ME 423  HVAC FUNDEMENTALS 

PROJECT REPORT  

  Group Members: 

• Tugay TANIK ‐ 20100705063 • Cüneyt ÖZNAM ‐ 290705044 • Doğukan KULUNÇKIRAN ‐ 290705002 

   

Submitted to: Asst. Prof. Bahadır OLCAY  

     Submission Date: 06.01.2015    

YEDITEPE UNIVERSITY MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT 

 

1

TABLE OF CONTENTS 1.ABSTRACT.............................................................................................................. 3 2.INTRODUCTION...................................................................................................... 3 3.ARCHITECTURAL PLAN.........................................................................................4 4.HEATING LOAD CALCULATIONS .........................................................................4 5.COOLING LOAD CALCULATIONS ........................................................................7 6.SIZE OF BOILER AND CHILLER AND ITS INITIAL AND OPERATING COSTS.11 7. CONCLUSION ......................................................................................................12 8.REFERENCES........................................................................................................12 9.APPENDIX..............................................................................................................13                                 

2

1. ABSTRACT   This report presents the calculations of heating and cooling loads of a two‐floor office building in Atasehir, İstanbul during winter and summer. Floor plans including dimensions and types of walls and windows and number of people inside the building are indicated. Also, after the calculations of loads, required boiler and chiller equipments were selected and its initial investment and operating costs were indicated.   2. INTRODUCTION  Air conditioning is the maintenance of air in closed areas for the best conditions of human health and comfort. Air conditioners adjust the temperature, humidity and cleanness of air while running air circulation. Ambient temperature should be in the range of 18 to 27˚C and relative humidity should be between the levels of 30% and 60% for the human health and comfort. Also, ambient air should be fresh and clear. Hazardous gases like CO₂, smoke etc. and particle materials like dust, pollen etc. should be change with fresh air. Most of the people live in closed areas most of their daily life in these days. These closed areas become larger and central air conditioner systems are needed to use for efficiency.  While conducting both heating and cooling calculations, type of windows, walls, roof, inside and outside temperatures and number of people in the building were the main design considerations. The calculations of heating and cooling loads play important role for people comfort and efficiency of the air conditioning system.                    

3

3. ARCHITECTURAL PLAN  In this project, the calculations of heating and cooling loads of a two‐floor office building in Ataşehir, İstanbul were done. There are 5 offices and 3 persons in each office and there is 1 office boy in each floor. Also, there are 1 meeting room, 2 restrooms, 1 kitchen and 1 photocopy room in each floor. Architectural plan was drawn in AutoCad and dimensions are shown in the figure 1. 

 

  

Figure 1   4. HEATING LOAD CALCULATIONS  Inside temperature is 22˚C (block load), outside temperature is 0˚C. Transmission of Windows: Double insulated glazing 24mm with argon filling and shading window: 0.5 W/m²K q= U*A*∆T 0.5*(2.3*1.4)*(22‐0)= 0.5*3.22*22= 35.42W  For 11 windows in same conditions: 11*35.42= 389.62W For restroom windows: 0.5*(0.5*1.4)*(22‐0)= 0.5*0.7*22= 7.7W  For 2 windows in same conditions: 2*7.7= 15.4W Total= 405.02W For two floors: 2*405.02= 810.04W    Transmission of Door: Automatic door with double insulated glazing and shading window: 

4

0.5*(2.3*2)*(22‐0)= 0.5 *4.6*22= 50.6W Transmission of large window in the second floor is also equal to 50.6W  TOTAL= 911.24W  Transmission of Walls: TIMBER FRAME WALL U‐Value achieved maximum 0.28W/m²K At north:  (3*6)‐(2.3*1.4)= 14.78m²   (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78*2= 23.56m²   (3*3)‐(0.5*1.4)= 8.3*2= 16.6m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(14.78+23.56+16.6+2.78)*(22‐0)= 355.55W  At south:  (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78m²        For 4 offices at this side: 4*11.78= 47.12m² For same ∆T value: 0.28*(47.12)*(22‐0)= 290.26W      (3*4)‐(2.3*1.4)= 8.78m² For same ∆T value: 0.28*(8.78)*(22‐0)= 54.08W  At east:    (3*4)= 12*2=24m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(24+2.78)*(22‐0)= 164.96W  At west:    (3*4)= 12m² 

