Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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
A novel hybrid methodology to evaluate sustainable retrofitting inexisting Swedish residential buildings
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering, Industrial Ecology. IVL Swedish Environmental Research Institute, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-7717-600X
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.ORCID iD: 0000-0003-1882-3833
2015 (English)In: Sustainable cities and society, ISSN 2210-6707, Vol. 16, no C, 24-38 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Energy and environmental issues are increasingly important in existing building service and energy systems around the world. Despite great efforts to implement retrofit techniques in Sweden, no stringent evaluation of the benefits of these techniques or their systematic design has been completed. Traditional evaluations have not taken into account the embodied energy and greenhouse gases emissions of different retrofit options. This omission leads to underestimation of the potential environmental benefits of modern retrofit techniques. In this study a novel hybrid modeling approach to quantify the sustainability of retrofit options is developed to fill these knowledge gaps. The compatibility of environmental and energy saving modeling of various energy-saving techniques for future transition of Swedish residential building stock is analyzed. Consolis Retro and the life cycle assessment (LCA) techniques are employed and further coupled to simulate retrofit options. The model integrates both energy demand (net operational energy), primary energy (operational energy from energy mix to buildings) into evaluation criteria. Embodied energy (energy required to produce materials of retrofitting options) and embodied greenhouse gas emissions (upstream CO<inf>2</inf> equivalent) are introduced as new measures in the evaluation criteria. The results showed that low-temperature heating retrofitting was the most effective option from both a primary and embodied energy perspective in the studied building types. Combining circulation pump renovations could further contribute to the efficiency of low-temperature heating for energy-demand savings. High operational energy-saving measures may not always lead to larger reduction in both embodied energy and greenhouse gas emissions, particularly for building envelope retrofitting. Neglecting the embodied energy of retrofit options will increase the risk of overrepresenting their energy-saving contributions. The sustainability improvements of retrofitting, particularly large-scale measures, should take into account the embodied energy and greenhouse gas emissions from the material productions.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2015. Vol. 16, no C, 24-38 p.
Keyword [en]
Embodied energy, Retrofitting, Sustainability
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-166906DOI: 10.1016/j.scs.2015.02.002ISI: 000367396200003Scopus ID: 2-s2.0-84927936355OAI: oai:DiVA.org:kth-166906DiVA: diva2:817963
Note

QC 20150608

Available from: 2015-06-08 Created: 2015-05-21 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Low-temperature Heating in Existing Swedish Residential Buildings: Toward Sustainable Retrofitting
Open this publication in new window or tab >>Low-temperature Heating in Existing Swedish Residential Buildings: Toward Sustainable Retrofitting
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

As an energy-efficient alternative in cold climate countries such as Sweden, low-temperature heating (LTH) technology has shown promising advantages and shortcuts to contribute to the efficiency of heat supply, as well as to the overall sustainability of building performance. The goal of this thesis is to contribute to the development of methodologies and modeling tools to support sustainable retrofitting in the Swedish housing stock. A combination of three integrated modeling techniques was developed. The main focus of this work was implementing LTH in retrofitting practice. The principle of the developed methods can be regarded as a top-down approach, underpinning the general definition of LTH and sustainability criteria. It was found that a preliminary compilation and investigation of the building typology could simplify the retrofitting decision-making. Also, 36–54% of final energy savings could be achieved in studied housing archetypes by effective energy retrofitting. Combining LTH radiators with ventilation heat recovery showed the largest contributions. Below 30 W/m2 (12 W/ m3) heating demand, both radiators (ventilation radiators and baseboard radiator) could work as LTH. These reduced supply temperatures further improved the COP of air-source heat pumps by approximately 12% - 18%. For retrofitting of conventional radiators, there was no concrete evidence to support Type 22 having higher thermal efficiency than Type 21, for the Swedish climate and heating seasons. The achievements and full potential of implementing LTH in retrofitting were found to require not only efficient radiators, but also a well-designed package – insulation, piping, pumping and energy supply system - that suited the current heating demand of the building, given the local climate condition.

However, it should also be highlighted that retrofitting incorporating all evaluated measures would not always yield higher long-term economic profits among different archetypes. It is important to find the trade-off between cost-effectiveness and energy savings in similar archetypes - instead of using a “one size fits all” types of solution. For conventional retrofit measures, such as insulations of building envelopes, it was necessary to evaluate the embodied energy during the whole retrofitting process.

