Welcome to our class.

This is the first lecture and in it we will be discussing the impacts of the envelope indetermining energy needs. First we will review a few basic concepts from the previous course by talking about the impact of climate, thermal comfort and psychrometrics on design. As architects you have a major influence on the size and performance of the HVAC system. The goal of the mechanical systems is to provide a comfortable space and to do it with the least amount of energy To understand your role this lesson will deal with heatwith the least amount of energy. To understand your role this lesson will deal with heat transfer and how that affects the loads imposed on the HVAC system. By the end of this session you should be able to calculate a heating load caused by conduction through the envelope and the load imposed by outdoor air (heating convective loads). You should also begin to have a good feel for which load components will have the most impact. 

This week will also start our analysis of the players in the green design (high performance) process. This week will look at the owner. There are a number of different types of owners and the way they approach green design and what might motivate them can be very different. We will talk about it a little here but will use the discussion forum to really explore the issue.  

1

There are a few key concepts we will be working on this week. Be sure at the end of the week you can do each of these items. If you have any questions please ask early, I’ll try to get answers as soon as possible.

2

We have a lot of work to do this week. I suggest you start early with the reading, part of which is a review from the last class.  Be sure to do the homework it will be the real proof if you understand the material.  If you are running short of time scan the readings in the text and read as much of the material in the links as you have time for. Be sure you understand the objects for the week first.

3

I suggest that you look at this list again at the end of the week. Can you do all these things? If so then you have a good grasp of the lesson.  If not and it is something you do not understand use the forum or send me a note. A good foundation is important.

4

I like this particular graphic, roughly taken from the text, because it puts into perspective how decisions made along the path of design impact energy use. The envelope of the building and the selection of materials impact the energy needed of the building more than anything else. Said a different way to save energy; design a good shell. Look at issues like building orientation, insulation, glass type and location. Remember our goal with the mechanical systems is to provide comfort in this envelope we call a building. If we don’t let the heat out or cold in we reduce the energy required. However that is not the same for all buildings Commercial buildings have high internal loads so our decision might be that webuildings. Commercial buildings have high internal loads so our decision might be that we want to let the heat out, but we can only let the heat out when the temperature is colder (more on that in a minute). 

Our next strategy after we have refined the envelope is to take advantage of the environment to reduce the mechanical energy we need to maintain comfort. There are things we can do to reduce the impacts of both heating and cooling loads. When we have done all we can with the first two our next goal is to design the mechanical system. The design of our mechanical system should be as energy efficient as possible. Again there are a lot of things we can do to reduce energy and “save” energy we have used. 

This class is focus on what we do in the top block, but we want to never loose sight of what we do in the other two. It might be a good idea to go back and look at the strategies listed for each of these. The chart is in the text on page 9.for each of these. The chart is in the text on page 9.

5

What makes sense is not the same in all places. The weather in Boston is very different that the weather in L A l Th h i l d f i id f i di i hi hLos Angeles. The mechanical systems need to function over a wide range of operation conditions which are greatly influenced by climate. As you will see in a minute residential is impacted even more than commercial buildings.  I used Climate consultant here to look at the weather in Boston and here are a few observations about how this impacts the selection and operation of our mechanical system.

A. Notice that in this case we have 262 hours out of the year where the outdoor air is in the comfort zone. I defined the comfort zone as from 67F to 78F.  This is only 3% of the total 8,760 hour in a year. 

B. If I can use outdoor air alone, mechanical fan but no other heat or cooling  I can get an additional 11%. The down side is that the humidity will be higher that the comfort zone if I ran cooling. We actually use this feature with our system in something called an economizer cycle. We will get into more detail in a latter lesson. 

C. This leave us with 643 hours we need cooling (about 16 weeks a year with a 40 hour week) and 6,864 hours when we might need heat. Based on this in Boston what counts is how we handle the heating load! Again envelope design often has a lot to do with our heating requirements. 

Each dot on this chart represents one hour in the year and if we look at the scatter we can clearly see that the mechanical system will spend a lot of it’s time in the middle ground between a heating and cooling design. We need to consider very carefully how the system will respond to the conditions not at design. This condition is part load operation and is the single most important element in HVAC design. Just because a system works good at design does not mean it will work good at part load. Have you ever gone in a building on a day when it was warm and raining and a building that felt great on a hot day felt clammy? This might well indicate that the system could not handle part load conditions very well. 

6

Here is another way of looking at the impact of climate. The first chart with temperature ranges indicates over the month how much the temperature varies during the course of the month. Look at a month like April where we need both heating and cooling in the month. The system needs to be able to respond to these changes in climate. To be even more specific about this take a look at the charts at the bottom. The blue box is around the DB range, which is the amount of temperature change that takes place on a typical design day in that month. In Boston this is 15.2 degrees. Again the system needs to be able to respond to these kind of changesto these kind of changes.

