Developing low-energy personal thermal comfort systems: design, performance, testing

140 Pages·2016·6.39 MB·English

UC Berkeley
Indoor Environmental Quality (IEQ)
Title
Developing low-energy personal thermal comfort systems: design, performance, testing,
and research methods.
Permalink
https://escholarship.org/uc/item/92h1p54j
Author
Fannon, David J
Publication Date
2015-07-01

Peer reviewed
eScholarship.org Powered by the California Digital Library
University of California
Developing Low-Energy Personal Thermal Comfort Systems: Design, Performance
Testing, and Research Methods
by
David Joseph Fannon
A thesis submiĴed in partial satisfaction of the
requirements for the degree of
Master of Science
in
Architecture
in the
Graduate Division
of the
University of California, Berkeley
CommiĴee in charge:
Professor Gail Brager, Chair
Professor Edward Arens
Professor Alice Agogino
Summer 2015
The thesis ofDavid JosephFannon, titledDevelopingLow-EnergyPersonal ThermalCom-
fort Systems: Design, Performance Testing, and Research Methods, is approved:
Chair Date
Date
Date
University of California, Berkeley
Developing Low-Energy Personal Thermal Comfort Systems: Design, Performance
Testing, and Research Methods
Copyright 2015
by
David Joseph Fannon
i
For Leah. For everything.
ii
Contents
List of Figures v
List of Tables vii
1 Preface 1
1.1 Research Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Thermal Comfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Comfort in Buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Personal Comfort Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 Energy Use In buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.5 Low-energy PCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.6 Simulated Energy Savings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.7 PCS Field Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Research Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Research Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Cooling Fan 10
2.1 Fan Background, Problem, and Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Concept Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Fan Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Fan Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Cowling Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Wind Tunnel Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 Family Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Human Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.1 Woodie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.2 Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Performance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1 Intro to CFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iii
2.5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.5 Outcome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 Final Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.1 Electrical Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.2 Plastic Parts and molds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Footwarmer 50
3.1 Footwarmer Background, Problem, and Objective . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Form and Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Housing and Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Conductive Surface 63
4.1 Surface Background, Problem, and Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Design Concept and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Combined CBE Personal Comfort System 69
5.1 System Background, Problem, and Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 System design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.1 Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4 Field Study Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.1 Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.2 High Throughput Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4.3 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4.4 Human Subjects Protections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.5 Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Conclusion 99
6.1 Research Outcomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 Widen Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.2 Improving the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.3 Improving the research method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.4 Future Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References 104
Appendix A Fan Specification 108
Appendix B Consent Form 115
iv
Appendix C Contact Information Form 118
Appendix D Personal Information Questionnaire 120
Appendix E Information Technology Guide 122
v
List of Figures
1.1 Energy savings from expanded setpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Fan 1.0 CAD Assembly Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Renderings of fan version 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Early motor and propeller components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Cowling options for airstream testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Symbols and Notation in the Jet Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 Measuring air speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 Spatial distribution of air velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Air velocities for inlet and nozzle combinations . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9 Fan 2.4 Fankenstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.10 Fan Family Tree of prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.11 Fan 3.0 initial CAD design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.12 Filmstrip of Fan 3.0 ”Woodie” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.13 Fabricating Fan 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.14 Experimental setup for CFE measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.15 HVAC Temperatures during CFE measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.16 Comparison of Cooling Fan Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.17 Local cooling effects during CFE measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.18 Cooling Fan Efficiency ploĴed as a function of power . . . . . . . . . . . . . 42
2.19 Visible and IR photos of the thermal manikin during CFE testing . . . . . . 43
2.20 Illustrated fan circuit diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.21 Early and final electronic wiring for the fan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.22 Mold Flow Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1 Sections showing geometry of lamps in footwarmers . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Fabricating the elliptical footwarmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Elliptical footwarmer in use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Visible and IR images of the footwarmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Cardboard Footwarmer Mockup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6 Sheet Metal Footwarmer Prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
vi
3.7 Footwarmer CAD design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 Footwarmer CAD design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.9 Fabricating the footwarmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.10 Wiring diagram for the footwarmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Prototype integrated palm warmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Prototype desks featuring conductive surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Prototype conductive desk surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 2d analysis of heat transfer by conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1 Personal Comfort System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 Bench for low-voltage assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Arrangement of High Bay space for production . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4 Calibrating fan version 4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5 Results from calibrating a sample of 13 fans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.6 PEC installation at study site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.7 A new PCS user offers feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.8 PEC user information card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.9 PEC Data management diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.10 Diagram of datasets linked by a shared code value . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.11 Diagram of datasets linked by a keyMap file . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90