1 trox trox usa chilled beams for laboratory hvac applications
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TROXTROX USA
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Chilled Beamsfor Laboratory HVAC Applications
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Chilled Ceilings and BeamsEarly 1980’s
1980 1990 2005
Chilled Ceilings
• Advent of personal computers
• Buildings well insulated for heating
• Need to remove heat from space
• Limited space available
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Principle of OperationChilled Ceiling PanelsChilled Ceiling Panels
CWS = 59 to 62ºF CWR = 62 to 66ºF
55% Convective45%
Radiant
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Radiant Effect on OccupantsChilled Ceiling PanelsChilled Ceiling Panels
77° F
74.5° F74.5° F
Dry Bulb Temp.
Effective Radiant Temp.
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Chilled Ceiling Systems
• Improved thermal comfort– Typically combined with displacement ventilation system
– Low turbulence intensity decreases draft risks
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Chilled Ceiling Systems
• Improved thermal comfort
• Minimal space requirements– No additional space required in ceiling cavity
– Easy to install in retrofit applications
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Chilled Ceiling Systems
• Improved thermal comfort
• Minimal space requirements
• Low energy cooling solution– High heat transfer efficiencies using water
– Low transport costs
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Cooling Capacity Comparison
1 : 327
Flow Cross Section Ratio
18“ x 18“
Air Duct
1“ diameter Water Pipe
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Chilled Ceiling Systems
• Improved thermal comfort
• Minimal space requirements
• Low energy cooling solution
• Limited Cooling Capacity– 25 BTUH/FT2 of active panel– 18 BTUH/FT2 of floor area (based on 70% active ceiling)
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1980 1990 2000 2005
Chilled Ceilings
Passive Beams
• Greater occupant densities
• Increased equipment loads
• Inadequate perimeter cooling
Chilled Ceilings and BeamsEarly 1990’s
• Technology revolution
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Passive Chilled Beams• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
• Ceiling manufacturers begin to sell high free area perforation panels competitively
• Convective coils replace ceiling panels
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Concrete soffit
Passive Chilled BeamsPassive Chilled Beams• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Passive Chilled BeamPassive Chilled BeamAir Distribution PatternAir Distribution Pattern
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Passive Chilled BeamsPassive Chilled Beams• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
Recessed Beams
Exposed Beams
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Passive Beam ComponentsPassive Beam Components• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
Heat Transfer Coil Separation Skirt
Support Rods
Optional Cabinet
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Passive Chilled BeamsPassive Chilled BeamsInterior Area InstallationInterior Area Installation
B
B x 2
Z
H is between 4 and 12 in. Z should be ≥ 0.33B
H
• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Passive Chilled BeamsPassive Chilled BeamsPerimeter InstallationPerimeter Installation
B
B x 1.5
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Passive Beam Installations• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Passive Beam Installations• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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1980 1990 2000 2005
Chilled Ceilings
Passive Beams
Active Beams
• Greater occupant densities
• Continually increasing sensible loads
• Gypsum board tiles become common
• Combine cooling and ventilation
Chilled Ceilings and BeamsMid 1990’s
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Concrete soffitPrimary air supply
Suspended Ceiling
Active Chilled BeamsActive Chilled Beams• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Active Chilled BeamActive Chilled BeamAir Distribution PatternAir Distribution Pattern
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Active Chilled BeamsActive Chilled Beams• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
• Sensible loads up to 70 BTUH/FT2
• Primary air delivered at conventional (50 to 55ºF) temperatures at or near minimum ventilation flow rate
• Can be used with fiberglass ceiling tiles or without any ceiling
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Active Beam Installation
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Active Beam Installation
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Comparative Energy Costs
VAV System
Passive Beam with Displacement
Ventilation
Chilled Ceiling with Natural Ventilation
Typ
ical
Ann
ual H
VA
C E
nerg
y C
ost
($/F
T2)
$1.50
$0.48
$0.80
Cost to chill water
Cost to transport water
Cost to cool air
Cost to transport air
LEGEND
$1.00
Active Chilled Beam
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1990 2000 2005
Chilled Ceilings
Passive Beams
Active Beams
Active Chilled Beams For Laboratory HVAC Applications
Active Beams for Lab HVAC
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Laboratory Design Issues
• Space sensible heat gains of 60 to 70 BTUH/FT2
• Space ventilation requirements of 6 to 8 ACH-1
• Laboratories where chemicals and gases are present require 100% OA
• All air systems require 18 to 22 ACH-1 to satisfy sensible load
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Active Chilled Beamsin a General Use Laboratoryin a General Use Laboratory
Sensible Heat Gain = 65 BTUH/FT2
Ventilation Rate = 8 ACH-1
8’ Active Beams
12 CFM/LF
44 ft.
