David E. Claridge Director 

Energy Systems Laboratory Texas A&M University System 

Emerging Technologies Summit Sacramento, California 

November 8‐9, 2010 

ACKNOWLEDGEMENT

 Oleksandr Tanskyi performed some of the calculations and prepared some of the initial slides for the work presented here. 

BACKGROUND

 Reversible Thermodynamics  Adiabatic Devices  Carnot Cycles/Carnot COP 

 All Provide Useful Guidance 

NEW HOME OF ESL 25,774 FT2

BASIC ESL OFFICE BUILDING REQUIREMENTS

 Comfort for Occupants – Cooling and Heating  Ventilation for Indoor Air Quality  Lighting  Computers/Printers  Copiers  Cooled Drinking Water   Heating – Lunch and Coffee  Hot Water – Restrooms  Computer Servers 

ESL OFFICE BUILDING ASSUMPTIONS

 Comfort – Maintain 73ºF/50% Relative Humidity  Ventilation – Meet ASHRAE Standard 62‐2007 

  5 cfm/person + 0.06cfm/ft2 

 Lighting –IESNA recommended levels  Computers – 1/person  Monitors – 2/person (23‐inch)  Printers – 1/person (2000 pages/yr) 

ESL OFFICE BUILDING ASSUMPTIONS

 Copiers – 1/30 people (2000  pages/person/yr)  Cooled Drinking Water – 1qt/person/day 

  Cooled from 70ºF to 50ºF  Heating – (1 cup water)/person/day 

 Heated from 70ºF to 212ºF  Hot Water – Restrooms – ½ gal/person/day  

 Heated from 70ºF to 105ºF  Computer Servers – Outsourced  Occupied 60 hours/week 

EXPLORING THE LIMITS

 What are the limits?  What is the minimum energy required to meet each of these office building requirements? 

 What is the minimum energy required to provide these services in our office building? 

EXPLORING THE LIMITS:

LIGHTING  Chose average of IESNA recommended 20‐50 fc  Assume  

  400 – 700 nM radiation from 5800K black body    ~250 Lumens/Watt  On 6 hr/day weekdays 

             LED LIGHTS 

EXPLORING THE LIMITS:

LIGHTING  35 fc => 0.13 W/ft2 average occupied hours  

 Occupancy sensors => 0.01 W/ft2 unoccupied  1.7 kW occupied without daylighting   0.85 kW occupied with daylighting  0.24 kW unoccupied 

EXPLORING THE LIMITS:

COMPUTERS  No obvious physical limit  Assume 2.5W for 1 GHz processor 

  (e.g. iPhone 4)  Hibernate when not in use  Assume 30 hr/wk for 128 people     => 147 W average when                        occupied 

EXPLORING THE LIMITS: MONITORS

 Assume limit is lighting power  Two 0.14m2 (23‐in) monitors per person   250cd/m2@250Lm/W=> 1.75 W/monitor   Sleep when not active   6 hr/day for 256 monitors    206 W average when                   occupied 

EXPLORING THE LIMITS:

PRINTERS

 Physical limit not obvious   Ink jet printer is ~0.07 Wh/page    2000 pages per         person/year    =>  7 W average     when occupied 

EXPLORING THE LIMITS: COPIERS

  2,000 copies per person per year at ESL  Use same energy assumptions as printer   7 W average when occupied 

EXPLORING THE LIMITS: COOLED DRINKING WATER

  1 qt/day per person from 70ºF to 50ºF   Use Carnot refrigerator  COPCarnot = 28.3        => 4.3 W average for building                           (when occupied)        

EXPLORING THE LIMITS: HEATING FOOD/WATER

 Assume 1 cup water or equivalent food per person daily from 70ºF to 212ºF 

 Assume Carnot heat pump  COPCarnot = 4.66 for 70ºF to 212ºF            => 53 W average for building                           (when occupied)                

EXPLORING THE LIMITS: HEATING WATER - RESTROOMS

 Assume ½ gal/person per day 70ºF to 105ºF  Assume Carnot heat pump  COPCarnot = 15.65 for 70ºF to 105ºF            => 31 W average for building                           (when occupied)     

EXPLORING THE LIMITS COOLING AND HEATING

 Loads  Internal Gains  Occupants  Solar  Ventilation  Envelope 

EXPLORING THE LIMITS: INTERNAL GAINS 

Source  Occupied  (W) 

Unoccupied (W) 

Lighting  838  240 Computers  147  0 Monitors  206  0 Printers/Copiers  14  0 Water Cooling  4.3  0 Heating Food  53  0 Restroom HW  31  0 Total  1,293  240 

OCCUPANT GAINS  ASHRAE: Moderately active office work: 

 73 W/person sensible  59 W/person latent 

 Assume 40 hours/week/person   => 6,250 W sensible         5,000 W latent 

EXPLORING THE LIMITS: SOLAR GAINS

 Theoretical limit is zero  We assume the amount of solar gain corresponding to the amount of daylighting  

      => 850 W average occupied gain 

EXPLORING THE LIMITS:

VENTILATION ENERGY  ASHRAE Standard 62‐2004 requires 2190 cfm when occupied 

 Assume   12 hours/day weekdays    Perfect enthalpy recovery device    Exhaust = outside air intake   5 Pa fan pressurization    Perfect fan  

  => 5.1 W fan power when occupied is only ventilation energy required 

EXPLORING THE LIMITS: ENVELOPE GAINS/LOSSES

 Theoretical limit is zero  We assume zero 

EXPLORING THE LIMITS: COOLING AND HEATING

 Assume:    “Economizer” cooling when conditions permit  Carnot Chiller for cooling otherwise   Carnot heat pump for heating 

EXPLORING THE LIMITS: COOLING LOADS

Gains  Occupied (W)   Annual Total (kWh) 

Internal  1,293  3,883

Occupant  ‐ Sens.  6,250  18,757

Occupant – Lat.  5,000  15,006

Solar     838  2,515

Ventilation Load         0  0

Envelope Load         0  0

Total Load  13,371 W  40,161 kWh

EXPLORING THE LIMITS: CHILLER ELECTRICITY

 Assume Houston, TX Weather  Total Cooling Load = 40,161 kWh  Economizer meets     24,595 kWh  Chiller provides         15,566 kWh  Chiller requires          250 kWh  Average COP = 62 

EXPLORING THE LIMITS: HEATING

 Heating Load is zero  Heating electricity is 0 kWh! 

ELECTRICITY CONSUMPTION: THEORETICALLY POSSIBLE

5,528 kWh 15 kWh 

0 kWh 

250 kWh 

0 kWh 

HOW DO TODAY’S BUILDINGS COMPARE?

 U.S. Office Building average is          82 kBtu/ft2‐yr site  A very good new office building is         12 kBtu/ft2‐yr     Theoretically possible         5,528 kWh => 0.73 kBtu/ft2‐yr        0.21 kWh/ft2‐yr!!!         

IF WE COULD DO THIS -

 We could power the U.S. level of office space for every person in the world on 28% of the ELECTRICITY used today in U.S. offices! 

 And 200 ft2 of PV cells would make the 25,774 ft2 ESL office building NET ZERO!