Pipe repair renovation of existing apartment buildings and the potential of the protected decentralized apartment building domestic hot water utility model
Reponen, Tuomo (2021)
Diplomityö
Reponen, Tuomo
2021
School of Energy Systems, Ympäristötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202101202222
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202101202222
Tiivistelmä
The heat losses of hydronic space heating and domestic hot water (DHW) systems of the centralized apartment building utility model can be as high as 50 % of the total energy need of the systems. The centralized utility model is based on district heating. The heat losses of the DHW circulation pipes can be as high as the energy need of DHW production. Heat losses not only cause additional internal heat gains in apartment buildings but also increase energy consumption, the need for cooling, and greenhouse gas (GHG) emissions. The decentralized apartment building domestic hot water utility model protected by Asennustekniikka Katajisto Oy and developed in this Master’s thesis aims to minimize heat losses, simplify pipe structures and installations, decrease energy consumption, improve energy-efficiency and convert apartment buildings into nearly zero-energy buildings (NZEBs) through the commissioning of the decentralized utility model in pipe repair renovation. The decentralized apartment building utility model contains solar photovoltaic, energy storage, and energy accumulator systems as well as smart control devices, an algorithm for optimal operation and data collection, and storage devices. The decentralized utility model is in accordance with the carbon-neutral building stock and climate goals of the EU.
This Master’s thesis aims to develop the decentralized apartment building utility model within its protective demands and research its potential through the building energy simulations conducted in the IDA ICE dynamic building simulation software. Energy simulations are conducted for the case buildings selected by Asennustekniikka Katajisto Oy. Simulations include three scenarios, which are the existing centralized utility model, pipe repair renovated centralized utility model, and the pipe repaired decentralized utility model. In addition to E value calculations, total energy consumption, the life cycle costs, CO2 emission levels, renovation costs, and payback times of each scenario are conducted. Sensitivity analysis of the results are conducted as well.
According to the results, the decentralized apartment building utility model has the capability of reducing annual energy consumption by 53,8 % and CO2 emissions by 48,2 % on average compared to the centralized utility model. However, E-values changed little or none, and the total life cycle cost of the decentralized utility model was 7 % more than that of the pipe repair renovated centralized utility model. Respectively, payback times were 30 and 19 years at the interest rate of 3% without any monetary support. In the end, the decentralized utility model commissioned in pipe repair renovation has a high potential to reduce buildings’ energy consumptions and CO2 emissions compared to the centralized utility model, although the decentralized utility model was not enough to convert apartment buildings into NZEBs alone. Nonetheless, the absolute annual energy consumption of the decentralized utility model was 18,5 % below the NZEB energy consumption level of the same building. The decentralized apartment building utility model can be considered as the better option from the sustainability and climate goals point of view if the CO2 emission level of electricity production is less than that of district heating production. However, the decentralized utility model might not be the better option from the economical point of view yet. Future researches