr

 

  

 

11

Natural Gas The natural gas consumption was determined using two methods.   First, as with the electric consumption, the monthly and  annual  natural  gas  consumptions  were  noted  from  the  utility  bills.    Chapman  Properties  provided  the  building’s monthly fuel consumption during 2008 and the Columbia Gas Company of Pennsylvania provided the unit cost of natural gas  for  each month during 2008  (Appendix A)  (11).    The  annual  consumption value  from  the utility  bills  acted  as  the actual natural gas consumption value and was checked against a modeled value determined using the computer program ENERGY‐10.  ENERGY‐10  is an energy program created by the U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory's (NREL) Center for Building and Thermal Systems.  This program enables architects, engineers and consultants to evaluate a  building’s  current  energy  consumption  and  identify  cost  savings  areas  and potential  energy  efficient measures.    The software  provides  a  baseline  estimate  of  a  building’s  current  energy  use  as  well  as  recommendations  for  decreasing energy consumption and annual costs.  ENERGY‐10 requests a variety of building and regional specific inputs and forms its analysis based upon items including weather data, HVAC controls, insulation, roof, ceiling and wall types and number, location and type of windows and doors (12).  Figure 5 represents a typical input box in the ENERGY‐10 program. 

 Figure 5. ENERGY‐10 input box (13) 

 ENERGY‐10 was  used  as  a  tool  to  obtain  a workable  baseline  energy  consumption  value  rather  than  as  a  precise  and accurate building model.  The necessity for an extremely accurate model of the building itself was not nearly as important as finding the savings  in energy obtained from implementing specific changes to the building.    In this,  the exact energy consumption baseline value can be negated, while attention should be paid to the results of the benefits of the changes.  After  inputting  all  of  the  building  characteristics,  ENERGY‐10 was  able  to  build  a model  of  the  building’s  current  fuel consumption.   

RESULTS Table  3  contains  a  summary  of  the  energy  costs  from  2008.    The  majority  of  expenses  were  allocated  to  electric consumption.    

Table 2. Summary of 2008 energy costs 

Electricity Natural Gas Total

$57,373 $34,303 $91,676

63% 37% 100% The monthly costs  for electricity and natural gas were modeled  in Figure 6.   While electricity costs remained relatively constant, fluctuating between about $4,000 and $6,000, the natural gas costs did not.  Electricity costs were slightly higher during the summer months because of office air conditioning and fan demand.  The natural gas consumptions, and thus 

Page 12: summer research papr

 

  

 

12

costs,  were  significantly  higher  during  Pittsburgh’s  winter months  and  nearly  zero  during  the  summer months.    The monthly fuel costs fluctuated between $0 and just over $10,000. 

Figure 6. 2008 electricity and natural gas costs for facility

 Electricity The  inventory of  electrical devices,  their  respective kWh per year output and percentage of  total  electricity demand  is noted in Table 3.  The modeled amount of electricity consumed by the warehouse was the summation of these calculated consumptions.  The calculated total electric demand was 492,480 kWh/yr, and the actual demand according to the 2008 utility  bills  was  519,000  kWh/yr.    Thus,  the  electric  calculations  were  able  to  model  95%  of  the  building’s  actual consumption.  The remaining 5% left unaccounted for was likely attributed to an underestimation of operating hours for the electrical equipment.   

Table 3. Inventory of all devices, power, and annual electricity demand 

Component Quantity Individual Power, kW

Annual Electricity Demand, kWh/yr

Portion of the 95% of the Demand

Warehouse Aisle Lights 207 0.40 193,750 39%

Forklifts 12 5.28 121,650 25%

Other Warehouse Lights 87 various 58,500 12%

Overhead Office Lights 133 0.06 31,870 7%

Office Air Conditioning 3 3.50 27,720 6%

Exhaust Fans 14 2.24 19,460 4%

Printers 3 0.90 17,110 4%

Computers 7 0.24 10,640 2%

Refrigerator 1 0.50 4,380 1%

Fax/Copy 1 1.60 4,220 1%

Shrink-Wrap 3 1.38 2,330 1%

Dampers 12 0.10 750 0%

Dock Levelers 14 0.75 100 0%

TOTAL 492,480 100.0% The break‐down of the building and office electrical demand is shown in Table 3 and Figure 7.  

Page 13: summer research papr

 

  

 

13

Figure 7. (Left) Electricity consumption; (Right) Office space electricity consumption. 

 Lighting acted as the primary electric demand for the both warehouse and office spaces.  Figure 7 shows that warehouse lighting alone accounted  for over half of  the building’s entire electric demand.   Warehouse and office  lighting  together accounted for about 58% of electricity consumption.  In 2008, an estimated $33,270 out of $57,373 was spent to light the building.  Thus, to decrease electricity costs, significant measures should be taken to reduce lighting demand.  Natural Gas The  final  ENERGY‐10 model  stated  that  the  building’s  fuel  consumption  was  1,837,284  kBtu  or  18,013  Ccf  per  year.  According to the 2008 natural gas bills, the building’s actual consumption was 25,927 Ccf.  Therefore, the model was able to account for about 70% of the 2008 fuel consumption.   The modeled ENERGY‐10 model of  the building’s natural gas consumption was  less accurate  than  the modeled electric demand  as  ENERGY‐10  does  not  incorporate  specific  details  about  the  warehouse’s  radiant  heating  system.    The warehouse’s radiant heaters, which account for nearly all of the total fuel demand, are less efficient in heating the space because they are mounted approximately 22 ft high.  ENERGY‐10 does not request information about the mounting style of the heaters, and thus, the inefficiencies were not included in the model’s estimated consumption value.    

Page 14: summer research papr

 

  

 

14

IMPROVEMENTS

Methods After  establishing  a  baseline  for  current  electric  and  natural  gas  consumptions,  behavioral,  programming  and  capital investment recommendations were investigated to decrease the building’s energy use.    An extensive research of energy saving techniques and current practices of known energy efficient commercial buildings and  warehouses  was  carried  out  to  generate  the  suggestions  for  this  warehouse.    A  variety  of  improvements  were assessed  using  an  estimate  of  the  cost  of  the  improvement  and  the  annual  savings  after  its  implementation.    Also,  a payback period was calculated for the suggested improvements that required capital investment.  For performance based recommendations, savings percentages and annual savings were determined.   The payback periods, annual savings and any additional environmental benefits and drawbacks were presented for the company’s review.    Electricity The  opportunities  for  electricity  savings  for  the warehouse were  significant,  as  there  are minimal measures  currently being  taken  to  reduce  power  usage.    Energy  saving  improvements  for  warehouse  lighting  and  fans,  as  well  as  office lighting and air conditioning, were investigated for the warehouse.    Each energy‐saving improvement was also accompanied with an analysis to identify which factors, such as capital costs, installation costs, hours of operation and price of fuel had an effect on the payback period of the improvement.   Lighting Several lighting manufacturers were consulted to provide fixture and installation costs of the potential replacements for the warehouse’s 241 metal halide HID high‐bay fixtures (Figure 9).  The area of the warehouse and the lumen outputs of each potential replacement were used to calculate how many light fixtures would be required to meet the current lighting levels in the warehouse.  In addition, companies specializing in occupancy sensors were contacted to supply information regarding the purchasing and installation costs of the sensors.  The coverage area of the occupancy sensors was used to determine how many sensors were needed to cover the area of the warehouse.  

 Figure 8. Warehouse high‐bay lighting. 

 The electric demands needed to operate the various replacement lights were calculated using both the wattage of the new lamps  and  their  predicted  hours  of  use.    Using  the  estimated  cost  to  purchase  and  install  the  lamps  and  fixtures,  the annual  expected  kilowatt‐hour  electric  savings  and  the  cost  of  electricity  per  kilowatt‐hour,  a  payback  period  was calculated  for  each  potential  lighting  replacement  scenario.    Additional  scenarios  were  carried  out  by  following  the aforementioned method, but also included combining occupancy sensors with the new light fixture replacements.  Sample Electric Payback Period   CURRENT 

Current Light Fixtures: 241 400W Metal Halide Light Fixtures Hours in Operation per day = 9  

Page 15: summer research papr

 

  

 

15

Days in Operation per Year = 260 Utility Company Charge = $0.12/kWh  Operating Cost = [(241 Fixtures)×(400kW/Fixture)×(9 hrs/day)×(260 days/yr)×($0.12/kWh)] 

    = $27,092 / yr PROPOSED 

Proposed Light Fixtures:  271 240W High Bay Fluorescent T5HO Light Fixtures Hours in Operation per day = 9  Days in Operation per Year = 260 Utility Company Charge = $0.12/kWh Estimated Cost per T5HO Lamp Fixture = $200 Installation Cost per T5HO Lamp Fixture = $30  Cost for T5HO Light Fixtures = (271 Fixtures)×($200/Fixture)  = $54,200 Installation Cost for T5HO Light Fixtures = (271 Fixtures)×($30.00/Fixture) = $8,130 Total Cost for Purchase & Installation= $62,330  Operating Cost = [(271 Fixtures)×(.240kW/Fixture)×(9 hrs/day)×(260 days/yr)×($0.12/kWh)] 

