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THREE ELEMENTS ELECTRIC WATER HEATER André Laperrière,ing. M.Sc.A. Raynald Brassard Laboratoire des technologies de l énergie d Hydro- Québec (LTE) - Shawinigan 2011 ACEEE Hot Water Forum Berkeley, California
ELECTRIC WATER HEATER POPULATION IN THE PROVINCE OF QUÉBEC Électricité Mazout Gaz Total En nbre En % En nbre En % En nbre En % En nbre En % Selon les sources d'énergie (2) 2 728 970 93.1% 99 662 3.4% 102 593 3.5% 2 931 225 100.0% Selon les capacités (3) Moins de 40 gallons 79 140 2.9% 16 743 16.8% 12 722 12.4% 108 605 3.7% 40 gallons 1 222 579 44.8% 38 968 39.1% 46 782 45.6% 1 308 329 44.6% 41 à 59 gallons 35 477 1.3% 3 488 3.5% 6 771 6.6% 45 736 1.6% 60 gallons 1 345 382 49.3% 33 885 34.0% 31 701 30.9% 1 410 969 48.1% Plus de 60 gallons 46 392 1.7% 6 578 6.6% 4 617 4.5% 57 587 2.0% Total chauffe-eau individuels 2 728 970 100.0% 99 662 100.0% 102 593 100.0% 2 931 225 100.0% Notes : (1) Statistique Canada, Recensement 2001 (2) «Utilisation de l'électricité dans le marché résidentiel», page 70, Hydro-Québec, 2002 et sans tenir compte des non répondants (3) Extractions informatiques de l'étude «Utilisation de l'électricité dans le marché résidentiel» sans tenir compte des non répondants = 3 000 000 water heater x 1 kw diversified power = 3 000 MW TOTAL Hydro-Québec INSTALLED POWER ~ 36 000 mégawatts 2 Groupe Technologie
WHAT MEAN 3 000 MW? Daniel-Johnson dam Manic 5 et Manic 5 PA. Combined power of 2 592 MW (1 528 MW = Manic 5 ) Inaugurated september 26 1968 Manic-5 dam renamed "Daniel-Johnson" in 1969 3 Groupe Technologie
Electric water heater energy efficiency 1. Standby loss in kwh 2. Peak demand in kw 3. A new concept 4 Groupe Technologie
Resistive Immersed element water heater A proven technology Principe : flip flop 5 Groupe Technologie
Basic components Resistive elements + thermostats 6 Groupe Technologie
PART 1 : Standby loss calculation and kwh > Energy loss not being used to heat the water > Standby loss = energy = kwh > IMPACT : reduce the cost of production the cost of transport the cost of distribution 7 Groupe Technologie
EVALUATION OF ENERGY EFFICIENCY Canadian standard association - C191 (CSA) CAN/CSA-C191-F04 «CAN/CSA-C191-04 - Performance of Electric Storage Tank Water Heaters for Domestic Hot Water Service» «This Standard specifies requirements related to delivery, minimum standby performance, heater element ratings, and marking of electric storage tank water heaters.» 8 Groupe Technologie
EFFICIENCY MEASUREMENT Mean of 6 temperature within the water heater (6 equal volumes) Normalized 44 C temperature differential between in and room (60 C 16 C) Compensate for temperature differential between beginning and end of test. 9 Groupe Technologie
CALCULATION OF STANDBY LOSS FOR A 270 LITER TANK Water heater of 270 litre 40 + 0,2 x 270 = 94 Watts 10 Groupe Technologie
PART 2 : Hot water usage and energy efficiency 11 Groupe Technologie
TYPICAL HOT WATER USAGE Table 3: Energy usage of domestic hot water Weekly hot water at 60 C (litres) 1 2 3 4 or + Average family Bath 138 230 414 552 368 Shower 178 304 423 519 393 Dishwasher 54 79 105 150 113 Other usages 105 210 315 420 294 Washer 94 142 226 313 210 Total per week 569 966 1483 1955 1378 Total per day 81 138 212 279 197 Energy consumption to heat water from 8 C to 60 C 1 2 3 4 ou + Average family kwh per week 34.1 58.0 89.1 117.4 82.8 kwh per day 4.9 8.3 12.7 16.8 11.8 kwh per year 1776 3016 4631 6105 4305 kwh per year per person 1776 1508 1544 1526 1537 12 Groupe Technologie
Stdby loss + water energy = TOTAL Stdby loss = 40 + 0.2 V = 40 + 0.2 x 270 litres = 94 Watts Annual basis : 94 Watts x 24 hours x 365 days 823 kwh / year of standby loss TOTAL ANNUAL ENERGY (kwh) > Energy to heat the water : 4 305 kwh > Standby loss : 823 kwh > TOTAL annual energy : 5 128 kwh 13 Groupe Technologie
Split of the energy in domestic hot water for a typical family Usable standby loss : 50 % of Stdby loss for house heating in Northern climate TOTAL ANNUAL ENERGY (kwh) Energy to heat the water : 4 305 kwh (84%) Standby loss : 823 kwh (16 %) TOTAL annual energy : 5 128 kwh 14 Groupe Technologie
Split of the total energy based on usage 15 Groupe Technologie
PART 3 : How to define energy efficiency? > METHOD 1 : Reduce the kwh How? 1) Standby loss 2) Water consumption > METHOD 2 : Reduce the kw peak demand 16 Groupe Technologie
