Modeling of Finnish building sector energy consumption and greenhouse gas emissions – specification of POLIREM policy scenario model

Monitoring needs have increased in recent years, and answers to various questions related to the energy use of the building stock are needed faster than before. POLIREM model is a calculation model that assesses the effect of different policy scenarios on the Finnish building stock. The model determines the energy consumption and greenhouse gas emissions, and its purpose is to assist in the reporting and scenario work. The model has a strong linkage with the statistical data, and a top-down approach, which makes the POLIREM different from previous bottom-up style building stock models. The POLIREM model was originally developed at the Tampere University of Technology in MS excel environment. In this work, the model was converted into a coded version that ensures flexible scenario building, including ease of updating the input data, as well as enabling further integration of new features and/or data sources. This report provides a technical specification of the python-coded scenario model POLIREM. This report is part of development work to establish national reporting system/evaluation scheme, and fulfils requirements for openness by describing transparently the used evaluation method for building stock modelling

Rakennusten energiankulutuksen perusskenaario Suomessa 2015-2050

Ilmaston lämpenemistä aiheuttavista kasvihuonekaasupäästöistä noin 80 % on peräisin energian tuotannosta ja kulutuksesta (ml. liikenne), mikä tarkoittaa, että energia- ja ilmastopolitiikka ovat tiivis kokonaisuus. Vuonna 2016 Suomessa valmisteltiin uutta energia- ja ilmastostrategiaa, johon kuuluu myös skenaarioiden valmistelu. Tässä raportissa esitetty työ tukee strategian valmistelutyötä. Raportti jakaantuu kahteen osaan: rakennuskannan energiankäytön ennustamiseen ja puun pienpolton lisäämisen tarkasteluihin. Työssä tehtiin rakennustyypeittäin perusskenaarion mukainen tarkastelu, joka jatkaa tulevaisuuteen energiatilastojen lukuja vuodesta 2015 aina vuoteen 2050. Perusskenaariolla arvioidaan jo päätettyjen ja toimeenpantujen politiikkatoimien vaikutusta tulevaisuuden kehitykseen. Rakennuskannan energiankäytön osalta tehtiin ennuste peruskehityksestä ja lisäksi matalamman talouskasvun ennuste. Energiankulutus on esitetty sekä hankitun energian tasolla että hyötyenergiana. Varsinaisten asuinrakennusten (pientalot, rivi- ja ketjutalot, asuinkerrostalot) hankitun energian määrässä on pieni laskeva trendi, mutta energiantarve pysyy oleellisesti samalla tasolla tarkasteluajanjaksolla. Aurinkolämmön kehitykselle muodostettiin maltillinen lineaariseen kasvuun perustuva ennuste. Toiseksi työssä tarkasteltiin puun pienpolton lisäämisestä aiheutuvia pienhiukkaspäästöjä ja niiden vaikutusta väestöaltistukseen. Laskentaesimerkin perusteella voidaan todeta, että myös modernien, verrattain vähäpäästöisten varaavien takkojen kasvava käyttö lisää hengitysilman pienhiukkaspitoisuuksia

Lähiökorttelikorjaamisen taloudellinen päätöksenteko. Lähiöohjelma 2008-2011.

