home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / energy / 6556 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-01  |  12.1 KB

  1. Path: sparky!uunet!think.com!ames!sgi!cdp!ei
  2. From: Essential Information <ei@igc.apc.org>
  3. Newsgroups: sci.energy
  4. Date: 31 Dec 92 12:42 PST
  5. Subject: Re: Energy Ideas - Thermal Env.
  6. Sender: Notesfile to Usenet Gateway <notes@igc.apc.org>
  7. Message-ID: <1466300129@igc.apc.org>
  8. References: <1466300127@igc.apc.org>
  9. Nf-ID: #R:cdp:1466300127:cdp:1466300129:000:11987
  10. Nf-From: cdp.UUCP!ei    Dec 31 12:42:00 1992
  11. Lines: 234
  12.  
  13.  
  14.  
  15. WINDOWS - A NEW LOOK AT AN OLD SCENE
  16.  
  17. Known as "glazing," glass areas on a building shell are a
  18. necessary part of a pleasant work environment.  Offices with
  19. windows are, almost without exception, considered to be the most
  20. desirable.  Being able to see out and to fill an office with
  21. natural light makes office space feel more relaxed and natural. 
  22. Windows also provide unique opportunities to use sunlight to
  23. reduce lighting and heating loads.  Unfortunately, most buildings
  24. today suffer from poor glazing design, resulting in increased
  25. heating and cooling loads.  New design techniques and glazing
  26. products have been developed to use sunlight to increase building
  27. energy efficiency.
  28.  
  29. Providing Light with Daylight
  30.  
  31. Smart buildings can take advantage of sunlight to reduce their
  32. electricity consumption for lighting.  According to the U.S.
  33. Department of Energy (DOE), more than 20 times the light required
  34. to light building interiors is available from natural sunlight. 
  35. Conventional window placement does not take full advantage of the
  36. available light.  Simply placing windows in outer, or perimeter,
  37. offices only illuminates those offices.  However, direct sunlight
  38. which enters those windows will also increase the room
  39. temperature.  This is helpful in winter but it adds substantially
  40. to cooling loads in summer.  Traditionally, interior offices have
  41. not been lit by windows.  
  42.  
  43. New glazing techniques provide lighting to all offices while
  44. avoiding overheating from direct sunlight.  These technologies
  45. are very cost-effective in new construction.  However, the design
  46. techniques require integration with the building's layout and
  47. heating, ventilating and air conditioning systems.  Consequently,
  48. these retrofits are extremely costly.  The notable exception to
  49. this is the replacement of inefficient windows.
  50.  
  51. Atria
  52.  
  53. One new building design, the atrium, provides a bright and
  54. pleasant central area for office buildings and also creates a
  55. light source for interior offices.  An atrium is an area in the
  56. center of a building which is open from the ground floor to the
  57. roof and is illuminated by natural light.  Interior offices with
  58. windows facing an atrium need lower levels of electric lighting. 
  59.  
  60.  
  61. Light Shelves and Clerestories
  62.  
  63. Perimeter offices may be illuminated by new window arrangements
  64. which admit diffused and reflected light while blocking direct
  65. light (which causes unwanted heating and glare).  Light shelves
  66. project outward from windows in perimeter offices.  Located about
  67. a third of the distance from the top of the windowthey reflect
  68. light through the upper portion of the window.  A light-colored
  69. ceiling will scatter this light, illuminating the office without
  70. heating it.  Clerestories are skylights where the glass has been
  71. mounted perpendicular to the roof (see photo on page two). 
  72. Mirrors on the roof reflect light into the window and the inner
  73. surface of the clerestory diffuses the light and directs it
  74. downward into the building.  The clerestory may also contain
  75. photocells to activate artificial lights when natural light falls
  76. below a certain level.
  77.  
  78. New Developments
  79.  
  80. Two new technologies can transport light into interior office
  81. spaces.  The first, light "pipes," reflect sunlight along their
  82. length, similar to a optical fiber, and allow some light to
  83. escape with each reflection.  These pipes are excellent light
  84. sources for hallways and cubicle offices.    The second,
  85. holographic films, refract light to change its direction.  A
  86. holographic film on a window can make light appear as if it is
  87. shining directly into the room regardless of the angle at which
  88. it strikes the window.  Thus, even incidental light can be
  89. projected 30 feet into a hallway or office space.
