Kostnadsoptimala värme- och kylsystem i nära-nollenergiservicebyggnader

A large share of energy consumed worldwide is concentrated to buildings, which provide humanity with services, jobs and housing. In Europe this share is about 40 % of the total energy consumption. Public authorities are set, by the EU, to lead the way towards more energy efficient buildings and from the beginning of 2019 new buildings owned or operated by them will need near zero energy building certification. Service buildings form a major share of the buildings targeted by this dead line and the varying purpose of these buildings leads to challenges. Additionally many of the existing buildings owned by public authorities face renovations and while saving potential are evident; the requirements on increased energy efficiency are harsh. This study aimed at selecting cost-optimal heating systems with accompanying cooling system best suited for reaching proposed requirements on energy performance in service buildings. Additionally cost-optimal dimensioning of heat pump systems and economical feasibility of solar thermal collectors were considered. This was done through modeling three selected new or existing case buildings as accurately as possible. Based on the actual energy consumption and usage of the buildings different heating and cooling systems were analyzed. The studied main heating systems were existing district heating, pellet boiler, ground source heat pump and air to water heat pump. These main heating systems were accompanied by cooling solutions and optional solar thermal collectors. The proposed requirements on new buildings on one hand and requirements on existing service buildings on the other were reviewed in the light of the case buildings’ standardized E-values. Methodology utilized in the study was partly E-value and life-cycle cost calculation and partly simulation-based multi-objective optimization. E-value calculations were carried out based on models created in the dynamic energy simulation tool IDA-ICE (version 4.6.2) and cost data were acquired from companies in the business sector. The optimization was performed by the multi-objective building optimization tool, MOBO (version 0.3b), coupled with IDA-ICE. In the calculations only the costs of new heating and cooling systems were considered, no other energy performance measures or dismantling costs were considered. In the newly built case buildings a ground source heat pump system with accompanying ground free cooling was the cost-optimal configuration and in the older case building an air to water heat pump accompanied by a lake water-cooled condenser chiller was the cost-optimal solution. Cost-optimal dimensioning of installed heating power of heat pump systems was 14-21 % of the dimensioning power of the main heating system. Separate solar thermal collectors proved economically feasible in the selected case buildings. Proposed nearly zero energy requirements were reached in the newly built case buildings with the ground source heat pump configuration. Additional energy performance measures, than a more energy efficient heating system, would be required in the older case building for reaching the current requirements on renovated buildings.En stor andel av den energi som förbrukas i värden är koncentrerad till de byggnader som förser mänskligheten med service, arbetsplatser och boende. I Europa uppgår den här andelen till 40 % av den totala energikonsumtionen. De offentliga myndigheterna har utsetts till att leda vägen mot energieffektivare byggnader och från och med 2019 krävs nära-nollenergi certifiering för de nya byggnader som ägs eller sköts av dessa. Byggnader som tillhandahåller service utgör merparten av de byggnader som berörs av tidsfristen och den stora variationen bland dessa byggnader innebär utmaningar. Utöver nybyggen ställs även stränga krav på energieffektivitet i samband med renovering av äldre byggnader där sparpotentialen följaktligen är stor. Målet med studien var att välja ut kostnadsoptimala värme- och kylsystem bäst lämpade för att nå kraven på energieffektivitet i servicebyggnader. Därtill undersöktes kostnads-optimal dimensionering av värmepumpsystem och ekonomisk lämplighet för solfångare i servicebyggnader. Som underlag för detta gjordes så noggranna modeller som möjligt av tre fallstudiebyggnader, varav både nybyggen och renoveringsobjekt fanns representerade. Olika värme- och kylsystem analyserades baserat på verklig energi-konsumtion och utrymmesanvändning i byggnaderna. Huvudvärmesystemen som jämfördes var fjärrvärme, pelletvärmecentral, luft till vatten- och bergsvärmepump. Kylsystem och eventuella solfångare kompletterade huvudvärmesystemen. De förslagna kraven på nybyggen och de redan befintliga kraven på äldre byggnader utvärderades i skenet av standardiserade E-värden beräknade för fallstudiebyggnaderna. Den använda forskningsmetodiken utgjordes å ena sidan av beräkning av E-värden och livscykelkostnader å andra sidan av simuleringsbaserad flermålsoptimering. E-värdesberäkningarna baserade sig på data från det dynamiska energisimulerings-verktyget IDA-ICE (version 4.6.2) och kostnadsuppgifter från branschföretag utnyttjades i livscykelkostnadsberäkningarna. Optimeringen utfördes av flermåls-byggnadsoptimeringsverktyget MOBO (version 0.3b) kopplat till IDA-ICE. I beräkningarna beaktades enbart kostnaderna för nya värme- och kylsystem, medan andra energieffektiveringsåtgärder eller rivningskostnader inte togs i åtanke. Ett bergsvärmepumpsystem med tillhörande markbaserad frikylning var det kostnadsoptimala alternativet i nybyggena medan ett luft till vattenvärmepumpssystem med sjövattenkyld kondensorkylare var det kostnadseffektivaste alternativet i renoveringsobjektet. Kostnadsoptimal dimensionering av värmepumpsystemen upp-nåddes vid en installerad värmeeffekt på 14-21 % av dimensioneringseffekten för huvudvärmesystemet. Separata solfångare visade sig ekonomiskt lämpade i fallstudiebyggnaderna. De föreslagna kraven på nära-nollenergieffektivitet uppnåddes med det energieffektivaste huvudvärmesystemet i nybyggena. Utöver det energi-effektivaste huvudvärmesystemet krävs fler energieffektivitetsåtgärder för att nå de nuvarande E-värdeskraven i den äldre fallstudiebyggnaden