Case Studies Overview The Case Studies outlined  in this document represent a number of projects that have  been  identified  and  implemented  by  Low  Carbon  UK,  over  the  last  18 months.  All  of  these  give  an  outline  of  different  initiatives  that  we  have              implemented in respect of plant improvement and optimisation.   The  Cost  Savings  stated  within  each  Case  Study  are  actual  savings  identified      from measurements taken before and after implementation of each initiative.   1.  Chilled Water Plant Optimisation ‐ Demand Logic 2.  Air Handling Units (AHUs) ‐ Time Schedules  3.  Fume Cupboard and AHU Optimisation 4.  Heating Control Modifications 5.  AHU Fan Replacement 6.  Close Control on Computer Room Air Conditioning (CRAC) Units  7.  Chilled Water Pumps ‐ Controlled Improvements 8.  Ventilation Heat Recovery ‐ Run‐around Coils 9.  Fan Modulation ‐ Variable Speed Drives (VSDs) 10.  Calorifiers to Plate Heat Exchangers (PHXs) 11.  Insulate Plate Heat Exchangers (PHXs) 12.  Thermostatic to Electronic Expansion Valve Upgrade 13.  Low Carbon UK’s Chiller Optimisation Method  14.  Installation of Liquid Pressure Amplification (LPA) 15.  Lighting and Lighting Controls Upgrades 

T 01903 215731 W www.lowCO2.eu

Site overview   Four storey office building located in close proximity to Gatwick Airport.  The Problem  During  an  audit  of  the  BMS  controls  function,  it was           discovered that the chilled water plant (rated at 250kW input  power)  was  being  triggered  by  a  fixed‐time       regime and that frequently, the chilled water plant was being enabled when no  demand existed.    The  principle  observation  that  confirmed  this  was  a very minor  temperature differential between  the  flow and  return  temperatures  that was mainly attributable to pipework losses, rather than actual plant demand.   A  review  of  the  software  revealed  that  the  only         interlock present was a low‐ambient hold off setting.  

The Solution  The software control was modified  to  include demand logic from Fan Coil Units (FCUs) and Air Handling Units (AHUs).   It  was  established  through  the  monitoring  and            normalisation  of  electricity  consumption  that  this     enhancement  of  the  software  resulted  in  an  8%         reduction  in  the  chilled water  electrical  load over  the year.   

Case Study: 1 

Chilled Water Plant Optimisation—Demand Logic 

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 55,000kWh Annual CO2 Reduction    = 30 tonnes Annual Cost saving     = £4,400  Cost of implementation    = £1,500   Return on Investment  Payback period = 4 months 

Site overview   Three  storey  office  accommodation  for  large  banking group in Colchester.  The Problem  During an energy audit of this building, it was observed that  the  two primary AHUs were being enabled  three hours a day, prior to general occupation of the offices.   The software was back engineered and  the cause was located  as  an  error  in  the  software.  The  AHUs were  being  triggered by  the optimum  start  function,  rather than the fixed‐time start trigger.     

The Solution  The software  triggering  the AHUs was modified  to use the fixed‐time trigger.  Based on the additional run hours and the motor sizes the  saving was  calculated  at  £6,000  per  year  giving  a return on investment of one month.  

This  calculation  did  not  include  the  additional  energy saving associated with  the AHU process  (Low Pressure Hot  Water  (LPHW)  and  Chilled  Water  (CHW)  usage within the AHU and the additional  load on the heating systems). 

Case Study: 2 

Air Handling Units (AHUs) ‐ Time Schedules  

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 75,000kWh Annual CO2 Reduction    = 41 tonnes Annual Cost saving     = £6,000  Cost of implementation    = £500   Return on Investment  Payback period = 1 month 

Site overview   Laboratory  building  accommodating  laboratory  and write‐up areas in East Kent.  The Problem  The  air  change  rate  for  laboratory  supply  and  fume cupboard extract remained constant at 24 air changes per hour.  

Each of the supply and extract fans had been previously fitted  with  a  Variable  Speed  Drives  (VSDs)  however, they  were  running  at  fixed  speeds  to  provide  a          laboratory  to  corridor  pressure  differential  of  15       Pascals. 

