Open Collections

SEEDS Student Reports  1  UBC Social, Ecological Economic Development Studies (SEEDS) Student Reports  UBC Aquatic Centre Kjell Raemdonck Erika Sato Husam Othman Khaleel Sumar Emran Abduljabbar Md. Salahuddin Tommy Lee Lisa Kim Ibrahem Salih University of British Columbia CHBE 363 April 2010  Disclaimer: “UBC SEEDS provides students with the opportunity to share the findings of their studies, as well as their opinions, conclusions and recommendations with the UBC community. The reader should bear in mind that this is a student project/report and is not an official document of UBC. Furthermore readers should bear in mind that these reports may not reflect the current status of activities at UBC. We urge you to contact the research persons mentioned in a report or the SEEDS Coordinator about the current status of the subject matter of a project/report.”  THE UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA Department of Chemical and Biological Engineering 2360 East Mall  Vancouver, B.C. Canada V6T 1Z3  Tel:  604‐822‐3238  Fax: 604‐822‐6003                UBC Social, Ecological, Economic Development Studies   (SEEDS) Student Reports                       April 20, 2010        Students of CHBE 363:     UBC Aquatic Centre   Kjell Raemdonck           Erika Sato     Husam Othman     Khaleel Sumar    Emran  Abduljabbar     Md. Salahuddin  Lisa Kim            Tommy  Lee   Ibrahem Salih          Disclaimer: “UBC SEEDS provides students with the opportunity to share the findings of their studies, as well as their opinions, conclusions and recommendations with the UBC community. The reader should bear in mind that this is a student project/report and is not an official document of UBC. Furthermore readers should bear in mind that these reports may not reflect the current status of activities at UBC. We urge you to contact the research persons mentioned in a report or the SEEDS Coordinator about the current status of the subject matter of a project/report.”   ABSTRACT       The  UBC  Aquatic  centre  is  currently  spending  $400,000  per  year  in  energy  costs.  The   heat is supplied by exchanging heat from hot steam to the pool water. This report will focus on  how  to  increase  the  efficiency  of  heating  the  pool  water  using  steam,  as  well  as  suggest  an  alternative heating approach.     The  steam  transfers  heat  to  the  pool  water  in  a  single  plate  heat  exchanger.  Adding   another heat exchanger will increase the amount of heat transferred to the pool water. Another  option is to replace the current heat exchanger with a new double plate heat exchanger. Double  plate  heat  exchangers  are  known  for  their  increased  heat  transfer  efficiency.  This  method  will  reduce the Aquatic centre’s yearly energy costs by 14%.      An  additional  suggestion  is  to  add  a  dehumidifier  to  the  indoor  pool  building.  About   4500L/day of water evaporates from the surface of the pools, which causes corrosion and mold  to damage equipment inside the  pool housing. A dehumidifier prevents this  by converting the  moisture into water, creating a drier air for the indoor pool. There are two large advantages to  this: 70% of the water that evaporates could be recycled back into the pool if filtered, and the  maintenance cost for the indoor equipment is reduced.      Now,  the  alternative  to  the  steam  heating  is  using  natural  gas  to  heat  up  the  pools’   water.  There  are  gas  pipelines  all  around  UBC  that  could  be  re‐routed  to  the  pool.  The  pool  water would be heated in a gas heater, which is quicker and more efficient than steam. We are  not causing any environmental harm by doing this because the gas that would normally be used  to make the  steam at the UBC steam  plant would  now simply  be directly used to  heat up the  Aquatic  centre  water.  It  is  more  energy  efficient,  as  there  is  also  no  transport  heat  loss  that  normally  occurs  when  steam  is  shipped  from  the  steam  plant  to  the  pool.  The  energy  cost  savings  would  cover  the  capital  costs  of  the  heaters  (approximately  $1  million  including  all  installation costs) in just 8 years.      The final conclusion that can be drawn from this analysis is that for short term changes,   either a heat exchanger or dehumidifier, or both, should be added to increase heating efficiency.  This change  would fit the client’s current budget.  However, in the long run, a gas fired heater  should be considered as a new source of heating rather than steam heat exchange.   ii     TABLE OF CONTENTS            Abstract   ii  Table of Contents   iii  List of Figures & Tables   iv  Introduction   1  Steam Heat Exchanger  Problem Definition  Methodology  Results & Discussion   3 4 5  Gas Heater   Problem Definition  Methodology  Results & Discussion   10 11 13  Environmental Impacts   17  Conclusions     19  Reflection (on UBC and Sustainability)  21  Recommendations            UBC Aquatic Centre            Future CHBE 363 Groups   22   Acknowledgement   23  References   24  Appendix A ‐ Contact Information   26  Appendix B ‐ Interview Notes & Correspondence  28     iii  LIST OF FIGURES & TABLES  List of Figures  Figure 1: Diagram of a typical Dehumidifier Figure 2: The Jandy Hi‐E2 Pool Heater  7 11  Figure 3: Composition of Water Streams shown from the CARO Potable Water  Quality Test    17   List of Tables  Table 1: Composition of Water Streams shown from the CARO Potable Water  Quality Test  Table 2: Heater properties  Table 3: Cost analysis of different heating systems     iv  6  13 14  UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      INTRODUCTION  The UBC Aquatic centre is made up to two large pools, hot tub and showers. The outdoor pool,  which is 54 years old, contains 3 million Litres of water, and the indoor pool, 35 years old, has 6 million L  of water. Because of their age, there are a few problems that need to be addressed in the near future.  