Loading...
HomeMy WebLinkAboutCBJ - Juneau Airport Ground Source Heat Pump Report - Jan 2012 - REF Grant 2195359    A Brief Report to the Alaska Energy Authority  On the Installation of a Geothermal Heat Pump System at  Juneau International Airport    Prepared by Douglas Murray, PE  and  Catherine Fritz, JNU Airport Architect  January 19, 2012                     Murray & Associates, P. C. Consulting Engineers PO Box 21081, Juneau, Alaska 99802-1081 (907) 780-6151 Fax: (907) 780-6182  Jeannie Johnson, Airport Manager 789-7821 Background.  In 2008, the Juneau International Airport (JNU) received grant funding in the amount of $513,000 to  assist in the construction of a geothermal heat pump system for the heating, cooling, and ventilation  needs in the airport terminal. This work was part of a multi‐phase renovation and expansion of the  airport terminal.  The loop field was designed by mechanical engineer, Douglas Murray, PE. The life cycle  cost analysis (basis of AEA grant application) was developed collaboratively by Mr. Murray and  mechanical engineer James Rehfeldt, PE.   The geothermal loop field is located under the pavement of the commuter plane airfield ramp. It  consists of 108 vertical borings to a depth of 350 feet each (fig 1). A mix of 88% water and 12% methanol  circulates through a continuous underground loop of more than 16 miles of HDPE piping. The piping  enters the building and is distributed to 31 electric heat pumps that provide heating, cooling, and  ventilation to interior spaces, as well as heat to the building’s front sidewalk that prevents build‐up of  ice and snow. The heat pumps are digitally controlled to efficiently respond to changing air conditions.    Construction of the loop field was completed in the fall of 2009. Installation of the heat pumps inside  the building began in early 2010 and continued alongside other renovation work until May, 2011.                     Performance Data.  The completed geothermal heat pump system has not yet been operating under design conditions long  enough to draw substantive conclusions. Additionally, nearly half of the 96,000 sq. ft.  building area is  not using the new geothermal system and will continue to be served by diesel boilers until funds can be  obtained to replace these older portions of the terminal. Regardless of these obstacles, data gathered to  date show promising evidence of a successful conversion from traditional diesel fired boilers to  renewable geothermal heat pumps. Preliminary findings are documented below.    Diesel Fuel Usage:  A decrease in diesel fuel usage since installation of the geothermal heat pump system can be seen in fig.  3 below. Fiscal years are highlighted by color in order to provide two methods by which to compare  diesel usage through seasonal cycles. The geothermal heat pump installation was fully operational in  May, 2011, so calendar year 2011 represents the best available period of post‐construction data;  Calendar year 2008 represents a full 12 month period prior to any installed heat pumps.       Figure 2. Schematic rendering of closed loop heat pump  system. Image from www.mcquay.com  Figure 1. Vertical borings for JNU Airport loop field.   Image courtesy of JNU staff  MONTH 2008 2009 2010 2011   GALLONS GALLONS GALLONS GALLONS  JANUARY 9636 8939 9920 9307  FEBUARY 9725 8462 11776 1116  MARCH 4722 10220 10733 7788  APRIL 10327 2988 7100 3199  MAY 6451 1150 1841 5350  JUNE 8075 7812 1908 999  JULY 1425 7225 0 1900  AUGUST 5659 2000 1200 3600  SEPTEMBER 8679 4600 2638 4400  OCTOBER 8227 4712 4995 1377  NOVEMBER 8314 9844 3333 4209  DECEMBER 8442 10165 4391 9355  TOTAL Calendar  Year (Jan‐Dec)   89,682 gal 78,117 gal 59,835 gal 52,600 gal  TOTAL Fiscal Year  (July 1 – June 30)    FY 2009 (grey)           80,317 gal  FY 2010 (aqua)   81,824 gal   FY 2011 (yellow)   46, 216 gal    Figure 3.  Diesel Usage at JNU Terminal prior to, during, and after geothermal heat pump installation.     Electrical Usage:  While diesel usage has declined, electrical usage, noted in fig. 4 below, has increased. Fiscal years are  highlighted by color in order to provide two methods by which to compare electrical usage through  seasonal cycles. The geothermal heat pump installation was fully operational in May, 2011, so calendar  year 2011 represents the best available period of post‐construction data; calendar year 2008 represents  a full 12 month period prior to any installed heat pumps. Electric spaces heaters were used extensively  for temporary heat during construction from 2009 through 2010.     