 

  

The Solution  A  “sash‐close”  regime  was  instigated  within  the         laboratories, allowing the air volume to be reduced for each of the air systems at night.   Air volumes were measured by way of a Pitot traverse and  a  night‐setback  required  volume  was  calculated taking  account  of  the  laboratory’s  specification.  The software  was  then  modified  to  allow  this  enhanced functionality.  Much of this work had to be undertaken “out of hours”; consequently, the return on  investment was calculated at 9 months.  This calculation has been based on the reduction of fan power  however,  it  does  not  include  the  additional     energy  savings  associated  with  the  conditioning  of treated spaces.  

Case Study: 3 

Fume Cupboard and AHU Optimisation 

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 350,000kWh Annual CO2 Reduction    = 192 tonnes Annual Cost saving     = £28,000  Cost of implementation    = £21,000   Return on Investment  Payback period = 9 months 

Site overview   A newly built Adult Learning Centre in Croydon.   The Problem  The  building  design  included  a  ground  source  heat pump  coupled  to  thermostatically  controlled,  zoned under‐floor  heating  systems.  Two  small  industrial    boilers  had  also  been  installed  to  provide  LPHW       supplying radiators for perimeter heating.   A  review  of  both  systems  suggested  that  the  heating activity  in  the building was mainly being done by  the Low  Pressure  Hot  Water  (LPHW)  system.  All  of  the   radiators  were  found  to  have  their  Thermostatic        Radiator Valves (TRVs) turned to maximum.   The TRVs had been turned to maximum, whilst a  fault with  the  under‐floor  heating  system  was  being           corrected. However,  the TRVs were never  returned  to their previous setting.  

The Solution  All radiator TRVs were turned down from the maximum setting to a setting of 19°C; then subsequently fixed to prevent tampering.   The software trigger  for both systems was modified to create  a  “dead  band”,  so  that  the  under‐floor  system was  enabled  before  the  LPHW  radiator  system,      whereby  the perimeter heating  system was used  as  a back  up,  rather  than  the  primary  source  of  heating within the building.  The  theoretical  return  on  investment  on  this               modification was calculated to be  in the region of four months.   The  actual  measurement  of  the  savings  established through  the  analysis  of  site  consumption  data  (from utility metering) however, was under two months. 

Case Study: 4 

Heating Control Modifications 

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 150,000kWh Annual CO2 Reduction    = 28 tonnes Annual Cost saving     = £3,000  Cost of implementation    = £500  Return on Investment  Payback period = 2 months 

Site overview   A large university campus building in East Sussex.   The Problem  During  an  energy  audit  of  this  building,  the  existing AHU fans  were found to be predominately belt‐driven, potentially  resulting  in  a  5‐15%  transmission  loss  and     requiring regular maintenance.   All  fan  units were  found  to  have  old  technology  fan    systems  installed  i.e.  forward or backward curved  fan, resulting in low efficiency.  On  measurement  of  fan  absorbed  power,  it  was        established that all AHUs were operating on poor part load efficiency and power factor.      

The Solution  High‐efficiency,  backward  curved  impellers  were       installed  to  replace  existing  fans,  providing  38%          efficiency savings that was achievable at matched duty  The  new  fans  were  directly  driven  to  eliminate        transmission  losses, which also  led  to  the  reduction of maintenance costs.    Optimum‐sized  motors  were  specified  to  take            advantage of  full  load efficiency and power  factor and hence, to abolish the need to fit frequency inverters. 

   Before      

After  

Case Study: 5 

AHU Fan Replacement 

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 51,500kWh Annual CO2 Reduction    = 18.8 tonnes Annual Cost saving     = £4,120  Cost of implementation    = £8,250  Return on Investment  Payback period = 24 Months    

Site overview   Data centre located in Gloucestershire.  The Problem  On inspection of existing CRAC units, it was established that  these units were  fitted with old  technology,  low‐efficiency, forward curved fans.  The  existing  belt  driven  fans  resulted  in  the                 requirement  for  regular maintenance  and  cleaning  of plenums to minimise the belt dust ingress into servers, which, according to our research, costs in the region of £5,000 per 1,000m2 annually.       

The Solution  High‐efficiency, directly driven  fans were  installed and optimised  to provide efficient and effective air  flow  to the treated space.  Fans  installed  were  fitted  with  integral  electronically commutated  (EC)  motors  therefore,  eliminating       magnetising  losses  and  hence,  increasing  overall       efficiency.   The  fans  installed  featured  Integrated  Speed  Control, which were set up and commissioned on a temperature control regime for optimum efficiency.   