The tables at the bottom of the slide is the ASHRAE design data for Boston. The mechanical engineer will be using the data in the red blocks to size the heating and cooling equipment. The numbers in the block are the ones normally used, for heating the 99.6% which is 7.4 F and for cooling 87.6 F with a wet bulb of 71.9 F the 1% data. We do not size for the worst condition as that would result in oversized equipment and would impact comfort. The 99.6% means that 0.4% of the total hours in the typical year are below this value (35 hours) and in cooling the 1% means that 1% of the hours are above this value or about 87 hours. 

The last note here is that the block for dehumidification with a dewpoint of 71.6F and a dry bulb temperature of  79.1F represents the worst condition from removal of moisture. The worst condition for moisture is not the hot design day but the warm rainy day. Again the system design must be capable of handling these conditions and maintaining comfort.system design must be capable of handling these conditions and maintaining comfort. 

7

Now for comparison look at the weather in Los Angeles. Compare the same conditions we just discussed.  Can you make some observation about the design of system here? 

The requirements and therefore the solutions are very different.  Keep this in mind as we look at the buildings mechanical systems and  the unit / system features which are used. 

8

Our first point was that the goal is for the system to maintain comfort. Lets review a few important point about comfort. First comfort is subjective different people and even the same people on different days will describe the conditions asFirst comfort is subjective, different people and even the same people on different days will describe the conditions as comfortable or uncomfortable even though the physical conditions are the same. Since this is the case comfort is defined as a set of conditions were 80% of the people would describe them as comfortable. This 80% value is used by ASHRAE to determine an acceptable level for all standards that are based on a subjective condition.  

Thermal comfort is influenced by 7 factors. The temperature, which I’m sure everyone associates with comfort, is the first thing but other environmental factors play a role as well. Humidity, either to humid or to dry influence our comfort. The air motion in the space also influences are perception of comfort.  To little air flow and we describe it as stuffy or to much and drafty. These conditions can exist even when temperature and humidity are well within the comfort range. The surfaces that surround us also impact comfort, this is a condition referred to as radiant effect. These can be cold or warm surfaces and again even when other conditions are within the range it can affect our comfort. As a matter of fact people often raise or lower the thermostat to compensate for these surface effects. Finally, other conditions like the temperature difference from our head to our toes. If the temperature difference is to great it can be a comfort problem. These are localized conditions. Comfort is also impacted by some personal factors, like our level of clothing and our activity level. These personal factors can change as well  for example we often wear heaver clothes in the winter than the summer and therefore the conditions of comfort are different.  Our comfort is also influenced by the quality of the indoor air both for particulate and odors. 

The chart has the comfort conditions in the center and the basic functions that the HVAC system in the second circle. As we look at systems remember that the system must meet all of these needs to maintain comfort. 

The chart presents the overlapping impacts of the two systems. In the inside are the conditions the system should maintain for control of comfort.  These conditions are delivered to the space by the air system. The mechanical refrigeration cycle works with the air system to remove heat and humidity from the air system. Not all systems will control all of the comfort conditions of the inner circle. As we look at systems later in this course always go back and ask how good a job is the system doing in controlling all these conditions and is the level of control acceptable to the owners requirementsrequirements. 

9

Buildings use energy for a variety of purposes, including environmental control (heating, cooling, and air movement), domestic hot water, lighting, power for appliances (plug loads), and vertical transport. In the US, buildings represent roughly 40% of our total energy consumption. As you'll learn today and during the next eight weeks, there are many simple and economical ways to improve the energy efficiency of buildings.

10

The charts above indicate where energy is used in residential and commercial buildings. Since commercial buildings have greater internal loads we have only shown heating for residential. 

Take a few moments to look over the charts and draw some conclusions about what impacts the design the most. I think one conclusion needs to be that residential buildings are far more dependent on the climate than commercial. Look at what the largest load components are for each situation What do you find?components are for each situation. What do you find? 

11

There are two broad categories of energy, potential energy ‐‐ stored energy that can flow ‐‐and kinetic energy ‐‐ energy that is flowing. Within these two broad categories, different forms of energy exist. Each form of energy is driven by differences of a certain variable. Within the context of this course, we are primarily interested in heat energy, driven by temperature differences.

Energy becomes work ONLY when there is a flow of energy from one system to another, and a difference in energy levels (temperature momentum or height) is required forand a difference in energy levels (temperature, momentum, or height) is required for energy to flow. Work is driven by pressure differences, and always flows from high to low.

12

The next thing we need to understand is how we measure heat. The thermometer is responding to the molecular motion of the fluid it is in, the higher the temperature, the higher the thermometer reading.