 = $18278 / yr SAVINGS 

Savings/yr = [Current Operating Cost/yr – New Operating Cost/yr]      = $27,092 ‐ $18,278     = $8,814 / yr 

 Payback Period   = [(Total Purchasing Cost + Total Installation Cost) / (Savings/yr)] 

= [($54,200 + $8,130)/ ($8,814/yr)] = ~7.0 years 

 Fans The exhaust fans utilized in this building line the uppermost section of the eastern wall.  When turned on, louvers on the opposite wall open up to accept the fan‐generated cross‐breeze.  This is the only method that the warehouse employs to cool  the  building  besides,  other  than  leaving  the  loading  dock  doors  open.    Cross‐ventilation  is  an  efficient  cooling strategy,  however,  the  horizontal  cross‐breeze  runs  across  the  top  of  the  warehouse  and  often  does  not  reach  the employees working on the ground level.    The  energy  savings  potential  was  also  calculated  for  the  installation  of  more  energy  efficient  fans  and  dampers  that require  less  power  to  circulate  air.    A  payback  period was  determined  for  the  new  fans  and  dampers  by  dividing  the purchasing and installation cost by the estimated annual cost savings on electricity.     Potential  factors that result  in a decrease in fan efficiency, the ratio of cubic ft of circulation per minute per watt, were also  investigated.    Information  regarding  energy  consumption  of  energy  efficient  fans  and  their  associated  costs were requested from several industrial fan companies to effectively determine initial and operating costs.  Also, an estimate of the potential electric savings from an increase in fan efficiency was determined.  Natural Gas ENERGY‐10 was used to generate a series of recommendations to decrease the natural gas usage.  The “low‐energy” case output of ENERGY‐10 provided the basis for the recommendations made to decrease the fuel consumption of the building.   Possible energy reductions were anticipated by varying roof and wall insulation, the amount and location of windows, the temperature  in  the  warehouse  and  HVAC  systems.    A  more  accurate  list  of  savings  recommendations,  however,  was formulated after making detailed  input adjustments  in ENERGY‐10 and comparing the modified total  fuel consumption output to the baseline value.     The  difference  in  fuel  consumption  was  converted  into  a  yearly  cost  savings  using  the  average  price  of  fuel  in  2008 provided by the Columbia Gas Company of Pennsylvania.  Each energy‐saving improvement was also accompanied with an analysis to identify which factors, such as capital costs, installation costs, hours of operation and price of fuel had an effect on the payback period of the improvement.  

Page 16: summer research papr

 

  

 

16

 Roof The effects of an increase in roof  insulation were modeled with ENERGY‐10.   The R‐value of the roof was incremented, and the resulting total fuel consumption was compared to the baseline value.   The installation and material costs of the insulation were divided by the predicted fuel cost savings per year to yield a payback period for the increase in insulation.  The R‐value and corresponding payback period were analyzed for expanded‐polystyrene foam (EPS) and fiberglass roof insulation.  Walls The types and thicknesses of wall insulation in the warehouse space were varied in ENERGY‐10, and the corresponding total expected fuel consumption was compared to the baseline value to yield an overall energy savings for the insulation modification.  As with the analysis of the roof insulation, the assumed installation and material costs were divided by the respective fuel savings cost per year to yield a payback period for the capital  investment.   The incremented R‐values of the wall that resulted from the variation of insulation thickness and the calculated payback periods were analyzed.  This analysis was repeated for each side of the building, once for the  6 ft lower section of concrete masonry, and again for the 36 ft upper wall section.  Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) The  total  replacement  of  the  radiant  heating  system  was  also  considered.    Before  determining  whether  a  complete replacement of the radiant heating system should be implemented, two methods were used to determine the building’s current heat load.   The  heat  load  of  a  building  is  the  total  heat  per  unit  time  that  must  be  supplied  in  order  to  maintain  a  specified temperature  in  a  building.    The  first  calculation  was  performed  by  hand  using  a  formula  acquired  from  Cambridge Engineering Inc., in which the roof, wall, glass and infiltration loads were summed to yield the building’s current heat load requirement.  The second calculation was performed automatically by ENERGY‐10 after the specifications of the building were  entered.    These  two  calculations  were  used  as  a  check  on  each  other,  and  the  ENERGY‐10  building  heat  load calculation was used as  the baseline value, while  the  total  fuel  consumption output  for  the varied heating  system was noted and compared to the baseline consumption.  The assumed cost of HVAC replacement and installation was divided by the expected annual fuel savings to yield a payback period for the capital investment.  The effects of programming modifications regarding warehouse and office heating were investigated using ENERGY‐10.  Yearly  fuel  savings  were  estimated  for  an  absolute  decrease  in  warehouse  set‐point  temperature  and  for  the implementation  of  a  setback  temperature  during  off  hours.    With  all  other  building  controls  remaining  constant,  the continuous  set‐point  temperature  of  the  warehouse  was  decreased  in  increments  of  0.5  °F,  and  the  total  yearly  fuel consumption output was recorded.  The yearly cost savings associated with the corresponding decrease in warehouse set‐point temperature were determined.  Next, all building controls as well as the building’s set‐point temperature remained constant while a setback temperature was decreased in increments of 0.5 °F.  The setback hours for Monday through Friday were assumed to be from 5 PM to 8 AM  the  following  morning,  and  two  variations  of  weekend  setback  schedules  were  modeled  since  employees  must occasionally work on Saturdays.  The annual savings for each set‐point/setback combination was also determined.  Windows The effects of altering the amount, size and location of double, low‐e windows in the warehouse with ENERGY‐10 were observed.   The  type of window chosen  for  this alteration was  low‐emissivity with double‐glazing.   Low‐e windows are coated with a transparent glaze that reduces the conductance, or U‐value.   A U‐value is the measurement of the rate of heat loss or gain through a material.  The lower the U‐value, the better the window is at insulating (14).    First, groups of windows were added to each side of the building in varying quantities and with different sized panes.  For example, on the north wall, 25 3 ft by 4 ft windows were added to the top part of the wall to yield an estimated annual energy  consumption value  in kBTU.   The number of windows was  then  increased  to 50,  100, 150,  and  so on until  the 

Page 17: summer research papr

 

  

 

17

number of windows exceeded the allotted wall area.  The process was repeated for 4 ft by 6 ft windows, and then for 6 ft by 6 ft windows, all of the same material.   Then, the bottom part of the north wall was analyzed in the same way.   The addition of windows was considered for north, south, east, and west walls of the building.  Finally, the increases or decreases in fuel consumption from the baseline value of ENERGY‐10 were analyzed to determine where the window addition had the greatest effect.  Different combinations of windows were added to the two sides that showed the greatest decrease in fuel consumption.  The energy consumed, percent energy decreased and payback periods were calculated.  Overhangs ENERGY‐10 was also used to model the effects of adding overhangs to each side of the office.   The shading angle of the overhangs was slowly incremented for each side of the office, and then additional scenarios were tested, which increased the shading angle of two sides of the office simultaneously.  The new fuel consumption after the shading was compared to the  baseline  value,  and  the  total  fuel  consumption  was  recorded  for  incremented  latitude  angles  of  overhangs  and compared to the baseline value to yield a potential annual savings.  Results: Electric Lighting Five potential lighting replacements are discussed, while the projected savings for each light modification over the next ten years is shown in Figure 10.  Table 4 summarizes the effects of each of these lighting replacements.  

 The first option involved adding occupancy sensors to the current light fixtures.  After receiving product information from WattStopper™  Commercial  Lighting  and  Controls,  it  was  decided  that  passive  infrared  radiation  (PIR)  sensors  would provide the greatest energy reduction and savings.   PIR sensors operate by detecting body movement due to a thermal disturbance in the sensor’s, and a signal is relayed to the light fixture and the light turns on until  it no longer detects a thermal disturbance view (15).    Two different coverage patterns were available for the PIR sensors: 360° area coverage and linear coverage.  The most appropriate sensor to cover the aisle areas within the warehouse was a linear coverage sensor that senses movement 30 feet in each direction.  In order to provide the recommended 20% overlap between sensor views, it was concluded that 163 sensors would be required to cover the area of the warehouse.  An overall 30% decrease in electricity consumption, a $15,110 annual savings and a payback of 1.3 years resulted from this improvement (Table 4 , Figure 9).  An increase in capital costs and installations costs of the sensors would have little effect on the payback period, neither increasing the payback period by more than one year.  