   

Case Study: 6 

Close Control on Computer Room Air Conditioning (CRAC) Units  

Measurement of Savings Achieved  Annual Energy Reduction    = 38,000kWh Annual CO2 Reduction    = 13.7 tonnes Annual Cost saving     = £2,990 (per unit)  Cost of implementation    = £4,650 (per unit)  Return on Investment  Payback period = 19 Months   

Site overview   An NHS Trust in Berkshire.   

The Problem  During  a  building  inspection,  a  Variable  Speed  Drive  (VSD) fitted to a Low Temperature Hot Water (LWHW) pump motor was  found  to be operating  to a constant speed regardless of demand.   The pump was operating at 47Hz and drawing 9.5kW at the time of the inspection.    

     

The Solution  Rather than operate at static speed, this pump was set up to make the best use of the inverter installed, which was based on a pressure  regime and  interlocked using an  AHU  cooling  valve  feedback  loop,  thus  taking        account of cooling valve operation and modulating the pump accordingly.        This strategy ensured that, when there was no demand for cooling and all modulating valves were closed,  the pump was set back to a minimum frequency of 15Hz.  The  modification  of  this  control  strategy  realised  an overall energy saving of 45% annually, when compared to the previous static control.     

Case Study: 7 

Chilled Water Pumps – Control Improvements 

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 37,500kWh Annual CO2 Reduction    = 20 tonnes Annual Cost saving     = £3,000  Cost of implementation    = £1,000  Return on Investment  Payback period       = 4 Months 

Case Study: 8 

Ventilation Heat Recovery ‐ Run‐around Coils 

Measurement of Savings Achieved (AHU 3)  Annual Energy Reduction    = 305,000kWh Annual CO2 Reduction    = 57 tonnes Annual Cost saving     = £6,100  Cost of implementation    = £4,250  Return on Investment  Payback period       = 8 Months 

Site overview   Large MoD site in Edinburgh.    The Problem  The majority  of Air Handling  Plant  (AHU)s were  once through‐systems with  no  heat  reclaim.    This  example demonstrates savings on a single AHU No. 3.   

The Solution  Low  Carbon  UK  were  commissioned  to  design  and     install  a  number  of  run‐around  coils  on  AHUs, which would  result  in  the  effective  reclaim  of  exhaust  heat and thus, reduce energy savings across the site.    Appropriate modelling  software was used   during  this process  to  establish  the  scope  of  savings  achievable prior to  installation, which were subsequently   verified using appropriate heat meters.       

Case Study: 9 

Fan Modulation ‐ Variable Speed Drives (VSDs) 

Site overview  An acute hospital located in North of England.    The Problem  Whilst undertaking an energy audit of this site, and the subsequent  analysis  of  fan  curves  and  Pitot  traverse    measurements,  it  was  established  that  there  was  a     significant over‐supply of  ventilation by  the maternity block general Air Handling Unit (AHU).   

 

The Solution  Subsequently,  through our  recommendations,  variable speed  drives  (VSDs) were  fitted  to  supply  and  extract AHU  fan motors  and modulated  to provide  a  suitable air change rate for the area being served.    This  resulted  in  a  change  of  frequency  from  50Hz  to 38Hz  whereby  the  amount  of  absorbed  power          consumed  by  ventilation  plant  was  significantly         reduced. 

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 113,880kWh Annual CO2 Reduction    = 63 tonnes Annual Cost saving     = £6,833  Cost of implementation    = £6,000  Return on Investment  Payback period       = 11 Months 

Case Study: 10 

Calorifiers to Plate Heat Exchangers (PHXs) 

Site overview  A large university in the West Midlands.  

The Problem  On  review  of  this  site’s  domestic  hot  water  (DHW)    system, we identified that the current set up consisted of  a  number  of  inefficient,  un‐lagged  calorifiers         requiring  high  maintenance,  a  regular  legionella       prevention regime, as well as annual pressure testing.  

The Solution 

 

In  order  to  reduce  maintenance  costs  and  increase    DHW system efficiency, a project was initiated whereby a number of DHW calorifiers were replaced with PHXs.     

The decision to undertake this work was supported by prior  research  (through  the  use  of  heat  meters),    whereby  it  was  established  that  the  heat‐transfer     efficiency of PHXs is typically 90%, compared to similar tests  carried  out  on  calorifiers  which  consumed         substantially more energy, typically operating at about 60%  efficiency,  primarily  due  to  storage  losses  and    system pasteurisation requirements.   

A  30%  improvement  in  efficiency  can  therefore  be    realised  on  hot water  generation  through  the  use  of PHXs.  