     (3*2)‐(2.3*1.4)= 19.32m²   (3*4)‐(2.3*2)= 7.4m² For same ∆T value: 0.28*(12+19.32+7.4)*(22‐0)= 238.51W  TOTAL= 2*1103.36= 2206.72W    Heat loss from floor of the building (Insulated floor U=0.55 W/m²K): 0.55*(24*10)*(22‐0)= 2904W  Heat loss from roof of the building (Concrete deck roof with 100mm insulation U=0.23 W/m²K): 0.23*(24*10)*(22‐0)= 1214.4W  Solar load:   Istanbul is in 41˚ north latitude, so from the table, solar‐heat gain factors are selected for month of December. q= A*(Ar/A)*qG A: Window area [m²] Ar/A: The ratio of permeability of radiation (W/m²) 

5

qG: Correction and shading factor (Taken as 0.4)  North side windows (Ar/A= 31 W/ m²): 4*(2.3*1.4)*31*0.4= 159.71W 2*(0.5*1.4)*31*0.4= 17.36W    Total= ‐177.07W   South side windows (Ar/A= 519 W/ m²): 5*(2.3*1.4)*519*0.4= ‐3342.36W  East side window (Ar/A= 226 W/ m²): (2.3*1.4)*226*0.4= ‐291.09W  West side window (Ar/A= 270 W/ m²): (2.3*1.4)*270*0.4= ‐347.76W  West side door (assumed completely glass) (Ar/A= 270 W/ m²): (2.3*2)*270*0.4= ‐496.8W Solar load of large window in the second floor is also equal to ‐496.8W.  TOTAL= ‐9310.16W  Heat Loss Due to Infiltration: Vi= a*L*R*H*z    Q= ρ*Vi*Cp*∆T/3600 Here; Vi: Amount of air passed by infiltration (m³/h) a: Air permeability of door and window (m²/h, m) (Taken as 1.5) L: Perimeter of opening part of door and window (Taken as 3) R: Characteristic of zone (Taken as 0.7) H: Characteristic of building (Taken as 1.7) zi: Build up factor for rooms at corner (Taken as 1.2) Thus, Vi= 4.54 ρ and Cp values were taken at 0˚C Q=1.292*4.54*1006*22/3600= 36.06W For the number of windows 14*36.06= 504.84W  TOTAL= 504.84*2= 1009.68W           

6

Heat loss due to ventilation in the building:  From the Psychrometric chart, at 22˚C dry bulb temperature and 50% relative humidity, enthalpy value is equal to 43 kJ/kg; and at 0˚C dry bulb temperature and 70% relative humidity, enthalpy value is equal to 6 kJ/kg. Hourly fresh air requirement for a person in an office is 30m³/h and there are 16 people in each floor. Q=V*16*ρ*(h₂‐h₁)*1/3600 therefore, Q=30*16*1.2*(43‐6)*1/3600= 5920W*2= 11840W   GRAND TOTAL: 10775.88W*1.1= 21551.76W      5. COOLING LOAD CALCULATIONS  Inside temperature is 24˚C (block load), outside temperature is 35˚C. Transmission of Windows: Double insulated glazing 24mm with argon filling and shading window: 0.5 W/m²K q= U*A*∆T 0.5*(2.3*1.4)*(35‐24)= 0.5*3.22*11= 17.71W  For 11 windows in same conditions: 11*17.71= 194.81W For restroom windows: 0.5*(0.5*1.4)*(35‐24)= 0.5*0.7*11= 3,85W Therefore, 2*3,85= 7.7W Total= 202.51W For two floors: 2*202.51= 405.02W  Transmission of Door: Automatic door with double insulated glazing and shading window:  0.5*(2.3*2)*(35‐24)= 0.5 *4.6*11= 25.3W Transmission of large window in the second floor is also equal to 25.3W  TOTAL= 455.62W  Transmission of Walls: TIMBER FRAME WALL U‐Value achieved maximum 0.28W/m²K At north:  (3*6)‐(2.3*1.4)= 14.78m²   (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78*2= 23.56m²   (3*3)‐(0.5*1.4)= 8.3*2= 16.6m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(14.78+23.56+16.6+2.78)*(35‐24)= 177.77W  At south:  (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78m²        For 4 offices at this side: 4*11.78= 47.12m² For same ∆T value: 0.28*(47.12)*(35‐24)= 145.38W   (3*4)‐(2.3*1.4)= 8.78m² For same ∆T value: 0.28*(8.78)*(35‐24)= 27.04W  

