Economic performance of heating systems for energy renovation of wooden dwellings in Norway

Abstract

Etter at Norge sluttet seg til i Parisavtalen i 2015, ble det satt som mål å redusere landets klimagassutslipp med 50 til 55 %, sammenlignet med 1990-nivået, innen 2030 [1]. Det ble derfor i 2016 vedtatt at energibruken knyttet til den eksisterende bygningsmassen skal reduseres med 10 TWh innen 2030 [2]. Energioppgradering av eksisterende boliger kan dermed være et viktig bidrag for å nå målene i Parisavtalen.

Denne masteroppgaven er en del av OPPTRE, som er et forskningsprosjekt finansiert av Forskningsrådet [3]. Målet er å foreslå kostnadseffektive energirenoveringer for boliger som tilsvarer nesten nullenergibygg. Forslagene skal ha høy arkitektonisk kvalitet og lavt klimafotavtrykk. Seks eksisterende boliger bygd i perioden 1950 til 1990 utgjør grunnlaget til forskningsprosjektet. Det har blitt foreslått energioppgraderinger til disse gjennom en arktitektkonkurranse, hvor vinnerforslagene har formet grunnlaget for det videre arbeidet i OPPTRE-prosjektet.

Arbeidet utført i denne masteroppgaven er en fortsettelse på arbeidet utført i Johansen og Kjellberg sin masteroppgave [4]. Johansen og Kjellberg har undersøkt kostnads- og energieffektiviteten, og miljøpåvirkningen til to av husene fra arkitektkonkurransen med ulike varme- og ventilasjonsløsninger, samt tre ulike oppgraderingsnivå av bygningskroppen. For å undersøke energieffektiviteten ble simuleringsprogrammet IDA ICE benyttet, mens kostnadseffektiviteten ble evaluert metodene beskrevet i NS-EN 15459-1.

I arbeidet med masteroppgaven, har simuleringsmodellene fra det tidligere arbeidet blitt revidert og validert. For å validere simuleringsmodellene, har årsvarmefaktoren til de simulerte varmepumpesystemene blitt sammenlignet opp mot årsvarmefaktoren til lignende systemer i faglitteratur. Videre har evalueringen av energi- og kostnadseffektiviteten til de ulike kombinasjonene med energiforsyning sammen med de tre renoveringsnivåene blitt raffinert. I tillegg har to nye oppvarmingsløsninger blitt tatt med i vurderingen. De økonomiske virkningene av nye effektbaserte tariffer for nettleie, som er planlagt å innføres iløpet av 2022, blitt undersøkt. Til slutt har optimale oppvarmingsløsninger blitt foreslått for de tre renoveringsnivåene for de to boligene. Disse forslagene tar utarbeidet etter nøkkeltallsindikatorer innen energi og kostnadseffektivitet, samt termisk komfort.

Resultatene viser at oppgradering av oppvarmingsløsningen er mer gunstig ved lavere renovasjonsnivå. Investeringskostnaden spiller en stor rolle for kostnadseffektiviteten, og de billigere kombinasjonene fører i de fleste tilfellene til lavere livsløpskostnader. Ved høyere renoveringsnivå, er oppgraderinger knyttet til ventilasjon og varmtvannsoppvarming mest kostnadseffektivt på grunn av lavere romoppvarmingsbehov. Tariffer for nettleie med effektbasert fastledd påvirker kostnadseffektiviteten til de ulike kombinasjonene i liten grad. Likevel viser en følsomhetsanalyse utført i oppgaven at de dyrere og mer effektive kombinasjonene oppnår høyere kostnadseffektivitet dersom satsene på det effektbaserte fastleddet økes.

Basert på nøkkeltallsindikatorene relatert til energi- og kostnadseffektivitet, samt termisk komfort, gjør rimeligere kombinasjoner det bedre enn dyrere og mer effektive kombinasjoner. Dette blir tydeligere ved høyere renoveringsnivå, hvor energisparepotensialet til de mest effektive kombinasjonene reduseres.

By committing to the Paris agreement in 2015, Norway set a goal of reducing the country’s greenhouse gas emissions by 50% to 55% compared to the emission levels in 1990 by 2030 [1]. Therefore, the motion of reducing the annual energy consumption of the existing building stock by 10 TWh by 2030 was carried in 2016 [2]. Energy retrofitting of existing residential buildings can therefore play a part in Norway’s efforts to reach the goals in the Paris agreement.

This thesis is a part of OPPTRE, which is a research project supported by the Research Council of Norway [3]. OPPTRE aims to propose a cost effective Nearly Zero Energy level of retrofit for small wooden dwellings in Norway with high architectural quality and low environmental impact. The basis of the research project is six existing dwellings built in the period 1950-1990. Proposed energy upgrades for the six dwellings have been made in an architecture competition. The winning proposals of the competition have formed the basis for the rest of the OPPTRE-project.

The work conducted in this thesis is a continuation of the previous work carried out in Johansen and Kjellberg’s master’s thesis [4]. Johansen and Kjellberg investigated the economic, energy and environmental performance of different heating supply combinations with three different renovation levels for two of the houses from the architecture competition. The energy performances were evaluated through simulation models in IDA ICE, while the methods described in NS-EN 15459-1 are used for the evaluation of economic performance.

During the work with this master’s thesis, the simulation models from the previous work have been revised and validated. In order to validate the models, the SPF of the simulated models have been compared with the SPF of similar systems found in a literature review. The evaluation of the energy and economic performance of the heating supply combinations with the three renovation levels have been refined from the previous work. Additionally, two new combinations have been investigated. Furthermore, the effects on the economic performance of different grid tariff models, which are supposed to be induced during 2022, are looked into. Finally, optimal heating supply combinations for each renovation level of the two dwellings have been proposed. These propositions are based on predefined key performance indicators related to energy and economic performance, and thermal comfort.

The results show that upgrading the heating systems is more profitable at lower insulation levels. The investment costs is an important factor for the economic performance, and the cheaper combinations induce lower life cycle costs in most cases. With increasing renovation levels, upgrades related to the ventilation system and the heating of DHW is the most cost efficient due to the low space heating demand.

Grid tariffs with fixed fees based on monthly power peaks yield marginal differences in terms of economic performance. However, a sensitivity analysis show that increasing the rates of the power based fixed fee can make the more expensive and efficient heating systems more cost effective compared to cheaper combinations.

Based on the performance indicators related to energy performance, cost effectiveness, and thermal comfort, combinations with low investment costs outperform more expensive and efficient combinations. This becomes more evident at higher insulation levels, where the energy saving potential of the efficient heating supply combinations is reduced.