Monimuotoisten korttelitason kehityshankkeiden päätöksenteko on haastavaa ja sitä tukevalle kriteeristölle ja työkaluille on selkeästi tarvetta. EVAKO-hankkeessa analysoitiin lähiökorttelikorjaamiseen liittyvää päätöksentekoa ja kehitettiin sitä tukevia työkaluja ja menetelmiä. Näiden tarkoituksena on ohjata lähiöasumista edullisempaan, viihtyisämpään ja erityisesti energiatehokkaampaan suuntaan. Päätöksentekoa analysoitiin Annalan case-alueen kautta tarkastelemalla alueen kohteiden suunnitteluprosessia ja siihen liittyvää päätöksentekoa. Päätöksentekoa tarkasteltiin nimenomaan vuokrataloyhtiöiden näkökulmasta, mutta tuloksia voidaan soveltaa laajalti myös muissa päätöksentekoympäristöissä.Päätöksentekoon vaikuttaneiden tekijöiden ryhmittely osoitti, että lähiökorttelikorjaamiseen liittyvä päätöksenteko on varsin monimutkainen kokonaisuus, johon liittyvien tekijöiden yksiselitteinen ryhmittely on hyvin haastavaa. Oleellisimmat käytännön päätöksentekoon vaikuttaneet tekijät jaettiin kuuden suuremman kokonaisuuden alle. Ryhmitellyt kokonaisuudet eivät kuitenkaan olleet itsenäisiä ja erillisiä kokonaisuuksia, vaan ne näyttivät liittyvän kiinteästi toisiinsa. Näin ollen esimerkiksi energiatehokkuuden käsittely päätöksenteossa omana erillisenä kokonaisuutena ei ole mahdollista, vaan se on huomioitava osana laajempaa kokonaisuutta. Nykyisillä energian hinnoilla energiakustannusten osuus vuokrasta on suuruusluokkaa 10–20 %. Energian hintojen noustessa energiakustannusten osuus vuokrasta kasvaa ja vuokrankorotuspaineet lisääntyvät. Vaikka energiakustannukset muodostavat elinkaaritaloudellisesti merkittävän menoerän ja tulevia vuokrankorotuspaineita voidaan hillitä energiatehokkuutta parantamalla, energiatehokkuus näyttäisi kuitenkin helposti jäävän suunnittelussa muiden asioiden varjoon. Näin ollen kansallisiin ja kansainvälisiin energiatehokkuustavoitteisiin pääseminen tulee vaatimaan korjaamisessa uudenlaista suunnittelun ohjausta.Konkreettiseksi päätöksenteon työkaluksi energiatehokkaiden valintojen tekemiseen osana suunnittelua on esitetty systemaattinen päätöksentekoprosessi. Esitetty menettelytapa mahdollistaa eri ratkaisuvaihtoehtojen systemaattisen vertailun suunnitteluprosessin aikana ja ohjaa valintaa kohti elinkaariedullisinta ratkaisua. Elinkaariedullisuudella tarkoitetaan elinkaariarvojen ja elinkaarikustannusten välistä suhdetta. Esitetty prosessi jakautuu viiteen vaiheeseen, jotka ovat hankkeen perustietojen ja valintoihin vaikuttavien tekijöiden määrittäminen, perusratkaisun suunnittelu, järjestelmävaihtoehtojen valinta järjestelmätasolla, energiansäästötoimenpiteiden valinta rakenne- ja laitetasolla (energiansäästötoimenpiteiden kannattavuusmalli) sekä kokonaisuuksien vertailu ja päätöksenteko.Esitetyn päätöksentekoprosessin neljännen vaiheen (energiansäästötoimenpiteiden valinta rakenne- ja laitetasolla) kehitystyö painottui tässä hankkeessa. Kyseistä vaihetta tukevaksi työkaluksi kehitettiin energiansäästötoimenpiteiden kannattavuusmalli, jonka avulla voidaan vertailla havainnollisesti energiansäästötoimenpiteiden kannattavuutta erilaisissa suunnitteluratkaisuissa. Mallin avulla voidaan tarkastella toimenpiteiden taloudellisia vaikutuksia, energiankulutusvaikutuksia sekä vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin. Kokonaisratkaisuun valittavat energiansäästötoimenpiteet voidaan valita puhtaasti taloudellisen tuottovaatimuksen perusteella tai valinnassa voidaan tarvittaessa ottaa myös arvotekijät huomioon. Tarkastelu voidaan laajentaa rakennustasolta esimerkiksi korttelitasolle, jolloin voidaan hallita laajempaa kokonaisuutta kerralla ja ohjata siihen käytettävissä olevien taloudellisten resurssien kohdistamista. Kannattavuusmallin avulla eri suunnitteluratkaisuihin saadaan valittua järkevät toimenpiteet, minkä jälkeen kokonaisratkaisuja voidaan vertailla keskenään elinkaariedullisuuden perusteella ja valita toteutettavaksi suotuisin vaihtoehto.Tehdyt tarkastelut osoittavat, että energiansäästötoimenpiteiden kannattavuus on määrätyin edellytyksin korjaustoiminnassa parempi kuin uudistuotannossa. Tämä johtuu lähinnä siitä, että korjausrakentamisessa lämmöneristävyyden lähtötaso on merkittävästi uudisrakentamista huonompi. Määrätyillä edellytyksillä viitataan siihen, minkälainen korjaus on päätetty tehdä joka tapauksessa. Korjauksen perusratkaisun määrittämisellä