 

eplacing the current 400W, 241 metal halide warehouse lamps with T8 Fluorescent Lamps resulted in a 17% decrease in electricity consumption, a $7,470 annual savings and a 14 year payback (Table 4 , Figure 9).   “T8” refers to the diameter of the bulb in 1/8 inch, thus, this diameter of a T8 bulb is 1/8 inch multiplied by 8 to yield a one inch diameter.  A High Bay T8 lamp offers a lower light output, 79 lumens/watt as opposed to 85 lumens/watt for a metal halide, but operates at a much lower wattage than a metal halide (MH) light.  On average, T8 lamps have a 5,000 hour longer life span compared to MH lamps and they offer an instantaneous start (8) .  

Two  disadvantages  of  the  T8  Fluorescent  lamp  replacement  were  the  higher  initial  cost  and  a  greater  number  of necessary lamps so as to comply with the warehouse’s regulations of providing 30 lumens of light at 3 ft above the floor.  Given  the  area  of  the warehouse  and  the  necessary  lumen  compliance,  549  4‐bulb  T8  light  fixtures were  required  to properly illuminate the space.  An increase in capital costs by more than 25% would increase the payback period by three or more years.   On the other hand,  increases of 0‐50% in the cost of  installation would not alter the payback period by more than one year.  However, if either the hours of operation of lights or the cost of fuel were to increase by more than 50% in the future, payback periods for the T8 fixtures will increase by more than twenty years.  

Page 18: summer research papr

 

  

 

18

Table 4. The payback period and annual savings associated with each lighting modification 

Payback

(Yrs) Savings/Yr

% Savings Electric

Bill

Current Lighting 0.0 $0 0%

Current Lighting w/ sensors 1.3 $15,110 30%

High Bay Fluorescent T8 14.0 $7,470 17%

High Bay Fluorescent T5HO 6.8 $9,096 20%

High Bay Fluorescent T8 w/ sensors 6.8 $18,480 35%

High Bay Fluorescent T5HO w/ sensors 4.3 $19,273 36%

 Replacing  all  current  warehouse  lamps  with  T5HO  Fluorescent  Lamps  resulted  in  a  20%  decrease  in  electricity consumption, a $9,096 annual savings and a 6.8 year payback (Table 4 , Figure 9).  The high‐output T5 lamp is 5/8 inch in diameter.  Though smaller than the T8 Fluorescent Lamp, the T5HO yields a greater light output, and thus, fewer lamps are required to illuminate the warehouse.   The T5HO lamp operates at a higher wattage than the T8 Fluorescent Lamp, 240 watts as opposed to 128 watts, and the initial costs are greater.  Given the area of the warehouse and the necessary lumen compliance, 271 4‐bulb T5HO light fixtures were required to properly illuminate the space.  An increase in capital costs by more than 25% will increase the payback period by two or more years.  On the other hand, varying installation costs will not alter the payback period by more than one year.  The fourth option involved the combination of replacing the current light fixtures with T8 fixtures and adding occupancy sensors  to  the  T8  fixtures.    By  replacing  the MH  fixtures with  the  549 T8  fixtures  and  adding  the  163 PIR  sensors,  it resulted in a 35% decrease in electric consumption, an $18,480 annual savings and payback of 6.8 years (Table 4 , Figure 9).   Increasing the capital price or installation prices by 50% did not alter the payback period by a significant amount; it still remained under nine years.  On the other hand, a decrease in the hours of operation of the sensors greatly increased the payback period and added anywhere from ten to thirty years, respectively.  The final lighting energy saving strategy for the warehouse combined replacing the current MH lamps with 271 T5HO light fixtures and adding 163 PIR occupancy sensors.    This  change  revealed  savings  of  36%  in  electricity,  $19,273  annually  and  had  a  payback  period  of  4.3  years (Table 2, Table 4 , Figure 9).     The  payback  period  remained  under  six  years  if  capital  or  installation  costs  required  an  additional  50%  investment.  However, similar to the previous scenario, the payback period increased by ten to twenty‐five years when decreasing the hours of operation of the sensors or increasing the cost of electricity. 

Figure 9. Annual savings associated with replacing current lights with fluorescent fixtures and occupancy sensors 

Page 19: summer research papr

 

  

 

19

 Fans A total replacement of  the exhaust  fans and dampers was evaluated and determined to be an easily achievable, energy savings recommendation.   The existing exhaust  fans  in  the warehouse operate around 6.8 cubic  ft per minute per watt (cfm/watt). Replacing these fans with high efficiency exhaust fans operating at 22 cfm/watt decreased the building’s total electricity consumption by 2.8%.  To replace each of the current 14 exhaust fans would cost approximately $900 per fan for a total of $12,600.  However, the electricity demand for the fans and dampers would decrease from 20,319 kWh/yr to 5,732  kWh/yr  for  an  annual  savings  of  14,587  kWh.    Using  the  building’s  2008  electricity monthly  rates,  this  energy savings equated to about $1,800 each year.  Thus, the payback period for the cost and installation of more energy efficient exhaust fans and dampers was 7 years.  The calculation is shown below:  Payback Period = $12,600 installation and material cost / $1,800 savings per year                                 = 7 years  The  payback  period  increased moderately when  a  25%  to 50%  increase  in  purchasing  cost  occurred,  1.2  to  2.3  years respectively. The hours of operation of the fans will have an insignificant effect of the payback period.   However, additional measures can be taken to reduce electricity consumption that do not require replacing the existing fans.   The efficiency of a  fan  is directly related to the dust buildup on the  fan blades.   An eighth  inch of dust on a  fan’s blades and shutters can reduce fan performance by as much as 30% (16).  When dust accumulates on fan shutters they are  not  able  to  fully  open,  thus  restricting  air  flow  and  decreasing  overall  efficiency.    Energy  savings  can  occur  by performing  a  monthly  or  bimonthly  inspection  of  the  fan’s  belts,  pulley  wheels,  dampers,  fan  blades  and  filters  and cleaning the components when necessary.  Depending on the current condition of the fourteen exhaust fans and dampers in the warehouse, regular fan maintenance will yield an estimated electricity savings of $500 to $750.    Results: Natural Gas Roof Insulation To increase the R‐value of the roof, insulation wad gradually added to the ENERGY‐10 model.  The “Low‐energy” output of ENERGY‐10 suggested increasing the roof from R‐19 to R‐38.  In order to determine the optimum energy savings, the R‐value was continually increased until it hit ENERGY‐10’s maximum level.  In order to obtain the suggested R‐38 roof, the payback period for the expanded‐polystyrene foam (EPS) insulation was over 53 years.  Although the annual savings was $4,462,  the  initial  purchasing  and  installation  costs were  significantly higher.    Similar  results were obtained when  the effects of adding additional fiberglass insulation were modeled.  An R‐38 roof with fiberglass insulation required a 40 year payback  period with  an  annual  savings  of  $4,475.    Both  EPS  foam  and  fiberglass  insulation  payback  periods  can  vary greatly with the cost of purchasing and installing the insulation.  Due to the large area of the roof, an increase in ten cents per sq ft of material can increase the payback period by more than ten years.  However, energy savings were independent of the price of natural gas and therefore a  large increase in the price of natural gas will result  in a much higher annual savings and a much lower payback period. 

Figure 10. The payback periods associated with investing to add fiberglass or foam insulation to the roof 

Page 20: summer research papr

 

  

 

20

 Figure  10  shows  that  an  increase  in  R‐value  also  increased  the  payback  period  for  the  investment.    Fiberglass  batt insulation produced a faster payback period than the EPS foam insulation at all R‐values.  Wall Insulation The effects of insulation were modeled for the upper and lower portions of the warehouse walls separately.  Adding  insulation  increased  the  annual  savings  per  year  (Figure  11).    Little  increase  in  savings  occurred  after  the insulation increased above 9 inches.   The maximum savings per year occurred when fiberglass insulation was added as opposed to the EPS foam insulation.  Adding  fiberglass  insulation to the upper walls also produced a  faster payback period than adding EPS foam insulation (Figure  11).    The  payback  period  for  adding  fiberglass  insulation  appeared  to  be  relatively  constant,  with  the  lowest payback occurring around the 3 inch increase mark.   The annual savings results for the addition of foam and fiberglass insulation to the lower concrete masonry unit walls are shown in Figure 12.  EPS foam resulted in the greatest savings per year.  After the first inch was added, a small increase in savings occurred. 

Figure 11. Annual fuel savings & payback period for increased insulation to the upper walls 

Figure 12. Annual fuel savings & payback period for increased insulation to the lower walls

 A comparison between the payback periods for the addition of EPS foam and Polyiso insulation to the lower walls of the warehouse  is  shown  in  Figure  12.    The  high  costs  of  purchasing  and  installing  the  EPS  and  Polyiso  foam  insulations coupled with the low savings per year from these changes resulted in long payback periods.  Of the two insulation types tested for the lower wall, EPS foam produced a lower payback period.  The  payback  period  for  the  upper  wall  increases  two  years  for  each  ten  cent  increase  in  price  per  sq  ft  of  material.  Increasing the installation costs for the upper wall by an additional ten cents per sq ft  increases the payback period by five years.  Similarly, a ten cent increase per sq ft in the purchasing cost of foam insulation for the lower wall increases the payback period by about two years. Increasing installation costs of the EPS and Polyiso foam by the same price raises the payback  period  an  additional  seven  to  nine  years.    However,  both  the  upper  and  lower  wall  experience  significant decreases  in payback periods when  the price of  fuel  increase.   A 50%  increase  in  the price of  fuel  lowers  the payback period by six to eight years for the upper wall and fifteen years for the lower wall.  

