Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Ventilation heat recovery jointed low-temperature heating in retrofitting: An investigation of energy conservation, environmental impacts and indoor air quality in Swedish multifamily houses
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.ORCID iD: 0000-0001-6266-8485
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.ORCID iD: 0000-0001-5902-2886
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering, Industrial Ecology. The Norwegian College of Fishery Science, Faculty of Biosciences, Fisheries and Economics, UiT The Arctic University of Norway.
(Strömnings- och klimatteknik, Fluid and Climate Technology)ORCID iD: 0000-0003-1882-3833
2016 (English)In: Energy and Buildings, ISSN 0378-7788Article in journal (Refereed) In press
Abstract [en]

Sweden is actively engaged in accelerating the sustainable transformation of existing building and energy systems. Most traditional investigations of this subject have been based on final energy savings and CO2 emission analysis, while most existing evaluation methods for energy-retrofitting have not accurately taken into account the influences of flow temperature patterns of different low-temperature heating (LTH) radiators to operational energy. In addition, comprehensive environmental impact analyses by energy systems, as well as the contributions to indoor air quality (IAQ), have not been fully achieved. Moreover, critical mapping of the sustainability of energy-efficient retrofitting have not yet been done. This omission leads to inaccuracies and misleading estimates of the benefits of LTH retrofitting from system and primary energy perspective. In order to fill these knowledge gaps, the present study evaluated two types of LTH systems combined with ventilation retrofitting, namely heat recovery jointed ventilation radiators (VRs) and baseboard radiators (BRs). A typical Swedish multi-family house was selected for retrofitting practice. This study aims at evaluating ventilation heat recovery jointed low temperature heating (VJLTH) retrofitting on energy conservation, environmental impacts and indoor air quality (IAQ) in typical Swedish multifamily houses. The compatibility of building performance and sustainability contributions were critically analyzed by delivered/primary energy usage, life cycle assessment (LCA), and IAQ modeling. IDA ICE (indoor climate and energy simulation program), SimaPro (LCA environmental impact modeling program), analytical model and on-site measurement data provided by both radiator and heat pump manufactures were employed. The results showed that the studied VJLTH retrofitting can save up to 55% of the final energy. And the corresponding primary energy savings are more than 25%. Compared with conventional radiators, low-temperature heating radiators can improve the COP by 12 − 18% for air-source heat pumps. The studied retrofit can positively contribute 11 of 16 environmental indicators, 7 of which had environmental impacts reduced by more than 50%. However, neglecting the indicators with negative impacts will increase the risk of over-representing the environmental contributions. The sustainability improvements of retrofitting, particularly for future large-scale implementation, should be critically evaluated from a broader perspective than final energy savings.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2016.
Keyword [en]
retrofitting; low-temperature heating; energy conservations; environmental impacts
National Category
Building Technologies Energy Systems
Research subject
Energy Technology; Civil and Architectural Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-183379DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.02.050ISI: 000376697400023ScopusID: 2-s2.0-84959922969OAI: oai:DiVA.org:kth-183379DiVA: diva2:910317
Note

QC 20160316

Available from: 2016-03-08 Created: 2016-03-08 Last updated: 2016-09-26Bibliographically 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

Search in DiVA

By author/editor
Wang, QianPloskić, AdnanSong, XingqiangHolmberg, Sture
By organisation
Fluid and Climate TechnologyIndustrial Ecology
Building TechnologiesEnergy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
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

Altmetric score

Total: 65 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link