A techno-economic system approach for the energy renovation of residential districts built before 1945 / Vlatko Milić,.

• A key factor in the quest for sustainable development worldwide is reducing the energy use and greenhouse gas emissions from residential buildings. The residential and service sector represent 39% of the final energy use in Sweden. The housing stock in Sweden is fairly old with approximately 25% of the residential buildings built before 1945, many of which possess heritage values. Considering the generally poorer thermal performance in older buildings compared to newer ones, it is important to investigate the techno-economic energy efficiency potential in this part of the built environment.   The aim of this thesis is to develop a bottom-up approach and to analyze energy renovation of residential districts built before 1945 from a system perspective with regard to targets of life cycle costs (LCC), energy use and preservation of building heritage values. The developed approach includes a combination of economic and environmental impacts from a building owner and energy utility point of view. The approach includes analysis on four different levels, i.e., building level, cluster level, district level and city level. The results show that the developed approach is successful in integrating targets of LCC and energy use, as well as preservation of heritage values, during techno-economic energy renovation. By a further development of the change-point model, data related to building thermal power characteristics, such as Q total and balance temperature, can be calculated and used for analysis of a residential district. Moreover, the cluster with the initial poorest thermal performance, i.e., the single-family houses in stone, account for the highest decrease in specific energy use (70–78%) and LCC (34–37%) during energy renovation at LCC optimum. The corresponding figures for the buildings with the best thermal performance initially, i.e., the cluster with multi-family buildings in wood, are 23–24% and 14%, respectively. Furthermore, it is concluded that the cost-effective energy efficiency potential is highly correlated with initial building properties and preservation requirements, which significantly affects the stone buildings. This is because insulation on the inside of the external walls is cost-effective in these buildings, but not in wooden buildings, which consequently decreases the energy savings potential from 46–69% in a balanced energy renovation scenario to 8–30% in a restricted energy renovation scenario. The findings also show that the environmental performance of the building district is closely linked with the selected energy system boundary. This can be exemplified by CO 2 emissions of 0.7–1.1 kg CO 2 eq. /(m 2 ·year) at LCC optimum for multi-family buildings when considering biomass an unlimited resource, compared to 28.9–40.0 kg CO 2 eq. /(m 2 ·year) when considering biomass a limited resource with condensing coal power plants as the marginal user. Furthermore, on a city level it is concluded that the environmental performance of the district heating (DH) system is improved as a result of techno-economic energy renovation of a district, and that the net income is decreased (8%) despite a lower system cost (12–13%) due to less DH sold to end users. The global CO 2 emissions are decreased by 3,545–3,737 tonnes/year and the primary energy use is decreased by 5.0–5.2 GWh/year.   Apart from the developed bottom-up approach for analysis of the energy renovation of residential districts built before 1945, this thesis has provided valuable results to the research community, building sector and authorities in terms of (1) the further development of the change-point model, which enables time-effective analysis of the thermal performance of residential districts; (2) the environmental benefits with techno-economic energy renovation of residential districts from a DH producer perspective and (3) the need to develop packages of EEMs that are profitable for both DH producers and end users of DH.  
