Commercial Building Envelope Air Leakage

Presented by:•Matt Heron, P.E., 

Pie Consulting & Engineering•Stu Reeve, Energy Manager,

Poudre School District•Kim DeVoe, Energy Services Engineer,

Fort Collins Utilities,

Why Test & Repair Air Barriers?• Energy conservation

– Reduce heating and cooling loads– EPACT 2005 / EISA 2007

• 30% reduction over ASHRAE 90.1‐2004 by 2012• Net zero by 2030 (Executive Order 13514)

• Mechanical System Sizing/Operation– Air Exchange 20% to 50% of thermal load– Designing / Modeling Infiltration Loads

• Moisture and mold control– Water vapor transport via air movement – Very costly to remediate– Politically volatile 

• Pollutant transport (IAQ)– Example: TEMF facilities ‐

Fumes

• Microclimate Conditioning

Historic Performance of Commercial Buildings– ASHRAE Fundamentals (CFM / ft2)

Whole Building Air Tightness Testing• ASTM E779:  Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan 

Pressurization

• ASTM E1827:  Standard Test Methods for Determining Air tightness

of Buildings 

Using an Orifice Blower Door

• US Army Corps of Engineers Air Leakage Test Protocol for Measuring Air Leakage 

in Buildings (Engineering & Construction Bulletin dated October 30, 2009)

Existing Building Retro‐Commissioning  Poudre School District 2011 Testing

Air Tightness Testing Diagnostics• ASTM E1186:  Standard Practices for Air Leakage 

Site Detection in Building Envelopes and Air  Barrier Systems

Low Slope Roof to Wall Interfaces

Steep Slope Roof to Wall Interfaces

Expansion Joints & Dissimilar InterfacesAIR LEAKAGE PATHWAY

INTERIOR

EXTERIOR

EXTERIOR

INTERIOR

AIR LEAKAGE OBSERVED

OBSERVE FOR SEALANT

Beam Pockets

Doors & Operable/Fixed Windows

Soffits & Mansard Roofs

Clerestory Assemblies & Skylights

Thermal Discontinuities

PSD 2011 Air Leakage Testing Results

City of Fort Collins Civic Center

High Electrical usage but low gas usage?

LEED Gold building– 3 story, 72,000 sf, built 

in 2001– 2 RTU’s

split N S

– VAV’s

have electric  reheat

– Metasys

BAS identified   high electrical use on 

the 1st

floor– Comfort complaints by 

clerks on the 1st

fl;  electric space heaters 

under desks

Electricity Cost for Selected City Buildings ($/sf/yr)

$-

$0.20

$0.40

$0.60

$0.80

$1.00

$1.20

$1.40

$1.60

215 N. M ason 281 N. College Downtown Library Harmony Library City Hall

Selected City Buildings Gas Cost

$-

$0.05

$0.10

$0.15

$0.20

$0.25

$0.30

$0.35

215 N. M ason 281 N. College Downtown Library Harmony Library City Hall

IR investigation & Building Shell Study• IR images taken by Gary Schroeder, Fort Collins Utilities Senior Engineer

• Shell leakage investigation performed by Kevin  Knight, Architectural Testing Inc.

Findings:– Cold air on 1st

fl caused by Stack effect – Exterior building materials penetrating inside the thermal 

boundary– Misaligned/discontinuous & missing air barrier causing air 

leakage into above ceiling return air plenums

Stack Effect: where it leaks matters

Misaligned or Missing Air Barrier, Exterior Finish  penetrating the Thermal Boundary

Roof Air Barrier Continuity 

Air Leakage at floor and roof decks

The Air Barrier Is Now Continuous  (But only in accessible areas above ceiling grid)

Results• Building Air leakage Test‐out by Stuart Mitchell,   

PIE Consulting and Engineering– Air leakage reduced from 0.43 cfm/sf

to 0.26

cfm/sf.

– A 41% reduction!• Reduced comfort complaints & space heaters• Discovered / repaired return air imbalances

in 

building which were adding to the stack effect. • 2012 winter electric usage decreased

due to 

reduced electric reheat in winter; increased natural  gas usage for overall heating cost savings.

• 2012 Summer electrical usage did not increase,  even during the hottest summer on record!

Civic Center GHG Reduction Exceeds Goal (based on electrical use) 

Percent Annual Energy Savings due to improved Percent Annual Energy Savings due to improved  building air tightness (Modeling results from Annex 46)building air tightness (Modeling results from Annex 46)

Source Leakage Rate at 0.3 in w.g. (75 Pa) cfm/ft2

Baseline 1.0

ASHRAE Std 189.1 requirement for air sealing 0.40

Current Army requirement for air sealing 0.25

Proposed requirement for air sealing 0.15

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

1A 2A 2B 3A 3B 3C 4A 4B 4C 5A 5B 6A 6B 7A 8A

Climate Zone

Ener

gy S

avin

gs

0.4 cfm/ft20.25 cfm/ft20.15 cfm/ft2

BECx

in Rating Systems/Codes/Specs

ASTM E2813 – Standard Practice for Building

Enclosure Commissioning

Raising the Bar for Commercial  Buildings in Fort Collins

• New Commercial Building Tightness  Standards:

– ASHRAE: 0.40 cfm/sf– U.S. Army Corps of Engineers (ACE): 0.25 cfm/sf– City of Fort Collins: 0.25 cfm/sf

• Developed New Building Code Amendments – Fort Collins Utilities consulting w/ PIE– Lessons learned from testing and repairs done to  

the Fort Collins Civic Center

Building Tightness Testing as a Design Tool to  Meet Goals for Poudre School District

• Impact of Providing the Right Tools to Challenge  Conventional Design

• Building Envelope Studies and Impact on Energy  Modeling

• Design Team Confidence to “Right Size”

Mechanical  Systems

• Reinforcing Goals Throughout the Design Process• Final Design Energy Modeling• Rebates and Incentives for High Performance Design• We’ll Keep You Posted 

Thank You!

Matt HeronStu ReeveKim DeVoe