Page 21: summer research papr

 

  

 

21

Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC) Several scenarios where modeled in ENERGY‐10 to increase the energy efficiency of the building’s heating system.   The  effects  of  adding  additional  thermal mass  to  the  building  showed  no  indications  of  significant  energy  savings.    A complete  replacement  of  the  current  heating  system  with  Cambridge®  direct  gas‐fired  heaters  was  tested.  After contacting a Cambridge® service representative, the prices for Cambridge® heating units and their operating costs were acquired.    The  heat  load  analysis  of  the  building  showed  that  a  total  replacement  of  the  current  26  infrared  radiant heaters could be achieved with 3 Cambridge® S‐Series direct gas‐fired heating units (17).  Case studies of nearly identical warehouses,  in  terms of square  footage, wall and ceiling R‐values, with radiant heating systems have shown a 15‐40% reduction in heating costs when replaced with Cambridge® direct gas‐fired heating units (18).  After the replacement, a 15% reduction in energy costs resulted in an annual savings of $5,146 and a payback of 12.2 years.  A 40% reduction in energy costs showed an annual savings of $13,721 with a payback of only 4.6 years.  Due to the high cost of the direct gas‐fired heating units, an increase in costs of the heaters by 25% to 50% can increase the payback period anywhere from one to three years.  Installation costs were shown to have an insignificant effect on the payback period.  Similar to the other suggested replacements, an  increase  in  the hours of operation or  the price of  fuel by more  than 50% will  increase  the payback period significantly, more than five years.  The  next  scenario  tested  replacing  the  current  heating  system with  baseboard  electric  heat.    The  ENERGY‐10 model showed a $14,206 savings per year in natural gas but a $21,541 increase in the cost of electricity.  It was concluded that this replacement would not increase the energy efficiency of the building.   The  results of  the warehouse and office programming modifications  investigated using ENERGY‐10 were modeled and shown in Table 5 and Table 6.  In every scenario modeled, a decrease in set point, setback, or both temperatures always resulted in a decrease in annual fuel consumption.    A  decrease  in  set  point  temperature  did  not  require  a  programmable  thermostat  since  the  current  thermostat temperature  can  be  lowered.    Therefore,  there  was  neither  an  installation  nor  material  cost  for  the  energy  savings modification.  The continuous decrease in set point temperature resulted in an estimated yearly savings of approximately $700 per 0.5°F decreased (Table 5).  The total fuel consumption was reduced by 3% with each set point decrease of 0.5°F.  

Table 5. Savings associated with various continuous set point temperatures. 

Continuous Set point

Set point,

°F

Setback, °F

Decrease in Fuel Use

Annual Savings

56.0 none 0% $0

55.5 none 3% $708

55.0 none 6% $1,400

54.5 none 8% $2,070

54.0 none 11% $2,722

53.5 none 14% $3,346

53.0 none 16% $3,944

52.5 none 18% $4,515

52.0 none 21% $5,068

51.5 none 23% $5,601

51.0 none 25% $6,091

50.5 none 27% $6,570

50.0 none 29% $7,025

Page 22: summer research papr

 

  

 

22

The  estimated  annual  savings  on  fuel  consumption  with  the  implementation  of  a  setback  temperature  period  was estimated between $350 and $450 with each 0.5 °F setback (Table 6).  Estimates were made for two schedules.  The first operation  schedule  modeled  consisted  of  a  set  point  temperature  for  nine  hours  during  the  week  and  a  setback temperature  after  business  hours  during  the week  as well  as  for  the  entire weekend.    The  second  operation modeled consisted of a set point temperature for nine hours during the week and for four hours during the weekend and a setback temperature  at  all  other  times.    The  estimated  annual  savings was  higher  for  longer  setback  periods  since  the  HVAC system would  theoretically  consume  less  fuel  during  those hours.    An  additional  $100 per  0.5  °F was  saved when  the warehouse temperature was setback for the entire weekend.  A 5 °F setback temperature, which brought the warehouse to  50  °F  during  unoccupied  hours,  resulted  in  an  annual  savings  of  between  $2,500  and  $3,500  depending  on  the operation schedule for the weekend.  

Table 6. Savings associated with varied workday set point and setback temperatures. 

Set point M - F 8 AM to 5 PM

Set point M - F 8 AM to 5 PM, Sat. 7 AM -

11 AM

Set point,

°F

Setback, °F

Decrease in Fuel Use

Annual Savings

Decrease in Fuel Use

Annual Savings

56.0 56.0 0% $0 0% $0

56.0 55.5 2% $445 1% $358

56.0 55.0 4% $878 3% $711

56.0 54.5 5% $1,283 4% $1,035

56.0 54.0 7% $1,653 5% $1,325

56.0 53.5 8% $1,970 6% $1,574

56.0 53.0 9% $2,252 7% $1,790

56.0 52.5 10% $2,511 8% $1,978

56.0 52.0 11% $2,750 9% $2,144

56.0 51.5 12% $2,951 9% $2,284

56.0 51.0 13% $3,135 10% $2,405

56.0 50.5 13% $3,300 10% $2,506

56.0 50.0 14% $3,448 11% $2,595  

Page 23: summer research papr

 

  

 

23

 Window Installation  Figure 13, Figure 14 and Table 7 show that the payback periods for installing windows into the building were very high despite the trial of several combinations of window sizes and locations (Figure 13). 

 Figure 13. The payback periods for the installation of 3 ft by 4 ft double, low‐e windows. 

 The ten smallest payback periods for the installation of windows are shown in Table 7.  The  average  percent  decrease  in  energy  consumption  was  also  calculated  for  each  location  of  windows.    This  was calculated through observing the changes in fuel consumption for varying sizes, quantities, and locations of windows and calculating an average energy decrease.   The East and South side combinations were found to be the most efficient and resulted in an average energy decrease between 1.7 % and 3.7% annually (Table 8).  

Figure 14. The payback periods for the installation of 4 ft by 6 ft (left) and 6x6 (right) double, low‐e windows. 

Page 24: summer research papr

 

  

 

24

Table 7. Payback periods for double, low‐e window installation. 

Location  Size  # Payback Period 

(years) 

South, bottom  6 ft x 6 ft   25  68.31 

South, bottom  6 ft x 6 ft  30  68.97 

South, bottom  6 ft x 6 ft  40  69.24 

South, bottom  6 ft x 6 ft  45  69.76 

South, bottom  4 ft x 6 ft  25  73.79 

South, bottom  4 ft x 6 ft  55  74.90 

South, bottom  4 ft x 6 ft  50  75.02 

South, bottom  4 ft x 6 ft  60  75.06 

South, bottom & top  6 ft x 6 ft  50  79.71 

South, bottom  3 ft x 4 ft  50  82.72 

South, bottom  3 ft x 4 ft  25  83.06 

South, bottom & top  6 ft x 6 ft  80  84.21 

 Table 8. Average energy decrease for double, low‐e window installation. 

Location  Average % Energy Decrease 

South, bottom & top  3.70 

East & South, bottom  3.69 

East, bottom / South, top  3.40 

East & South, top  3.07 

East, bottom & top  2.99 

East, top / South, bottom  2.73 

South, top  2.10 

East, bottom  2.07 

South, bottom  1.68 

East, top  1.13 

The most dramatic decrease in energy consumption resulted from window installation on the entire South side or from installation on the bottom half of both the East and South sides.  The heat produced from the sun’s energy is most intense in these directions.  If windows were installed, less energy would have to be produced mechanically by the warehouse’s HVAC  system.    The  extra  daylight  could  also  be  of  use  in  conjunction with  the  current  lights  in  the warehouse.    The payback periods are so high, however, that the installations of windows are not recommended.  Overhangs According to ENERGY‐10 models, the addition of overhangs to the North, West, or both the North and the West windows of the office did not result in a significant decrease in expected fuel consumption (Figure 15).  Therefore, to decrease fuel costs, it is not recommended that overhangs be added to any of the office windows.  The potential effects of overhangs on electrical demands were not modeled using ENERGY‐10.  

Page 25: summer research papr

 

  

 

25

Figure 15. The effects of office overhang shading on the building's fuel demand.

