Dalarna University's logo and link to the university's website

The high energy use in the European building stock is attributable to the large share of old buildings with poor energy performance. Energy renovation of buildings is therefore vital in the work towards energy efficiency and reduced environmental impact in the EU. Yet, the strategies and energy system implications of this work have not been made clear, and the rate of building renovation is currently very low.

The aim of this thesis is to investigate the economic and environmental aspects of energy renovation strategies, with two main objectives:

• Renovation of Swedish district heated multi-family houses, including life-cycle cost and environmental analysis and impact on the local energy system;

• Renovation of European residential and office buildings, including life-cycle cost and environmental analysis and influence of climatic conditions.

Buildings typical for the respective regions and the period of construction 1945-1970 were simulated, in order to determine the feasibility and energy saving potential of energy renovation measures in European climates. A variety of systems for heating, cooling and ventilation were studied, as well as solar energy systems, with focus on heat pumps, district heating, low-temperature heating systems and air heat recovery.

Compared to normal building renovation, energy renovation can often reduce the life-cycle costs and environmental impact. In renovation of typical European office buildings, as well as Southern European multi-family houses, more ambitious renovation levels can also be more profitable.

Exhaust air heat pumps can be cost-effective complements in district heated multi-family houses, while ventilation with heat recovery is more expensive but also more likely to reduce the primary energy use. From a system perspective, simple exhaust ventilation can reduce the primary energy use in the district-heating plant as much as an exhaust air heat pump, due to the lower electricity use.

Byggnadssektorn står för omkring 40 % av den totala energianvändningen i EU. Den höga energianvändningen i Europeiska byggnader kan till stor del tillskrivas den stora andelen gamla byggnader med dålig energiprestanda. Energirenovering av byggnader, eller energieffektivisering genom renovering, kan därför anses utgöra en central del i arbetet mot EU:s klimat- och energimål för år 2030. Trots detta är det ännu inte helt klarlagt vilka strategier som ska tillämpas för att uppnå detta och hur det påverkar energisystemet, och i nuläget är renoveringstakten fortfarande väldigt låg.

Målet med denna avhandling är att undersöka ekonomiska och miljömässiga aspekter av strategier för energirenovering, såväl byggnadsskalsåtgärder som aktiva system, för typiska bostads- och kontorsbyggnader i Sverige och i andra Europeiska regioner. Mer specifikt har arbetet följande två inriktningar:

• Renovering av svenska, fjärrvärmevärmda flerfamiljshus, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan på det lokala energisystemet;

• Renovering av Europeiska bostads- och kontorsbyggnader, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan av klimatförutsättningar.

Byggnader typiska för respektive region och byggnadsperioden 1945-1970 modellerades och användes i simuleringar för att fastställa den övergripande möjligheten och energibesparingspotentialen för olika renoveringsåtgärder i Europeiska klimat. En rad system för värme, kyla och ventilation studeras, samt solenergisystem, med fokus på värmepumpar, fjärrvärme, lågtemperaturvärmesystem och värmeåtervinning ur frånluft.

Jämfört med renovering av byggnader utan energieffektiviseringsåtgärder kan energirenovering i många fall minska såväl livscykelkostnaden som miljöpåverkan. Vid renovering av typiska Europeiska kontorsbyggnader lönar det sig mer att renovera ner till ett uppvärmningsbehov på 25 kWh/(m²∙år) än 45 kWh/(m²∙år), då den minskade kostnaden för köpt energi väger upp den ökade kostnaden för isolering. För flerfamiljshus i södra Europa kan mer ambitiösa mål gällande värmebehov också vara lönsamma, medan en mer måttlig nivå är lämplig för småhus.

Solvärme- eller solelsystem kan användas för att minska byggnaders miljöpåverkan. Utan subventioner eller inmatningstariff för överskottsel kan det bli svårt att få lönsamhet i dessa system för kontorsbyggnader i Nord- och Centraleuropa samt för småhus. För flerfamiljshus kan solenergisystem dock sänka den totala livscykelkostnaden, såväl i södra som i norra Europa.

Värmeåtervinning och lågtemperaturvärmesystem visade sig båda ha större inverkan i kallare klimat. Lågtemperaturvärmesystem förbättrar värmefaktorn för värmepumpar, i synnerhet när uppvärmningsbehovet är stort i förhållande till varmvattenbehovet. Vid renovering av byggnader med vattenburna radiatorer kan konvertering till tilluftsradiatorer sänka framledningstemperaturen i värmesystemet.

I svenska flerfamiljshus kan frånluftsvärmepump vara ett kostnadseffektivt komplement till fjärrvärme, medan från- och tilluftsventilation med värmeåtervinning är dyrare men mer sannolikt att ge en minskad primärenergianvändning. I ett systemperspektiv kan frånluftsventilation utan värmeåtervinning minska primärenergianvändningen i fjärrvärmeverket lika mycket som en frånluftsvärmepump, tack vare den lägre elanvändningen.

Improving energy performance of existing buildings is an important part in decreasing energy use and in turn reduce the greenhouse gas emissions caused by human activity and the primary energy use.

To be able to evaluate how energy refurbishment influences the greenhouse gas emissions and the primary energy use a wider system perspective is needed that puts the building in its context. This thesis deals with energy refurbishment packages performed on multi-family buildings within district heated areas and how they influence greenhouse gas emissions and primary energy use when the district heating use is altered.

A simulated building is used to evaluate several energy refurbishment packages. The results are used as input data for models of district heating systems to cost optimize the district heating production. The results from the cost optimization are used to evaluate the impact on greenhouse gas emissions and primary energy use.