7

At east:    (3*4)= 12*2=24m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(24+2.78)*(35‐24)= 82.48W  At west:    (3*4)= 12m² 

     (3*2)‐(2.3*1.4)= 19.32m²   (3*4)‐(2.3*2)= 7.4m² For same ∆T value: 0.28*(12+19.32+7.4)*(35‐24)= 119.26W  TOTAL= 551.93*2= 1103.86W    Heat loss from floor of the building (Insulated floor U=0.55 W/m²K): 0.55*(24*10)*(35‐24)= 1452W  Heat loss from roof of the building (Concrete deck roof with 100mm insulation U=0.23 W/m²K): 0.23*(24*10)*(35‐24)= 607.2W  Solar Load:   Istanbul is in 41˚ north latitude, so from the table, solar‐heat gain factors are selected for month of August. q= A*(Ar/A)*qG A: Window area [m²] Ar/A: The ratio of permeability of radiation (W/m²) qG: Correction and shading factor (Taken as 0.4)  North side windows (Ar/A = 44 W/ m²): 4*(2.3*1.4)*44*0.4= 226.69W 2*(0.5*1.4)*44*0.4= 24.64W    Total= 251.33W  South side windows (Ar/A = 321 W/ m²): 5*(2.3*1.4)*321*0.4= 2067.24W  East side window (Ar/A = 509 W/ m²): (2.3*1.4)*509*0.4= 655.60W  West side window (Ar/A = 509 W/ m²): (2.3*1.4)*509*0.4= 655.60W West side door (assumed completely glass) (Ar/A = 509 W/m²): (2.3*2)*509*0.4= 936.56W Solar load of large window in the second floor is also equal to 936.56W. TOTAL= 4565.77*2= 9132.66W  Heat Gain from Outer Wall: q= U*A*∆Td 

8

∆Td is the equivalent temperature difference TIMBER FRAME WALL U‐Value achieved maximum 0.28W/m²K At north: ∆Td= 2.8˚C 

     (3*6)‐(2.3*1.4)= 14.78m²   (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78*2= 23.56m²   (3*3)‐(0.5*1.4)= 8.3*2= 16.6m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(14.78+23.56+16.6+2.78)*(2.8)= 45.25W  At south: ∆Td= 10˚C 

     (3*5)‐(2.3*1.4)= 11.78m²        For 4 offices at this side: 4*11.78= 47.12m²  For same ∆T value: 0.28*(47.12)*(10)= 131.94W   (3*4)‐(2.3*1.4)= 8.78m² For same ∆T value: 0.28*(8.78)*(10)= 24.58W  At east: ∆Td= 13.9˚C 

     (3*4)= 12*2=24m²   (3*2)‐(2.3*1.4)= 2.78m² For same ∆T value: 0.28*(24+2.78)*(13.9)= 104.23W  At west: ∆Td= 11.1˚C   (3*4)= 12m² 

     (3*2)‐(2.3*1.4)= 19.32m²   (3*4)‐(2.3*2)= 7.4m² For same ∆T value: 0.28*(12+19.32+7.4)*(11.1)= 120.34W  TOTAL= 426.33*2= 852.66W  Radiant Heat Gain from roof the building: q= U*A*∆Td  (∆Td= 20˚C) 0.23*(24*10)*(20)= 1104W   Heat Gain Due to Infiltration: Vi= a*L*R*H*z    Q= ρ*Vi*Cp*∆T/3600 Here; Vi: Amount of air passed by infiltration (m³/h) a: Air permeability of door and window (m²/h, m) (Taken as 1.5) L: Perimeter of opening part of door and window (Taken as 3) R: Characteristic of zone (Taken as 0.7) H: Characteristic of building (Taken as 1.7) zi: Build up factor for rooms at corner (Taken as 1.2) Thus, Vi= 4.54 ρ and Cp values were taken at 35˚C Q=1.145*4.54*1007*11/3600= 16W 