on oleellinen vaikutus korjaushankkeiden energiansäästötoimenpiteiden kannattavuusarvioihin, sillä energiataloudelliset kannattavuusarviot perustuvat energiansäästötoimenpiteiden aiheuttamiin lisäkustannuksiin eikä niissä ole mukana valitusta perusratkaisusta aiheutuvaa kustannusta. On myös hyvä muistaa, että toimenpiteillä saavutettavien energiansäästöjen ja niiden toteuttamisesta aiheutuvien lisäkustannusten määrittämiseen liittyy aina merkittävää epävarmuutta.Näyttäisi siltä, että vuokrataloyhtiöissä ollaan kiinnostuneita perustamaan päätöksiä nykyistä enemmän elinkaarikustannustarkasteluihin. Luotettava elinkaarikustannustarkastelu vaikuttaa kuitenkin vielä olevan vaikeaa ja siihen liittyy huomattavia kehittämistarpeita. Suunnitelmallisen korjaamisen ymmärrystä on edelleen pyrittävä lisäämään ja päätösten taustaksi tarvitaan työkaluja, kuten rakennusten elinkaarikustannustarkasteluihin soveltuvia laskentamalleja, jotka soveltuvat alueellisiin kehityshankkeisiin, joissa sekä korjataan että rakennetaan uutta. Markkinoilla olevat investointilaskentaan tarkoitetut mallit eivät näyttäisi aivan suoraan soveltuvan tällaisiin tarkasteluihin. Nykyisin valinnoissa painottuvat rakennuskustannukset, jolloin elinkaaritaloudellisesti kannattavia toimenpiteitä voi jäädä toteuttamatta. Koska vuokra on vuokrataloyhtiöiden liiketoiminnassa tärkein tulonlähde, toimenpiteiden vaikutus vuokratasoon näyttäisi nykyisin usein saavan elinkaarikustannuksia suuremman painoarvon päätöksiä tehtäessä.Aluekehityshankkeiden elinkaarikustannustarkastelujen yhteydessä on toisinaan aiheellista tarkastella yhtenä vaihtoehtona myös vanhojen rakennusten purkamista. Hankkeessa tehdyt tarkastelut osoittivat, että taloudellisesti tarkasteltuna vanhan rakennuksen purkaminen ja uuden rakentaminen sen tilalle voi tulla kyseeseen joissain tapauksissa. Rakennusten purkamisen kannattavuudesta ei kuitenkaan voida sanoa yleispäteviä totuuksia, vaan tarkastelu on tehtävä aina tapauskohtaisesti. Lisäksi on huomioitava, että puhtaasti europohjaisten tarkastelujen tulokset voivat poiketa sellaisista tarkasteluista, joissa on mukana myös ”luonnontaloudellinen” näkökulma.Rakentamisen ja lähiökorttelikorjaamisen päätöksenteossa on ongelmana, että tietoa eri ratkaisujen vaikutuksista on saatavilla vielä varsin rajoitetusti siinä vaiheessa, kun kustannuksia sitovia päätöksiä joudutaan tekemään. Ammattitaitoisella tietomallien hyödyntämisellä voidaan saada helpotusta tähän ongelmaan, jos tietomallipohjaista suunnittelua ja tiedonsiirtoa pystytään hyödyntämään siten, että suunnitteluprosessin päätöksenteon tueksi saadaan tuotettua riittävän luotettavaa ja havainnollista tietoa aiempaa varhaisemmassa vaiheessa. Tällöin edellytyksenä on, että hankkeen eri osapuolilla on riittävät valmiudet tietomallien ja tietomallipohjaisen tiedonsiirron hyödyntämiseen. Tällä hetkellä tietomalliosaaminen on laajassa mittakaavassa vielä varsin puutteellista.Hankkeen yhtenä tavoitteena oli ohjata asumista viihtyisämpään suuntaan. Toteutettu asukkaiden viihtyvyyskysely osoitti, että naapurista kantautuvat hajut ja äänet ovat usein mainittuja ongelmia. Rakennuksen sisäinen ilmatiiviys on ainakin yksi osasyy hajujen ja äänien kulkeutumiseen ja näyttäisi siltä, ettei sen merkitystä korosteta nykyisin riittävästi. Ilmatiiviys saattaa olla oletettua hankalampi asia eikä sitä ehkä vielä käytännössä ymmärretä riittävän hyvin. Viihtyisyysvaikutustensa lisäksi ilmatiiviys on energiatalouden kannalta merkittävä tekijä. Hankkeen tavoitteisiin liittyvän merkittävyytensä vuoksi ilmatiiviyttä tarkasteltiin erillisenä tarkempana kokonaisuutena.Tutkimushankkeen pääpaino oli energiataloudessa ja tarkastelut osoittivat, että korjausten yhteydessä toteutettuna on olemassa myös taloudellisesti kannattavia energiansäästötoimenpiteitä, mutta niillä saavutettavat säästöt jäävät verrattain vähäisiksi. Energiatehokkuus ei siis juuri parane eikä säästötavoitteita saavuteta, jos energiansäästötoimenpiteiltä edellytetään suurta tuottoa. Tehokkaimmat toimenpiteet, kuten ilmanvaihdon lämmön talteenotto ja seinien lisäeristys jäävät korjausten yhteydessä usein toteuttamatta. Vaikka energiatehokkuudesta puhutaan nykyisin paljon, se on vain yksi osa lähiökehittämiseen liittyvän päätöksenteon monimuotoista ongelmakenttää. Edullisen, viihtyisän ja energiatehokkaan asumisen kannalta on