One of those issues is the inefficient heating system. Currently the pool water is heated in a single plate  heat exchanger using hot steam from the UBC Steam Plant. This is not a conventional setup for a large  pool, but the steam plant is close by; hence, this was the preferred setup at the time of construction.      Unfortunately,  the  pools  are  also  currently  losing  almost  60,000  gallons  of  water  per  day   because  of  evaporation  and  leakage.  The  perfect  upgrade  for  the  pools  should  increase  the  heating  efficiency but also add water to the pool to minimize the need to obtain more municipal water.     The  primary  short  term  focus  is  to  improve  and  increase  the  efficiency  of  the  current  heating   technology.  The  pool  water  is  heated  in  single  plate  heat  exchanger.  To  increase  the  heat  transfer  efficiency, another heat exchanger could be added in series. However, the cheaper solution is to replace  the current heat exchanger with a more efficient type.  An additional idea is to capture the moisture evaporated from the pool’s surface and somehow  use it. This water could be filtered and recycled back into the pool.   The  secondary  focus  is  on  designing  a  new  heating  system  for  the  pool.  Pools  around  the  country are generally heated by natural gas because it is cheaper and more efficient. The steam that is  used to heat the pool is actually produced using natural gas. It would be much more efficient if this gas  was used to heat the water directly, as there would be no transport heat loss (which occurs as the steam  is shipped from the steam plant to the pools). Therefore, if the piping and heater can be altered to fit  the gas heater, it is an excellent alternative. This is a long term solution to the current problems. It will  be more expensive to install, but cheaper for long run energy costs.          1     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010                   Steam Heating System  Short Term Solution        2     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      PROBLEM DEFINITION  As a facility that consumes a considerable amount of energy, the UBC Aquatic Centre faces the  daily  challenge  of  reducing  its  energy  consumption,  while  maintaining  the  expected  standards  of  a  service  provider  of  the  community.  Currently,  the  Aquatic  Centre  is  operating  under  acceptable  conditions; however, further improvements can be made. According to the client, Mr. Lloyd Campbell,  the  manager  of  the  UBC  Aquatic  Centre,  the  facility’s  main  concern  is  to  improve  the  overall  energy  efficiency, for its current inability to do so is leading to problems such as the insufficient heating of the  showers.   Currently, the UBC pools (both indoors and outdoors) use HEAT$AVR™ as a method to heat up  the water in the pools, preventing up 50 to 60% of the evaporation. This harmless fluid consisting of 90%  isopropyl alcohol works as an invisible sheet on top of the water, which keeps its heat from escaping.   This, however, is not enough. As part of the SEEDS project, a feasible option for the swimming pool to  effectively  regulate  its  energy  consumption  is  studied.  This  alternative  includes  reusing  the  steam  condensate  in  the  swimming  pools  as  a  heat  reclaim  source.  The  short  term  proposal  for  this  project  addresses three of UBC’s pillars of sustainability: Water, Energy and Financial. Defining the problem lead  to  the  identification  of  variables  such  as  techniques  of  heat  recovery,  costs  of  the  techniques  to  be  implemented  and,  last  but  not  least,  health  and  liability.  More  specifically,  these  included  the  amine  content in the steam condensate at the Aquatic Centre and the one added at the steam plant used to  control the PH levels in the returning condensate, and most importantly, the operation of the current  heater versus the installation of a new heat recovery system, a double walled plate heat exchanger. To  analyze this, a rough estimate of the capital and operation cost is conducted as well as the advantages  of the possible implementation ideas over other options are compared, all aiming for a more sustainable  facility.            3     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      METHODOLOGY  A steam plant uses the energy produced from burning fossil fuels, such as coal, oil and natural  gas, to heat water and produce steam. It is this steam which is then carried through a network of pipes  to heat buildings.   The aquatic centre at The University of British Columbia heavily relies on its steam power plant  to provide adequate heating for its buildings and pools. Since the pools’ design is considered to be old, a  number  of  problems  arise.  Currently  the  pools  are  heated  by  the  steam  sent  from  the  steam  plant.  However, after heating up the pool water, the steam condensate is released into the drain which makes  the process very inefficient and serves as a major problem. The released condensate is believed to be  warm  enough  to  be  used  once  again  in  heating  the  pools’  water  as  well  as  the  showers  if  needed.   In trying to conserve some of this energy a number of solutions are suggested in this report. The short  term solution proposed is outlined below.   Additional or Replacement Heat Exchanger  This method is requires the instillation of a double walled plate heat exchanger, a   filter and a pump.   The pump would to take out the hot condensate and sending it to the filter. The hot condensate then  can be sent to the heat exchanger to heat up the pool water. It is also worth to mention that the same  procedure mentioned above can be used to heat up the water used in the showers if another piping line  is used.   Dehumidifier  This method requires the installation of a dehumidifier system in order to reduce the relative humidity  levels inside the pool facility.   