  90.  
  91. Controlling Heat Transfer through Windows
  92.  
  93. All objects emit light at different frequencies; the hotter the
  94. object, the more light emitted at higher frequencies.  Relatively
  95. cool objects, such as ourselves, sun-warmed asphalt, warm rooms
  96. and other objects near 80 degrees fahrenheit, primarily emit
  97. infrared radiation (IR), which we experience as heat.  All
  98. objects seek a state of equal radiation; the net result of this
  99. radiation is that cooler objects will get warmer.  Since glass is
  100. transparent to IR, warm rooms will lose heat through radiation in
  101. winter and cool rooms will absorb IR heat in summer.
  102.  
  103. IR is not the only way that glass facilitates energy transfer. 
  104. Energy may be transferred by visible light as well.  When
  105. sunlight shines directly into a room, all of the energy
  106. associated with that light is absorbed by dark surfaces in a room
  107. (carpeting, desks, chairs, etc.).  These surfaces get warm and
  108. radiate heat in the room.  This will reduce heating loads in
  109. winter, but it will increase cooling loads in summer.  
  110.  
  111. Lastly, windows allow heat transfer by conduction.  Glass has a
  112. very low thermal resistance.  While a fiberglass-insulated wall
  113. typically has an R-value (a measure of thermal resistance) of 15,
  114. called "R-15," single-paned glass windows have R-1 or, at best,
  115. R-2.  Thus, these windows allow warm rooms to lose heat in winter
  116. and cool rooms to gain heat in summer.
  117.  
  118. Low-Emissivity Windows Block IR
  119.  
  120. Low-emissivity (low-E) windows minimize the entrance of infrared
  121. radiation into a room while permitting the passage of visible
  122. light.  Emissivity is a material property.  An object with a low
  123. emissivity has a highly reflective surface; it neither absorbs
  124. nor emits radiation.  A low-E window will bounce radiant heat
  125. back to its source; warmth in a room on a cold day will be
  126. trapped inside while warmth outside on a warm day will be kept
  127. outside.  According to Lawrence Berkeley Laboratory (LBL), these
  128. windows cost about $2/square foot and will pay back their
  129. investment in two to six years, depending upon climate and energy
  130. costs.  Low-E films may also be placed directly on existing
  131. windows as part of an efficiency upgrade.
  132.  
  133. A new type of window, an electrochromic window, has recently been
  134. developed which could reduce a building~s energy costs by 30 to
  135. 50 percent.  According to a September 29, 1992, article in the
  136. New York Times ("Researchers Develop ~Smart~ Window to Cut Energy
  137. Consumption," p. C4), the electrochromic window uses an electric
  138. current to react to heat and light changes.  The window consists
  139. of seven very thin layers: the two outer layers coat the window;
  140. the next two layers function as positive and negative terminals
  141. for current flow through the window; the next two layers contain
  142. a metal which changes color in response to an electric current;
  143. and the central layer contains an ion conductor.  As the two
  144. metals change color in response to a electric current, the amount
  145. and type of radiation which passes through the window may be
  146. controlled.  These electrochromic windows may be placed between
  147. two panes of glass to increase further the insulating value of
  148. the window.  
  149.  
  150. Casting Shadows Can Also Save Energy
  151.  
  152. Light-blocking structures can prevent the entrance of direct
  153. sunlight through windows.  Exterior blinds prevent light from
  154. striking a building during the day (though that eliminates the
  155. view).  According to Energy & Economics: Strategies for Office
  156. Building Design (see Resources, page seven), these blinds add
  157. very little to the construction cost of a building (less than 1
  158. percent) and can reduce energy consumption by 10 percent.  At a
  159. modeled cost of $60,000, the estimated payback time for a
  160. 60,000-square-foot building is six years.  Other less expensive
  161. devices, such as awnings,  may be more cost-effective, depending
  162. upon their effectiveness at blocking direct sunlight.  Exterior
  163. window plants provide shade in summer and allow sunlight in
  164. winter.  Interior blinds are not as effective in preventing heat
  165. gain, since the heat has already passed through the window before
  166. it strikes the blind, though they can prevent heat loss at night
  167. in cold climates.
  168.  
  169. Improving Window R-Values
  170.  