tärkeää, että suunnittelussa ja päätöksenteossa huomioidaan aina ratkaisujen ja päätösten vaikutukset kokonaisuuteen eikä keskitytä liiaksi yksittäisiin osatekijöihin. Lähiöiden kehittämiseen ja energiatehokkuuden parantamiseen tarvitaan uudenlaisia toimintatapoja ja osittain myös asennemuutoksia. EVAKO-hanke on ollut yksi askel asioiden eteenpäin viemisessä ja tekijät uskovat tuotetun tiedon olevan hyödyllistä, kunhan sitä sovelletaan myös käytäntöön.Decision-making in multiform block-level development projects is challenging and a clear need exists for criteria and tools to support it. The EVAKO project analysed the decision-making related to suburban block renovation and developed tools and methods for it. Their aim is to guide suburban housing in a more advantageous, pleasant and, especially, energy-efficient direction. Decision-making was analysed on the basis of the Annala case area by examining the design process of targets there and related decision-making. Decision-making was reviewed specifically from the viewpoint of rental housing companies, but the results are also broadly applicable to other decision-making environments. Classification of the factors that influenced decision-making revealed that decision-making related to suburban block renovation is a quite complicated whole, where clear-cut classification of related factors poses a great challenge. The most essential factors influencing practical decision-making were divided in six larger groups. Yet, the resulting entities were not independent, separate entities, but appeared to be closely interconnected. Thus, for example, it is not possible to treat energy efficiency in decision-making as a separate entity, but it has to be considered as part of a bigger entity. At current energy prices, energy costs account for 10–20% of the rent. As energy prices rise, energy costs’ share of rents increases as does the pressure to raise rents. Although energy costs constitute a significant expense item from the viewpoint of life-cycle economy, and future pressures to raise rents can be restrained by improving energy efficiency, it would appear that energy efficiency nevertheless easily becomes overshadowed by other issues in planning. Thus, a new type of planning process management will be needed to reach national and international energy-efficiency goals. A systematic decision-making process is suggested as the concrete tool for making energy-efficient selections as part of planning. The suggested method allows systematic comparison of alternative solutions during the planning process and guides selection towards the solution providing best life-cycle economy. Life-cycle economy refers to the relationship between life-time values and costs. The suggested process divides into five stages: definition of factors influencing a project’s basic data and selections, planning of the basic solution, selection of system alternatives on the system level, selection of energy-conservation measures on the structural and equipment level (profitability model for energy-conservation measures) and comparison of entities and decision-making. The development work of stage four of the suggested decision-making process (selection of energy-conservation measures on the structural and equipment level) was of high importance in this project. The profitability model for energy-conservation measures was developed as a tool to support this phase. It allows graphic comparison of the profitability of energy-conservation measures with different design solutions. The model can be used to determine the measures’ impacts on economy, energy consumption and greenhouse gas emissions. The energy-conservation measures of a comprehensive solution can be chosen purely on the basis of economic return requirement or value factors can also be considered. The examination may be expanded from the building level to block level which allows controlling a bigger entity at a time and targeting available financial resources to it. The profitability model enables choosing sensible measures for planning solutions which, again, allows comparison of comprehensive solutions based on life-cycle economy and subsequent selection of the most favourable alternative for implementation. Made examinations show that the profitability of energy-conservation measures is higher in renovation