Recycling the cold condensate to the steam plant or into pool  Currently the condensate is discarded; thus, the process is not considered to be sustainable. However, if  the cold condensate is recycled back to the steam plant, the water will be conserved.  This will not be  covered in detail in this report, it is a mere suggestion for future improvements if condensate cannot be  filtered and used as pool water.  The  condensate  could  be  filtered  and  used  as  pool  water;  this  would  avoid  the  Aquatic  centre  from  needing to buy municipal water, hence making the pools more sustainable.     4      UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      RESULTS & DISCUSSIONS  The UBC Aquatic Centre, including an outdoor pool, indoor pool, and other various facilities, is  mainly heated by the steam provided by UBC steam plant. The current swimming pool configuration is  not  very  different  from  an  ordinary  swimming  pool.  A  drainage  system,  powered  by  a  motor  pump,  takes the water out of pool and sends it to a filter. The filtered water is then sent to the heater where  the steam coming from the steam plant heats up the water. The heated water is then returned to the  swimming pool and the steam condensate is disregarded.  The  condensate,  however,  is  still  warm  and  it  has  approximate  temperature  of  60°C.  The  condensate  can  be  re‐utilized  by  sending  it  to  the  heat  exchanger  to  heat  up  more  water.  Moreover,  the  cold  condensate can also be recycled. In addition, a dehumidifier can be installed to reduce the amount of  warm  air  discarded.  Below  is  an  analysis  on  the  effectiveness  of  the  new  system  and  how  it  can  be  implemented.     The steam sent to the pools varies throughout the year due to the variance in the weather. Data have  been  collected  for  the  past  8‐10  years  showing  the  amount  of  steam  provided  per  month.  Typically,  during  the  winter  (December,  January  and  February)  the  steam  sent  to  the  aquatic  center  is  about  200,000  LBS.  This  amount  of  steam  is  only  used  once  before  it  gets  thrown  out.  Using  the  hot  condensate to help heating up the water can reduce the energy cost per year by 14%. The energy cost  per year is $400000, so $56000 can be saved each year if this new system is implemented.   The capital cost of the new system is indeed practical. The approximated cost is about $10,000. All what  is needed to implement the new system is double walled heat exchanger, a filter and a pump. The pump  will be installed to suck out the hot condensate from the reservoir.  The filter will be installed after the  pump  to  remove  any  suspended  contaminants  before  it  gets  sent  back  to  the  heater  to  heat  up  the  pools’  water.  Alternatively,  the  condensate  can  be  used  to  heat  up  the  shower  water.  The  same  procedure is followed with another piping configuration.    In  addition,  the  cold  condensate  that  comes  out  from  the  double  walled  heat  exchanger  can  also  be  used as a source of water. Two options were investigated in order to evaluate the best use of the cold  condensate. The first option is to mix the condensate with the pools’ water. However, there are some  problems regarding this option since the composition of the condensate includes harmful components  such as Amine. Nevertheless, an advanced filtering system might be used to filter out the containments  5     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     before mixing the condensate with the pools’ water.    Table 1: Composition of Water Streams shown from the CARO Potable Water Quality Test  Source: Jeff Griffin e‐mail attachment [Appendix B]       Guidelines  Condensate   Metals  Aluminum  Antimony  Arsenic  Barium      0.1  0.006  0.01  1      0.05  0.001  0.005  0.005   City  Water     0.05  0.003  0.005  0.005   Boron  Cadmium  Calcium  Chromium  Copper  Iron  Lead  Magnesium  Manganese  Mercury  Potassium  Selenium  Silicon  Sodium  Uranium  Zinc   5  0.005  none  0.05  1  0.3  0.01  none  0.05  0.001  none  0.01  none  none  0.02  5   0.02  0.0001  1  0.005  0.001  0.1  0.001  0.1  0.002  0.0005  0.1  0.003  2  0.1  0.0002  0.01   0.02  0.0001  0.5  0.005  0.003  0.2  0.001  0.2  0.005  0.0003  0.2  0.005  1  0.2  0.0005  0.3     As  can  be  seen  from  the  above  table,  the  amount  of  Calcium  and  Silicon  in  the  aquatic  centre  condensate water exceeds the drinking water guidelines. In addition, the condensate has anticorrosive  substances.  The suggested technologies include treating the condensate by reverse osmosis as well as  using ozone filters. However, due to health risk reasons as well as a very high capital cost, it was found  that  implementing  such  systems  is  not  practical  for  UBC  aquatic  centre  case;  thus,  it  is  not  recommended to mix the condensate with pools’ water.   6     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     Dehumidifier  Regarding  the  discharged  warm  air,  a  dehumidifier  system  can  be  installed.  The  current  indoor  swimming  pool  losses  a considerable  amount  of  energy  in  discharging  the  warm  humid  air  from  the  indoor  pool  enclosure.  In  fact,  the  exhausted  air  must  be  discharged  in  order  to  prevent  moisture  damage. Therefore, it is recommended to replace the existing ventilation system in the indoor pool area  with a swimming pool dehumidification system.   When pool water is heated to the swimming temperature, a large amount of moist is released into the  pool  room  enclosure.  This  moisture  contains  chlorine  or  bromine  disinfectants.  These  chemical  are  caustic and like acid will cause ruin to metal surfaces. In addition, they contribute to the blistering paint  and rapid decay of furniture. If left uncontrolled, pool room moisture will cause mould and mildew to  the pool room.                