METHOD 2 : Reduce the kw impact > Although energy efficiency is very often defined as a reduction of kwh, energy efficiency should NOT forget the impact on the kw 17 Groupe Technologie
INTERRUPT WITH TIMER??? (3 hours interrupt 4 months per year) Diversified power difference (kw) 4 3 2 1 0-1 -2-3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time (hours) 18 Groupe Technologie
IMPACT ON THE GRID WITH TIMERS (500 000 water heaters, 3 hours off) 22 janvier 2003-500 000 chauffe-eau hors fonction 3 heures 35000 34000 Grid power (MW) 33000 32000 31000 30000 Sans gestion Avec gestion - 3 heures With timers and interrupt No interrupt 29000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time (hours) 19 Groupe Technologie
IMPACT WITH TIMERS! > REAL ugly and can increase the peak demand instead of reducing it when timers are all synchronised > MUST look in an other direction : A three elements water heater 20 Groupe Technologie
PROCESSUS OF THE STUDY STEP1 : UNDERSTAND THE PHYSICAL PRINCIPLES STEP 2 : Numerical modeling STEP 3 : Pilot project 21 Groupe Technologie
DESIGN CONSTRAINTS > 1) Transparent to customer > 2) Simple and not expensive > 3) Reliable > «The KISS Principle and Why It Should be a Design Principle» > «Keep it Simple Stupid» 22 Groupe Technologie
Diversified demands (2006 2007) % of customers within this category Hot water daily consumption category 23 Groupe Technologie
TWO CONCEPTS OF WATER HEATER OLD GM MODEL NEW TOYOTA MODEL 4 500 Watts 3 800 Watts 3 000 Watts 4 500 Watts 800 Watts 24 Groupe Technologie
PRELIMINARY LABORATORY RESULTS 25 Groupe Technologie
Conventional 2 elements water heater 5 Chauffe-eau d'une unifamiliale Residential water heater) 4,5 4 3,5 Power (Watts) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 4 8 12 16 20 24 4 500 Watts Time (hours) 26 Groupe Technologie
3 elements water heater 350 DOE - 350 liter litres journalier daily 4500 700 B A 3 800 Watts 3 000 Watts 800 Watts ( ) Power (Watts) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Puissance Litres cumulés A A + B 0 350 24 32 40 48 650 600 550 500 450 400 Lit lé d' h d Cumulative daily liters Time (hours) 27 Groupe Technologie
PILOT PROJECT 75 CUSTOMERS SPECIAL WATER HEATER 5 ELEMENTS) SWITCH FROM DAY TO DAY DAY 1 : MODE 3 ELEMENTS DAY 2 : MODE 2 ÉLÉMENTS DAY 3 : MODE 3 ÉLÉMENTS DAY 4 :. 28 Groupe Technologie
PILOT PROJECT (75 customers) Eau chaude Débitmètre Boîte de mesure Alimentation 240 Vac 1 Ph. Eau froide Chauffe-eau domestique Ordinateur client Garde barrière Firewall Hub Internet Service provider (ISP) 29 Groupe Technologie
TEST METHODOLOGY 240 Vac CT 30 A WNA 3Y 400P + Output A B C CT CT CT Neutral VAC ΦA VAC ΦB VAC ΦC VAC L1 L2 Minuterie 240 Vac Relais DPDT sur minuterie 240 Vac 1 2 3 4 Smart Reader Plus 9 3 800 Watts 3 800 watts 3 800 Watts 3 000 watts CT 5 A 800 watts Août 2006- v4 WNA 3Y 400P + Output A B C CT CT CT Neutral VAC ΦA VAC ΦB VAC ΦC VAC 30 Groupe Technologie
Pilot Project 2006 / 2007 75 customers > Diversified demand in kw 1.7 1.6 1.5 1.4 Mode 3 éléments Mode 2 éléments 1.3 1.2 Power (Watts) 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0,2 kw 0,2 kw 0.3 0.2 0.1 Période 7h - 11h Période 17h - 21h 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time of day (hours) 31 Groupe Technologie
Power mode 2 elements 7h-11h Puissance période pointe (7h - 11h) Mode 2 éléments 2ele - Maximum 7h-11h 2ele - Moyenne 7h-11h 2ele - Minimum 7h-11h Polynomial (2ele - Maximum 7h-11h) Polynomial (2ele - Minimum 7h-11h) Polynomial (2ele - Moyenne 7h-11h) 3 2.5 Power (Watts) 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Total daily hot water consumption (liter) 32 Groupe Technologie
Power mode 3 elements 7h-11h Puissance période pointe (7h - 11h) Mode 3 éléments 3ele - Maximum 7-11h 3ele - Moyenne 7-11h 3ele - Minimum 7-11h Polynomial (3ele - Minimum 7-11h) Polynomial (3ele - Moyenne 7-11h) Polynomial (3ele - Maximum 7-11h) 3 2.5 Power (Watts) 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Débit j li d' h d lit /j Total daily hot water consumption (liter) 33 Groupe Technologie
Power mode 2 elements 17h-21h Puissance période pointe (17h - 21h) Mode 2 éléments 3 2ele - Maximum 17h-21h 2ele - Minimum 17h-21h Polynomial (2ele - Moyenne 17h-21h) 2ele - Moyenne 17h-21h Polynomial (2ele - Maximum 17h-21h) Polynomial (2ele - Minimum 17h-21h) 2.5 Power (Watts) 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Total daily hot water consumption (liter) 34 Groupe Technologie