than new construction under certain conditions. This is mainly due the fact that in renovation the basic level of thermal insulation is significantly lower than in new construction. These conditions refer to a situation where a decision has been made to implement certain renovations in any case. The definition of the basic renovation solution essentially impacts the profitability assessments of energy-conservation measures of renovation projects since they are based on the additional costs from energy-conservation measures and exclude the cost of the chosen basic solution. It is also good to remember that determining the energy savings resulting from measures implemented and the related extra costs is always subject to considerable uncertainty. It seems that rental housing companies are more interested in basing their decisions on life-cycle cost analysis than is the case today. However, reliable life-cycle cost analyses seem to be hard to make – much development is required in that area. An effort must be made to increase understanding of systematic renovation further, and tools are needed to support decisions, including calculation models suited for life-cycle cost analyses of buildings applicable to area development projects involving both renovation and new construction. The models on the market intended for investment calculation do not appear to be as such suitable for analyses of this type. Presently, construction costs are emphasised in selections which means that measures that are profitable from the lifecycle economic viewpoint may not be taken. Since rents are the key source of revenue for rental housing companies, the impact of measures on the level of rents would appear to outweigh life-cycle costs in decision-making. It is sometimes necessary to consider the demolition of old buildings as an alternative in connection with life-cycle cost analyses of area development projects. The examinations of this project showed that in some cases it may be more economical to tear down an old building and build a new one in its stead. Yet, there are no universal truths concerning the profitability of demolishing buildings; each case must be examined separately. Moreover, it must be taken into account that examinations based solely on monetary value may differ from those that also include the ecological viewpoint. The problem with decision-making in the construction and renovation of suburban blocks is that relatively limited information about the effects of different solutions is available when decisions that lock costs have to be made. Skilled utilisation of information models may ease that problem if BIM-based design and data transfer can be used so as to produce enough reliable and representative data in support of the design process at an earlier phase than before. This requires that the various project parties have sufficient capabilities to exploit information models and BIM-based data transfer. At present, BIM know-how is still quite inadequate in general. One aim of the project was to guide housing in a more comfortable direction. The conducted resident satisfaction survey showed that smells and sounds caused by neighbours are often considered a problem. The internal airtightness of buildings is at least a partial reason for the transmission of smells and sounds, and it would appear that its impact is not emphasised enough today. Airtightness may be a more complex issue than assumed, and its practical implications are perhaps not understood well enough yet. In addition to its impact on comfort, it is also significant for energy economy. Due to its significance for the goals of the project, airtightness was examined more closely as a separate entity. The main focus of the project was energy economy, and the examinations showed that there are energy-conservation measures that can be profitable when implemented in connection with renovations, but the achievable savings are quite small. Thus, energy efficiency is hardly improved and the savings targets will not be reached if the economic return requirement is set too high. The most effective measures, such as ventilation heat recovery and adding extra insulation to walls, are often omitted in renovation. Although energy efficiency is much talked about, it is only a part of the multiform problem field of decision-making in suburban development. Advantageous, comfortable and energy-efficient housing requires that design and decision-making always consider the impacts of solutions and decisions on the whole and not focus too much on individual components. New operational modes are needed in suburban development and improvement of energy efficiency, and some attitudes must also change. The EVAKO project has been one step in that direction, and the authors believe that the generated information is useful when put to practice