The dehumidifier resembles a freezer and a heater in the principle of operation. Inside the dehumidifier,  with the help of a fan warm air is blown over the cold coil. When the air is condensed, moisture is pulled  out in the form of water. After that, the cold air is passed through the hot coil bringing it back to the  room temperature (Figure 1). The temperature at which dehumidifiers work best is above 65°C with 40‐ 90% humidity. The following is a picture of a dehumidifier.      Figure 1: Diagram of a typical Dehumidifier  Source: http://www.explainthatstuff.com/dehumidifier.html     7     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      The amount of moisture that evaporates into the air will depend on three factors: the surface area of  the pool, the amount of activity in the pool, and the evaporation rate factor. The moisture load (ML) can  be determined by the following equation:   ML = A * AF * ERF                              (1)   where ‘A’ is the water surface area, ‘AF’ is the activity factor, and ‘ERF’ evaporation rate factor.   The  typical  activity  factor  for  a  public,  school  swimming  pool  can  be  assumed  to  be  2,  and  the  evaporation  rate  factor  is  assumed  to  be  0.019  (based  on  the  pool  temperature  of  82°F  and  the  surroundings temperature of 84°F). Below is the calculation performed using Eq. (1).      The calculated moisture load per day is found to be 5,500 L/day.     Implementing an indoor pool dehumidification system can significantly reduce the need to exhaust large  quantities of indoor air. The main advantages can be summarized as follows:    •  Reduce energy consumption cost   •  Cut down in both operating and maintenance costs   •  Improve indoor humidity levels control   •  Reduce potential moist damage to pool room, and interior finishes   It may be recommended to return the moisture condensed by the dehumidifier to the pool to reduce  the  need  to  add  make‐up  water  to  replace  evaporated  water.  The  best  location  to  install  the  dehumidifier  unit  is  under  an  exterior  window  and  above  the  pool  water  level  Thus,  The  collected  moisture  can  be  drained  by  gravity  back  to  the  pools’  water.  Due  to  heath  concerns,  however,  it  is  suggested to filter the collected moisture before using it. Installation costs of a dehumanisation system  ranges between $20,000 to $70,000 depending on the surface area of the pool, ease of connecting to  existing  air  and  pool  water  circulation  systems,  and  availability  of  electrical  and  other  services.  Consulting an engineering organization is necessary to implement an efficient dehumidification system.        8     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010                 Gas Heating System  Long Term Solution          9     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      PROBLEM DEFINITION  The UBC aquatic center has two pools, the outdoor pool which is 54 years old, and the indoor  pool  which  is  35  years  old.  The  pools  are  currently  heated  via  steam  which  is  retrieved  from  the  UBC  steam  plant.  The  pool  currently  has  leakage  problems  in  which  all  reasonable  solutions  have  been  attempted  to  stop  it,  yet  the  problem  still  exists.  The  only  solution  that  would  stop  this  leakage  is  rebuilding  the  facility,  which  brings  us  to  the  main  problem.  The  UBC  aquatic  center  spends  approximately $400,000/year to purchase steam from the UBC steam plant.   A gas heating system will save the aquatic centre money in energy costs. It will also make the  pool  more  sustainable  and  better  to  the  environment.  Most  pools  around  Canada  are  currently  being  heated  by  natural  gas  because  it  is  cheap,  efficient  and  quick.  The  direct  heating  contact  would  avoid  losses incurred in the heat exchange from steam to water.  The detailed breakdown of the costs of implementing and running such a gas heating system will  be discussed. A specific heater will also be proposed to fix the inefficient heating of the pools at the UBC  Aquatic Centre.           10     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      METHODOLOGY  Gas swimming pool heaters are a great source of quick and controlled heat for swimming pool.  This type of heaters can burn propane or natural gas to heat up the swimming pool water. There is also  oil‐burning  model  available.  Basic  gas  pool  heater  consists  of  a  series  of  finned  copper  tubes  running  back and forth above a burner tray. Gas enters through gas pipe and air enters through a vent. Gas is  ignited on the burner tray which is in close proximity to the copper tubing. The cold water in the tube  from the filtration system is warmed as heat is exchanged through the copper tube and the pool water  absorbs  heat  as  it  travels  through  the  heated  copper  plumbing  inside  the  pool  heater.  Finally  it  exits  through the heater outlet to return to the swimming pool.  There are many gas heaters available for commercial pools. The Jandy Hi‐E2 Pool Heater (Figure  2) is currently one of the most efficient gas heater systems available. It has several models capable of  handling different pool size. The maximum capacity is 350k BTU. This system could be implemented for  UBC  pool  as  one  of  its  major  use  is  for  extended  swimming  seasons.  Since  UBC  pool  is  very  large  in  dimensions, there is a need to heat up huge volumes of water, ideally in relatively short amount of time.  To meet this criteria several of this heater has to be setup in series.      Figure 2: The Jandy Hi‐E2 Pool Heater  Source: http://www.jandy.com/html/products/heaters/hie2hie2r/index.php   Another  major  aspect  other  than  the  main  heating  system  is  plumbing.  However,  plumbing  installation for a gas swimming pool heater is very simple. There are only two connections, one is clean  water from the pool filter entering the heater and the other is heated water coming out of the heater to   11     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     return to the pool. Furthermore, the Jandy heater has an automatic flow valve which controls the flow  rate  through  the  heater  at  about  150gal/min.  