With this said, note that the readings are just an arbitrary scale that everyone has agreed to use. There are actually two scales. One, Fahrenheit, is based on water freezing at 32° F and boiling at 212° F The second scale Celsius is based on water freezing at 0° C and boilingboiling at 212 F. The second scale, Celsius, is based on water freezing at 0 C and boiling at° C. 

A theoretical point has been determined at which the molecular motion the thermometer measures would stop and is defined as absolute zero. Both scales have a second scale that starts its reference point at absolute zero, Rankin and Kelvin respectively. 

We have talked about the molecular motion causing the thermometer to move this is heatWe have talked about the molecular motion causing the thermometer to move, this is heat intensity. We need to discuss a second concept: heat quantity. As the figure shows, we can have a beaker with one pound of water, at 100° F  it would have twice the intensity as a two pound beaker at 50° F. However, in reality they have the same amount of heat energy. We need to keep in mind that both of these are important in our discussion of heat movement. 

We need to define a term that describes the amount of heat energy and not just the intensity. This will be addressed shortly.

13

The term we use is Btu. Again, this is just a relative scale determined by selecting universally accepted, defined conditions. The conditions are determined by the energy required to raise one pound of water one degree Fahrenheit. 

Be sure this is understood; we will use Btu a lot from this point on. For example, how much heat is required to heat 2 pounds 5° F.  You should have the answer of 10 Btu.

14

To make a simple analogy, power is like the speed our car travels, while energy is the distance traveled. We need a term to describe the amount of Btu per unit time. One way is simply to state the amount of Btu in a unit time. The hour is the standard measure and therefore one common term is Btuh (actually Btu/h but common practice is to drop the /) The other measure is the ton or ton of refrigeration. This is defined as the amount of heat in Btu required to melt one ton (2000 lbs) of ice in 24 hours. At sea level the latent heat of fusion is 144 Btu per pound doing the math results in 288,000 Btu. This is often simplified to the number of Btu per hour which is 12 000 Btuhto the number of Btu per hour which is 12,000 Btuh.  

15

HVAC is all about moving heat. Next we need to understand the process that define how heat moves. The f l f h d i h b h i f d h f h Of h f l hfour laws of thermodynamics govern the behavior of energy and the movement of heat. Of the four laws the first three are pertinent to this course.

The zeroth law states that if two systems are in thermal equilibrium with a third system, then they are in thermal equilibrium with each other. This law explains why we are able to measure temperature using a thermometer; when a thermometer is put into a glass of hot water, the heat from the water is transferred to the metal bulb containing the mercury. The heat from the bulb is then transferred to the mercury. When the mercury stops expanding, then we know that the water is in thermal equilibrium with the mercury, although the two are not in physical contact with each other. This law was established after the first and second laws, but was deemed to be more fundamental, and so was named the zeroth law.

The first law states that although energy comes in many forms, and can be transferred between systems, it can neither be destroyed nor created. This is also known as the law of conservation. Thus, the change in energy of a system plus the change in energy of the surroundings MUST ALWAYS equal zero.

The second law states that there is a natural direction to all natural processes, and these natural processes cannot be reversed without an energy penalty. Moving in the opposite direction results in an energy penalty. For example, a car resting on the top of a hill can, without any energy input, roll down the hill and come to rest at the bottom of the hill. However, in order to get the car back up the hill, we need to use energy (gasoline). The natural direction of heat energy flow is from higher temperature to lower temperature. Just as it would be silly to expect a car to simply roll UP a hill, it is ridiculous to expect heat to flow from a lower temperature to a higher temperature.

16

The first principle is that heat can only flow in one direction, from a place of greater intensity to one of less. If no difference exists, no heat flow takes place. The greater the difference in intensity, the more quickly this takes place.

17

If we have a pot of water on a stove and place a thermometer in it we can read a temperature, as we raise the temperature adding heat the thermometer will read higher. All the heat energy we added goes into raising the water temperature. This heat energy is sensible heat. 

If we know the amount or mass (quantity) and the temperature difference (intensity) we can determine the heat added. 

18

A second kind of heat occurs when a liquid changes to a gas. This is latent heat.  A thermometer cannot measure this heat and this is the largest amount of heat per pound. This boiling process is what happens when the refrigerant absorbs the heat from the air system in the cooling coil. Both sensible and latent heat are used in this process and are referred to as total heat. This total heat is called enthalpy. 

19

To better understand what latent heat is, let’s take a look at water as an example. Suppose we have one d f i 20 ºF ( i A) I d l h i d fi b i h f h ipound of ice at 20 ºF (point A). In order to melt the ice, we need to first bring the temperature of the ice up 

to 32 ºF (point B). It requires 32 Btu for this change in temperature. Recall that 1 Btu can raise the temperature of 1 pound of water 1 ºF. So, 32 Btus are needed. 