Other benefits of using PHXs over calorifiers are:  

Increasing the capacity  is easy  (simply by adding more plates). 

  Low water content reduces the risk of  legionella  breeding. 

 

Compact for installing in tight spaces.  

Easy  to  install  and  maintain  (the  plates  simply unbolt and can be removed). 

 

Calculating savings prior to this  installation were based on  25%  of  total  site  gas  consumption  (that  being       utilised for DHW generation), which equates to 8MWh per annum (100% calorifier utilisation operating at 60% efficiency compared to 100% PHX utilisation running at 90% efficiency).  

Annual  cost  savings  illustrated do not  take account of savings  associated with  the  reduced maintenance  and testing requirements of a plate heat PHX DHW system.  

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 2.4MWh Annual CO2 Reduction    = 556 tonnes Annual Cost saving     = £48,000  Cost of implementation    = £190,000  Return on Investment  Payback period       = 48 months  

Case Study: 11 

Insulate Plate Heat Exchangers (PHXs) 

Site overview  A London Museum.   The Problem  A  modular  steam  PHX  serving  the  constant                 temperature  heating  circuit  was  found  to  be                    uninsulated,  resulting  in  thermal  losses  to  the  plant area.   Assumptions  Plate Heat Exchanger Size  1m2 

Fuel Cost per kW      £0.02 Operating Temp (°C)    82  Operating Hrs p.a.      8,760 Emissions Unlagged    900 W/m2 Emissions Lagged      70 W/m2 Cost of Jacket      £420.00 Estimated Savings p.a.    £145.00 Estimated Payback Period   36 Months 

The Solution   Based on a number of assumptions  (see  left),  the installation  of  an  insulating  jacket  would  reduce heat losses from the system and contribute toward an overall reduction in energy consumption.   The  heat  loss  calculation  is  based  upon  an           insulated PHX in comparison to an uninsulated PHX as per energy efficiency office recommendations.  Fitting  an  insulation  jacket  on  nine  uninsulated PHXs across the site is anticipated to realise annual savings in the region of £145 (per PHX) and will pay back in 36 months.  Whilst  a  36  month  payback  is  anticipated  when insulating a hot water  to hot water PHX, payback periods  are  likely  to  be  halved  on  steam  to  hot   water systems.   

Measurement of Savings Achieved (for nine 1m2 PHXs)  Annual Energy Reduction    = 65,000kWh Annual CO2 Reduction    = 12 tonnes Annual Cost saving     = £1,305  Cost of implementation    = £3,780  Return on Investment  Payback period       = 36 Months 

Case Study: 12 

Thermostatic to Electronic Expansion Valve Upgrade 

Site overview  A large commercial building located in London.   The Problem  A thorough analysis was undertaken to ascertain chiller performance at this site, whereby it was identified that excessive  levels  of  super‐heat  was  evident  from  the outlet of the chiller evaporator coils.  It was  recommended  that electronic expansion  valves be considered, in order to improve efficiency.    Existing set up 

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 40,000kWh Annual CO2 Reduction    = 22 tonnes Annual Cost saving     = £3,200  Cost of implementation    = £5,500  Return on Investment  Payback period = 20 months    Expansion valves  fitted  

The Solution   Electronic  expansion  valves  were  installed  on  two 254kW chillers at this site.     In addition, head pressure on  these  chillers were modified  from  fixed  to  floating head  pressure  control  on  both  systems  to  improve  condensing efficiency.    In  order  to  establish  savings  potential  resulting  from this  installation,  the  electronic  expansion  valves were fitted  in  parallel  with  the  existing  thermostatic          expansion valve and operation was  switched between the  two systems,  three  times per week  to allow a  fair comparison to be made.  Energy  savings  were  achieved  with  the  electronic     expansion valve because  lower  levels of superheat out of  the  evaporator  allows  better  heat  transfer  and hence,  higher evaporating pressures to be used.   The  energy  savings  achieved  through  this  installation were  measured  over  a  two  month  period  and  on      average,  were  found  to  provide  approximately  9%    savings with increased savings in warmer months. 

Overview   A data centre located in London.   The Problem  There was a general concern at this site regarding  the efficiency  of  operation  of  six  large  water  chillers (collectively having a rated output capacity of 2MW).  One  of  the  difficulties  of  operating  in  the  energy        optimisation  field  is  knowing  the  condition  of         equipment before you start work.  The Solution  The advantage of Low Carbon UKs optimisation method is that there is no need to install flow meters and that it provides a detailed  chiller analysis within 30 minutes, without  reliance  on  pre‐installed  devices;  it  also       provides better field accuracy at much  lower cost than traditional methods. 