  171. The thermal resistance of windows may be improved by adding panes
  172. of glass and by filling the space between the panes with a
  173. non-conducting gas.  Multi-paned or storm windows filled with an
  174. inert gas (such as xenon, krypton or argon gas have an R-value (a
  175. measurement of thermal resistance) of R-6.
  176. Windows may also have "aerogel" placed between the individual
  177. panes.  Aerogel is a solid and transparent material made of
  178. nearly pure silica which contains millions of microscopic air
  179. cavities.  These cavities increase the resistance of the
  180. material.  Just one-half inch of aerogel between two panes of
  181. glass can increase the R-value of a window by 500 percent, making
  182. a window more resistant to heat conduction than a wall.
  183.  
  184. CASE STUDIES:
  185.  
  186. Mt. Airy Public Library, North Carolina
  187. In 1982, the town commissioners of Mt. Airy, North Carolina,
  188. sought to construct a library which would consume 70 percent less
  189. energy than a conventional building.  By using clerestories
  190. across the top of the library, the building provides glare-free,
  191. diffuse light to all corners of the library without allowing the
  192. stacks to be directly illuminated, thereby preventing damage to
  193. the books from sunlight.  The building design also incorporates
  194. insulation and air lock areas (see pages 5-6) and a zoned system
  195. of heat pumps.  Electricity used for lighting accounts for only
  196. one-eighth of the energy consumption in the building.  The
  197. library uses 90 percent less energy than the Mt. Airy City Hall,
  198. a building of comparable size (about 13,000 square feet).  The
  199. construction cost was $88 per square foot as compared to $79 per
  200. square foot for a conventional building, but was within the range
  201. of other innovative and uniquely-designed libraries.  After
  202. construction, the library was found to use 53 percent less energy
  203. that was estimated for a conventional design.  (Contact: Ralph
  204. Cooke, 838 Cross Creek Drive, Mt. Airy, NC  27030).
  205.  
  206. Abrams Elementary School in Bessemer, Alabama
  207. In designing a replacement for a condemned elementary school, the
  208. Board of Education in Bessemer made quick energy-saving
  209. adjustments to conventional designs.  Since heating and lighting
  210. account for almost 70 percent of the energy used in a typical
  211. elementary school, the school was designed with modified
  212. clerestories.  These shine light directly onto water-filled
  213. plastic pipes placed in the ceilings of the school~s 20 hexagonal
  214. teaching areas.  These tubes intercept and diffuse light.  Other
  215. energy-saving measures led to the construction of a building
  216. which consumes 60 percent less energy than a similar, non-solar
  217. building.  (Contact: Stuart Wells, Passive Solar  Industries
  218. Council, 1511 K Street NW, Suite 600, Washington, DC  20005,
  219. (202) 371-0537.)
  220. Elementary Schools in Laveen, Arizona
  221. As a part of a major energy retrofit, in 1991, Laveen replaced
  222. inefficient, leaking aluminum windows in one school with a glass
  223. block window wall system.  The project also added insulation to
  224. the roofs and walls of the building.  The school superintendent
  225. reported that the improvements in the quality of lighting, air
  226. distribution, air temperature and noise level in buildings has
  227. improved the learning environment.  The projects were repeated in
  228. two additional buildings in the summer of 1992.  (Contact: Dennis
  229. Umber and Associates, 5535 Osborn Road, Suite 203, Scottsdale, AZ 
  230. 85251 (602) 423-8474.)
  231.  
  232. Office Complex in Southfield, Michigan
  233. In 1992, The Northland Towers Office Complex added a blue low-E
  234. film to the outside of 39,000 square feet of window space on
  235. their two towers.  The previous film on their glass, which
  236. accounts for 90 percent of the building~s exterior, had begun to
  237. peel.  The project cost $69,960.  While reflective film lowers
  238. the cooling load in summer, it increases the heating load in the
  239. winter because the reflective film prevents sunlight from
  240. entering and warming rooms.  The net annual savings are 
  241. estimated at $22,571, resulting in a payback of 2.8 years. 
  242. (Contact: Chris Pedigo, Executive Vice-President, Northland
  243. Towers Management, 15565 Northland Drive, Suite 510 West,
  244. Southfield, MI  48075, (313) 569-3180.)
  245.  
  246.  
  247.