Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Techno-economic analysis of energy renovation measures for a district heated multi-family house
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology. Dalarna University, Sweden.
Högskolan Dalarna, Energiteknik; Mälardalens Högskola.
Högskolan Dalarna, Byggteknik.
Högskolan Dalarna, Energiteknik.
Show others and affiliations
2016 (English)In: Applied Energy, ISSN 0306-2619, E-ISSN 1872-9118, Vol. 177, 108-116 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Renovation of existing buildings is important in the work towards increased energy efficiency and reduced environmental impact. The present paper treats energy renovation measures for a Swedish district heated multi-family house, evaluated through dynamic simulation. Insulation of roof and façade, better insulating windows and flow-reducing water taps, in combination with different HVAC systems for recovery of heat from exhaust air, were assessed in terms of life cycle cost, discounted payback period, primary energy consumption, CO₂ emissions and non-renewable energy consumption. The HVAC systems were based on the existing district heating substation and included mechanical ventilation with heat recovery and different configurations of exhaust air heat pump.

Compared to a renovation without energy saving measures, the combination of new windows, insulation, flow-reducing taps and an exhaust air a heat pump gave up to 24% lower life cycle cost. Adding insulation on roof and façade, the primary energy consumption was reduced by up to 58%, CO₂ emissions up to 65% and non-renewable energy consumption up to 56%. Ventilation with heat recovery also reduced the environmental impact but was not economically profitable in the studied cases. With a margin perspective on electricity consumption, the environmental impact of installing heat pumps or air heat recovery in district heated houses is increased. Low-temperature heating improved the seasonal performance factor of the heat pump by up to 11% and reduced the environmental impact.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2016. Vol. 177, 108-116 p.
Keyword [en]
District heating, air heat recovery, heat pump, LCC, primary energy, low-temperature heating
National Category
Environmental Analysis and Construction Information Technology Energy Systems
Research subject
Energy Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-172979DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.05.104ISI: 000380623900010Scopus ID: 2-s2.0-84969776538OAI: oai:DiVA.org:kth-172979DiVA: diva2:851303
Note

QC 20160809

Available from: 2015-09-04 Created: 2015-09-04 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Energy efficient and economic renovation of residential buildings with low-temperature heating and air heat recovery
Open this publication in new window or tab >>Energy efficient and economic renovation of residential buildings with low-temperature heating and air heat recovery
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. vii, 27 p.
Series
TRITA-STKL
National Category
Environmental Analysis and Construction Information Technology
Research subject
Energy Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-172982 (URN)978-91-7595-664-0 (ISBN)
Presentation
2015-09-18, Övningssal 25, Brinellvägen 23, KTH, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20150904

Available from: 2015-09-04 Created: 2015-09-04 Last updated: 2015-09-04Bibliographically approved
2. Energy Efficient Renovation Strategies for Swedish and Other European Residential and Office Buildings
Open this publication in new window or tab >>Energy Efficient Renovation Strategies for Swedish and Other European Residential and Office Buildings
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. 73 p.
Keyword
Energy efficiency, renovation, low-temperature heating, air heat recovery, district heating, heat pump, Energieffektivitet, renovering, lågtemperaturuppvärmning, värmeåtervinning, fjärrvärme, värmepump
National Category
Energy Engineering Building Technologies Environmental Analysis and Construction Information Technology
Research subject
Civil and Architectural Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-206186 (URN)978-91-7729-401-6 (ISBN)
Public defence
2017-06-15, B1, Brinellvägen 23, Stockholm, 13:15 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
iNSPiRe
Funder
EU, FP7, Seventh Framework Programme, 314461
Note

QC 20170509

Available from: 2017-05-09 Created: 2017-05-09 Last updated: 2017-05-11Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(663 kB)179 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 663 kBChecksum SHA-512
5c9d5b33d8e9bf923d791b2c6537caf189c033d3b8f6358fd84824ecc16410e99263c7745ad1fc25aaaa40581ffcfca4ae807659b3248dda1c29e45bf4f35e4b
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Gustafsson, MarcusHolmberg, Sture
By organisation
Fluid and Climate Technology
In the same journal
Applied Energy
Environmental Analysis and Construction Information TechnologyEnergy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 179 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 115 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf