Cost-optimal renovation of residential, educational and office buildings in Finnish climate toward nearly zero-energy buildings

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-02-02
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
160 + app. 116
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 15/2018
Abstract
Cost-effective renovation of existing buildings is a challenging and important task to significantly reduce the environmental impact of the built environment. Determining cost-effective renovation concepts for buildings inevitably leads to a multi-dimensional optimization problem because cost-effectiveness and energy efficiency are conflicting objectives with each other. The building owners are interested in solid renovation concepts that reduce the operating costs of the building but also deliver a reasonable return on investment and a reasonable payback period. The main objective of this thesis was to study and determine the cost-optimal renovation concepts for the common Finnish building types that also have a significant energy efficiency improvement and environmental impact reduction potential. The studied building types were typical brick apartment buildings, concrete large panel apartment buildings, educational buildings, and office buildings. The objective was to take all applicable energy efficiency improvement measures, including the modern heat pump and renewable energy production technologies, into account in the assessment of each building type. In addition to studying the economic viability of different renovation concepts, technical, functional, feasibility, and quality aspects, such as the indoor environment conditions and the productivity of occupants, were examined closely. A common solution of the cost-optimal renovation concepts of all the studied building types was that the investments should be focused on renewable energy production technologies and on technical systems of the buildings instead of investing in major renovations of the building envelopes. Especially the modern heat pump systems delivered significant improvements in both the energy performance of the buildings and in the cost-effectiveness of the deep renovation in all the studied building types. The studied heat pump systems delivered better cost-effectiveness than the district heating system in all the studied building types. According to the study, it is not cost-efficient or recommended to improve the energy efficiency of the building envelope beyond the current national building regulations regarding the energy performance of new buildings. According to the results, the minimum primary energy performance requirements of the current building regulations related to improving energy performance of buildings in deep renovations could be tightened by 10% for residential apartment buildings, 30% for educational buildings and 20% for office buildings, depending on the original condition of the building. The proposed national nearly zero-energy building requirements can be cost-effectively achieved in deep renovations. However, external financial support mechanisms and competitive financial solutions are essential factors and motivators to encourage the building owners to take the next step in deep renovations of buildings by lowering the economic risks related to the renovation.

Olemassa olevan rakennuskannan kustannustehokas korjaaminen on haastava ja tärkeä tehtävä rakennetun ympäristön kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Kustannusoptimaalisten peruskorjauskonseptien määrittäminen johtaa väistämättä monitavoitteelliseen optimointiongelmaan, koska kustannus- ja energiatehokkuus ovat keskenään ristiriitaisia tavoitteita. Kiinteistönomistajat ovat kiinnostuneita selkeistä peruskorjauskonsepteista, joilla rakennusten käyttökustannuksia saadaan pienennettyä järkevällä takaisinmaksuajalla ja sijoitetun pääoman tuotolla. Tämän väitöstutkimuksen päätavoitteena oli tutkia ja määrittää kustannusoptimaaliset peruskorjauskonseptit yleisimmille suomalaisille rakennustyypeille, joiden energiatehokkuuden parantamispotentiaalit ja ympäristövaikutusten pienentämispotentiaalit ovat suuria. Tutkitut rakennustyypit olivat 1960-luvun tiilimuuri- ja 1970-luvun betonielementtirakenteiset asuinkerrostalot, 1960- ja 1970-luvun opetusrakennukset sekä 1980-luvun toimistorakennukset. Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella kaikki tutkituille rakennustyypeille soveltuvat energiatehokkuuden parantamistoimenpiteet, mukaan lukien nykyaikaiset lämpöpumppu- ja uusiutuvan energian tuotantojärjestelmät. Peruskorjauskonseptien taloudellisen kannattavuuden lisäksi tutkimuksessa otettiin huomioon tutkittujen ratkaisuiden tekniset, toiminnalliset, toteutettavuus- ja laatunäkökulmat, kuten sisäympäristöolosuhteet sekä rakennusten käyttäjien tuottavuus ja tyytyväisyys. Yhteinen tekijä kaikkien tutkittujen rakennustyyppien kustannusoptimaalisissa peruskorjauskonsepteissa oli se, että investoinnit kannattaa keskittää uusiutuviin energiantuotantojärjestelmiin sekä rakennusten taloteknisiin järjestelmiin sen sijaan, että investoitaisiin rakennusten ulkovaippojen massiivisiin peruskorjauksiin. Erityisesti nykyaikaisilla lämpöpumppujärjestelmillä saavutetaan merkittäviä parannuksia sekä rakennusten energiatehokkuudessa että peruskorjausten kustannustehokkuudessa. Lämpöpumppujärjestelmillä saavutettiin parempi kustannustehokkuus kuin kaukolämmöllä kaikissa tutkituissa rakennustyypeissä. Tutkimuksen perusteella rakennuksen ulkovaipan energiatehokkuutta ei ole kustannustehokasta eikä suositeltavaa parantaa tämän hetkisiä uudisrakentamisen energiatehokkuusvaatimusten vertailuarvoja paremmaksi. Tutkimuksen tulosten perusteella tämän hetkisiä rakennusten peruskorjausten primäärienergia-tehokkuusvaatimuksia voitaisiin tiukentaa 10 % asuinkerrostaloissa, 30 % opetusrakennuksissa ja 20 % toimistorakennuksissa. Ehdotetut uudisrakennusten lähes nollaenergiavaatimustasot voidaan saavuttaa kustannustehokkaasti myös peruskorjauksissa. Ulkopuoliset ja kilpailukykyiset rahoitusratkaisut ovat kuitenkin keskeisiä tekijöitä, jotta kiinteistönomistajat saadaan investoimaan peruskorjausratkaisuihin, joilla kiinteistöjen energiatehokkuutta saadaan merkittävästi parannettua.
Description
Supervising professor
Kosonen, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Kosonen, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Jokisalo, Juha, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
cost-optimal renovation, cost-effectiveness, energy efficiency, renewable energy source, environmental performance, multi-objective optimization, thermal comfort, kustannusoptimaalisuus, kustannustehokkuus, energiatehokkuus, uusiutuva energianlähde, ympäristötehokkuus, monitavoiteoptimointi, lämpöolosuhde
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Niemelä, Tuomo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha. 2017. Cost-effectiveness of energy performance renovation measures in Finnish brick apartment buildings. Elsevier Ltd. Energy and Buildings, vol. 137, pages 60–75. ISSN 0378-7788.
    DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.12.031 View at publisher
  • [Publication 2]: Niemelä, Tuomo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha. 2016. Cost-optimal energy performance renovation measures of educational buildings in cold climate. Elsevier Ltd. Applied Energy, vol. 183, pages 1005–1020. ISSN 0306-2619.
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.09.044 View at publisher
  • [Publication 3]: Niemelä, Tuomo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha. 2017. Energy performance and environmental impact analysis of cost-optimal renovation solutions of large panel apartment buildings in Finland. Elsevier Ltd. Sustainable Cities and Society, vol. 32, pages 9–30. ISSN 2210-6707.
    DOI: 10.1016/j.scs.2017.02.017 View at publisher
  • [Publication 4]: Niemelä, Tuomo; Levy, Karoliina; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha. 2017. Cost-optimal renovation solutions to maximize environmental performance, indoor thermal conditions and productivity of office buildings in cold climate. Elsevier Ltd. Sustainable Cities and Society, vol. 32, pages 417–434. ISSN 2210-6707.
    DOI: 10.1016/j.scs.2017.04.009 View at publisher
  • [Publication 5]: Niemelä, Tuomo; Manner, Mika; Laitinen, Ari; Sivula, Timo-Mikael; Jokisalo, Juha; Kosonen, Risto. 2018. Computational and experimental performance analysis of a novel method for heating of domestic hot water with a ground source heat pump system. Elsevier Ltd. Energy and Buildings, vol. 161, pages 22–40. ISSN 0378-7788.
    DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.12.017 View at publisher
  • [Publication 6]: Niemelä, Tuomo; Vuolle, Mika; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha; Salmi, Waltteri; Nisula, Markus. 2016. Dynamic simulation methods of heat pump systems as a part of dynamic energy simulation of buildings. Proceedings of the 3rd IBPSA-England Conference BSO 2016, Newcastle, United Kingdom, 12–14 September. IBPSA-England. Paper 1146. ISBN 978-0-7017-0258-8.
Citation