Energy: Management, Supply and Conservation

384 Pages·2009·2.09 MB·English

by  Clive Beggs

v
Contents
Chapter 1 : Energy and the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Two Worlds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Politics and Self-Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Human Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 What is Energy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Units of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Kilowatt-hour (kWh) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
British thermal unit (Btu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
T herm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
T onne of oil equivalent (toe). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Barrel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Calorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 The Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
T he First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
T he Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
T he Third Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Ecology, Society and the Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . .10
1.4 Energy Consumption and GDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.5 Environmental Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.5.1 Global Warming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.5.2 Carbon Intensity of Energy Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.5.3 Carbon Dioxide Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
1.5.4 Depletion of the Ozone Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
1.5.5 Intergovernmental Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
1.5.6 Carbon Credits and Taxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
1.6 Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1.7 Energy Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Chapter 2 : Utility Companies and Energy Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.2 Primary Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
2.3 Delivered Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.4 Electricity Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.4.1 Electricity Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.4.2 Electricity Tariff s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.5 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
2.5.1 Natural Gas Production, Transmission and Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2.5.2 Peak Demand Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2.5.3 Gas Tariff s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
2.6 Fuel Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Chapter 3 : Competition in Energy Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.2 The Concept of Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
vi Contents
3.3 Competition in the Electricity Supply Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
3.4 The UK Electricity Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
3.4.1 The Evolution of the UK Electricity Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
3.4.2 The Californian Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
3.5 Competition in the Gas Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
3.6 Load Management of Electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
3.7 Supply Side and Demand Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
3.8 Demand-Side Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
3.8.1 The USA Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.8.2 The UK Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
Chapter 4 : Energy and Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4.1 Transport and the Economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4.2 The History of Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
4.3 Passenger Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
4.4 Energy Consumption and Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
4.4.1 Carbon Dioxide Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
4.5 Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
4.6 Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Chapter 5 : Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
5.1 Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
5.2 Solar Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
5.2.1 Solar Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
5.2.2 Evacuated-Tube Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
5.2.3 Photovoltaic Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
5.3 Wind Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.3.1 Power Available in Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
5.3.2 Wind Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Horizontal-Axis Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
V ertical-Axis Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
5.4 Power from Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
5.4.1 Hydroelectric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
5.4.2 Tidal Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
5.4.3 Wave Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
5.4.4 Wave Power Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
5.5 Energy from Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Chapter 6 : Energy Analysis Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
6.2 Annual Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
6.3 Normalized Performance Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
6.4 Time-Dependent Energy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
6.5 Linear Regression Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
6.5.1 Single Independent Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
6.5.2 Correlation Coeffi cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
6.5.3 Multivariable Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
6.6 CUSUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Contents vii
Chapter 7 : Energy Audits and Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
7.2 Types of Energy Audit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
7.2.1 Audit Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
7.3 Why is Energy Wasted? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
7.4 Preliminary Energy Audits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
7.4.1 Electricity Invoices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
7.4.2 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
7.4.3 Fuel Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
7.4.4 Solid Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
7.4.5 Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
7.4.6 Site Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
7.4.7 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7.5 Comprehensive Energy Audits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
7.5.1 Portable and Temporary Sub-metering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
7.5.2 Estimating Energy Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
7.6 Energy Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
7.6.1 Management and Operating Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
7.6.2 Energy Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
7.6.3 Plant and Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
7.6.4 Building Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
7.7 Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
7.8 The Audit Report . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
Chapter 8 : Project Investment Appraisal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
8.2 Fixed and Variable Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
8.3 Interest Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
8.4 Payback Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
8.5 Discounted Cash Flow Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
8.5.1 Net Present Value Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
8.5.2 Internal Rate of Return Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
8.5.3 Profi tability Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
8.6 Factors Aff ecting Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
8.6.1 Real Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Chapter 9 : Energy Monitoring, Targeting and Waste Avoidance . . . . . . . . . . . . . .158
9.1 The Concept of Monitoring and Targeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
9.2 Computer-Based M & T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
9.3 Monitoring and Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
9.3.1 Data from Invoices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
9.3.2 Data from Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
9.4 Energy Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
9.5 Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
9.6 Reporting Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
9.6.1 League Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
9.6.2 Graphical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
viii Contents
9.7 Diagnosing Changes in Energy Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
9.8 Waste Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
9.9 Causes of Avoidable Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
9.10 Prioritizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
Chapter 10 : Energy Effi cient Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
10.2 Thermal Comfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
10.3 Building Heat Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
10.3.1 U Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
10.3.2 Heat Loss Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
10.4 Heating Energy Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
10.5 Intermittent Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
10.6 Radiant Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
10.6.1 Radiant Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
10.6.2 Low-Emissivity Glazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
10.7 Underfl oor and Wall Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
10.8 Pipework Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
10.8.1 Pipework Heat Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
10.8.2 Economics of Pipework Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
10.9 Boilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
10.9.1 Flue Gas Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
10.9.2 Other Heat Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
10.9.3 Boiler Blow-Down . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
10.9.4 Condensing Boilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
Chapter 11 : Waste Heat Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
11.2 Recuperative Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
11.3 Heat Exchanger Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
11.3.1 Number of Transfer Units (NTU) Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
11.4 Run-Around Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
11.5 Regenerative Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
11.6 Heat Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Chapter 12 : Combined Heat and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
12.1 The CHP Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
12.2 CHP System Effi ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236
12.3 CHP Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
12.3.1 Internal Combustion Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
12.3.2 Gas Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
12.3.3 Steam Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
12.4 Micro-CHP Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240
12.5 District Heating Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242
12.6 CHP Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
12.7 Operating and Capital Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
12.8 CHP Plant Sizing Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244
12.9 The Economics of CHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245
Contents ix
Chapter 13 : Energy Effi cient Air Conditioning and Mechanical
Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
13.1 The Impact of Air Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
13.2 Air-Conditioning Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255
13.3 Refrigeration Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258
13.4 The Problems of the Traditional Design Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
13.4.1 Building Design Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
13.4.2 Refrigeration System Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262
13.4.3 Air System Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263
13.5 Alternative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264
13.6 Energy Effi cient Refrigeration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
13.6.1 Evaporators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
13.6.2 Condensers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
13.6.3 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
13.6.4 Expansion Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
13.6.5 Heat Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268
13.7 Splitting Sensible Cooling and Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269
13.7.1 Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
13.8 Fabric Thermal Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272
13.9 Ice Thermal Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
13.9.1 Control Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
13.9.2 Ice Thermal Storage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275
13.9.3 Sizing of Ice Storage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
13.10 Evaporative Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282
13.11 Desiccant Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
13.11.1 Solar Application of Desiccant Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286
Chapter 14 : Energy Effi cient Electrical Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288
14.2 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .289
14.2.1 Eff ects of a Poor Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290
14.2.2 Power Factor Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292
14.3 Electric Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
14.3.1 Motor Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
14.4 Variable Speed Drives (VSD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
14.4.1 Principles of VSD Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297
14.5 Lighting Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298
14.5.1 Daylighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298
14.5.2 Lighting Defi nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
14.6 Artifi cial Lighting Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
14.6.1 Average Illuminance (E ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
av
14.6.2 Lighting Design Lumens ( ρ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303
14.6.3 Utilization Factor (UF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303
14.6.4 Maintenance Factor (MF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304
14.7 Energy Effi cient Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
14.7.1 Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
T ungsten Filament Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
x Contents
Compact Fluorescent Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
Fluorescent Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
Metal Halide Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
High-Pressure Sodium Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
14.7.2 Control Gear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
14.7.3 Lighting Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
14.7.4 Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
Chapter 15 : Passive Solar and Low Energy Building Design . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
15.2 Passive Solar Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
15.2.1 Direct Gain Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
15.2.2 Indirect Gain Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
15.2.3 Isolated Gain Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
15.2.4 Thermosiphon Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
15.3 Passive Solar Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
15.3.1 Shading Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
15.3.1 Solar Control Glazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324
15.3.3 Advanced Fenestration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325
15.3.4 Natural Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
15.3.5 Thermal Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330
15.3.6 Night Venting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332
15.3.7 Termodeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332
15.4 Building Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334
15.5 Building Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .336
Appendix 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343
Appendix 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347
Appendix 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .349
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351
Energy: Management,
Supply and Conservation