9

For the number of windows 14*16W= 224W  TOTAL= 224W*2= 448W   Heat gain from person that does moderately active office work: People sensible heat gain is 73.72W and people latent heat gain is 58.62W Therefore,  16 person*73.72= 1179.52W. For all 2 floors in the building, 2*1179.52= 2359.04W 16 person*58.62= 937.92W. For all 2 floors in the building, 2*937.92= 1875.84W                   Total= 4234.88W  Heat loss due to ventilation in the building: From the Psychrometric chart, at 24˚C dry bulb temperature and 50% relative humidity, enthalpy value is equal to 48 kJ/kg; and at 35˚C dry bulb temperature and 80% relative humidity, enthalpy value is equal to 110 kJ/kg. Hourly fresh air requirement for a person in an office is 30m³/h and there are 16 people in each floor. Q=V*16*ρ*(h₂‐h₁)*1/3600 therefore, Q=30*16*1.2*(110‐48)*1/3600= 9920W                   Total= 9920*2= 19840W  Heat gain from electronic devices: (Values were taken from 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook) For computer: 130W*15= 1950W  For office type laser printer (25% working time): 550W*0.25=137.5W For office type copier (25% working time): 1100W*0.25=275W For office type facsimile machine (10% working time): 30W*0.10=3W For office type image scanner (10% working time): 25W*0.10=2.5W For office type projector (10% working time): 150W*0.10=15W   Coffee/tea brewing urn (80% working time): 280W (sensible)*0.80= 224W               140W (latent)*0.80= 112W                 Total= 336W Small refrigerator (100% working time): 310W (sensible)  Toaster (10% working time): 200W (sensible)*0.10= 20W         50W (latent)*0.10= 5W             Total= 25W  Heat gain from lighting (10 W/m²): 240m²*10 W/m²= 2400W  TOTAL= 5454W*2= 10908W   GRAND TOTAL: 50128.88W*1.1= 55141.768W  

10

6. SIZE OF BOILER AND CHILLER AND ITS INITIAL AND OPERATING COSTS  For city of Istanbul, electrical consumption price is 0.29 TL/kWh. Appropriate size of chiller was found from the brand of ‘Airwell’ and name of model is ‘AQH BLN’ (detailed specifications are in appendix) and power input for determined size of chiller is 17.5 kW, thus for the months of April, May, June, July, August and September, followings were obtained.  Cooling cost for 10 hours (1 day): 10*17.5*0.29= 50.75 TL Cooling cost for 6 month: 183 (Number of day) – 52 (number of weekend day) * 50.75 TL= 6648.25 TL  Appropriate size of boiler was found from the brand of ‘Swegon’ and name of model is ‘MAROON 2 MT’ (detailed specifications are in appendix) and power input for determined size of boiler is 5.2 kW, thus for the months of October, November, December, January, February and March, followings were obtained.  Heating cost for 10 hours (1 day): 10*5.2*0.29= 15.08 TL Heating cost for 6 month: 182 (Number of day) – 52 (number of weekend day) * 15.08 TL= 1960.4 TL  Total cost of both heating and cooling in a year is 6648.25+1960.4= 8608.65 TL  The initial investment cost of the chiller is 10000 Euro and the initial investment cost of the boiler is 3800 Euro.  

                    

11

7. CONCLUSION  In this project, heating and cooling loads calculations were done for two‐floor office building in Ataşehir, İstanbul with the design considerations. For the heating load calculation, the inside temperature was assumed as 22˚C and outside temperature was assumed as 0˚C. For the cooling load calculation, the inside temperature was assumed as 24˚C and outside temperature was assumed as 35˚C. Also, the building was assumed as new constructed and low ‘U’ values are selected like 0.5 W/m²K for windows and 0.28W/m²K for walls.  After the proper calculations, heating load was found as 21.5kW and for this load the boiler with the capacity of 22.2kW was selected. Additionally, cooling load was found as 55.1kW and for this load the chiller with the capacity of 55.9kW was selected. Then, the total operation cost for both heating and cooling was found as 8609TL annually.               8. REFERENCES  1) 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook 2) Stoecker W. F., Jones J. W., Refrigeration and Air Conditioning Second Edition 3) http://www.tedas.gov.tr/BilgiBankasi/Sayfalar/ElektrikTarifeleri.aspx            

12

9. APPENDIX  Boiler Datasheet (Swegon): 

  Chiller Datasheet (Airwell): 

 

 

13