Abstract [sv]

Den ökande relativa energianvändningen i bostadsbyggnader i stadsmiljö har lett till högre krav på energieffektivit och hållbar omvandling av redan existerande bostadsbyggnader. En viktig förutsättning för att genomföra en sådan omvandling är att först utveckla metoder för hur effektiva beslut om renovering ska ske, samt att utveckla teknik för hållbar renovering. Lågtemperatursuppvärmning (LTH) har visat sig ha fördelar som ett hållbart och energieffektivt alternativ i länder med kallt klimat som Sverige. Metoden bidra till ökad effektivitet för uppvärmning och minskade energibehov för byggnadskomplexet. Det saknas fortfarande flera steg för hur man ska utforma modelleringsverktyg och utveckla kostnadseffektiva metoder för beslutsfattning och implementering av LTH i redan existerande byggnader. Dessutom försvårar avsaknaden av dessa verktyg och metoder genomförandet av kritiska utvärderingar av renoveringsalternativ utifrån hållbarhets- och effektivitetssynpunkt med huvudfokus på energibesparingspotential, miljöpåverkan och nöjdhet hos de boende. Dessa frågor undersöks i denna avhandling i samband med renovering av existerande bostadsbyggnader i Sverige.

 

Målet är att bidra till utvecklingen av metoder och modelleringsverktyg för hållbar renovering. Under arbetet utvecklades tre modelleringskoncept som integrerats med varandra och som svarar för olika steg i renoveringsmodelleringen. Huvudfokus i arbetet var att göra LTH till en del av vår renoveringspraxis. De renoveringsalternativ som studerats i arbetet inkluderar renovering av klimatskalet för att minska energibehovet samt implementering av LTH-radiatorer och där påvisa deras fördelar för valt primärenergisystem. Analysen omfattar även den sammantagna effekten av och de ömsesidiga beroenden som föreligger mellan olika renoveringsåtgärder. Här utvecklade metoder kan sägas följa en ”uppifrån och ner” strategi och stärker LTH som ett uppvärmningsalternativ som uppfyller hållbarhetskriterier.

 

Avhandlingen visar att effektiv renovering av energisystem kan minska det slutliga energibehovet med 36-54 % i de studerade byggnadstyperna. Kombinationen av LTH-radiatorer med värmeåtervinning från ventilation gav de allra största positiva bidragen. LTH-radiatorerna (ventilationsradiatorer och värmelister) fungerade som lågtemperatursuppvärmning vid uppvärmningsbehov under 30 W/m2 (12 W/ m3) och som ultra-lågtemperaturuppvärmning vid uppvärmningsbehov under 10 W/m2 (4 W/ m3).

De låga framledningstemperaturer som leds till LTH-radiatorer bidrar dessutom till att öka COP (värmefaktorn) för luftvärmepumpar med 12 – 18 %, jämfört med traditionella radiatorer med lika stor värmeavgivande area.

Något konkret stöd fanns inte för att Typ 22-radiatorer (dubbel konvektionsplåt) skulle ha högre värmeeffektivitet än Typ 21-radiatorer (enkel konvektionsplåt) för svenska klimatetförhållanden. Ökat antal konvektorplåtar visade sig alltså inte nödvändigtvis leda till ökad värmeeffektivitet.

Tröskelvärdet för när Typ 11-radiatorer (enkel panel) presterar sämre än den mest effektiva radiatortypen, Typ 21-radiatorer (dubbel panel) som även har bättre exergiprestanda, visade sig vara ett värmebehov av 480 W/rum.

För att uppnå full potential för LTH-radiatorer som renoveringsalternativ visade det sig utöver mer effektiva radiatorer även behövas ett välutformat system av rör, pumpar och energitillförsel, anpassade till byggnadens värmebehov före renovering vid rådande klimat.

 

Renovering som inkluderar alla möjliga alternativ leder inte alltid till högre långsiktig ekonomisk avkastning. Det är viktigt att finna en balans mellan kostnadseffektivitet och energibesparing för likande byggnadstyper, i stället för att utveckla en enda lösning som ska passa överallt. För traditionella renoveringsalternativ, så som isolering, var det nödvändigt att utvärdera den inbäddade energin under hela renoveringsprocessen. Stor risk för överskattad hållbarhet föreligger om man inte beaktar detta.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 69 p.
Series
TRITA-STKL, 2016:01
Keyword
Retrofitting, Low-temperature heating, Energy efficiency, Sustainability, Swedish residential buildings, Renovering, Lågtemperatursuppvärmning, Energieffektivitet, Hållbarhet, Svenska bostadsbyggnader
National Category
Building Technologies
Research subject
Energy Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-192958 (URN)978-91-7729-126-8 (ISBN)
Public defence
2016-10-20, F3, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH Campus, Stockholm, 13:30 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
D6559
Note

QC 20160929

Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-23 Last updated: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Laurenti, RafaelHolmberg, Sture

Search in DiVA

By author/editor
Wang, QianLaurenti, RafaelHolmberg, Sture
By organisation
Fluid and Climate TechnologyIndustrial Ecology
In the same journal
Sustainable cities and society
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 142 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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