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

With the building sector accounting for around 40% of the total energy consumption in the EU, energy efficiency in buildings is and continues to be an important issue. Great progress has been made in reducing the energy consumption in new buildings, but the large stock of existing buildings with poor energy performance is probably an even more crucial area of focus. This thesis deals with energy efficiency measures that can be suitable for renovation of existing houses, particularly low-temperature heating systems and ventilation systems with heat recovery. The energy performance, environmental impact and costs are evaluated for a range of system combinations, for small and large houses with various heating demands and for different climates in Europe. The results were derived through simulation with energy calculation tools.

Low-temperature heating and air heat recovery were both found to be promising with regard to increasing energy efficiency in European houses. These solutions proved particularly effective in Northern Europe as low-temperature heating and air heat recovery have a greater impact in cold climates and on houses with high heating demands. The performance of heat pumps, both with outdoor air and exhaust air, was seen to improve with low-temperature heating. The choice between an exhaust air heat pump and a ventilation system with heat recovery is likely to depend on case specific conditions, but both choices are more cost-effective and have a lower environmental impact than systems without heat recovery. The advantage of the heat pump is that it can be used all year round, given that it produces DHW.

Economic and environmental aspects of energy efficiency measures do not always harmonize. On the one hand, lower costs can sometimes mean larger environmental impact; on the other hand there can be divergence between different environmental aspects. This makes it difficult to define financial subsidies to promote energy efficiency measures.

Byggnader står för omkring 40 % av den totala energianvändningen i EU. Energieffektivisering av byggnader är och fortsätter därför att vara en viktig fråga. Även om stora framsteg har gjorts när det gäller att minska energianvändningen i nya byggnader så är det stora beståndet av befintliga byggnader med dålig energiprestanda förmodligen ett ännu viktigare område att fokusera på. Denna avhandling behandlar energieffektiviseringsåtgärder som kan lämpa sig för renovering av befintliga hus, i synnerhet lågtemperaturvärmesystem och ventilationssystem med värmeåtervinning. Energiprestanda, miljöpåverkan och kostnader utvärderas för en rad systemkombinationer, för små och stora hus med olika värmebehov och för olika klimat i Europa. Resultaten togs fram genom simuleringar med energiberäkningsprogram.

Lågtemperatursystem och värmeåtervinning framstod båda som lovande lösningar för energieffektivisering av europeiska hus, särskilt i norra Europa, eftersom dessa åtgärder har större effekt i kalla klimat och på hus med stort värmebehov. Prestandan för värmepumpar, såväl av utelufts- som frånluftstyp, förbättrades med lågtemperaturvärmesystem. Valet mellan frånluftsvärmepump och värmeåtervinning till ventilationsluft kan antas bero på specifika förhållanden för varje fall, men de är båda mer kostnadseffektiva och har lägre miljöpåverkan än system utan värmeåtervinning. Värmepumpen har fördelen att den kan återvinna värme året runt, förutsatt att den producerar varmvatten.

Ekonomiska och miljömässiga aspekter av energieffektiviseringsåtgärder stämmer inte alltid överens. Dels lägre kostnad ibland betyda större miljöpåverkan, dels kan det finnas divergens mellan olika miljöaspekter. Detta gör det svårt att fastställa subventioner för att främja energieffektiviseringsåtgärder.

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.