So,  there  is  no  need  for  any  external  control  valve  or  system. However, if the filter system has a higher flow rate, then a bypass pipeline has to be linked in  order to stabilize the pressure throughout the system. Moreover, the machine has to be connected to a  source  of  fuel.  Natural  gas  piping  line  goes  near  UBC  Aquatic  Centre  to  the  nearby  residential  area.  Hence, natural gas is the convenient source for the pool heating system. Gas line installation is the more  expensive and complex side of the setup since local codes has to be followed strictly.  The heater system needs to be installed in a place where there is adequate air supply. This is required  for  ventilation  and  combustion  air  supply.  Additionally,  it  must  be  installed  on  level  surface  of  non‐ combustible construction.  So, the big investment is the gas heater and along with it is the requirement to install the gas  supply to the heater. This means, developing a pipeline network from the main gas pipeline. Finally, the  two water connections into and out of the gas heater. The new heater could be implemented with the  currently used pump depending on the piping and filter system already in use.         12     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      RESULTS & DISCUSSIONS  This section of the report examines the cost of implementing a natural gas heating system. The  energy  used  by  the  UBC  Aquatic  Center  was  estimated  based  on  the  size  of  the  pool,  the  amount  of  water lost, and the desired pool temperature. Then, knowing the energy demand, the number of heater  units  was  approximated  and  the  ongoing  savings  was  calculated  (refer  to  Calculation,  page  15  of  this  report).     From calculating the heat lost from the pool surface and heat needed to raise the temperature   of replacement water (since a large volume of water is lost every day), the energy demand of the pool is  approximated  to  4,863,625  BTU/hr.  For  additional  usage  of  energy  elsewhere  in  the  facility,  we  have  assumed an additional energy demand of 20%. The gas heater we choose out of the options in Table 2  should  the  one  with  the  highest  efficiency  because  the  objective  of  this  project  is  to  aim  for  high  standards of sustainability. Therefore, we have selected the Jandy Hi‐E2 heater as it has an efficiency of  95%  while  the  other  heaters  we  researched  have  efficiencies  of  85%.  With  this  new  efficiency,  the  energy demand of UBC Aquatic Center is 5,119,605 BTU/hr.  Table 2: Heater properties   Model    MasterTemp    Sta‐Rite Max‐E    Jandy Hi‐E2    BTU/hr Input    400,000    400,000    350,000    Efficiency    84%    84%    95%    Cost per Unit    $2220    $1900    $4980    Required BTU/hr Input    5,721,912    5,721,912   5,119,605    Units Required    15   15   15   Total Cost for Heaters    $33,300   $28,500   $74,700        The  downside  to  choosing  the  most  efficient  heater  is  that  it  is  almost  the  most  expensive   choice. Table 3 shows a cost analysis of the current steam heating system as well the projected cost of a  gas heating system. According to Lloyd Campbell, the manager of the UBC Aquatic Center, it would take  roughly 1 million dollars to implement a gas heating system, which includes excavation for gas pipelines  and retrofitting for the heaters. This cost summed  with the cost of the heaters make our capital cost.  The annual cost of natural gas is assuming the prices of natural gas does not fluctuate significantly from  the price as of April 17, 2010 ‐ $4.89/GJ. This table shows that the annual cost reduction from switching  13     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     to  gas  heaters  could  offset  the  caption  cost  in  nearly  7  and  half  years.  After  that,  UBC  aquatic  center  could be saving thousands of dollars.  Table 3: Cost analysis of different heating systems   Annual cost of steam system:   $400, 000   Capital cost of gas system:   $1, 074, 700   Annual cost of gas system:   $259, 714   Annual reduction in cost with gas      system:   $170,286   Years to offset capital cost:   7.66      14     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     Calculation  Energy demand of pool per hour (Hlost):  Hsurface   = Energy lost by surface of the pool, including thermal conductivity and heat lost to evaporation   Hrise    = Energy to heat the replacement water for leakage and evaporation    k    = Surface heat loss factor   A   = Surface area   ΔTdiff    = Average temperature difference between the air and the pool water (Specified to 82°F)   mlost   = Mass of water lost per day; = volume lost*density   Cp   = Standard heat capacity of water   ΔTrise   = Average temperature difference between municipal water and pool water     Hlost = Hsurface + Hrise                     (2)   Hlost =  [k∙A∙ΔTdiff] + [mlost∙Cp∙ ΔTrise/24hr]                   (3)         For indoor pool:     For outdoor pool:     Assuming there is an additional 20% of energy use for the rest of the facility     Total Hlost = %120∙[1,468,033 BTU/hr +2,584,999 BTU/hr]       Total Hlost = 4,863,625 BTU/hr  15      UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     Ongoing cost of natural gas per year (C):     C = price of natural gas ∙ energy demand of facility per year                  (4)        16     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      ENVIRONMENTAL IMPACTS      If  no  changes  are  made  to  the  current  operation  of  the  aquatic  centre,  it  will  remain  quite  environmentally  harmful.  The  leak  and  water  loss  of  about  60,000  gallons  is  not  only  a  considerable  amount,  but  also  a  contaminant  for  the  soil  around  the  pools  (Figure  3).  The  inefficient  heating  is  causing  unnecessary  greenhouse  emissions.  