Once the ice is at 32 ºF, adding 1 more Btu will not bring the temperature of the ice to 33ºF. Rather, 144 Btu’s are needed to melt 1 pound of ice into water. Notice in thegraph that while the heat energy input from point B to point C increases, the temperature does not. The reason for this is that the energy is used to break the molecular bonds of the solid, and change it into liquid form. This heat of fusion is stored in the molecular structure of the water. Once ice is melted (point C), then each additional Btu added increases the temperature of the water, until the water temperature reaches 212 ºF (point D). 

At that point, each additional Btu added to the water is used to break the molecular bonds of the water, and change the liquid into a vapor. As was the case with the heat of fusion, the heat of vaporization is stored in the molecular structure of the gas. For water, almost 1,000 Btu’s are required to vaporize 1 pound of water. So, the amount of heat energy required to vaporize 1 pound of water is approximately equivalent to the amount of heat energy required to raise the temperature of 1,000 pounds of water by 1ºF. 

Once the pound of water has vaporized (point E), then each addition Btu raises the temperature of the steam. This temperature rise above the boiling point is superheat. Note that it in the superheat region a temperature rise of 30 degrees only results from 10 Btu of energy. 

Now recall that the 1st Law of Thermodynamics dictates that energy can neither be created nor destroyed. Therefore, the latent heat of vaporization is released when steam condenses into water, and the latent heat , p ,of fusion is released when the water freezes to become ice.

20

While sensible heat can easily be measured with a thermometer, measuring the latent heat is not as simple. Yet there is a tremendous amount of energy stored in the moisture in the air in the form of the latent heat of vaporization (note that the air that around us always has some level of moisture). So how do we go about determining the enthalpy, or the total energy content, of a volume of air that contains moisture? To determine enthalpy, we need to use the psychrometric chart to graph the mass of moisture in a unit mass of dry air at various temperatures. By using the psychrometric chart, we can determine the enthalpy and other important information about moist airand other important information about moist air.

21

The base line scale is the dry bulb scale.  Dry bulb is just the temperature you read on a standard thermometer. 

Recall that the boiling point is dependent on pressure and pressure is a function of altitude, therefore the psychrometric chart is based on an altitude. The chart we will also use is based on sea level and has a standard barometric pressure of 14.696 psia. 

The vertical axis on the chart is the amount of moisture, measured in either grains or in pounds of moisture per pound of dry air.  A grain is the moisture content in lbs of moisture per pound of dry air multiplied by 7000.  This term is just easier to use that the Lbs/lbs dry air. Remember that the actual amount of moisture in the air is very small. It is easy to locate many air and water vapor mixtures by using the chart. For example, air at 70° F dry bulb temperature is somewhere onthe vertical line opposite 70° F. Air with 60 grains of water vapor per pound is on the horizontal line at 60 grains. The air at 70° F and 60grains is the point where these two lines meet.

Any point on the psychrometric chart is a state point. It is an illustration of the thermodynamic state of a given dry air/water vapormixture.The state point at 70° F and 60 grains contains superheated water vapor since it is not located on the saturation curve. At 70° F, the airwould be saturated at 110.6 grains of moisture.

The saturation line is used to define a temperature called dew point. The dewpoint is the temperature at which if the air is cooled it could hold no more moisture grains of moisture. The temperature at which the grains of moisture saturate the air is the dewpointtemperature. To find the dew point follow a horizontal line at the moisture content until it intersects the saturation line.  The temperature where they intersect is the dew point.  

DEWPOINT AND THE SATURATION LINESuppose this air is then cooled – what happens? At first only the temperature is reduced; no water vapor is removed until the air reachesSuppose this air is then cooled – what happens? At first only the temperature is reduced; no water vapor is removed until the air reachesits point of maximum humidity. In the example shown, the temperature is 53° F.

Any further cooling will now cause some water vapor to condense, because at 53° F the air can hold only 60 grains per pound of air. Thetemperature at which the moisture content or relative humidity has reached 100% is called the dewpoint. If the temperature is droppedbelow the dewpoint to 48° F, only 50 grains of water vapor remain in the air. 10 grains of water vapor condense.

If the temperature is dropped still further to about 42.5° F, another 10 grains is condensed because only 40 grains remain in the air atthis temperature.The water vapor in the air at the dewpoint has a relative humidity of 100% and is said to be saturated. A line which connects these and other 100% saturation points is known as the saturation line, which is the same as the 100% relative humidity line. This line gives the dewpoint temperatures and is commonly called the saturation curve. The dewpoint temperature for air depends upon the amount of water vapor present, and is found on the chart by moving horizontally left over to the saturation curve and reading the temperature ate apo p ese t, a d s ou d o t e c a t by o g o o ta y e t o e to t e satu at o cu e a d ead g t e te pe atu ethere.