Page 26: summer research papr

 

  

 

26

OFFICE MODIFICATIONS Methods 

A set of easily achievable office space recommendations were made after completing extensive research about existing energy  efficient  office  spaces.    Behavioral,  programmable  and  investment  recommendations  were  explored  both qualitatively and quantitatively, and a list of sustainable, energy efficient recommendations was formulated based upon the notion that a 0‐5% cost increase is considered acceptable for “greening” a space.    

Results The objective was  to provide a  list of  sustainable office material  and product  suggestions  for  current and  future office renovations.    Recycled  and  sustainable materials  reduce waste  and  conserve  raw materials,  natural  resources,  energy consumption and landfill capacity.   Investment Recommendations Appliances Replacing current appliances with EnergyStar appliances, resulted in an average of 10‐50% less energy consumption per device.  EnergyStar appliances are known to be safer for environment (29).   Sustainable Carpet Typically, carpet  is made from synthetic, petroleum‐based fibers  including nylon, polypropylene or polyester and often emits high levels of VOCs which have been known to cause coughing, fatigue, headaches, pneumonia, and skin problems.  Traditional carpet is usually disposed of in a landfill where they do not decompose.  P.E.T. Polyester fibers are naturally stain resistant, “green” carpet fibers made from recycled plastic bottles which thus reduce the need for petroleum based materials and landfill waste.  At the end of the carpet life, often as long as 20 years, these fibers can be recycled into other products such as car parts.  Sustainable carpet has a longer life than petroleum based carpet adding to its green image and making it an appealing replacement.  The denser the fiber is packed, and the shorter it is, the better it will perform (30).  Cork Flooring Tiles Cork is considered environmentally friendly and sustainable.  No cork trees are cut down during the material harvesting process.  The cork bark is peeled for material use without destroying the tree and the bark grows back within nine years when it may be harvested again.  Cork flooring tiles provide terrific insulation against noise and temperature change and are  resistant  to  insects  and  fire.    Cork  flooring qualifies  for  points  under  the  LEED Certification process  and offers  an exceptional lifetime compared to traditional carpets. (31)  Recycled­Content Gypsum Board Gypsum Board is a type of drywall that is fireproof, nontoxic, and reduces noise level.   Over 30 billion sq ft are used in construction every year.  Recycled gypsum board often contains as much as 80% coal fly ash (the material remaining after coal  combustion),  and  recycled newspaper.   The high  recycled  content  significantly  reduces energy use and associated emissions from processing and shipment of gypsum board and solid waste from its disposal (32).  Recycled­Content Mineral Wool Insulation  Mineral  wool  is  an  insulation  material  similar  to  fiberglass.  Unlike  fiberglass,  the  raw material  used  is  slag,  a  waste material used from iron ore smelting.  Mineral wool contains an average of 75% post‐industrial recycled content.  Mineral wool batts have a higher density than fiberglass, are more fire resistant, and block sound more effectively.  Mineral wool insulation  is  less prone  to air  convection  thermal  losses and achieves an R‐value of approximately 3.7  ft²·°F·h/Btu per inch.   This R‐value  is  comparable  to  spray  cellulose  insulation and high density  fiberglass batts.   The average material costs for mineral wool insulation range from $0.40 ‐ $0.60 per sq ft.  Cellulose Insulation Cellulose insulation is made from recycled wood fiber, primarily newsprint.  It provides a thermal resistance of 3.6 to 3.8 ft²·°F·h/BTU per inch.  A Princeton University study showed that a group of homes with blown in cellulose insulation in the walls observed an average of 25% reduction of air infiltration compared to fiberglass insulation (33).  The study also 

Page 27: summer research papr

 

  

 

27

showed  that  the  high  density  of  cellulose  insulation  provided  a  tighter  fit  as  well  as  an  increase  in  energy  savings.  Cellulose insulation is often 2 to 3 times more dense than traditional fiberglass insulation.  Recycled­Content Mineral­Fiber Ceiling Panels and Tiles Mineral  fiber ceiling panels and  tiles are wet pressed and  typically made  from a mixture of waste paper, mineral  fiber (which may include slag, a waste product from steel‐making), cornstarch, and various other mineral‐based components.  Several LEED Certification points are available should VinylShield A™ mineral fiber ceiling panels be used.  The panels are made of 63% recycled content (12% post consumer and 51% pre consumer).  In addition, their high light reflectance may reduce lighting demands (34).  Low VOC Materials and Paints  Volatile organic compounds (VOCs) are emitted as gases  from certain solids or  liquids such as paint,  lacquers, cleaning supplies,  pesticides,  wood  preservatives,  and  glue.    Minimizing  exposure  to  methylene  chloride,  benzene,  and percholoroethylene  and  increasing  ventilation  can  help  prevent  sick  building  syndrome,  a  where  building  occupants experience dizziness, nausea,  fatigue, and difficulty concentrating..   Nearly all LEED certified buildings contain  low VOC materials and paints.  Recycled Ceramic Tile Countertops Ceramic  tile  can be manufactured  from recycled  light bulbs, bottles,  glass,  and porcelain.   Recycled  ceramic  tile  is  also biodegradable  and  contains  low VOC  adhesives.    The  product  is  highly  durable  and  post  consumer  tiles  are  generally readily available.  Movable Partitions Movable partitions  can be  installed  for one office  configuration and may be  taken down and  reconfigured  for another.  100%  of  the  material  is  reused  and  this  building  is  not  damaged  upon  reconfiguration.  A  notable  movable  wall manufacturer is IrisWall©.   IrisWall© wall systems provide an environmentally alternative to drywall construction.   The panels  contain  an  aluminum  frame  construction.    The walls  are made  from  100%  recycled material  and  the  limitless design options allow them to be erected in any office building (35).  Waterless/Dual Flush Urinals A case study at the National Health and Environmental Effects Research Laboratory (NHEERL), Atlantic Ecology Division facility  in  Narragansett,  Rhode  Island  documented  the  efficient  use  of  water  at  its  facility  (36).    Average  costs  of  a waterless urinal and dual flush toilet retrofit are $300 and $50 respectively.  Typical payback periods range from 4 to 5 years with average savings in retrofitted office restrooms over 52%.  Performance Based Improvements and Additional Recommendations   The following performance based improvements were recommend to further decrease energy consumption. 

• Invest  in  power  saving  strips  to  reduce  electricity  consumption  (see  Appendix  B  for  estimated  savings  and payback period) 

• Install occupancy sensors in restrooms, locker rooms, conference rooms, offices (see Appendix B for estimated savings and payback periods) 

• Encourage employees to begin a recycling program within the office  space • Turn off lights when not in use, including: non‐essential overhead lighting in day‐lit areas, lighting in unoccupied 

rooms, equipment and storage areas • Close blinds and window coverings on all solar exposed windows during appropriate times of the day or when 

rooms are not in use.  When not in direct sunlight, open blinds and shades to reduce or eliminate the need for overhead lighting 

• After business hours, turn off monitors, printers, and other equipment except for essential equipment for after hours operation (e.g., e‐mail, e‐mail servers, fax machines or other essential equipment) 

Page 28: summer research papr

 

  

 

28

INNOVATIONS Methods 

The energy savings, environmental and worker performance benefits and negative drawbacks of more costly, innovative investments were explored by researching existing building projects.  Innovations were considered to be those that were less  common  in  commercial  buildings,  more  challenging  and  timely  to  install  or  still  in  the  experimental  stages  of development.   Among the  list of  items investigated were fuel cell  forklifts, cool/reflective roof replacement, solar panel integration and industrial fans.  Innovative strategies and systems in existing commercial buildings were also explored to generate future sustainable construction ideas. 

Results The  innovative  items  investigated were  fuel  cell  forklifts,  cool/reflective  roof  replacement,  solar panel  integration, and industrial fans.  Case studies of current warehouse, office, and storage operations were also explored to provide further sustainable, energy efficient design suggestions for future building construction or complete retrofits.  Fuel Cell Forklift A fuel cell is an electrochemical device that combines hydrogen and oxygen to produce electricity.   The by‐products are water and heat (19).  Since the conversion of the fuel to energy replaces combustion with an electrochemical process, the process is clean, quiet and highly efficient, often two to three times more efficient than fuel burning.  The advantages and disadvantages of fuel cell forklifts are as follows (20):   Advantages 

• Battery cell life of 14 hours before refueling is needed • Requires only 5 minutes to refuel, making it very efficient in warehouses that operate two‐three shifts per day 

(typical batteries require 8 hours of charging along with a cool down period). Warehouses that require two or more shifts per day also require two or three batteries per forklift because batteries cannot be recharged during the day while the forklifts are being used 

• Offer higher productivity and maintain constant level of power during operation.  Normal fork lift  battery power can decrease to 70% of its original power output towards the end of its charged life 

• Produces zero harmful emissions.  The only emission is hot water • Payback period as little as 4 years  

Disadvantages  • High capital cost.  Often $5000 more per forklift • Cost of purchasing hydrogen fuel • Electrolysis requires electricity to create the hydrogen • Limited number of hydrogen refueling stations require fuel to be transported to desired location • Durability and lifetime of current fuel cells are still uncertain in forklift operations 

