Displacement for Classrooms

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Displacement with Induction
An Efficient Solution for the Conditioning Our Classrooms
in Accordance with ANSI Standard S12.60
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Classroom Design Issues
• Classroom minimum ventilation rates
– ASHRAE Standard 62
– 15 CFM per student
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Minimum ventilation rates
Classroom Design Issues
• Guidelines for thermal comfort
– ASHRAE Standard 55
– Summer design:
– Winter design:
3
75 to 78º F DB (WB not to exceed 64º F)
70 to 72º F DB
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Ventilation rates
Thermal comfort
Classroom Design Issues
• Classroom acoustical standards
– ANSI Standard S12.60
– 35 dBA (NC27) in core learning areas
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Ventilation rates
Thermal comfort guidelines
Classroom acoustical standards
Classroom Design Issues
• Reliability and maintenance requirements
– Routine maintenance can be performed by school personnel
– Simple to operate and maintain
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All Air Solutions for
Classroom HVAC
• Constant air volume, variable temperature solutions
– Water source heat pumps
– Unit ventilators
– Fan coil units
– Series type fan powered terminals
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All Air Solutions for
Classroom HVAC
• Constant air volume, variable temperature solutions
7
– 
Ventilation airflow guaranteed as airflow rate is constant
– 
Airflow to handle sensible load 2 to 2.5 times ventilation rate
– 
Airflow delivery maintained at all times
– 
Difficult to achieve acceptable classroom noise levels
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All Air Solutions for
Classroom HVAC
Constant air volume, variable temperature solutions
• Variable air volume solutions
– Single duct VAV with reheat
– Variable speed fan terminals with reheat
– Parallel type fan powered terminals
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All Air Solutions for
Classroom HVAC
Constant volume, variable temperature solutions
• Variable air volume solutions
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– 
Airflow delivery is proportional to conditioning requirements
– 
Ventilation rate is compromised as airflow rate is reduced
– 
Space humidity ratios vary with delivered airflow rate
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Displacement Conditioning
of Classrooms
TSHG = 25 BTUH/FT2 = 22,500 BTUH
Minimum Ventilation = 26 x 15 = 405 CFM
2 Displacement
Diffusers @ 600
CFM/ea.
22,500 BTUH
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Displacement Conditioning
of Classrooms
Heat Source
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Displacement Conditioning
of Classrooms
TRETURN = 80º F
DTSR = 18º F
Elevation
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75ºF
Occupied
Zone
70ºF
TSUPPLY = 62º F
Local Temperature Increase
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Displacement Conditioning
Advantages
• High CO2 removal efficiencies
• Excellent space acoustics
• Reduced operational costs in mild climates
– Extended economizer opportunities
– Possible chiller operational efficiency enhancements
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Displacement Conditioning
Issues
• Slightly higher airflow rates
– Typically 15 to 20% higher than conventional systems
– Results in larger ductwork, terminal units and fans
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Displacement Conditioning
Issues
Slightly higher airflow rates
• Separate heating system required
– Warm air discharged by terminals rises immediately
– Heating by separate source to maintain displacement
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Displacement Conditioning
Issues
Slightly higher airflow rates
Separate heating system required
• Dehumidification issues in much of North America
– Outdoor air must be cooled to saturation, then reheated
– Complicates air handling unit design and control
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Displacement System
Air Handling Unit Design
Exhaust Air
Return Air
450 CFM @ 84F
1350 CFM @ 83F
Outside Air
Supply Air
450 CFM @ 94F
1350 CFM @ 64F
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Displacement with Induction
• Induction Nozzles
– Primary air delivered at 50 to 55ºF
– Mixing within terminal elevates supply
air to appropriate temperature
• Integral Heat Transfer Coil
– Room air induced through coil
– Supplements space cooling
– Eliminates separate heating system
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Displacement with Induction
Cooling mode operation
Return Air
450 CFM
(82 to 85ºF)
Primary Airflow
450 CFM
(50 to 54ºF)
Room Air
900 CFM
(75 to 78ºF)
Chilled Water
Supply Airflow
1350 CFM
(61 to 68ºF)
20
100%
Exhausted
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Displacement with Induction
Heating mode operation
100%
Exhausted
Return Air Optional Heat
450 CFM
Recovery
Primary Airflow
450 CFM
(50 to 60ºF)
Room Air
900 CFM
(70 to 72ºF)
Hot Water
Supply Airflow
1350 CFM
(82 to 85ºF)
21
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Displacement with Induction
Staggered heating operation
Cooling
Only
Heat and Cool
Cooling
Only
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QLCI Installation
Step 1: Install retaining studs
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QLCI Installation
Step 2: Install water piping
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QLCI Installation
Step 3: Mount and connect QLCI terminals
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QLCI Installation
Step 3: Mount and connect QLCI terminals
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QLCI Installation
Step 4: Install and connect air ducts
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QLCI Installation
Step 5: Replace front panels
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Advantages of Using
Displacement with Induction
• Classroom acoustics comply with ANSI S12.60
• Improved classroom IAQ
– Minimum ventilation rate guaranteed
– Displacement ventilation of classroom
• Reduced operation and maintenance costs
– Enhanced cooling efficiencies using chilled water versus air
– Considerably lower air transport costs
– Simple controls, few moving parts
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Sensible
Cooling
Latent
Cooling
Fan/Duct
Sizing
Acoustics
30
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Classroom Cooling
Operational Summary
Conventional
Mixed System
Conventional
Displacement
Displacement
with Induction
Primary Air:
Recirculation:
Bypass:
100%
0%
0%
70%
0%
30%
55%
35%
15%
Primary Air:
100%
100%
65 to100%
0%
0%
0 to 35%
Recirculation:
CFM/FT2:
NC:
1.2
1.5
0.5
35 to 45
< 25
25 to 30
•
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Classroom Cooling
Operational Costs
Fan Energy (kWH)
Annual Energy Use (kWH)
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Refrigeration (kWH)
Pumping Energy (kWH)
6000
5000
33% Savings vs.
WSHP!
4000
25% Savings vs.
Unit Ventilators!
3000
2000
35% Savings vs.
VAV System!
1000
0
QLCI
VAV
WSHP
HVAC System Type
31
Unit Vent
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Advantages of Using
Displacement with Induction
•
Classroom acoustics comply with ANSI S12.60
•
Improved classroom IAQ
•
Reduced operational and maintenance costs
• Simplified air handling unit design and operation
– Air handling unit size reduced considerably
– Recirculation at air handler is minimal or eliminated altogether
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Displacement with Induction
Air Handling Unit Design
Optional
Heat
Recovery
Exhaust Air
Return Air
450 CFM @ 84F
450 CFM @ 83F
Outside Air
Room Air
Induction
450 CFM @ 94F
Primary Air
450 CFM @ 51F
33
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Displacement with Induction
An Efficient Solution for the Conditioning Our Classrooms
in Accordance with ANSI Standard S12.60
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