22

Wet bulb temperature can be a confusing concept. Wet bulb temperature can best be explained as a temperature which, if moisture is added to the air for a given dry bulb temperature and moisture content the air would become saturated Aif moisture is added to the air for a given dry bulb temperature and moisture content, the air would become saturated.  A sling psychrometer is used to measure wet bulb. This device is an adiabatic saturator which simply means that moisture is added without any heat added or lost. One way to visualize this is a series of sprays adding water to the air where the water added is at the temperature of the air. If the saturator is used to add moisture to the air, the temperature at which it leaves the saturator as 100% relative humidity (rh) is the wet bulb temperature.

To see how wet bulb is obtained, start with a pound of air at 75° F dry bulb temperature and 60 grains of water vapor. Asthe dry bulb temperature of the dry air/water vapor mixture drops, its specific humidity (grains) increases, while theenthalpy remains constant.

If th ll d i d th i t t d i thi d t l t 61 5° F At thi t t it iIf the sprays are well designed, the air temperature drops—in this case down to almost 61.5° F. At this temperature, it issaturated with almost 82 grains of water vapor. This concept is the evaporative cooling effect.

The temperature of the saturated air, after passing through the sprays, is called the wet bulb temperature. In this case, 61.5° F is the wet bulb temperature of air at 75° F dry bulb temperature and 60 grains of water vapor.

The last basic property on the chart is enthalpy. Enthalpy is  a measure of the total heat content in the air. Enthalpy actually changes slightly as the moisture content of the air changes. Deviation lines are a way to account for this change. For many of the calculations in normal air conditioning, the error caused by ignoring this is not significant. Enthalpy linesare just an extension of the wet bulb lines or, said another way, wet bulb determines enthalpy. 

Enthalpy is very useful in determining the amount of heat that is added to or removed from air in a given process. It isfound on the psychrometric chart by following along a wet bulb temperature line, past the saturation line, and out to theenthalpy scale. For example, air at 75° F dry bulb temperature and 60 grains of water vapor has an enthalpy of 27.50 Btu’sper pound of air.

23

Next we will discuss the methods of heat transfer, or how heat moves. If we are going to move heat, we need to know how heat moves.  There are three ways heat energy is transferred. The first is conduction, which is heat transfer by contact.  Use an example everyone can relate to, like a spoon in a pot on the stove. The heat moves up the spoon to your hand.

24

The second mode of heat transfer is convection. The easiest way to visualize convective heat transfer is to relate it to the pot of water heating on a stove.  Long before it comes to a boil, you can observe a motion taking place within the pot. This motion is due to the difference in density currents as the water warms.  Warm water rises and cold water settles to replace the warming water.  This same thing is true in the air. You may relate this to being on a ladder and observing that it is much warmer near the ceiling.

There are actually two types of convective heat transfer: natural and forced NaturalThere are actually two types of convective heat transfer: natural and forced.  Natural convection takes place because of the differences in density of the fluids only.  

If we add a fan, we have forced convection. In this case, not only does the natural buoyancy come into play, but also the motion created by the fan.  Air movement increases the amount of heat transfer. The greater the degree of motion the greater the convective heat transfer.

25

The third type of heat transfer is radiation. This is the process of transferring heat by electromagnetic waves.  The sun is one of the best examples of this mode of heat transfer. Everyone has experienced the effect of the sun coming through a window. They are heated but the air around them is cooler. This energy transfer is dependent on a number of factors: the temperature of the two bodies (in this example, the sun and the person), the angle, the absorption of the surface (color), and the distance between them.  You have probably noticed how dark objects warm more than a light object. This is true of envelopecomponents like walls and roofs as wellcomponents like walls and roofs as well.

26

As we discussed, conduction is the mode by which heat is transferred through a solid or fluid medium at rest, and heat transfers from higher temperature to lower temperature. In the summer when the exterior temperature is higher than the interior temperature, heat conducts from the outside the to inside. In the winter when the exterior temperature is lower, heat conducts from the inside to the outside. And, when there is no difference in temperature, then there is no conductive heat transfer.

Fourier’s Law describes conductive heat transfer The rate of heat transfer is dependent onFourier s Law describes conductive heat transfer. The rate of heat transfer is dependent on the thermal conductivity of the material, the thickness of the material, the exposed surface area, and the temperature difference between the outside and the inside. Notice that this equation calculates the rate of heat transfer ‐‐ the change in heat energy over change in time.

27

Thermal conductivity, defined by the variable k, is a material property. The unit for thermal conductivity is Btu’s per feet thickness‐hour‐degree Fahrenheit. Greater k means higher rate of heat flow. The thickness of the material (x) also impacts the rate of heat flow; the thicker the material, the lower the rate of heat flow. Thus, architects affect conductive heat transfer through the selection of materials and the determination of the material thickness.