• En nyckel till hållbar utveckling globalt är minskad energianvändning och lägre utsläpp av växthusgaser från bostäder. I Sverige står bostads- och servicesektorn för 39 % av den slutliga energianvändningen. Bostadsbeståndet i Sverige är relativt gammalt eftersom cirka 25 % av bostadshusen är byggda före 1945, varav många med historiskt värde. Med tanke på generellt sämre termiska prestanda i äldre byggnader jämfört med nyare, är det viktigt att undersöka den teknisk-ekonomiska energieffektivitetspotentialen i denna del av den byggda miljön.   Syftet med denna avhandling är att utveckla en bottom-up-strategi utifrån ett systemperspektiv och att analysera energirenovering av bostadsdistrikt byggda före 1945 med hänsyn till mål för livscykelkostnader (LCC), energianvändning och bevarande av historiska värden. Strategin inkluderar en kombination av ekonomi och miljöpåverkan ur två perspektiv: bostadsägarnas och fjärrvärmebolagets. Fyra nivåer är inkluderade i analysen, det vill säga byggnadsnivå, klusternivå, distriktsnivå och stadsnivå.   Resultaten visar att den utvecklade strategin är framgångsrik när det gäller att integrera mål för LCC och energianvändning samt för bevarande av historiska värden under teknisk-ekonomisk energirenovering. Genom en vidareutveckling av effektsignaturen kan data kopplade till byggnadens termiska effektegenskaper, såsom Q total och balanstemperatur, beräknas och användas för analys av ett bostadsområde. Vidare står klustret med den ursprungligen sämsta termiska prestandan, det vill säga enfamiljshusen i sten, för den största minskningen i specifik energianvändning (70–78 %) och LCC (34–37 %) vid energirenovering enligt LCC-optimum. Motsvarande siffror för byggnaderna med ursprungligen bäst termisk prestanda, det vill säga klustret med flerfamiljshus i trä, är 23–24 % respektive 14 %. Resultaten visar också att den kostnadseffektiva energieffektivitetspotentialen är starkt kopplad till ursprungliga byggnadsegenskaper och bevarandekrav av historiska värden, vilket väsentligt påverkar stenbyggnaderna. Detta beror på att isolering på insidan av ytterväggarna är kostnadseffektivt i dessa byggnader, men inte i träbyggnaderna, vilket följaktligen minskar energibesparingspotentialen från 46–69 % i ett balanserat energirenoveringsscenario till 8–30 % i ett begränsat energirenoveringsscenario med hårdare krav på bevarande.   Vidare är bostadsdistriktets miljöprestanda nära kopplad till den valda energisystemgränsen. Detta kan exemplifieras med CO 2 -utsläpp på 0,7–1,1 kg CO 2-ekv. /(m 2 ·år) vid LCC-optimum för flerfamiljshus, när man betraktar biomassa som en obegränsad resurs, jämfört med 28,9–40,0 kg CO 2-ekv. /(m 2 ·år) när man betraktar biomassa som en begränsad resurs med kolkondenskraft som den marginella användaren av biomassa. På stadsnivå visar resultaten att fjärrvärmebolagets miljöprestanda förbättrades till följd av teknisk-ekonomisk energirenovering av ett bostadsdistrikt, och att nettointäkterna minskade med 8 % trots en 12–13 % lägre systemkostnad på grund av mindre mängd såld fjärrvärme till kunderna. De globala koldioxidutsläppen minskade med 3 545–3 737 ton/år och den primära energianvändningen minskade med 5,0–5,2 GWh/år.   Utöver den utvecklade bottom-up-strategin för analys av energirenovering av bostadsdistrikt byggda före 1945, bidrar denna avhandling med värdefulla resultat till forskningssamhället, byggnadssektorn och myndigheterna när det gäller (1) vidareutvecklingen av effektsignaturen som möjliggör tidseffektiv analys av den termiska prestandan i bostadsdistrikt, (2) miljöfördelarna med teknisk-ekonomisk energirenovering av bostadsdistrikt ur fjärrvärmebolagets perspektiv (3) och behovet av att utveckla energieffektiviseringsåtgärder som är lönsamma för både producenter och slutanvändare av fjärrvärme.    

Ämnesord

Energiförbrukning  (sao)

Byggnadshistoria  (sao)

Byggnader  (sao)

Fjärrvärme  (sao)

Växthusgaser  (sao)

Engineering and Technology  (hsv)

Environmental Engineering  (hsv)

Energy Systems  (hsv)

Teknik och teknologier  (hsv)

Naturresursteknik  (hsv)

Energisystem  (hsv)

Energy consumption  (lcsh)

Greenhouse gases  (lcsh)

Heating from central stations  (lcsh)

Buildings  (lcsh)

Genre

government publication  (marcgt)

Klassifikation

621.042 (DDC)

P.08 (kssb/8 (machine generated))