Energiaköyhyyden jatkoselvitys liittyen asuntojen lämmitysremontteihin ja energiakuluihin

Selvitys on jatkoa vuonna 2013 ilmestyneelle Selvitys energiaköyhyydestä, kotitalouksien energiakustannukset -raportille. Työssä tarkastellaan tilastojen, energialaskelmien ja haastattelujen avulla omistusasunnoissa asuvien pieni- ja alle keskituloisten talouksien energiaköyhyysriskiä. Energiaköyhyydellä tarkoitetaan vaikeutta ylläpitää perustarpeita energiakustannusten takia. Suomessa on 60 000–100 000 energiaköyhyyden riskiryhmiin kuuluvaa omistusasunnossa asuvaa kotitaloutta eli pieni- ja alle keskituloisia, jotka asuvat perusparantamattomissa 1960- ja 1970-luvun kerrostaloissa tai isoissa ennen vuotta 1980 rakennetuissa tai öljylämmitteisissä pientaloissa. Alueellisesti suurin riski on väestöään menettävillä alueilla, joissa on suhteellisesti eniten pieni- ja alle keskituloisia, kuten Etelä-Savossa, Pohjois-Karjalassa ja Kainuussa. Absoluuttisesti eniten energiaköyhyyden riskiryhmiin kuuluvia on Uudellamaalla. Energiaköyhyyttä voi esiintyä vanhuksilla, joilla ei ole varaa lämmittää taloaan riittävästi. Suomessa energiaköyhyys on harvinaista, sillä sosiaaliturva lieventää sen vaikutuksia. Jos energian reaalihinta nousee parikin prosenttia vuosittain, energiaköyhyyden riski voi lisääntyä. Suurimmat lämmityskustannukset ovat Pohjois-Suomessa suuressa ja vanhassa öljylämmitteisessä omakotitalossa. Ilmaisilla säästötoimenpiteillä, kuten sisälämpötilaa laskemalla, ilmaisella puulla lämmittämällä ja sähkön kilpailutuksella, voi laskea energiakustannuksia 5–35 prosenttia. Lämmitystapamuutoksilla on suurin vaikutus energiakustannuksiin, mutta esteenä ovat suuret investointikustannukset. Lämmitysremontti tulee eteen kaikilla öljylämmittäjillä ja rahoituksen kanssa voi tulla ongelmia. Energiaköyhyysriskiä voidaan pienentää kehittämällä rahoitusmuotoja, kuten malleja, joissa investointikustannukset maksetaan syntyvillä energiakustannussäästöillä tai valtion takaamia lainoja. Energiaköyhyyden riskiryhmät tarvitsevat parempaa energianeuvonnan ja rahoituksen saavutettavuutta

Emissions and power demand in optimal energy retrofit scenarios of the Finnish building stock by 2050

Highlights • Optimized energy retrofits reduced energy consumption of building archetypes. • Four retrofitting scenarios for Finnish building stock by 2050 were analyzed. • District heating demand was reduced by 25–63 % compared to business-as-usual by 2050. • Electricity demand did not rise despite increased heat pump deployment. • CO2 emissions in the retrofit scenarios were reduced by 50–75 % by 2050.Finland and the European Union aim to reduce CO2 emissions by 80–100 % before 2050. This requires drastic changes in all emissions-generating sectors. In the building sector, all new buildings are required to be nearly zero energy buildings. However, 79 % of buildings in Finland were built before 2000, meaning that they lack heat recovery and suffer from badly insulated facades. This study presents four large-scale building energy retrofit scenarios, showing the emission reduction potential in the whole Finnish building stock. Six basic building types with several age categories and heating systems were used to model the energy demand in the building stock. Retrofitted building configurations were chosen using simulation-based multi-objective optimisation and combined according to a novel building stock model. After large-scale building retrofits, the national district heating demand was reduced by 25–63 % compared to the business as usual development scenario. Despite a large increase in the number of heat pumps in the system, retrofits in buildings with direct electric heating can prevent the rise of national electricity consumption. CO2 emissions in the different scenarios were reduced by 50–75 % by 2050 using current emissions factors