 Cool/Reflective Roof An ordinary commercial building rooftop negatively contributes to the “urban heat island” effect which is defined as the phenomenon whereby urban development and waste heat from automobiles, air conditioning, and industry result in an area that  is significantly warmer than the surrounding suburbs or countryside (21).     The materials commonly used  in urban areas are concrete and asphalt and these have thermal properties that absorb and emit heat at a much higher rate than other materials.  Black rooftops, roads and parking lots, and waste heat can cause a 6‐10 °F temperature difference from  the  urban  area  to  the  suburbs.    The  advantages  and  disadvantages  of  a  cool/reflective  roof  replacement  are  as follows (22):  Advantages  

• Reflects more of the sun's energy back into the atmosphere as opposed to absorbing the heat, thus reducing the urban heat island effect 

• Reduces the amount of energy needed to cool buildings 

Page 29: summer research papr

 

  

 

29

• Can reduce peak cooling demand by 15%–20%   Disadvantages 

• Degradation  of  reflective  roof  coatings  since  high‐albedo  property  of  roof  is  primarily  responsible  for  the cooling‐energy savings 

• Study performed at Lawrence Berkeley Laboratory showed most cool roofs lose 10% of their efficiency within the first year after the application but little degradation after that 

• Only saves money for buildings with AC and thus would not be effective for the warehouse  Case Study: Thomas O. Price Service Center (23) 

• Cool roof purchased and installed for $25,000 (about $1 per square foot)   • The service center recorded savings of $4,000 annually, a 48.7% reduction in cooling costs, and a payback of just 

over six years  Solar Panel Integration Photovoltaic (PV) modules convert sunlight directly into electricity.  PV modules have traditionally been mounted above the roof on racks, but have recently been integrated directly into roofing and walls.  The advantages and disadvantages of a PV system integrated onto the rooftop are as follows (24):  Advantages 

• Reduces the amount of electricity purchased from the utility company • Reduces the consumption of non‐renewable electricity generated from coal, gas, oil and nuclear sources • Reduces air pollution from burning of fossil fuels • Reduces water and land use from central generation plants • Reduces storage of waste by‐products. • Many  states  and  the  federal  government  have  programs  and  tax  incentives  to  reduce  capital  and  installation 

costs for panels  Disadvantages 

• Electricity produced is about $0.25 ‐ $0.50 per kilowatt‐hour (kWh) when considering initial cost spread over the lifetime of the system, plus maintenance costs (25) 

• Solar  cells  produce  direct  current which must  be  converted  to  alternating  current with  the  use  of  a  grid  tie inverter.  Energy loss from the this process varies from 4‐15% 

 High Volume, Low Speed Industrial Fans  One suggestion to improve the indoor environment of the warehouse is to install high volume, low speed industrial ceiling fans (26).   These fans are different than the low volume, high speed fans currently installed in the upper portion of the south  wall  of  the  building.    Although  these  fans  do  an  efficient  job  of  cooling,  the  only  air  that  gets  cooled  is  in  the horizontal direction.  And since these fans are located along the top of the wall of the warehouse, the cooled air does not reach the employees.  They also do not circulate the air well throughout the space, and do nothing to de‐stratify heat.  Advantages 

• In warmer months,  the  fans will  create air movement similar  to  that of a wind chill  effect.   The air  circulates throughout the space, and this movement, regardless of actual air temperature, will cool the workers inside. 

• In colder months,  the  fans have the ability  to push down stagnant ceiling heat and circulate  it  throughout the space.  So in this case, there will be less energy loss from heat waste 

• Positive impact on worker productivity and efficiency • Larger blades  than  standard  industrial  fans  so  cover more  space and can circulate air  through areas of up  to 

22,000 square feet • Quiet 

  

Page 30: summer research papr

 

  

 

30

Disadvantages • Can be expensive • Very large and may not fit into allotted ceiling space • Require regular maintenance 

Page 31: summer research papr

 

  

 

31

CONCLUSIONS The goal of this project was to conduct a detailed energy analysis of the warehouse and provide suggestions to make the building more energy efficient and sustainable.  Many of the results presented in this report are considered transferrable results as they can be used as energy efficient measures for the development and construction of future property as well.   Table  9 contains a summary of the improvement payback periods studied in this report.  

Table 9. Recommendations and their associated purchase costs, savings, and payback periods. 

  Due  to  time constraints,  a  complete energy audit was unable  to be performed  to pinpoint  specific areas of energy  loss within the warehouse.   For example, air  infiltration in the dock area of the western wall was unable to be modeled but should not be ignored as a significant source of heat loss during the cold, winter months.  In order to capture this detail and others, a full scale energy audit is recommended to isolate all areas where energy efficient measures can be taken.   In addition,  a  complete  sensitivity analysis was not  conducted but  is  recommended  to determine precisely how variables such as fuel, electricity, installation, and initial investment costs and operation schedules may alter the estimated payback period.   Additional  time would  also  be  required  to  accurately model  the  building  using  a  variety  of  energy modeling  software programs.  These results should be compared to the results obtained from the ENERGY‐10 model in this report to identify an  even  more  accurate  baseline  value.    Lastly,  without  a  working  budget,  it  was  difficult  to  make  suggestions  for improvements.   Requesting  information  from manufacturers  and  company  representatives  was  a  challenge  because  it  was  not  in  the contact’s interest to provide information regarding purchasing, installation, and operating costs for various electrical and gas consuming devices since we were not making a purchase or requesting their service.  Although a quantitative analysis was desired  to accompany all of our  recommendations,  it was difficult  to quantify many of  the  improvements because company representatives needed to be sent to the warehouse to assess the current situation.   In  this  research, many  sustainable  solutions  to  lessen both  energy  and  cost  expenditures  in  the warehouse have been found  to  be  highly  realistic  and  straightforwardly  obtainable.    With  minimal  effort,  these  changes  will  contribute  to enhanced benefits and marketability for the owners, indoor environmental quality and productivity for the occupiers and will  lessen harmful waste and emissions that impact the outdoor environment.    If this trend continues to become more readily accepted and implemented, both economy and ecology can be sustainable and will thrive together. 

Page 32: summer research papr

 

  

 

32

 ACKNOWLEDGEMENTS Our research group would like to thank Dr. Melissa Bilec, Dr. Joe Marriott and Maria Fernanda Padilla for their guidance throughout  this  project.    Additionally,  we  wish  to  recognize  Anthony  Rosenberger  and  Matt  Ciccone  of  Chapman Properties,  Andrew  Dengel,  and  the  Mascaro  Center  for  Sustainable  Innovation  at  the  University  of  Pittsburgh  for providing  us  with  this  research  opportunity.  Funding  for  this  research  was  generously  provided  by  the  Chapman Properties, Scalise and the National Science Foundation. 

Page 33: summer research papr

 

  

 