The results show a difference between measures that saves district heating without increasing the use of electricity and measures that increases the use of electricity while district heating is saved. For example, a building refurbishment package including only building envelope improvements saves the same amount of district heating as a package including only mechanical ventilation with heat recovery. Despite this, the emissions of greenhouse gases and the use of primary energy is to a greater extent reduced in the first package because the use of electricity remains unchanged.

Comparing energy refurbishment packages performed on the same building, but within different district heating systems, show the importance of the design of the district heating system. Depending on the fuel types used and to which extent electricity is co-produced in the district heating system, the results of implementing the energy refurbishment packages vary. The largest reduction of greenhouse gases and primary energy use occurs when a refurbishment package is performed on a building in a district heating system with high share of biofuel and no electricity production.

Att förbättra energiprestanda hos befintliga byggnader är en viktig del i arbetet med att minska energianvändningen och i sin tur minska utsläpp av växthusgaser orsakade av mänsklig aktivitet samt att minska användningen av primärenergi.

För att kunna utvärdera hur energieffektivisering av byggnader påverkar växthusgasutsläpp och primärenergianvändning behövs ett brett systemperspektiv som sätter byggnaden i sitt sammanhang. Denna avhandling handlar om hur paket av energieffektiviseringsåtgärder som utförs på flerfamiljshus inom fjärrvärmeuppvärmda områden påverkar växthusgasutsläpp och primärenergianvändning när fjärrvärmeanvändningen förändras.

Resultaten visar på skillnader mellan åtgärder som sparar fjärrvärme utan att öka användningen av el och åtgärder som ökar användningen av el medan fjärrvärme sparas. Till exempel sparar ett energieffektiviseringspaket som endast omfattar byggnadsskalsförbättringar samma mängd fjärrvärme som ett paket som endast omfattar installation av mekanisk ventilation med värmeåtervinning. Trots detta minskar utsläppen av växthusgaser och användningen av primärenergi i större utsträckning i det första paketet på grund av att elanvändningen förblir oförändrad.

Vikten av fjärrvärmesystemets utformning visas då en byggnad där olika energieffektiviseringspaket testats, flyttas runt till olika fjärrvärmesystem. Beroende på vilka bränsletyper som används och i vilken utsträckning som el produceras i fjärrvärmesystemet så varierar resultaten. Den största minskningen av växthusgaser uppstår när ett renoveringspaket utförs på en byggnad i ett fjärrvärmesystem med hög andel biobränsle och ingen elproduktion.

Improving energy performance of existing buildings is an important part in decreasing energy use and in turn reducing greenhouse gas emissions and primary energy use. To be able to evaluate how energy refurbishment influences greenhouse gas emissions and primary energy use a wider system perspective is needed which puts the building in its context.

 This thesis deals with energy efficiency refurbishment performed on multi-family buildings within district heated areas and how greenhouse gas emissions and primary energy use is influenced. Both energy demand and temperature levels are considered.

A simulated building is used to evaluate energy refurbishment packages. The results are used as input data for models of district heating systems to cost optimize district heating production. One district heating system model is also used to evaluate the impact of lowered district heating supply temperatures. The results from the cost optimizations are used to evaluate the impact on greenhouse gas emissions and primary energy use.

The results show that all refurbishment packages decreases greenhouse gas emissions and primary energy use, but to a different extent. Depending on the fuel types used and to which extent electricity is co-produced in the district heating system, the results of implementing the refurbishment packages vary. The largest reduction of greenhouse gas emissions and primary energy use occurs in a district heating system with a high share of biofuel and no electricity production. Another result is that the temperature levels of a building’s heating system can be reduced when refurbished which promotes low-temperature district heating. The results also indicates that greenhouse gas emissions and primary energy use can be decreased from a short- and medium term perspective if the supply temperature of a district heating system is lowered. From a long term perspective primary energy use is still decreased while greenhouse gas emissions are increased.

Att förbättra energiprestanda hos befintliga byggnader är en viktig del i arbetet med att minska energianvändningen och i sin tur minska utsläppen av växthusgaser och användningen av primärenergi. För att kunna utvärdera hur energieffektivisering av byggnader påverkar växthusgasutsläpp och primärenergianvändning behövs ett brett systemperspektiv som sätter byggnaden i sitt sammanhang. Denna avhandling handlar om energieffektivisering av flerfamiljshus inom fjärrvärmeuppvärmda områden och hur växthusgasutsläpp och primärenergianvändning påverkas. Både energibehov och temperaturnivåer beaktas. En simulerad byggnad används för att utvärdera energieffektiviserings-paket. Resultaten används sedan som indata för modeller av fjärrvärmesy-stem där fjärrvärmeproduktionen kostnadsoptimeras. En fjärrvärme-systemsmodell används också för att utvärdera effekterna av sänkta fram-ledningstemperaturer. Resultaten från kostnadsoptimeringarna används för att sedan utvärdera effekterna på växthusgasutsläpp och primärenergian-vändning. Enligt resultaten bidrar alla energieffektiviseringspaket med att minska utsläppen av växthusgaser och primärenergianvändning, dock i olika utsträckning. Beroende på vilka bränsletyper som används och i vilken utsträckning som el produceras i fjärrvärmesystemet varierar resultaten för implementering av energieffektiviseringspaketen. Den största minskningen av växthusgasutsläpp och primärenergianvändning sker i ett fjärrvärmesystem med en hög andel biobränsle och ingen elproduktion. Ett annat resultat är att temperaturnivåerna i en byggnads värmesystem kan sänkas när den renoveras vilket främjar lågtemperaturfjärrvärme. Resultaten tyder också på att växthusgasutsläpp och primärenergianvändning kan minskas ur ett kort- och medellångt perspektiv om framledningstemperaturen för ett fjärrvärme-system sänks. Ur ett långsiktigt perspektiv minskar fortfarande primärenergi-användningen medan växthusgasutsläppen ökar.