Manufacturers, however, often rate materials in terms of the conductance of a total assembly For instance Andersen Windows rates the thermal performance of the entireassembly. For instance, Andersen Windows rates the thermal performance of the entire window assembly, and not simply the glass by itself. This rating, called the U value, has included in it the thickness of the material. Thus, the U‐value is equivalent to k/x. Note that the x is in feet 

Resistivity (r) is simply the inverse of k, and just like k, resistivity is a material property, and does not include the thickness of the material. Because it is the inverse, higher resistivity indicates that a material is a better insulator. Likewise, resistance (R) is the inverse of U. R accounts for the entire assembly, and thus the thickness of the material is included in the R‐value. The R‐value of typical insulation is, therefore, equivalent to x/k. As an example anR‐13 insulation which is 3.5 inches thick would have a k value of 0.077 x 3.5”/12 = 0.225/ Btu/ft‐hr‐F.

28

Another aspect of conductive heat flow that an architect can control is the surface area of the material that is exposed between two different temperature conditions. The larger the surface area, the greater the rate of heat flow.

29

Heat flow is driven by difference in temperature. If there is no difference, then there is no heat flow. The architect has no control over the exterior temperature, though he or she can specify the temperature that is appropriate for a desired programmatic function.

30

Let’s look at our first example using a wall composed of a single material. 

31

Since the conductivity of concrete is 0.8 Btu/ft‐hr‐ºF, we divide 0.8 by 0.5 (6” = 0.5 of 1 foot) to get the conductance value of 1.6 Btu/ft2‐hour‐ºF. We multiply the conductance by the surface area of the wall, which is 16 feet squared, and the temperature difference between the outside and inside, or ‐70 ºF. The total heat transfer through this concrete wall is, therefore, 1792 Btu/hr from the inside to the outside. Note that a negative Q indicates that heat is flowing from the inside to the outside (heat loss), and a positive Q indicates heat flowing from the outside to the inside (heat gain).

32

In building construction, conductive heat transfer is rarely through a single material, but rather through a composite construction of various materials. Even when this is just one material, such as a solid concrete wall, there is always a thin layer of air film on any surface that is exposed to the air. The air film is a layer of static air that rests up against the surface due to friction, and the air film impacts conductive heat transfer.

More commonly, a wall is constructed out of a series of materials. In the drawing, the wall is constructed of plywood siding polystyrene insulation board mineral fiber insulation andis constructed of plywood siding, polystyrene insulation board, mineral fiber insulation, and gypsum board. Each of these materials, as well as the air films, have different R‐values. In order to calculate the heat transfer though a composite construction, the R values of each of the layers must be summed up to get a total R‐value.

Note that this film thickness applies to all surfaces, not just a wall but a roof, partition or floor over an unheated space as well. The thickness of the film is dependent on the velocity of the air over the surface. More movement results in a small film thickness. For inside surfaces the film thickness is normally assumed as still air. The film thickness for outdoor film thickness depends on the wind and is assumed a smaller film in the winter when the wind is normally higher. 

33

In this example we have look at a wall composed of multiple layers. The resistance is the sum of the resistances of each layer which compose the wall assembly.  Notice that in the equation the “U” value in the equation is 1 divided by the total R value. R values can be added but U values can not be added.  

34

Once we know the total conductive heat transfer through the wall, we can then calculate the thermal gradient through the wall section. The equation we use to calculate the thermal gradient is a reconfiguration of Fourier’s Law that allows us to solve for the temperature at the interface between each material. This is a way to determine at what point in the wall assembly the surface temperature will reach the dewpoint temperature. In theory this is the point at which condensation can occur and is the vapor barrier needs to be located such that moisture does not condense at this point. 

35

To determine the temperature on the interface between the outside air film and the plywood siding, we define the exterior temperature as T0, and the interface between the air film and the plywood siding as the interior temperature T1. To calculate the temperature at the interface between the plywood siding and the polystyrene insulation board, T1 is deemed the exterior temperature, and T2 the interior temperature. Thus, the calculations must be performed sequentially from the one side of the wall to the other.

The Q for each material is equal to the Q of the entire wall because the total quantity ofThe Q for each material is equal to the Q of the entire wall because the total quantity of heat flow through the entire wall must pass through each of the materials. Thus from the calculations on the preceding slide, we know that the Q = ‐145.27 Btu/hr.

36

For each layer of material, we use the R‐value of that material. By solving the reconfigured equation, we can calculate the temperature at T1, which in this example is 5.77 ºF. Then, we use T1 as the Tout, and we use the R‐value of the plywood siding, and solve for T2, which is 8.58 ºF. We continue sequentially through the wall and then finally see that the temperature on the inside of the interior air film is 75 ºF, as we expected. The temperature gradient calculations can be performed from the outside in, or from inside out, but they must be performed sequentially.Regarding the vapor barrier we can determine from the psychrometric chart theRegarding the vapor barrier, we can determine from the psychrometric chart the temperature at which the moisture in the air will condense. For the temperature difference used in this example, we can see that unless the air inside has no humidity (which does not occur naturally), moisture will condense. As mentioned previously, condensation inside the wall is not desirable. We place a vapor barrier within the wall at a point where we can control condensation. 