MONTH 2008 2009 2010 2011   KWHR KWHR KWHR KWHR  JANUARY 192,960 191,840 189,280 232,800  FEBUARY 209,280 166,400 175,840 200,000  MARCH 181,280 161,440 186,720 233,760  APRIL 175,520 152,160 201,760 209,760  MAY 153,760 163,840 186,880 191,520  JUNE 149,280 151,680 158,560 197,440  JULY 158,880 166,400 169,600 186,400  AUGUST 185,600 182,880 177,440 184,160  SEPTEMBER 170,080 174,240 165,920 184,160  OCTOBER 171,840 168,960 180,320 180,160  NOVEMBER 181,920 180,960 190,560 218,720  DECEMBER 163,200 172,160 220,480 227,840  TOTAL Calendar  Year (Jan‐Dec)  2,093,600 KWHR 2,032,960 KWHR 2,203,360 KWHR 2,262,560 KWHR  TOTAL Fiscal Year  (July 1 – June 30)   FY 2009 (grey)    2,018,880 KWHR      FY 2010 (aqua)   2,144,640 KWHR  FY 2011 (yellow)   2,369,600 KWHR    Figure 4.  Electrical Usage at JNU Terminal prior to, during, and after geothermal heat pump installation.    Operational Cost Savings Summary.  The savings in fuel oil between Calendar Year 2008 (pre‐construction) and Calendar Year 2011 (post‐   construction) is 37,082 gallons.  The average cost of fuel oil diesel #2 in Juneau during the period of this  analysis is $3.52 per gallon. Therefore, the cost of fuel oil saved between Calendar Year 2008 and  Calendar Year 2011 is approximately $130,529.      The airport terminal project added approximately 12,000 sq. ft. of new area to the building. The  difference in electrical usage between Calendar Year 2008 (pre‐construction) and Calendar Year (post‐  construction that includes 12,000 sq. ft. building expansion) is approximately 168,960 KWHR. The  electrical local cost, including demand charges, used for purposes of this analysis is $0.092 per KWHR.   Therefore, the additional cost of electricity for the airport terminal is approximately $15,544.   Subtracting the additional electrical usage cost from the fuel oil cost savings results in $114,985 in direct  annual fuel cost savings for the Juneau International Airport facility with the installation of the ground  source heat pump system.    Another significant benefit that the airport has seen is the decrease in operations costs due to the  snowmelt system. This is a new system, and while it demands significant energy to operate, the safety  and passenger comfort issues are very positive. The snow melt system is energized by three water‐to‐ water electric heat pumps that are integrally tied to the geothermal loop field. While not analyzed in  detail, it is expected that operating this system by an equivalent diesel energy source would have made  the installation cost prohibitive for the airport’s annual operating budget.  The geothermal snow melt  system savings over traditional snow removal operations is approximately $10,000 per year in staff  labor, and $1,000 in equipment and supplies.    Note:  This operational cost savings summary is limited in scope. A full energy usage analysis of pre and post  construction conditions would require more extensive investigation of electrical consumption from  computers, lights, and other electric equipment used throughout the facility, as well as trending data  from the control system operation for all ground source equipment.  In order to produce a more  accurate calculation, information would be required on how often each water‐to‐air heat pump  operates in cooling mode and how often it operates in heating mode.  Additional information that  indicates the percentage of use of each of the two system circulation pumps would be required, as well.  A similar usage question arises with the water‐to‐water heat pumps during shoulder months (ie  transition from times of snow and no snow) when heat pumps are intermittently in operation, rather  than having all three in full operation 24/7, as the rough electrical usage calculation implies.      Further Analysis of additional operational savings is expected to be done as the airport implements  energy conservation measures recommended from a recent energy audit, and performs ongoing minor  renovation projects in the terminal building.  Most notably, as the airport learns more about the  intricacies of the geothermal heat pump system, it is expected that additional savings will be realized  through more detailed control of heat pump set points and usage patterns. Of particular interest is the  May‐October period (when snow melt system is not in operation) when the ground source system  average power consumption drops significantly as the building’s heating and cooling needs are  “balanced” and the system does not require recirculation through the outside loop field.      Other operational and human comfort benefits of the geothermal heat pump system are still being  realized, not the least of which is the building’s new ability to provide cooling (air conditioning)  throughout the occupied spaces which did not exist before.