Cost optimal technical solutions in daycare facilities
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-12-14
Department
Major/Subject
Sustainable Energy in Buildings and Built Environment
Mcode
ENG3068
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
60 + 3
Series
Abstract
To restrain global warming the EU member countries are required to improve energy efficiency in buildings under the EU directive on the energy performance of buildings. The contribution of the built environment on energy consumption is significant and in Finland, its share of total energy consumption is about 40 %. In addition to national regulations, many cities have set their own demanding targets to reduce emissions and energy consumption. These regulations and targets have set public authorities to face challenges on how to improve building energy performance in a cost efficient manner for both new and existing buildings. The objective of this thesis was to determine the cost optimal technical solution for new daycare facilities in Finland. Studied technical solutions include different main heating methods, solar photovoltaic, and air handling units. Options for main heating methods were district heating, hybrid solutions with either air to water heat pump or ground source heat pump with auxiliary district heating, and ground source heat pump with auxiliary electric heating. Additionally, recommendable dimensioning of the technical solutions were studied to find their energy performance reference value. Simulation based multi-objective optimization was used as a research method where MOBO (Multi-Objective Building Optimization) program (version 0.3b) was used to optimize life-cycle cost calculations and energy simulation results from IDA-ICE software (version 4.8). In life-cycle cost calculations only energy costs and costs of the main heating system, PV-panels, and heat recovery upgrades in air handling units were considered. Cost data used in the calculations were acquired from other studies and companies. Two case buildings were selected for the thesis and dynamic energy simulation models were created with IDA-ICE according to early stage building design. Usage profiles were created for the models to estimate actual usage of the buildings and to enable calculation of target energy use, which is an estimate of actual energy consumption. Results prove that ground source heat pump with auxiliary electric heating is the cost optimal main heating system. In comparison, the main heating systems including district heating have a considerably higher life-cycle cost and target energy use. The solar PV dimensioning in the global cost optimal solutions in both case studies provides utilized electricity production that covers slightly over 20 % of the annual electricity consumption. Heat recovery upgrades for air handling units should not be considered if there is a notable increase in specific fan power. Alongside the cost optimal solution, there are other recommendable solutions found in the Pareto frontier formed by optimization results. These Pareto optimal solutions are reasonable options as they have a slightly higher lifecycle costs and lower target energy use. Depending on how much value is seen in energy savings, the chosen solution could be other than the cost optimal solution.För att begränsa den globala uppvärmningen har EU:s medlemsländer krävts att förbättra byggnaders energieffektivitet enligt EU direktiv om byggnaders energiprestanda. I Finland är den byggda miljön ansvarig för ca 40 % av den totala energikonsumtionen. Förutom nationella bestämmelser har flera städer bestämt att ställa egna krav och mål för att minska på utsläpp samt energikonsumtion. Dessa bestämmelser och mål har satt krav på de offentliga myndigheter inför utmaningar om hur byggnaders energiprestanda kan på kostnadseffektiva sätt förbättras för både nya och befintliga byggnader. Målet med arbetet var att bestämma den kostnadseffektiva tekniska lösningen för nya daghem i Finland. Forskade tekniska lösningarna inkluderar olika uppvärmningssystem, solceller och ventilationsenheter. Alternativ för uppvärmningssystem var fjärrvärme, hybridlösningar med luft-vattenvärmepump eller bergvärmepump med tilläggs fjärrvärme och bergvärmepump med tilläggs elvärme. Dessutom forskades rekommenderade dimensioneringar av tekniska lösningarna för att hitta deras jämförelsetal för energiprestanda. Simuleringsbaserad flermålsoptimering användes som forskningsmetod, där MOBO (Multi Objective Building Optimization) programmet (version 0.3b) användes för att optimera livcykelkostnadsberäkningar och energisimuleringsresultat från IDA-ICE programvara (version 4.8). I livcykelkostnadsberäkningarna beaktades endast energikostnader och kostnaderna från uppvärmningssystemen, solpanelerna och uppgraderingarna i ventilationsenheternas värmeåtervinning. Kostnadsdata som används i beräkningarna är från andra studier och företag. För arbetet valdes två fallstudiebyggnader och dynamiska simuleringsmodeller skapades med IDA-ICE enligt byggnads design i tidigt skede. För modellerna skapades användningsprofiler som uppskattats att motsvara byggnadernas verkliga användning. Användningsprofilerna gör det möjligt att beräkna mål energianvändning, som är en uppskattning av den verkliga energiförbrukningen. Resultaten visar att bergvärmepump med tilläggs elvärme är det kostnadseffektivaste uppvärmningssystemet. Som jämförelse har de andra uppvärmningssystemen, som inkluderar fjärrvärme, betydligt högre livscykelkostnad och mål-energianvändning. Solcellernas dimensionering i de globala kostnadsoptimala lösningarna för båda fallstudierna, har utnyttjad elproduktion som täcker drygt 20 % av den årliga elförbrukningen. Förbättring av värmeåtervinning i ventilationsenheterna borde inte beaktas om det orsakar märkbart ökning av den specifika fläktkraften. Förutom kostnadsoptimala lösningen finns det andra rekommenderade lösningar i Pareto-fronten som bildats av optimeringsresultaten. Dessa Pareto-optimala lösningar är rimliga alternativ, eftersom de har aningen högre livscykelkostnad och lägre mål-energianvändning. Beroende på hur mycket värde ses i energibesparing, så kan den valda lösningen var annan än den kostnadsoptimala lösningen.Description
Supervisor
Virtanen, MarkkuThesis advisor
Uotila, JuusoKeywords
MOBO, LCC, target energy use, E-value, daycare facility