37

But a wall section is not usually constructed in the same manner throughout the entire wall assembly. For instance, some areas of the wall may be filled with insulation, while other areas may be constructed of a stud. The conductive heat transfer through different materials, and thus different assemblies, differs. In order to calculate the total conductive heat transfer through a wall that is composed of different assemblies, you must take the sum of the heat transfer through each of the different assemblies.

In a wood frame wall the areas of the wall with studs conduct a different amount of heatIn a wood frame wall, the areas of the wall with studs conduct a different amount of heat than the areas with insulation. In order to determine the heat flow through this entire wall, the total R‐values, as well as the total surface area of each of the assemblies, need to be determined. We can see that the total R‐value of the portion with insulation is 15.42, and 8.80 for the portion without insulation. Then, we need to determine the surface of the portion with insulation and that of the portion constructed of wood studs. And the total area of the wall is, of course, 32 ft2.

38

The heat transfer through each of the different wall assemblies is calculated separately and then summed to determine the overall heat transfer through the wall.

39

Energy code in most states refers to ASHRAE Standard 90.1. This standard has minimum requirements for  envelope components. Shown here in red are the requirements for climate zone 4 which is typical of a place like New York City and for construction like our wall example. Notice the requirement for not only a U value but also an R for the insulation. The c.i. in the blue box indicates that one layer must be continuous insulation, for example a the insulating board on the outside of the building below the siding.

Note that the required U vale is a composite of the wall and stud component We thereforeNote that the required U vale is a composite of the wall and stud component. We thereforeneed to ratio the U values as shown on the next slide to determine if we have complied. 

Remember to that the smaller the U value the less heat flow or the more resistance to heat flow….smaller U values are a good thing.

40

To find an equivalent U value for the assembly we can take a ratio of the U value for each of the wall components, I.E. studs and insulation, and take the percentage that that materials represents of the total wall assembly. 

41

Convection is the mode by which heat is transferred through the motion of a fluid; in the case of a building, air. Note that while the heat is moved from one location to another via a fluid, the eventual heat transfer from the fluid to its surrounding still occurs via conduction.

Convection is driven by two forces. Temperature differences cause density differences in a fluid, and gravity pulls higher density fluids downward. Thus, cooler air moves downward, forcing hotter air upward. This natural convection, driven by temperature differences, occurs in the vertical direction Pressure differences also drive convection When windoccurs in the vertical direction. Pressure differences also drive convection. When wind blows on an object, there is higher pressure on the windward side and lower pressure on the leeward side. The pressure difference causes a fluid to move. This forced convection, driven by pressure difference, generally occurs in the horizontal direction.

42

The other component of the convective heat transfer calculation is the heat gain or loss due to air exchanges. It takes energy to condition, whether heat or cool, the outside air that enters a room. When this conditioned air leaves the room (either through cracks in the wall construction, through the mechanical ventilation system, or through windows and doors), the same amount of air must be replaced. If you want to condition the air to a certain temperature, energy must again be used to condition this new air. (Alternatively, a heat exchanger can be used to retain the heat or coolth, but we'll get into that in a later lecture ) In the interest of energy conservation we want to minimize the amount of airlecture.) In the interest of energy conservation, we want to minimize the amount of air changes in a space but we need a certain level of fresh air in order to achieve good indoor air quality. So, we need to balance between these two competing demands. 

43

44

Every material, including air, has some ability to hold heat energy. This characteristic is called the specific heat, measured in Btu/lb‐ºF. The amount of heat required to raise one pound of water one degree Fahrenheit, the specific heat of water, is 1 Btu/lb‐ºF. For a given material, the specific heat is the amount of heat necessary to raise one pound of the given material one degree Fahrenheit. For air, the specific heat is 0.24 Btu/lb‐ºF. 

Every material has a certain density as well. The product of the specific heat and density gives us the heat capacity (the amount of heat a given volume of material can hold) of thegives us the heat capacity (the amount of heat a given volume of material can hold) of the material. The density of air is 0.075 lb/ft3, and so the heat capacity of air is 0.018 Btu/ft3‐ºF.

45

The density and specific heat values are then plugged into this equation to calculate the amount of heat a material can store. This is what is commonly referred to as thermal mass.When air is being exchanged, a volume of air with a certain heat content is replaced by the same volume of air with a different heat content. The rate at which this volume of air is exchanged determines the rate of heat transfer.

46

These are important terms and you should be sure you understand each. We will be using these often in our discussions of systems. 

