Energy system and energy efficiency improvements and their economic impacts in public buildings
Knuutila, Mirika (2019)
Diplomityö
2019
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019052917701
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019052917701
Tiivistelmä
The object of the study was to create a model for estimating energy efficiency improvement investments and for comparing profitability of the investments. The technologies studied are heat pumps, solar photovoltaic panels, the efficiency of heat recovery in ventilation and improvements regarding thermal transmittance of the building structures. The calculations and results are presented with case-building, Lappeenranta City Hall.
The electricity demand of the heat pump is estimated with 10 past years’ average temperatures and graphs of Coefficient of Performance (COP) on a monthly basis. The electricity demand of the heat pump is assumed to be constant in every hour of the month. The production of solar electricity is estimated with simulated data on an hourly basis. Heat losses through structures and ventilation system are calculated with instructions for the Energy Performance Certificate calculations.
As a result for case building, values of Internal Rate of Return (IRR) are calculated in a time period of 20 years. For a solar photovoltaic system, the IRR is 5.7 %, for a ground source heat pump 13.0‒24.1 % and for an air-to-water heat pump from negative to 23.7 %. For improving the thermal transmittance of windows from 2.1 W/(m2K) to 1 W/(m2K) the IRR is −2.0 ‒ −5.1 % and for a heat recovery unit with temperature efficiency of 70 % instead of existing 37 %, 9.0‒18.5 %. There is visible potential for energy efficiency improvements, and the improvements are mainly economically profitable. Työn tavoitteena oli luoda työkalu, jolla voidaan vertailla eri energiatehokkuusinvestointeja ja niiden kannattavuutta. Työssä käsiteltyjä teknologioita ovat lämpöpumput, aurinkosähköpaneelit, lämmöntalteenottolaitteiston hyötysuhteen parantaminen sekä rakenteiden eristävyyden parantaminen. Työkalun laskentaa ja tuloksia esitellään esimerkkikohteen, Lappeenrannan kaupungintalon, datan avulla.
Työssä arvioidaan 10 vuoden keskilämpötilojen perusteella lämpöpumpun sähkönkulutusta kuukausitasolla. Arvioinnissa käytetään hyväksi maa- ja ilmalämpöpumpulle spesifisiä tehokerroinkäyriä. Aurinkosähkön tuotantoa arvioidaan simuloidun datan perusteella tuntitasolla. Lämpöpumpun sähkönkulutus on oletettu vakioksi kuukauden jokaisena tuntina. Lämpöhäviöt rakenteiden ja ilmanvaihdon läpi lasketaan energiatodistuksen laskentaa mukaillen.
Tuloksena saadaan efektiivisen koron (IRR) arvot esimerkkikohteen energiatehokkuusinvestoinneille 20 vuoden tarkasteluajanjaksolla. Aurinkosähkölle efektiivinen korko on 5.7 %, maalämpöpumpulle 13.0‒24.1 % ja ilma-vesilämpöpumpulle negatiivisesta 23.7 %:iin. Ikkunoiden eristävyyden parantamiselle nykyisestä 2.1 W/(m2K) arvoon 1 W/(m2K) saadaan IRR:lle arvo −2.0 ‒ −5.1 % ja lämmöntalteenottolaitteiston (LTO) hyötysuhteen parantamiselle lämpötilahyötysuhteesta 37 % arvoon 70 % saadaan IRR:lle arvo 9.0‒18.5 %. Kiinteistöstä löytyy energiatehokkuusparannuspotentiaalia, ja parannukset on mahdollista toteuttaa taloudellisesti kannattavasti.
The electricity demand of the heat pump is estimated with 10 past years’ average temperatures and graphs of Coefficient of Performance (COP) on a monthly basis. The electricity demand of the heat pump is assumed to be constant in every hour of the month. The production of solar electricity is estimated with simulated data on an hourly basis. Heat losses through structures and ventilation system are calculated with instructions for the Energy Performance Certificate calculations.
As a result for case building, values of Internal Rate of Return (IRR) are calculated in a time period of 20 years. For a solar photovoltaic system, the IRR is 5.7 %, for a ground source heat pump 13.0‒24.1 % and for an air-to-water heat pump from negative to 23.7 %. For improving the thermal transmittance of windows from 2.1 W/(m2K) to 1 W/(m2K) the IRR is −2.0 ‒ −5.1 % and for a heat recovery unit with temperature efficiency of 70 % instead of existing 37 %, 9.0‒18.5 %. There is visible potential for energy efficiency improvements, and the improvements are mainly economically profitable.
Työssä arvioidaan 10 vuoden keskilämpötilojen perusteella lämpöpumpun sähkönkulutusta kuukausitasolla. Arvioinnissa käytetään hyväksi maa- ja ilmalämpöpumpulle spesifisiä tehokerroinkäyriä. Aurinkosähkön tuotantoa arvioidaan simuloidun datan perusteella tuntitasolla. Lämpöpumpun sähkönkulutus on oletettu vakioksi kuukauden jokaisena tuntina. Lämpöhäviöt rakenteiden ja ilmanvaihdon läpi lasketaan energiatodistuksen laskentaa mukaillen.
Tuloksena saadaan efektiivisen koron (IRR) arvot esimerkkikohteen energiatehokkuusinvestoinneille 20 vuoden tarkasteluajanjaksolla. Aurinkosähkölle efektiivinen korko on 5.7 %, maalämpöpumpulle 13.0‒24.1 % ja ilma-vesilämpöpumpulle negatiivisesta 23.7 %:iin. Ikkunoiden eristävyyden parantamiselle nykyisestä 2.1 W/(m2K) arvoon 1 W/(m2K) saadaan IRR:lle arvo −2.0 ‒ −5.1 % ja lämmöntalteenottolaitteiston (LTO) hyötysuhteen parantamiselle lämpötilahyötysuhteesta 37 % arvoon 70 % saadaan IRR:lle arvo 9.0‒18.5 %. Kiinteistöstä löytyy energiatehokkuusparannuspotentiaalia, ja parannukset on mahdollista toteuttaa taloudellisesti kannattavasti.