Clive Beggs
Amsterdam • Boston • Heidelberg • London • New York • Oxford
Paris • San Diego • San Francisco • Singapore • Sydney • Tokyo
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier
Butterworth -Heinemann is an imprint of Elsevier
Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK
30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA
First published 2002
Reprinted 2003, 2005
Second edition 2009
Copyright © 2009, Clive Beggs. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved
The right of Clive Beggs to be identifi ed as the author of this work has been asserted in
accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988
No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or
transmitted in any form or by any means electronic, mechanical, photocopying,
recording or otherwise without the prior written permission of the publisher
Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights
Department in Oxford, UK: phone ((cid:1) 44) (0) 1865 843830; fax ( (cid:1) 44) (0) 1865 853333;
email: [email protected] . Alternatively visit the Science & Technology
website at www.elsevierdirect.com/rights for further information
Notice
No responsibility is assumed by the publisher for any injury and/or damage to persons
or property as a matter of products liability, negligence or otherwise, or from any use
or operation of any methods, products, instructions or ideas contained in the material
herein
British Library Cataloguing in Publication Data
Beggs, Clive.
Energy: management, supply and conservation. — 2nd ed. 1. Buildings—Energy
Conservation. 2. Buildings—Power supply.
I. Title
696—dc22
Library of Congress Control Number: 2009925900
ISBN : 978-0-7506-8670-9
For information on all Butterworth-Heinemann publications
visit our website at elsevierdirect.com
Typeset by Macmillan Publishing Solutions
( www.macmillansolutions.com )
Printed and bound in Great Britain
09 10 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
..
1
CHAPTER 1
E nergy and the
Environment
Society in the developed world is built on the assumption that energy is both freely
available and relatively cheap. However, there are environmental costs associated
with the continued use of fossil fuels and these are causing a reappraisal of the way in
which energy is used. This chapter investigates the global use of energy and its impact
on economies and the environment.
1.1 Two Worlds
Those of us who live in developed countries take energy very much for granted.
Although we may not understand exactly what it is, we certainly know how to use
it. Indeed, never before has there been a society, which is as reliant on energy as our
own. Consider for a moment the number of everyday items of equipment, tools and
appliances that run on electricity – lamps, washing machines, televisions, radios, com-
puters and many other ‘ e ssential’ items of equipment – which all need a ready supply
of electricity in order to function. Imagine what life would be like without electricity.
Both our home and our working lives would be very diff erent. Indeed, our high-tech,
computer-reliant society would cease to function; productivity would fall drastically
and gross domestic product (GDP) would also be greatly reduced, a fact highlighted by