47

In order to calculate the rate of heat transfer due to air exchanges, we need to define the volume of air that i l d Thi l f i i d i i h bi f i (CFM) i h his replaced. This volume of air is measured in either cubic feet per minute (CFM) or air changes per hour (ach). CFM is an absolute value, while ach is relative to the volume of air in the room. For instance, if the volume of a room is 1000 cubic feet, and 1500 cubic feet of air is replaced every hour, then the ach is equal to 1.5. In order to convert CFM to ach, simply multiply the CFM by 60 minutes/hour and divide by the volume of air in the room.

The replacement air can be provided intentionally by the ventilation system, and unintentionally through infiltration (air leakage through cracks in the construction). One can use the following average values: for windows, 0.5 CFM per foot of crack, and for doors, 1.0 CFM per foot of crack. Since the outdoor air that replaces the preconditioned indoor air requires energy, keeping the ACH relatively low saves energy. However, bad indoor quality may result if the ach is too low. As far as infiltration is concerned, one should strive for about 0.5 ach. Many energy codes today require an air barrier to help limit infiltration through the wall assembly.

Note that in commercial buildings whenever the space is occupied (people MAY be present) then ventilation must be provided. Engineers typically will need to provided more air than is exhausted for things like toilet exhaust. In these cases additional exhaust is provided. If the engineer sizes the exhaust so that even with the additional exhaust there is more air provided than removed the pressure is positive and space pressurized. When positive pressure is provided in the space air leaks out of the cracks (exfiltration) rather than into the space. When this method is used do not compute both a ventilation and infiltration air quantity.  In the unoccupied period most energy code requires that the ventilation be shutoff and therefore it is possible that the load from infiltration will be a larger load. I recommend that you check both conditions in commercial buildings.  

48

49

50

These two equations account for all the loads needed to determine a heating load. Notice that we do not normally include any benefit from internal loads when calculating the heating load. This is done at design conditions only. When heating loads are calculated at other than design (near maximum and minimum conditions as shown at the beginning if this lecture) then the influence of internal loads is taken into account. 

51

What is IAQ?IAQ ‐ in its broadest sense ‐ involves all elements in a building environment that impact an occupant. These would include health, comfort, and aesthetic considerations.  

IAQ is considered to be the process of control of airborne contaminants within acceptable limits at the location(s) of the building occupants.  This is generally accomplished by control of contaminants at their source, by:1) eliminating the source of the contaminant itself;1) eliminating the source of the contaminant itself;  2) by the use of filtration devices to capture an indoor contaminant; 3) by dilution to replace contaminates in room air with supply air that has a much lower level of contamination.

Dilution can be accomplished by:1) Meeting design ventilation rates. 2) Providing ventilation rates based on space gaseous contamination levels.

52

In response to the energy crisis resulting from the Arab Oil Embargo in 1973, building envelopes were sealed tight in order to conserve energy. Occupants experienced illness and vomiting as a result of the high contaminant levels in the indoor air. Contaminants range from occupants' CO2 to off‐gasing and volatile organic compounds from building materials such as paints and carpet. Contaminant levels are typically measured in parts per million (parts of contaminant to million parts of air).

The most common method of IAQ control is to provided dilution to reduce theThe most common method of IAQ control is to provided dilution to reduce the concentration to acceptable levels. These concentration levels are generally far less than the levels which would make people sick. This is the bases for the ventilation rate established by ASHRAE which have now been adapted into most building codes. 

53

We will go into more detail on this in next week lecture, since this is such an important topic. 

54

The integrated design approach is to get everyone involved in the design process involved at the earliest stages of design. Simple decisions and ideas when brought up early in the process can have a significant impact on the overall project. These ideas if done early may never happen. He is an example:

During a charrette the lighting designer asked the interior designer what the reflectance value of the paint they planned to use was. Seems like a small thing right? However turns out if the reflectance value of the paint was increased the lighting designer could reduceout if the reflectance value of the paint was increased the lighting designer could reduce the amount of light required. This is the case since the lighting calculation is based on delivering the required foot candles at the work surface which is a function of the reflectance of the services. The change not only resulted  in less lighting fixtures but reduced the size of the electrical distribution system. But that is not the end. Remember at the beginning of this lesson what one of the largest AC loads is in a commercial building?   The lighting. If I reduce the number of lights I also reduce the AC load which reduced the size of the AC system and the associated distribution system. Small change, which resulted in not only energy savings but cost savings as well.

This is the idea of integrated design. 

55

This week we are looking at the owner and their role in integrated design. I have tried to chart above the different types of owners. Each has some very different forces that influence they way they look at building a high performance building. Study each of these and think about how they are different or the same in the way the approach a project. We will be discussing this in the discussion forum. 

56

57

58

Please note this assignment is due by Monday at 6 PM.

59

Make a note of these important terms and be sure you can define them.

60