33

WORKS CITED  1. U.S. Green Building Council. USGBC: Green Buildings Research. [Online] 2008. [Cited: July 20, 2009.] www.usgbc.org. 2. USGBC Research Committee. A National Green Building Research Agenda. s.l. : USGBC, November 2007. 3. Center for Sustainable Systems. Commercial Buildings Factsheets. [Document]. Ann Arbor, Michigan : University of Michigan. CSS05‐05E08. http://css.snre.umich.edu/css_doc/CSS05‐05.pdf. 4. Energy Information Administration. Overview of Commercial Buildings, 2003. Energy Information Administration ­ EIA ­ Official Energy Statistics from the U.S. Government. [Online] December 2008. [Cited: July 21, 2009.] www.eia.doe.gov/emeu/cbecs/cbecs2003/overview.pdf. 5. Chapman Properties. Chapman Properties. [Online] 2006. [Cited: July 21, 2009.] www.champmanprop.com/chap. 6. —. Leetsdale Industrial Park: Development Master Plan. Champman Properties. [Online] 2009. [Cited: July 21, 2009.] http://www.chapmanprop.com/chap/_images/LIP%20Site%20Plan%20July%202006.pdf. 7. The Design Alliance Architects. Overall Partition Plan: Pennzoil ‐ Building C. Pittsburgh : s.n., June 28, 2002. 8. Waier, Phillip J., [ed.]. Building Construction Cost Data. 64th Edition. Kingston : RSMeans Construction Publishers & Consultants, 2005. p. 720. 9. Commercial Building Tax Deduction Coalition. High‐Bay: Fluorescent vs. Metal Halide. Commercial Lighting Tax Deduction. [Online] 2009. [Cited: July 21, 2009.] http://www.lightingtaxdeduction.org/technologies/high‐bay.html. 10. Duquesne Light. Electric Bills. Pittsburgh, Pennsylvania : s.n., 2008. 11. Pennsylvania, Columbia Gas of. 2008 Pittsburgh Natural Gas Rates for Commercial Buildings. [interv.] Abigayle Sterle. Pittsburgh, July 1, 2009. 1‐888‐460‐4332. 12. Sustainable Buildings Industry Council. ENERGY‐10 A Powerful Energy Simulation Tool for Buildings and Homes. Sustainable Buildings Industry Council. [Online] 2008. [Cited: July 21, 2009.] http://sbicouncil.org/displaycommon.cfm?an=1&subarticlenbr=112. 13. National Renewable Energy Laboratory. ENERGY‐10: A Conceptual Design Tool for Energy Efficient Buildings. 2002. Version 1.6.02. 14. Energy Analysis. Low E technology & double‐glazed windows. Energy Analysis. [Online] 2008. [Cited: July 18, 2009.] energyanalysis.org. 15. Watt Stopper. Product Type ‐ Fixture Sensors and Controls. Watt Stopper. [Online] 2009. [Cited: July 21, 2009.] http://www.wattstopper.com/products/productline_list.html?category=5&type=Commercial. 16. Shelton, David P. and Bodman, Gerald R. G95­1244 Ventilation Fans: Efficiency and Maintenance. University of Nebraska ‐ Lincoln. Lincoln : Cooperative Extension, Institute of Agriculture and Natural Resources, 1995. http://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1597&context=extensionhist. 17. Winters, Daniel. Cambridge Heating Systems. [interv.] Matt Kaminski. Pittsburgh, July 1, 2009. 1‐412‐719‐9454. 18. Cambridge Engineering. Warehouse Heating... When Energy Matters. Cambridge Engineering: Energy Efficient Warehouse Heating Systems. [Online] 2009. [Cited: July 21, 2009.] http://www.cambridge‐eng.com/case_studies/warehouse_heating.asp. 19. Gangi, Jennifer. Fuel Cell‐Powered Forklifts: Raising the Bar. Industrial Utility Vehicle & Mobile Equipment Magazine. May/June 2008. http://www.iuvmag.com/articles/2008_05‐05.html. 20. Mahadevan, K, et al. Identification and Characterization of Near­Term Direct Hydrogen Proton Exchange Membrane Fuel Cell Markets. Columbus : Battelle, 2009. 21. U.S. Environmental Protection Agency. U.S. EPA Basic Information. Heat Island Effect U.S. EPA. [Online] April 2007. [Cited: 30 2009, June.] http://www.epa.gov/heatisland/. 22. Barkaszi, Steve and Parker, Danny. Saving Energy with Reflective Roof Coatings. Home Energy. May/June 1994. http://www.homeenergy.org/archive/hem.dis.anl.gov/eehem/94/940509.html). 23. Southwest Energy Efficient Project. Southwest Energy Efficient Project. Arizona Case Study: Thomas O. Price Service Center. [Online] March 2009. [Cited: July 15, 2009.] http://swenergy.org/casestudies/arizona/tucson_topsc.htm. 24. ToolBase Services. Photovoltaics ‐ Building‐Integrated Photovoltaics. ToolBase Services. [Online] [Cited: July 1, 2009.] www.toolbase.org/technology‐inventory/roofs/photovoltaic‐building‐integrated. 25. OY Not Solar Power Systems. Grid Tie Only Solar Kit Systems, How to size yours. OY Not Solar Power Systems. [Online] [Cited: July 1, 2009.] www.oynot.com/grid‐tie‐only‐how‐to.html. 

Page 34: summer research papr

 

  

 

34

26. Cisco­Eagle. Industrial High Volume, Low Speed Fans for Warehouse and Plant Ceilings. Fans for Warehouse Ceilings ­ Cooling Industrial Fans. [Online] 2009. [Cited: July 3, 2009.] http://www.cisco‐eagle.com/storage/safety%20and%20ergonomics/fans/Index.htm. 27. U.S. Department of Energy. Building Technology Program: Buildings Database. Energy Efficiency and Renewable Energy. [Online] 2009. [Cited: June 5, 2009.] http://eere.buildinggreen.com/index.cfm. 28. Schmitz, Keith. Material Handling Management. Greening the Process. [Online] February 1, 2009. [Cited: June 5, 2009.] http://mhmonline.com/green‐material/mhm_imp_6760/index.html. 29. ENERGY STAR. Appliances: Energy Star. ENERGY STAR. [Online] 2009. [Cited: June 25, 2009.] http://www.energystar.gov/index.cfm?c=appliances.pr_appliances. 30. U.S. Department of the Interior. Sustainable Buildings. Greening the Department of the Interior. [Online] 2009. [Cited: July 15, 2009.] http://www.doi.gov/greening/buildings/. 31. HK Green Building Technology Net. Recycled Flooring. HK Green Building Technology Net: Sustainable Building Products. [Online] [Cited: July 15, 2009.] http://gbtech.emsd.gov.hk/english/sustainable/materials_floor.html. 32. Ecology Action. Green Buildings Material Guide. Ecology Action. [Online] 2009. [Cited: July 21, 2009.] http://www.ecoact.org/Programs/Green_Building/green_Materials/gypsum.htm. 33. Regal Industries Inc. Regal Cellulose TOPS Fiberglass in Performance. Regal Industries Inc. [Online] [Cited: July 1, 2009.] http://www.regalind.com/cellulosevsfiberglass.htm. 34. CertainTeed Corporation. VinylShield A, C: Mineral Fiber Ceilings. CertainTeed. [Online] 2009. [Cited: July 20, 2009.] http://www.certainteed.com/products/ceilings/performance‐series/smooth/314201. 35. Environmental Wall Systems, Ltd. IrisWall Movable Partitions. Environmental Wall Systems. [Online] [Cited: July 6, 2009.] http://ewswalls.thomasnet.com/item/all‐categories/iriswall‐movable‐partitions/iriswall?&forward=1#. 36. U.S. Environmental Protection Agency. Case Study: Sanitary Fixture Upgrades at EPA's NHEERL Facility. Narragansett : s.n., 2006. EPA‐200‐F‐06‐002. 

Page 35: summer research papr

 

  

 

35

 

APPENDIX  

Appendix A 2008 Monthly Utility prices 

  Electricity ($/ kWh) Gas ($/ccf)

January $0.1157 $1.1927

February $0.1180 $1.1927

March $0.1205 $1.1927

April  $0.1184 $1.3374

May  $0.1157 $1.3374

June  $0.1288 $1.3374

July  $0.1230 $1.7618

August $0.1235 $1.7618

September $0.1295 $1.7618

October $0.1201 $1.4814

November $0.1183 $1.4814

December $0.1183 $1.5241

Page 36: summer research papr

 

  

 

36

 

Appendix B 

Component 

Purchase & Installation 

Cost Estimated 

Annual Savings Payback 

Period (yrs) 

WAREHOUSE 

Lighting 

Current Lights w/ occupancy sensors  $19,397  $15,114  1.3 

High Bay T8 Fluorescent  $104,310  $7,470  14.0 

High Bay T5HO Fluorescent  $62,290  $9,096  6.8 

T8 w/ occupancy sensors  $124,807  $18,479  6.8 

T5HO w/ occupancy sensors  $82,765  $19,273  4.3 

Wall Insulation 

Lower Wall Insulation‐EPS Foam 

Add 1" of Foam  $10,773  $255  42.2 

Add 2" of Foam  $13,467  $307  43.9 

Add 3" of Foam  $16,160  $325  49.8 

Add 4" of Foam  $19,863  $342  58.1 

Add 5" of Foam  $22,557  $347  64.9 

Add 6" of Foam  $25,250  $356  70.9 

Lower Wall Insulation‐Polyiso Foam 

Add 1" of Foam  $11,447  $277  41.3 

Add 2" of Foam  $14,813  $319  46.5 

Add 3" of Foam  $18,180  $342  53.2 

Add 4" of Foam  $22,557  $364  62.0 

Add 5" of Foam  $25,923  $382  67.9 

Add 6" of Foam  $29,290  $386  75.9 

Upper Wall Insulation‐Eps Foam 

Add 1" of Foam  $25,173  $1,166  21.6 

Add 2" of Foam  $31,467  $1,542  20.4 

Add 3" of Foam  $37,760  $1,792  21.1 

Add 4" of Foam  $46,413  $1,976  23.5 

Add 5" of Foam  $52,707  $2,111  25.0 

Add 6" of Foam  $59,000  $2,219  26.6 

Add 7" of Foam  $67,653  $2,306  29.3 

Add 8" of Foam  $73,947  $2,379  31.1 

Add 9" of Foam  $80,240  $2,439  32.9 

Upper Wall Insulation‐Fiberglass 

Add 1" of Fiberglass  $16,520  $1,023  16.2 

Add 2" of Fiberglass  $18,880  $1,557  12.1 

Add 3" of Fiberglass  $21,240  $1,942  10.9 

Add 4" of Fiberglass  $25,960  $2,232  11.6 

Page 37: summer research papr

 

  

 

