Smart window in Sweden : A comparative analysis of an office buildingsimulation model with conventional windows, andelectrochromic windows, based on Miljöbyggnadcertification criteria

The building sector is one of the sectors that consume most energy in Sweden. Sweden aims thereby to reduce energy use in buildings by 20% by 2020 and 50% by 2050. To achieve these goals, more energyefficient buildings must be produced, and more energy-efficient measures must be implemented on existing buildings. Electrochromic windows are claimed to reduce the need for heating and cooling, as well as the need for artificial lighting. However, there is limited research on smart windows in the Nordic climate. This thesis examines electrochromic windows in Sweden, using the IDA ICE 4.7.1 simulation program. The study includes a comparative analysis of an office building model with conventional windows and motorized awnings, versus electrochromic windows with different control strategies, to investigate the building’s impact. In total, eight different scenarios are simulated in Stockholm, Umeå and Malmö. The electrochromic window scenarios consist of control algorithms where the windows are always on or off, as well as algorithms that respond to sunlight, daylight, operative temperature or scheduling. The conventional windows and awnings scenario represents the reference building. The Swedish building certification system "Miljöbyggnad" is used as a guideline for evaluating energy use, heating power demand, solar heat load, thermal climate, and daylight. The results show that electrochromic windows have little impact on the building. None of the scenarios succeed in obtaining higher certification than BRONZE, which corresponds to the authority's requirements for newly built buildings. However, electrochromic windows have a significant effect on the solar heat load and the lux level in the building, but unfortunately not enough to get a better building grade. There is no remarkable difference between the indicators and scenarios. Furthermore, the results show that scenarios that are shaded often (Always on, Daylight Control, Solar Control strategy) achieve GOLD ratings in solar heat load, but have the least impact on energy consumption and vice versa. Always off, Operative Temperature Control, and Schedule, Façade and Window strategy upgrades by one level in energy use. This confirm previous studies that claim that electrochromic windows have the greatest potential in energy saving in hot climate. This explains why there is hardly any difference between scenarios and cities. The thesis lacks specific costs for electrochromic windows. Thus, the cost estimate is based on generalizations and assumptions, in which the cheapest and most expensive options are investigated. If the building has well-functioning windows and awnings, it is not cost effective to switch to electrochromic windows, since the payback time is far too long. But if the building was between conventional windows and electrochromic windows during the planning phase, it might be interesting to conduct a detailed cost analysis. According to this study, the Operative Temperature Control strategy saves approximately 6 333kr during the simulation period. The cost differences between conventional windows with motorized awnings, and the cheapest version of electrochromic windows is around 60 000kr. This would provide a refund within 10 years, given that energy prices, energy consumption and currency value are the same. After that, the window would cut the energy costs in the form of saved energy. However, the study concludes that electrochromic windows are not necessary in this project from a Miljöbyggnad perspective, since the building grade remains the same and the economic gain is uncertain.Byggnadssektorn är en av de sektorer som använder mest energi i Sverige. Därmed har Sverige som mål att minska energianvändningen i byggnader med 20% år 2020, och 50% år 2050. För att uppnå dessa mål måste fler energieffektiva byggnader produceras, samt fler energieffektiva åtgärder måste genomföras på befintliga byggnader. Elektrokroma fönster hävdas minska behovet av uppvärmning och kylning, samt behovet av artificiell belysning. Det finns dock begränsad forskning om smarta fönster i det nordiska klimatet. Detta examensarbete undersöker elektrokroma fönster i Sverige, med hjälp av simuleringsprogrammet IDA ICE 4.7.1. Arbetet omfattar en jämförande analys av en kontorsbyggnadsmodell med vanliga fönster och motoriserade markiser, kontra elektrokroma fönster med olika kontrollstrategier, för att undersöka byggnadens påverkan. Sammanlagt simuleras åtta olika scenarier i Stockholm, Umeå och Malmö. De scenarier med elektrokroma fönster består följaktligen av kontroll algoritmer där fönsterna är alltid på eller avstängda, samt algoritmer som reagerar på solljus, dagsljus, operativa temperatur eller schemaläggning. Scenariot med vanliga fönster och markiser representerar referensbyggnaden. Det svenska byggnadscertifieringssystem ”Miljöbyggnad” används som riktlinje för evaluering av energianvändning, värmeeffektbehov, solvärmelast, termiskt klimat, och dagsljus. Resultaten visar att elektrokroma fönster har liten påverkan på byggnaden. Ingen av scenarierna lyckas få högre certifiering än BRONS, vilket motsvarar myndighetens krav på nybyggda byggnader. Dock så har elektrokroma fönster signifikant inverkan på solvärmelasten och lux nivån i byggnaden, men tyvärr inte tillräckligt för att få ett bättre byggnads betyg. Det är ingen anmärkningsvärd skillnad sinsemellan indikatorerna och scenarierna. Vidare visar resultaten att scenarier som är skuggade ofta (Alltid på-, Dagljuskontroll-, Solljuskontrollstrategin) uppnår GULD betyg inom solvärmelast men har minst inverkan på energiförbrukningen och vice versa, Alltid av-, operativa temperaturkontroll, samt schemaläggning, fasad och fönster strategin uppgraderas ett steg inom energianvändning. Detta styrker tidigare studier som påstår att elektrokroma fönster har störst potential i energibesparing i varma klimat. Detta förklarar den minimala skillnaden av byggnadens påverkan mellan städer och scenarier. I denna rapport saknas specifika kostnader för elektrokroma fönster. Därmed baseras kostnadsuppskattningen på generaliseringar och antagande, där billigaste och dyraste alternativet undersökts. Om byggnaden har väl fungerande fönster och markiser, är det inte kostnadseffektiv att byta till elektrokroma fönster, då återbetalningstiden är alldeles för lång. Men om byggnaden stod mellan vanliga fönster och elektrokroma fönster i planeringsfasen kan det vara intressant att göra en noggrann analys. Enligt denna studie så sparar den Operativa Temperatur strategin ca. 6 333kr per år. Det skiljer ca 60 000kr mellan vanliga fönster med markiser, och elektrokroma fönster. Detta skulle ge en återbetalning inom 10 år förutsatt att energipriserna, energiförbrukningen samt valuta värdet är desamma. Därefter skulle fönstret minska utgifterna i form av sparad energi. Slutsatsen är dock att elektrokroma fönster inte är nödvändiga i detta projektet från en Miljöbyggnads synpunkt, eftersom att det inte förbättrar byggnadsbetyget. Dessutom kvarstår osäkerheten med kostnader