To  make  the  pools  more  “green”  and  more  sustainable,  changes must be made.   Consumption of clean fresh water is becoming precious, so limiting its use will help reduce the  footprint of UBC’s pools. Therefore with the installation of a dehumidifier, some of the lost water from  the pool can actually be recycled, and this will reduce the Aquatic centre’s need for fresh water. Note,  however, that the moisture collected does contain harmful chemicals (Figure 3) which might need to be  filtered.    6  Steam condensate vs. City Water Recoverable Metals Comparison  5 Aquatic center condensate water  mg/L  4 3  City Water 2 1 0    Figure 3: Composition of Water Streams shown from the CARO Potable Water Quality Test   Source: Jeff Griffin e‐mail attachment [Appendix B]    17     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     If the heat transfer efficiency can be increased, then less steam would be needed on a monthly  basis. If less steam is needed, less natural gas would be needed in the steam plant. Hence, in a “domino‐ effect” manner, by needing less steam at the aquatic centre, less greenhouse gases will potentially be  released from the natural gas plants. This is generally the case when designing a more efficient heating  system.  For the gas fired heater, the positive impact created is the lower natural gas demand by UBC.  Because  the  natural  gas  would  be  heating  the  pool  water  directly,  much  less  is  needed.  At  the  steam  plant the natural gas would need to make water into steam, which is more energy rigorous than heating  up water.  Hence, when steam is used for heating the water, more natural gas is shipped to UBC for the  same process. Also, when the steam is shipped from the steam plant to the pools, heat will be lost into  the surroundings. By directly heating the pool water with gas, it is direct contact between the fossil fuel  and  the  water.  The  “domino‐effect”  described  before  applies  here  as  well,  and  so  the  gas  heating  system would emit less greenhouse gases then the steam heating system (even if it was operating at its  maximum efficiency).         18     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      CONCLUSIONS  Steam Heating System  The UBC Aquatic Centre receives 200,00lbs of steam per month from the UBC Steam Plant. This  steam  is  used  only  once.  Reusing  the  steam  condensate  from  the  pool  as  a  heat  reclaim  source  can  reduce  14%  of  the  energy  used  per  year.  The  annual  energy  cost  is  $400,000,  meaning  that  if  the  proposal were to be carried out, $56,000 would be saved.   The proposed short term solution includes the purchase and installation of a pump, a filter and a  double  wall  plate  heat  exchanger.  This  type  of  heat  exchanger  is  the  most  adequate  to  the  scenario  because it has large surface areas and fluid flow passages for more efficient heat transfer in comparison  to  the  shell  and  tube  heat  exchanger.  In  addition,  it  is  space  efficient  for  it  can  easily  have  its  heat  transfer  capability  enhanced  by  having  a  stacked‐plate  arrangement.  The  three  components,  pump,  filter and double wall plate heat exchanger, sum up to less than $10,000. As can be seen from the cost  analysis, the proposed short term option meets the client’s budget of $10,000.  As shown by Giffin’s CARO water portability tests, the amount of some metals such as calcium  and  silicone  are  above  the  guidelines  or  the  norm.  Moreover,  this  test  did  not  measure  the  amine  content  used  in  the  steam  plant,  or  more  specifically,  the  cyclohexylamine  and  morpholine  contents.  The next test with an activated carbon filter also did not show promising results, for it did not contribute  to  the  reduction  of  the  amine  content.    Cyclohexylamine  and  morpholine  are  known  to  be  toxic,  therefore,  it  is  not  recommended  to  reuse  the  condensate  in  the  water  of  the  pools.  Although  the  current disinfectant used, chlorine, reacts with the amines to form ammonia, which would in theory just  evaporate,  the  liability  of  such  is  not  enough  for  implementing  the  proposed  idea  of  the  reuse  of  condensate  in  the  pool’s  water.  This  leads  to  the  conclusion  that  the  next  step  in  the  study  is  to  incorporate  a  filtering  system  for  the  cold  condensate  used  in  the  heat  exchanger.  The  technologies  commonly used, reverse osmosis and ozone filters, are efficient, but are costly to install and maintain.  Hence, the heat recovery aspect of the project is the only part that can be securely implemented.       Gas Heating System  The  UBC  aquatic  centre  is  wasting  money  every  day  with  the  current  heating  system.  An  analysis  was  made  to  determine  how  much  energy  is  required  to  heat  up  and  maintain  the  pool  at  the  desired  temperature. It was determined that it will take 15 heaters to carry out the job. The Jandy Hi‐E2 heater  was chosen to be the most suitable heater because of its high efficiency equating to 95%. The cost of the  gas per year assuming the rate doesn’t change is $259,714. This is 35% cheaper than the current cost of  19     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     the steam which is $400,000. Implementing the new heating system is expected to cost approximately  $1,074,700. This capital cost can be covered within 7.66 years, and after those years all the savings will  be profit. The environmental impact exists, but in comparison to the current method, this alternative is  more environmentally friendly as the heating is done on site which results in less energy wasted. UBC  has the choice of implementing this idea right away or when the pool is re‐built. Either way, it needs to  be acknowledged that the current heating system isn’t the most efficient method and that it should be  replaced if the pool is ever rebuilt.      