should be focused on the testing of the decentralized utility model in practice as well as on what should be developed more for the decentralized utility model to fulfill the NZEB criteria of apartment buildings. Kaukolämpölämmitteisen asuinkerrostalon tilanlämmitys- ja käyttövesijärjestelmien lämpöhäviöt voivat olla jopa 50 % lämmitysjärjestelmien kuluttamasta kokonaisenergiasta. Lämpimän käyttöveden kiertoputken lämpöhäviöt voivat puolestaan olla yhtä suuret kuin lämpimän käyttöveden lämmittämiseen kuluva energia. Lämpöhäviöt eivät ainoastaan aiheuta asuinkerrostalon asunnoissa ylimääräisiä sisäisiä lämpökuormia jäähdytystarvetta lisäten vaan lisäävät siten myös rakennuksen energiankulutusta ja siten kasvihuonekaasupäästöjä. Tässä diplomityössä kehitettävä Asennustekniikka Katajisto Oy:n patentoiman hajautetun talotekninen järjestelmän tavoitteena on minimoida lämpöhäviöt, yksinkertaistaa putkiasennuksia, vähentää energiankulutusta, parantaa rakennuksen energiatehokkuutta ja muun-taa asuinkerrostalot lähes nollaenergiataloiksi järjestelmän käyttöönoton myötä linjasaneerauksen yhteydessä. Hajautettu talotekninen järjestelmä sisältää aurinkosähkö-, energiavarasto- ja energiavaraajajärjestelmät sekä älykkäät ohjauslaitteet, ohjausalgoritmin ja tiedonkeruulaitteet tietokantoineen. Hajautettu järjestelmä on yhdenmukainen EU:n hiilineutraalin rakennuskannan ja ilmastotavoitteiden suhteen. Diplomityön tavoitteena on kehittää hajautettua asuinkerrostalon taloteknistä järjestelmää sen suojausvaatimusten rajoissa sekä tutkia järjestelmän potentiaalia dynaamisella IDA ICE-simulointiohjelmalla suoritettujen energiasimulointien myötä. Kolme skenaariota, joille energiasimuloinnit suoritetaan, ovat linjasaneeraamaton keskitetty järjestelmä, linjasaneerattu keskitetty järjestelmä ja linjasaneerattu hajautettu järjestelmä. Lisäksi rakennusten E-luvut, elinkaarikustannukset, kokonaisenergiantarpeet, CO2-päästötasot, linjasaneerauskustannukset ja takaisinmaksuajat selvite-tään. Lopuksi tuloksille suoritetaan vertailu- ja herkkyysanalyysit.
Työn tulosten mukaan hajautetulla taloteknisellä järjestelmällä on kyky vähentää rakennuksen vuotuista energiankulutusta keskimäärin 53,8 % ja CO2-päästöjä keskimäärin 48,2 % keskitettyyn järjestelmään verrattuna. Toisaalta rakennusten E-luvut pysyivät melko muuttumattomina. Hajautetun järjestelmän elinkaarikustannukset olivat 7 % enemmän kuin keskitetyn järjestelmän elinkaarikustannukset. Hajautetun järjestelmän takaisinmaksuaika 3 % korkotekijällä ilman rahallista avustusta oli 30 vuotta, kun taas keskitetyn järjestelmän takaisinmaksuaika on 19 vuotta. Linjasaneerauksen yhteydessä asennettavalla hajautetulla taloteknisellä järjestelmällä on hyvä potentiaali vähentää energiankulutusta ja CO2-päästötasoja keskitettyyn linjasaneeraukseen verrattuna, vaikka hajautettu järjestelmä ei yksistään mahdollista linjasaneerattavien asuinkerrostalojen muuntamisen lähes nollaenergiataloiksi. Kuitenkin hajautetun järjestelmän absoluuttinen vuosittainen energiankulutus oli keskimäärin 18,5 % pienempi kuin vastaavan rakennuksen lähes nollaenergiatalon kulutus-taso. Hajautettua taloteknistä järjestelmää voidaan tulosten perusteella pitää energiankulutuksen ja kestävän kehityksen kannalta keskitettyä järjestelmää parempana vaihtoehtona, jos ostosähkön CO2-päästötaso on kaukolämmön CO2-päästötasoa pienempi. Hajautettu järjestelmä ei tutkimuksen mukaan vielä ole kustannustehokkaampi kuin perinteinen keskitetyn järjestelmän linjasaneeraus, koska laskennallisen E-luvun vähäinen muutos ei nykyisellään oikeuta takaisinmaksuaikaa lyhentävään energia-avustukseen. Olisi hyvä suorittaa lisätutkimuksia niin hajautetun taloteknisen järjestelmän käytännön testauksesta kuin siitä, mitä pitäisi jatkokehittää, jotta asuinkerrostalon lähes nollaenergiatalon tavoitetaso saavutettaisiin.