Power mode 3 elements 17h-21h Puissance période pointe (17h - 21h) Mode 3 éléments 3 3ele - Maximum 17h-21h 3ele - Minimum 17h-21h Polynomial (3ele - Maximum 17h-21h) 3ele - Moyenne 17h-21h Polynomial (3ele - Minimum 17h-21h) Polynomial (3ele - Moyenne 17h-21h) 2.5 Power (Watts) 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Total daily hot water consumption (liter) 35 Groupe Technologie
Daily total hot water consumption mode 3 elements 900 800 700 Total daily liter 600 500 400 300 200 194 liter Mean value 100 0 36 Groupe Technologie
2006 / 2007 : Water heater 5 elements 250 Chauffe-eau à trois (3) éléments Chauffe-eau à deux (2) éléments 194 litre / day 200 Cumulative liter 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time of day (hours) 37 Groupe Technologie
CONSUMPTION COMPARISON ASHRAE HANDBOOK 38 Groupe Technologie
Pilot project 2007 / 2008 > Mode 3 elements only ( 24 hours) 1.2 1.1 Diversified power (kw) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Période 7h - 11 h Période 17h - 21 h 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time of day (hours) 39 Groupe Technologie
Winter no 1 (switch 2 /3 elements) Winter no 2 (3 elements only) Period from 5 h to 22 h Diversified power (kw) Time of day (hours) 40 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 > Mode 3 elements only 200 180 160 Cumulative liter 140 120 100 80 60 Période 7h-11h Période 17h-21h 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 H Time of day (hours) 41 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 > Mode 3 elements only 500 450 Mean total daily liter 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Customer number 42 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 > Mode 3 elements only 250 Mean daily liter per person 200 150 100 50 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 House number 43 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 > Different household Mean daily liter per household 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 Number of persons per household 44 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 > Peak period : 7h to 11 h 4 Number of hours of operation 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 800 Watts 0 Watts 3800 Watts 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Litres journalier moyen Mean daily liter 45 Groupe Technologie
Pilot project year 2007 / 2008 800 Watts 2 years 3 800 Watts new Power density (W/cm 2 ) : ~ 4 x less for 800 Watts element 46 Groupe Technologie
Customer survey QUESTION Customer survey A.1) ARE YOU PLEASED WITH THE WATER HEATER? Yes No 47 Groupe Technologie
The following > Avoided costs > 200 Watts x 67,5 $ = 13 $ kw Increase of cost of the water heater: ~ 12 $ Power demand project profitable in payback 48 Groupe Technologie
Water heater market Électricité Mazout Gaz Total En nbre En % En nbre En % En nbre En % En nbre En % Selon les sources d'énergie (2) 2 728 970 93.1% 99 662 3.4% 102 593 3.5% 2 931 225 100.0% Selon les capacités (3) Moins de 40 gallons 79 140 2.9% 16 743 16.8% 12 722 12.4% 108 605 3.7% 40 gallons 1 222 579 44.8% 38 968 39.1% 46 782 45.6% 1 308 329 44.6% 41 à 59 gallons 35 477 1.3% 3 488 3.5% 6 771 6.6% 45 736 1.6% 60 gallons 1 345 382 49.3% 33 885 34.0% 31 701 30.9% 1 410 969 48.1% Plus de 60 gallons 46 392 1.7% 6 578 6.6% 4 617 4.5% 57 587 2.0% Total chauffe-eau individuels 2 728 970 100.0% 99 662 100.0% 102 593 100.0% 2 931 225 100.0% Notes : (1) Statistique Canada, Recensement 2001 (2) «Utilisation de l'électricité dans le marché résidentiel», page 70, Hydro-Québec, 2002 et sans tenir compte des non répondants (3) Extractions informatiques de l'étude «Utilisation de l'électricité dans le marché résidentiel» sans tenir compte des non répondants 50 % of 60 gallons market = 673 000 water heater 673 000 water heaters x 200 Watts = 134 600 000 Watts = 134 MW 673 000 water heater x 12$/each = 8 000 k$ 8 000 k$ / lifetime 12 year = 700 k$/year 700 k$ per year to save 134 MW on the grid 49 Groupe Technologie
134 MW =??? Centrale de la Péribonka au nord du lac St-Jean inaugurated 10 décembre 2007 385 MW 50 Groupe Technologie
Water heater et la Régie de l Énergie 51 Groupe Technologie
Hydro-Québec Web site 52 Groupe Technologie
THANKS MERCI André Laperrière Institut de recherche d Hydro-Québec