The overall solution, then, is to install a new heat exchanger in the heating system train, as well   as  add  a  dehumidification  system  to  the  indoor  pool  housing.  These  two  changes  will  immediately  increase  the  Aquatic  Centre’s  effectiveness  in  heating  up  the  pools,  as  well  as  reduce  energy  and  maintenance  costs.  However,  the  gas  heating  system  should  not  be  overlooked  in  future  budget  analyses. This is a great option as an alternate, new heating system since it is much more efficient than  the steam heating, and has an 8 year pay off period.          20     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      REFLECTION ON UBC & SUSTAINABILITY    Two suggested solutions, implementation of new gas heating system and new heat exchanger,  would help UBC to save their budgets to use it on other researches. Furthermore, by applying this new  method UBC will have a sustainable swimming pool which other universities do not. It also shows that  UBC  is  capable  of  changing  and  implying  new  technology.  As  both  of  new  technology  is  installed,  economically, the cost reduces distinctively. By using gas heating system, maintenance fee, and energy  cost reduce dramatically. Similarly, installing new heat exchangers and dehumidifier will reduce energy  cost by 14% each year. There are, not only economic benefits exist, but also, social and environmental  benefits  are  resulted.  For  example,  in  both  cases,  the  pool  saves  energy,  which  is  environmental  friendly. By installing  new heat exchanger, the pool uses more  energy from  the given steam, whereas  before more energy from the same steam was wasted. Not only that, but also significantly less NOx is  emitted  by  new  gas  heating  system.  These  two  solutions  will  lead  to  social  benefits  because  patrons  complain  less  about  cold  showers  and  pools.  Furthermore,  using  the  dehumidifier,  a  healthier  environment  for  both  patrons  and  furniture  will  be  provided.  These  better  conditions  will  bring  more  user groups to the pool.        21     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      RECOMMENDATIONS  UBC Aquatic Centre     Installing  a  new  heat  exchanger  and  dehumidifier  is  recommended  since  UBC  aquatic  center   currently has a low budget, too low to install the new gas heating system. Although, the heat exchanger  solution costs less and seems less effective, it does bring 14% reduction of energy cost per every year.  The heat exchanger solution is most feasible and easiest solution to implement currently; since, all the  pipe lines exist to install new heat exchanger. Furthermore, the dehumidifier is also easy and cheap to  install compared to the new gas heating system. More importantly, dehumidifier provides better quality  of air and the environment to swim. On the other hand, if it is possible to install new heating system,  this is also recommended because it results more savings in long period of time. The estimated cost will  be  cover  within  7.5  years  and  have  much  more  saving  every  year  compare  to  the  heat  exchanger  solution.  Future CHBE 363 Groups     Another solution that can be discussed is the filtration of condensed steam. After heating up the   pool with steam, water condensed. However this condensate is still hot enough to increase temperature  of pool water. The compounds that need to be filtered are calcium and silicon. Since calcium is one of  the  compounds  that  are  in  hard  water,  the  recommendation  is  to  use  ion  exchange  process,  whereas  filtering silicon is needed to be researched further. The process of filtering need to be done fast, thus  the  more  energy  can  be  conserved.  Another  recommendation  is  to  have  more  breakdown  cost  for  installation  of  pipe  lines,  since  estimation  made  is  too  brief.  Finally,  if  the  filtration  of  water  does  not  work, then a sustainable use would be to recycle the condensate back to the steam plant.            22     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      ACKNOWLEDGEMENTS    We  would  like  to  thank  all  the  people  involved  in  make  this  project  a  success.  We  especially  want  to  thank the following individuals that played a major role in the research and completion of the report.  •  Naoko Ellis, professor and supervisor for CHBE 363   •  Lloyd Campbell, UBC Aquatic centre manager   •  Jeff Griffin, Special Projects Manager, Alternative Energy (working for UBC Steam Plant)   We would also like to give a special thanks to the SEEDS organization that allowed us to participate in  the program and work on making the pools more sustainable.   •    Brenda Sawada, UBC SEEDS manager     23     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010      REFERENCES    Dehumidification systems (2010). Retrieved April 6, 2010, from Dehumidifier Corporation of America.:      http://www.dehumidifiercorp.com/indoorpool.html    Indoor Swimming Pool Dehumidification (2010). Retrieved April 8, 2010, from Water Saving Energy Tips:      http://www.cmhc‐schl.gc.ca/en/inpr/bude/himu/waensati/   Jandy heaters: Hi‐E2 (2010). Retrieved April 5, 2010, from Jandy Pool Products, Inc.:     http://www.jandy.com/html/products/heaters/hie2hie2r/index.php    Sizing swimming pool heaters (2005). Retrieved April 10, 2010, from The Engineering ToolBox:     http://www.engineeringtoolbox.com/swimming‐pool‐heating‐d_878.html    Price forecast for natural gas (2010). Retrieved April 17, 2010, from EnergyShop:      http://www.energyshop.com/es/homes/gas/gaspriceforecast.cfm            24     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010              APPENDIX A  CONTACT INFORMATION  Lloyd Campbell, UBC Aquatic Centre contact  Jeff Griffin, UBC Steam Plant contact        25     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     Lloyd Campbell  UBC Aquatic Centre Manager  Tel.: (604) 822‐8743  Email: lloydc@interchange.ubc.ca     Jeff Griffin  Alternative