22 ft.T
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Active Chilled Beamsin a General Use Laboratoryin a General Use Laboratory
Sensible Heat Gain = 65 BTUH/FT2
Ventilation Rate = 8 ACH-1
8’ Active Beams
12 CFM/LF
44 ft.
22 ft. 12’ o.c.
All Air Solution = 18 ACH-1
Air-Water Solution = 8 ACH-1
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Laboratory Design for Pharmaceutical Company
– Location: St. Louis, MO
– Outdoor Design Conditions: 94DB/75WB
– Laboratory Space: 54,000 FT2
– Minimum Ventilation Rate: 8 ACH-1
– Space Sensible Heat Gain: 72 BTUH/FT2
Case Study• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Equipment Conventional VAV Active Chilled Beam
Air Handling Units 180,000 CFM 72,000 CFM
Cooling 1,477 Tons 587 Tons
Heating 21,617 lbs/hr 8,588 lbs/hr
Duct Distribution 285,493 lbs. 214,120 lbs.
Control Points 800 800
Chilled Beams 1,056
Piping Distribution 4,200 LF
Sensible Cooling Chiller System
200 Tons
Equipment Requirements• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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Cooling Energy RequirementExampleExample
65 70 75 80 85 9060
TO
TA
L C
OO
LIN
G E
NE
RG
Y (
kW
)
2.0
3.0
6.0
5.0
7.0
8.0
OUTDOOR TEMPERATURE (°F)
Chilled beam water side cooling
Chilled beam air side cooling
TOTAL ENERGY, AIR-WATER SOLUTION
TOTAL ENERGY, ALL AIR SOLUTION
1000 FT2 LAB (10’ CLGS) TSHG = 70 BTUH/FT2 VENTILATION = 8 ACH-1
4.0
1.0
45%
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Active Chilled Beam (Parallel Sensible Cooling)
– Reduced fan power – 32 % from Base VAV
– Reduced cooling energy – 46 % from Base VAV
– Reduced ductwork sizes – 18-20 ACPH to 6-8 ACH-1
– Higher Pumping energy – 15% - Offset by other savings
– Higher cooling system efficiencies
Overall 35% Reduction in Energy Costs
Energy ComparisonsCase Study, 93/75F Outdoor DesignCase Study, 93/75F Outdoor Design
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Active Chilled Beam (Parallel Sensible Cooling)
– Reduced fan power – 32 % from Base VAV
– Reduced cooling energy – 30 % from Base VAV
– Reduced ductwork sizes – 18-20 ACPH to 6-8 ACH-1
– Higher Pumping energy – 15% - Offset by other savings
– Higher cooling system efficiencies
Overall 25% Reduction in Energy Costs
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Energy ComparisonsModified for 80/64F Outdoor DesignModified for 80/64F Outdoor Design
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Equipment Conventional VAV Active Chilled Beams
Air Handling Units $2,264,335 $899,610
Cooling $1,627,799 $646,717
Heating $244,267 $97,046
Duct Distribution $1,481,709 $1,111,282
Control Points $1,200,000 $1,140,000
Chilled Beams $1,652,984
Piping Distribution $266,444
Sensible Cooling Chiller System
$265,373
Totals $6,818,109 $6,079,456
Equipment Requirements• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • •
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TROXTROX USA
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Chilled Ceilings and Beams