This Master’s thesis aims to develop the decentralized apartment building utility model within its protective demands and research its potential through the building energy simulations conducted in the IDA ICE dynamic building simulation software. Energy simulations are conducted for the case buildings selected by Asennustekniikka Katajisto Oy. Simulations include three scenarios, which are the existing centralized utility model, pipe repair renovated centralized utility model, and the pipe repaired decentralized utility model. In addition to E value calculations, total energy consumption, the life cycle costs, CO2 emission levels, renovation costs, and payback times of each scenario are conducted. Sensitivity analysis of the results are conducted as well.
According to the results, the decentralized apartment building utility model has the capability of reducing annual energy consumption by 53,8 % and CO2 emissions by 48,2 % on average compared to the centralized utility model. However, E-values changed little or none, and the total life cycle cost of the decentralized utility model was 7 % more than that of the pipe repair renovated centralized utility model. Respectively, payback times were 30 and 19 years at the interest rate of 3% without any monetary support. In the end, the decentralized utility model commissioned in pipe repair renovation has a high potential to reduce buildings’ energy consumptions and CO2 emissions compared to the centralized utility model, although the decentralized utility model was not enough to convert apartment buildings into NZEBs alone. Nonetheless, the absolute annual energy consumption of the decentralized utility model was 18,5 % below the NZEB energy consumption level of the same building. The decentralized apartment building utility model can be considered as the better option from the sustainability and climate goals point of view if the CO2 emission level of electricity production is less than that of district heating production. However, the decentralized utility model might not be the better option from the economical point of view yet. Future researches should be focused on the testing of the decentralized utility model in practice as well as on what should be developed more for the decentralized utility model to fulfill the NZEB criteria of apartment buildings.
Työn tulosten mukaan hajautetulla taloteknisellä järjestelmällä on kyky vähentää rakennuksen vuotuista energiankulutusta keskimäärin 53,8 % ja CO2-päästöjä keskimäärin 48,2 % keskitettyyn järjestelmään verrattuna. Toisaalta rakennusten E-luvut pysyivät melko muuttumattomina. Hajautetun järjestelmän elinkaarikustannukset olivat 7 % enemmän kuin keskitetyn järjestelmän elinkaarikustannukset. Hajautetun järjestelmän takaisinmaksuaika 3 % korkotekijällä ilman rahallista avustusta oli 30 vuotta, kun taas keskitetyn järjestelmän takaisinmaksuaika on 19 vuotta. Linjasaneerauksen yhteydessä asennettavalla hajautetulla taloteknisellä järjestelmällä on hyvä potentiaali vähentää energiankulutusta ja CO2-päästötasoja keskitettyyn linjasaneeraukseen verrattuna, vaikka hajautettu järjestelmä ei yksistään mahdollista linjasaneerattavien asuinkerrostalojen muuntamisen lähes nollaenergiataloiksi. Kuitenkin hajautetun järjestelmän absoluuttinen vuosittainen energiankulutus oli keskimäärin 18,5 % pienempi kuin vastaavan rakennuksen lähes nollaenergiatalon kulutus-taso. Hajautettua taloteknistä järjestelmää voidaan tulosten perusteella pitää energiankulutuksen ja kestävän kehityksen kannalta keskitettyä järjestelmää parempana vaihtoehtona, jos ostosähkön CO2-päästötaso on kaukolämmön CO2-päästötasoa pienempi. Hajautettu järjestelmä ei tutkimuksen mukaan vielä ole kustannustehokkaampi kuin perinteinen keskitetyn järjestelmän linjasaneeraus, koska laskennallisen E-luvun vähäinen muutos ei nykyisellään oikeuta takaisinmaksuaikaa lyhentävään energia-avustukseen. Olisi hyvä suorittaa lisätutkimuksia niin hajautetun taloteknisen järjestelmän käytännön testauksesta kuin siitä, mitä pitäisi jatkokehittää, jotta asuinkerrostalon lähes nollaenergiatalon tavoitetaso saavutettaisiin.