The advantages obtained from this site were:   COP increased from 3.0 to 4.0  Discharge Temperature reduced from 80°C to 58°C  Superheat reduced from 11K – 16K to 6K  Risk of failure reduced substantially 

 

The  outcome  of  our  analysis  and  subsequent  control changes resulted in a 16% reduction in power compared to the previous years trends (after normalisation).   In addition, our method measures a  chillers actual COP and other  vital parameters which  indicate whether  the system is operating within tolerances and whether or not equipment has been effectively serviced. 

Case Study: 13 

Low Carbon UK’s Chiller Optimisation Method  

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 520,000kWh Annual CO2 Reduction    = 286 tonnes Annual Cost saving     = £41,600  Cost of implementation    = £10,500  Return on Investment  Payback period = 3 months    

Overview   A large manufacturing site in the West Midlands  The Problem  During a survey of the main process water chiller at this site  it  was  noted  that  the  existing  position  of  the     evaporators  were  8  meters  above  the  receiver.  This          required  a  relatively  high  head  pressures  to  be        maintained which was  achieved  through  the use  of  a number of air‐cooled condenser fans. Refrigerant ‘flash gas’  (the  partial  re‐evaporation  of  condensed  liquid refrigerant in the liquid line) was evident at the time of survey indicating a loss of system efficiency.   The Solution  Appropriate  system  pressures  were  effectively achieved  by  installing  LPA  pumps  in  the  liquid  lines  between the condenser and evaporators.  

The pumps  increased  the pressure  in  the  liquid  line  to overcome  losses  in  the  pipework  which  allowed       compressor  discharge  pressures,  and  in  effect            temperatures,  to  be  reduced,  thus  reducing  chiller   compressor power.  Following  the modifications,  the  system now operates at a low head pressure. However, as condenser control is  far  more  critical  when  operating  at  low  head         pressure, an  inverter was  installed on each  condenser to  control  the  fans.  These  are  now  operated                simultaneously and their speed is modulated to provide accurate  pressure  control. With  LPA,  for much  of  the year condensing  temperature can be  floated  to 5‐15°C above  ambient  temperatures.  This  ability  to  control head  pressure  is  the  most  significant  area  of  cost       savings.  The  optimum  pressure  was  calculated  and  adjusted  dependant  on  compressor  loading  and  ambient       temperature. The measured energy saving resulting for these modifications was  32%.  The  issue  of  ‘flash  gas’ was also overcome through the use of the LPA pumps.  

Case Study: 14 

Installation of Liquid Pressure Amplification (LPA) 

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 150,000kWh Annual CO2 Reduction    = 82 tonnes Annual Cost saving     = £12,500  Cost of implementation    = £10,000  Return on Investment  Payback period = 10 months    

Overview   A food manufacturing site in Tiptree, Essex.  The Problem  During a energy survey of this site it was evident that a significant proportion of the electrical building load was  attributed to lighting.   This  facility  was  made  up  of  several  open  plan         manufacturing areas artificially  lit by way of a number of energy intensive (400W) metal halide lamps.   All  non‐manufacturing  areas  such  as  offices,  storage spaces and other ancillary areas were lit using T12 and T8  fluorescent  fittings  that  incorporated  magnetic                   ballasts;  no  lighting  controls  were  installed,  which        resulted  in many  lamps being unnecessary  illuminated when  areas  were  either  unoccupied  or  day  lighting       levels were adequate.    

The Solution  A lighting upgrade was initiated whereby all T12  and T8 fluorescent  fittings were  replaced with  high  efficiency T5 tubes and electronic control gear. In addition, all old inefficient metal halide units were replaced with energy efficient, high bay induction lamps.  Effective  lighting  controls  were  also  designed  and     installed  to  complement  the  new  energy  efficient                   luminaries;  these  included  technologies  such  as  PIR                occupancy sensors, light level sensors (photo cells) and long range microwave sensors. 

Case Study: 15 

Lighting and Lighting Controls Upgrades 

Measurement of Savings Achieved   Annual Energy Reduction    = 284,348kWh Annual CO2 Reduction    = 2 tonnes Annual Cost saving     = £18,482  Cost of implementation    = £41,694   Return on Investment  Payback period = 27 months