37

Add 5" of Fiberglass  $28,320  $2,459  11.5 

Add 6" of Fiberglass  $30,680  $2,639  11.6 

Add 7" of Fiberglass  $35,400  $2,786  12.7 

Add 8" of Fiberglass  $37,760  $2,909  13.0 

Add 9" of Fiberglass  $40,120  $3,013  13.3 

Roof Insulation 

Roof Insulation‐EPS Fiberglass 

Increase R‐Value to 30  $132,600  $3,095  42.8 

Increase R‐Value to 41  $182,000  $4,475  40.7 

Increase R‐Value to 52  $231,400  $5,245  44.1 

Increase R‐Value to 63  $280,800  $5,740  48.9 

Increase R‐Value to 74  $330,200  $6,087  54.2 

Increase R‐Value to 85  $379,600  $6,336  59.9 

Increase R‐Value to 96  $429,000  $6,527  65.7 

Increase R‐Value to 107  $478,400  $6,679  71.6 

Roof Insulation‐EPS Foam 

Increase R‐Value to 30  $180,353  $3,019  59.7 

Increase R‐Value to 41  $236,643  $4,462  53.0 

Increase R‐Value to 52  $289,987  $5,218  55.6 

Increase R‐Value to 63  $346,277  $5,732  60.4 

Increase R‐Value to 74  $402,567  $6,088  66.1 

Increase R‐Value to 85  $455,910  $6,331  72.0 

Increase R‐Value to 96  $512,200  $6,527  78.5 

Increase R‐Value to 107  $568,490  $6,674  85.2 

Heating & Thermostats  

Replace Radiant Heat w/ Blow Thru Heater (15% more efficient)  $63,000  $5,145  12.2 

Replace Radiant Heat w/ Blow Thru Heater (40% more efficient)  $63,000  $13,721  4.6 

Programmable Thermostat Unit w/ 5° setup (5% more efficient)  $2,600  $1,715  1.5 

Programmable Thermostat Unit w/ 5° setup (15% more efficient)  $2,600  $5,145  0.5 

Other  

Fuel Cell vs. Current Battery Forklifts‐one 8 hour shift/day  $240,000  ‐$13,226  N/A 

Fuel Cell vs. Current Battery Forklifts‐two 8 hour shifts/day  $240,000  $10,972  21.9 

Fuel Cell vs. Current Battery Forklifts‐three 8 hour shifts/day  $240,000  $35,170  6.8 

Exhaust Fans  $12,572  $1,807  7.0 

OFFICE  

Power strips  $150  $1,931  0.1 

Dimming/Occupancy Sensors  $2,423  $512  4.7 

Thermostat setup 76°F & setback 67 °F  $0  $1,551  0.0 

Window Treatments/Shading  N/A  None  N/A 

 

Page 38: summer research papr

 

  

 

38

 

Appendix C 

Current Energy Consumption (2008)                                  Energy Type  Usage  Units  Cost                        

Electricity  519000.00  kWh  $57,373.34                        Natural Gas  25927.00  ccf  $34,303.03                        

Totals  4415.38 MMBTU  $91,676.37                        

                               

*Option #1 Proposed Energy Consumption (Lower Energy Saving Case)    *Option #1 Proposed Energy Consumption (Higher Energy Saving Case)      Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings  Payback    Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings 

Payback      

Electricity  330671.87  kWh  $38,008.16 

33.44%  10.06 

  Electricity  330671.87  kWh  $38,008.16 

49.99%  9.33 

    Natural Gas  16631.72  ccf  $23,014.44    Natural Gas  5421.856  ccf  $7,842.16      

Totals  2824.69  MMBTU  $61,022.60    Totals  1681.282  MMBTU  $45,850.32                                     

*Option #2 Proposed Energy Consumption (Lower Energy Saving Case)    *Option #2 Proposed Energy Consumption (Higher Energy Saving Case)      Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings  Payback    Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings 

Payback      

Electricity  393948.59  kWh  $45,652.43 

25.10%  17.10 

  Electricity  393948.59  kWh  $45,652.43 

41.65%  13.42 

    Natural Gas  16631.72  ccf  $23,014.44    Natural Gas  5421.856  ccf  $7,842.16      

Totals  3040.588  MMBTU  $68,666.87    Totals  1897.182  MMBTU  $53,494.59      

                               

*Option #3 Proposed Energy Consumption (Lower Energy Saving Case)    *Option #3 Proposed Energy Consumption (Higher Energy Saving Case)      Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings  Payback    Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings 

Payback      

Electricity  380491.18  kWh  $44,026.68 

26.87%  14.26 

  Electricity  380491.18  kWh  $44,026.68 

43.42%  11.82 

    Natural Gas  16631.72  ccf  $23,014.44    Natural Gas  5421.856  ccf  $7,842.16      

Totals  2994.671  MMBTU  $67,041.12    Totals  1851.265  MMBTU  $51,868.84      

                               

*Option #4 Proposed Energy Consumption (Lower Energy Saving Case)    *Option #4 Proposed Energy Consumption (Higher Energy Saving Case)      Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings  Payback    Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings 

Payback      

Electricity  302817.57  kWh  $34,643.17 

37.11%  12.17 

  Electricity  302817.57  kWh  $34,643.17 

53.66%  10.83 

    Natural Gas  16631.72  ccf  $23,014.44    Natural Gas  5421.856  ccf  $7,842.16      

Totals  2729.649  MMBTU  $57,657.61    Totals  1586.243  MMBTU  $42,485.33                                       

*Option #5 Proposed Energy Consumption (Lower Energy Saving Case)    *Option #5 Proposed Energy Consumption (Higher Energy Saving Case)      Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings  Payback    Energy Type  Usage  Units  Cost 

% Savings 

Payback      

Electricity  296246.62  kWh  $33,849.35 

37.97%  10.68 

  Electricity  296246.62  kWh  $33,849.35 

54.52%  9.77 

    Natural Gas  16631.72  ccf  $23,014.44    Natural Gas  5421.856  ccf  $7,842.16      

Totals  2707.229  MMBTU  $56,863.79    Totals  1563.823  MMBTU  $41,691.51      

           

            

    

*Options one through five differ only by the type of warehouse light modification, all other replacements and modifications are identical (i.e. thermostats, heaters, fans, insulation, etc…) 

*Low Energy Case = one inch choice for wall & roof insulation, 5% more efficient thermostat unit, 15 % more efficient heater          

*High Energy Case = three inch choice for wall & roof insulation, 15% more efficient thermostat unit, 40% more efficient heater             

Page 39: summer research papr

 

  

 

39

Appendix D Case studies of sustainably constructed industrial buildings (27) (28) BigHorn Home Improvement Center  

• Daylighting and natural ventilation to lower the energy demand  • Standing seam roof integrated PV system ‐ payback period of less than five years in some states   • Row of translucent skylights‐ payback period: 2‐3 years.  Provides enough light in the warehouse to account for 

95% of the room’s illumination.   • Burns cluster compact fluorescent (CFL) light bulbs and  • Uses an energy management system that monitors and controls the lights, mechanical and electrical systems 

according to present conditions  •  Stack ventilation effect eliminates the need for electric air conditioning by having opened lower windows and 

doors to let in cool, fresh air that rises like the air flow in a chimney  •  Air is warmed by a transpired solar collector on the south wall and pumped into the warehouse as evenly 

distributed warm air  • Clerestory roof overhangs to divert direct summer light 

Chicago Center for Green Technology  • Within five years, solar energy is expected to provide 20% of the building’s electricity • 28 geothermal wells drilled to utilize the ground temperature 200 ft below surface for heating  • Install low‐e windows 

Navy Building  • 100% of all of the occupied spaces daylit and naturally ventilated •  Solar shading and glazing keep powerful rays at bay   • Power generated by PV   • Solar energy used for space heating and domestic water heating  • Occupancy and daylight sensors used with electrical ballasts to limit the amount of current in an electric circuit. 

Wind NRG Partners Manufacturing Facility  • Super‐insulated and airtight  • Walls: R‐20+,  roof:R‐40, slab: R‐16  • Windows:R‐5; triple‐ paned, low‐e, insulated, fiberglass‐framed  • Boilers are wood‐pellet fired with a propane backup   • Occupancy and daylight sensors •  Operable windows that automatically open at night for early cooling of the building 

BPA Ampere Annex  • Roof surface is EnergyStar membrane to decrease cooling loads   • Windows are operable, polarized and decrease need for the artificial lighting when combined with translucent 

ceiling panels  • Daylight sensors  

SC Johnson Industrial Buildings  • To charge lift truck batteries: fast charge, high‐frequency system that detects when battery is fully charged and 

shuts off the electric supply • Employees process batteries in stages so that chargers can be shut down completely   • When building is not in use, chargers are powered off  •  Double wide lift trucks used to decrease the amount of trips being taken  • Lift truck traffic patterns implemented  • Uses environmentally friendly cleaning systems and products