Optimal production and use of solar electricity in municipal nearly Zero Energy service buildings

EU Energy Performance of Buildings direktivet (EPBD) kräver att alla nya byggnader skall vara närä-nollenergibyggnader från och med år 2021. Nya kommunala byggnader måste uppfylla detta nära-nollenergikrav redan från och med år 2019. Den här studien udersöker kommunala servicebyggnader, och speciellt hur egen solelproduktion kunde användas att förbättra kommunala servicebyggnader energieffektivitet, och därigenom uppnå de kommande nära-nollenergikraven.Tre kommunala servigebyggnader (daghem, en skola och ett åldringshem) från Tammerfors, Finland, valdes som fallstudier och deras energiförbrukning simulerades. Simuleringsbaserad optimering används för att hitta den optimala solpanelytan och panelinklinationen för varje fallstudiebyggnad. De kriterier som minimerades var nuvärdet av systemlivscykelkostnaden och byggnadens primärenergiförbrukning. I beräkningarna antogs en standard kommersiellt tillgänglig solpaneltyp, och elpris enligt aktuella priser i dagsläget.Resultaten visar att egen solelproduktion kan förbättra servicebyggnadens energieffektivitet avsevärt om det finns tillräckligt med takyta för solpanelinstallation. Med aktuella elpriser är egen solel ekonomiskt lönsamt endast i åldringshemmet, där det kan ge en maximal vinst på 2,7-3,6 €/m2, beroende på vilken teknik i huvudsak används för uppvärmning. Den högsta vinsten uppnås med 461 m2 solpaneler med en inklinationsvinkel på 48°, och i kombination med en luft-vattenvärmepump. Den här uppställningen sänker också byggnadens primärenergiförbrukning med 13%. Generellt är solel mer lönsamt med värmepump än med fjärrvärme.Egen solel skapar ingen nettovinst i daghemmet eller skolbyggnaden, eftersom dessa byggnader är stängda under sommaren. Den ekonomiska lönsamheten för solel beror också på huvudsaklig uppvärmning, elpriser, framtida beteende av realräntan och energipriser, och framtida prissättning av solpaneler. En känslighetsanalys visar att ekonomisk lönsamhet är nära att uppnås också för daghemmet och skolbyggnaden. Om man inkluderar elanvändningen från hela fastigheten av daghemmet, är det ekonomisk lönsamt att installera solel även vid nuvarande el- och installationspriser. Då kan de ge en maximal vinst på 1,6-1,8 €/m2.Studiens centrala rekommendation för kommuner är att planera nya vårdhem med tillräckligt söderriktad takyta för en stor solpanelinstallation. Solkraft bör främst genomföras i byggnader som är i bruk under hela året, och kan utnyttja så mycket som möjligt av den egna elproduktionen. När man överväger den ekonomiska lönsamheten av solkraft i servicebyggnader, är det nödvändigt att utreda den verkliga elförbrukningen i hela fastigheten och inte bara i byggnaden. För undervisningsbyggnader är de bästa kandidaterna för egen solelproduktion sådana byggnader som är öppna även på sommaren, t.ex. de daghem som inte stänger för sommaren. Även om de framtida nZEB-reglerna inte kräver elproduktion i kommunala servicebyggnader, kan egen solel både förbättra byggnadens energieffektivitet och vara ekonomiskt lönsamt., särskilt i vårdhem.Like other EU countries, Finland must implement the EU Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), requiring all new buildings to be nearly Zero Energy Buildings from the year 2021. Municipal buildings are required to be nearly Zero Energy Buildings from the year 2019. This thesis investigates municipal service buildings and the role of solar photovoltaics (PV) in improving their energy performance, in view of the future nZEB regulation.Three case study municipal service buildings from Tampere, Finland, are modelled and their energy performance is simulated. The service buildings include a day-care centre, a school and a renovated old people’s home. Simulation-based optimization is employed to find the optimal solar panel areas and panel inclinations for each case study building. The objectives to be minimized are net present value (NPV) of system life-cycle cost for 20 years and building primary energy consumption. A standard commercially available solar panel type is assumed. Electricity pricing is based on current rates.It is found that own solar PV generation can lower the service building energy performance considerably, if there is enough roof space for panel installation. With current electricity tariffs, PV generation is financially profitable in the old people’s home, where it can bring a maximum profit of 2,7–3,6 €/m2, depending on the main heating solution. The maximum profit occurs with 461 m2 of solar panels, with inclination angle of 48°, and combined with an air-to-water heat pump. With this arrangement, the primary energy use of the building is lowered by 13%. Generally solar PV production is a more profitable combination with a heat pump solution than with district heating.Solar PV generation does not create a net profit in the day-care or school building, because unlike the old people’s home, they are closed during the summer. The profitability of solar PV generation also depends on the basic heating solution, electricity tariffs, the future behaviour of real interest rate, energy price escalation and solar panel pricing. Sensitivity analysis and additional optimization cases reveal that even for the day-care and school buildings, financial profitability is not far away. If considering the measured electricity use from the whole property of the day-care centre, installing solar PV is profitable even at current electricity tariffs and installation prices, creating a maximum profit of 1,6–1,8 €/m2.Key recommendation for municipalities is to design new care housing buildings with enough south-facing roof area for a large solar PV system. Solar PV production should be first implemented in buildings that are occupied throughout the year, and can utilize as much as possible of the own generation. When considering the profitability of the solar PV installation, it is necessary to know the actual electricity consumption arising from the whole property, and not just the building. For educational buildings, solar PV is the best candidate for the buildings that are open also in the summer, e.g. those day-care centres that do not close for the summer holiday. Even if the future nZEB targets do not necessitate own solar PV generation in municipal service buildings, both the financial profitability and the energy efficiency improvements should encourage municipal solar PV installations, especially in nursing homes