Energy, UBC Steam Plant Special Project Manager  Tel.: (604) 240‐0578  Email: jeff.giffin@utilities.ubc.ca         26     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010                  APPENDIX B  INTERVIEW NOTES & CORRESPONDENCE  Lloyd Campbell Interview 1 – February, 2010  Lloyd Campbell Interview 2 – April 9, 2010  Jeff Griffin E‐mail – April 9, 2010        27     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     Lloyd Campbell Interview – Intro in February  Major issue: energy inefficiency; leakage  • • • • • • • • • • •  • • • • • • •  • •  Usually gas used, but UBC uses steam plant   ‐ Gas more efficient and less $, but UBC has steam plant (therefore monopoly)  Cost of energy/yr to maintain pools $150000  Looking at solar power as possible energy source (but not likely to happen due to high capital  cost. However, it could be used in the showers)  Future goal: H2O thrown away anyway, should reuse in showers  Leakage: 100,000 gallons lost/day  Problem: showers get cold; steam is not enough  6‐8 inches of H2O loss/day by evaporation (indoor)  Loss of water (outdoor pool): 12inch/day therefore most inefficient  H2O used comes from UBC central H2O supply  Swimming pool covers that are designed to trap the heat and reduce the evaporation are  ineffective for such big pools  Instead, HEAT $AVR fluid used to heat up water in pools and can prevent 50‐60% of the  evaporation  ‐ Fluid = isopropyl alcohol 90% (harmless)  ‐ 1st yr UBC using the fluid  ‐ 1 gallon can last 1.5weeks for both pools (outdoor and indoor)  ‐ it works as an invisible sheet on top of the water whenever nobody is swimming.   Total amount of water in both outdoor and indoor pool: 9million litres (indoor 6, outdoor 3)  6 million litres replaced every 2hrs  Indoor pool is 35 yrs old; outdoor 54 yrs old  New energy efficient pool would cost 50 million dollars to replace  Pools cost: 7‐8million dollars to replace with stainless steel  Highest energy consumer on campus  Other examples to look at  are:  ‐ West Van pool use geothermal as energy resource: ineffective = disaster  ‐ City centre Coquitlam uses solar power  Expected budget to fix problem < $10000: all they need is a filter and a pump (?)   About the leakage problem, they tried to fix it by draining all the water and then looking for the  leakage in the pipes. However, they couldn’t find exactly where the leakage is, so they filled the  area with concrete. The concrete slowed down the leakage but didn’t stop it     Lloyd Campbell’s contact info: 6048228743; lloydc@interchange.ubc.ca    28     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010       Lloyd Campbell Interview ‐ Apr 9, 2010  Steam heat pros:  ??    Steam heat cons:  ‐ ‐  ‐  Very far from steam plant  o For every 100 ft that the steam travels, 5% of BTU is dissipated  Cost over $400, 000/yr for heating cost  o In comparison, this is equivalent to the cost of all of Burnaby’s public pool together  o SFU cost near $50, 000  Steam plant cannot generate enough steam for its demand       Natural Gas Pros:  ‐ ‐  Pipe lines are close by  o Houses across the street uses gas  Heating cost would reduce dramatically   Natural Gas Cons:  ‐ ‐  Boilers need to be retrofitted   Nearly a million dollars to revamp heating system total       Companies that sell natural gas heating units for pools.   ‐ ‐    In‐line pumping  Best buy pool supply     29     UBC Aquatic Centre SEEDS Report  CHBE 363 – April 2010     E‐mail from Jeff Griffin – April 9, 2010  From: jeff.giffin@utilities.ubc.ca  To:    Date: Fri, 9 Apr 2010 15:28:42 ‐0700  Subject: RE: SEEDS project for CHBE 363 course  Hi Erika,     Your idea of reusing the steam condensate in the swimming pools is great one. It could save about 14% of the  energy consumption and massive amounts of make up water due to evaporation from the pools.     About a year ago I conducted a number of tests on the steam condensate at the Aquatic center for that exact  purpose the results are attached to this email.       The first test was a water portability test which showed promising results, however it did not measure Amine  continent which is added at the steam plant and used to control the PH levels in the returning condensate. For the  next test I installed an activated carbon filter which did nothing to reduce the Amine continent..     Cyclohexylamine, Morpholine are the two types of Amines we use… For health and liability reasons it is not  recommend to mix the condensate with pool water even though the Chlorine should react with the Amines and  form ammonia which would then evaporate off. Therefore the option remains to try and eliminate the amines.  Reverse osmosis and Ozone filters are the two most promising methods however Ozone requires significant  electrical energy and the reverse osmosis is expensive to buy… I did not explore these option in too much depth as  the capital and operation expenses I believe would have defeated the whole purpose..     Another option that could be considered is chemical treatment. I do not feel that I have enough expertise in this  area to properly evaluate this opportunity and due the risks of getting it wrong i.e. someone gets a rash and sues  the Aquatic center, I now feel it’s better to explore a more conventional heat recovery option like plate heat  exchangers.     To make a long story short I am currently a CEEN graduate student working under Professor David Wilkinson in the  CHBE and have proposed to do my final project on energy efficiency and conservation at the UBC Pools. So it seem  that we share a common goal of making the swimming pools more energy efficient and I think we should  collaborate on this together. The condensate is only one of many low hanging fruits that could be explored.     Please let me know what your thoughts are on this… I plan to begin working on this project this summer…     Best Regards,     P.S. Feel free to call my cell phone to discus this further.        Jeff Giffin  Alternative Energy  Special Projects Manager      30