Optimal production and use of solar electricity in municipal nearly zero energy service buildings

Like other EU countries, Finland must implement the EU Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), requiring all new buildings to be nearly Zero Energy Buildings from the year 2021. Municipal buildings are required to be nearly Zero Energy Buildings from the year 2019. This thesis investigates municipal service buildings and the role of solar photovoltaics (PV) in improving their energy performance, in view of the future nZEB regulation. Three case study municipal service buildings from Tampere, Finland, are modelled and their energy performance is simulated. The service buildings include a day-care centre, a school and a renovated old people’s home. Simulation-based optimization is employed to find the optimal solar panel areas and inclinations for each case study building. The objectives to be minimized are net present value (NPV) of system life-cycle cost for 20 years and building primary energy consumption. A standard commercially available solar panel type is assumed. Electricity pricing is based on current rates. It is found that own solar PV generation can lower the service building energy performance considerably, if there is enough roof space for panel installation. With current electricity tariffs, PV generation is financially profitable in the old people’s home, where it can bring a maximum profit of 2,7–3,6 €/m2, depending on the main heating solution. The maximum profit occurs with 461 m2 of solar panels, with inclination angle of 48°, and combined with an air-to-water heat pump. With this arrangement, the primary energy use of the building is lowered by 13%. Generally solar PV production is a more profitable combination with a heat pump solution than with district heating. Solar PV generation does not create a net profit in the day-care or school building, because unlike the old people’s home, they are closed during the summer. The profitability of solar PV generation also depends on the basic heating solution, electricity tariffs, the future behaviour of real interest rate, energy price escalation and solar panel pricing. Sensitivity analysis and additional optimization cases reveal that even for the day-care and school buildings, financial profitability is not far away. If considering the measured electricity use from the whole property of the day-care centre, installing solar PV is profitable even at current electricity tariffs and installation prices, creating a maximum profit of 1,6–1,8 €/m2. Key recommendation for municipalities is to design new care housing buildings with enough south-facing roof area for a large solar PV system. Solar PV production should be first implemented in buildings that are occupied throughout the year, and can utilize as much as possible of the own generation. When considering the profitability of the solar PV installation, it is necessary to know the actual electricity consumption arising from the whole property, and not just the building. For educational buildings, solar PV is the best candidate for the buildings that are open also in the summer, e.g. those day-care centres that do not close for the summer holiday. Even if the future nZEB targets do not necessitate own solar PV generation in municipal service buildings, both the financial profitability and the energy efficiency improvements should encourage municipal solar PV installations, especially in nursing homes

Emission reduction potential of different types of Finnish buildings through energy retrofits

Energy retrofitting of buildings shows great potential in reducing CO2 emissions. However, most retrofitting studies only focus on a single building type. This paper shows the relative potential in six Finnish building types, to identify possible focus areas for future retrofits in Finland. Data from previous optimization studies was used to provide optimal cases for comparison. Energy demand of the buildings was generated through dynamic simulation with the IDA-ICE software. The cases were compared according to emissions reduction, investment and life cycle cost. It was found that, in all buildings, it was possible to reduce emissions cost-neutrally by 20% to 70% in buildings with district heating and by 70% to 95% using heat pumps. Single-family homes with oil or wood boilers switching to heat pumps had the greatest emission reduction potential. More stringent requirements for energy efficiency could be mandated during building renovation

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

Taloudellisten kannusteiden käyttö vähähiilisen rakentamisen ohjauksessa : TALO-hankkeen loppuraportti

Rakennetun ympäristön osuus Suomen energiankulutuksesta ja kasvihuonekaasupäästöistä on tällä hetkellä huomattavan suuri. Yleisen arvion mukaan rakennuksissa käytetään lähes 40 prosenttia kokonaisenergian kulutuksesta, ja rakentaminen, rakennusten lämmitys ja sähkönkäyttö aiheuttavat yli 30 prosenttia kasvihuonekaasupäästöistä Suomessa. Rakennusmateriaalien osuus rakennuksen elinkaaren aikaisesta hiilijalanjäljestä arvioitiin aiemmin vähäiseksi käytön aikaisiin päästöihin verrattuna. Rakennusmateriaalien tuotannosta aiheutuneiden päästöjen vaikutus on kuitenkin sitä merkittävämpi, mitä energiatehokkaampia rakennukset ovat ja mitä enemmän rakennuksissa hyödynnetään ympäristön uusiutuvia energialähteitä. Myös energiantuotannon päästöjen vähentyessä rakennusmateriaalien päästöjen vaikutus korostuu. Ympäristöministeriön tavoitteena on, että rakennuksen elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä ohjataan lainsäädännöllä vuoteen 2025 mennessä. Tässä selvityksessä arvioidaan neljän taloudellisen ohjauskeinon vaikutuksia vähähiilisen rakentamisen edistämisessä. Ohjauskeinoja arvioidaan mahdollisen raja-arvo-ohjauksen rinnalla vähähiilisen uudisrakentamisen edistämisessä ja itsenäisinä keinoina vähähiilisen korjausrakentamisen edistämisessä. Rakennustyypeistä tässä selvityksessä arvioidut taloudelliset ohjauskeinot kohdistuisivat asuinkerrostaloihin. Uudisrakentamisen arvioidut ohjauskeinot ovat: (1) valtion avustus, (2) kiinteistöverosta vapauttaminen, ja (3) lisärakennusoikeuden myöntäminen. Tuen saamisen kriteerinä on erittäin vähähiilinen rakentaminen. Erittäin vähähiilisen asuinkerrostalon kriteeri määritettiin tässä tarkastelussa elinkaarisen hiilijalanjälkilaskennan perusteella. Korjausrakentamisen arvioitu ohjauskeino on avustus asuinkerrostalojen vähähiilisiin korjauksiin. Avustuksen kriteerinä olisi käytönaikaisen energiankulutuksen päästöjen voimakas lasku. Selvityksen tulosten perusteella valtion tuki erittäin vähähiiliselle uudisrakentamiselle ja asuinkerrosten vähähiilisten korjausten avustukset saisivat aikaan vähähiilisiä asuinkerrostaloja ja korjausrakentamisessa kohtuuhintaisia päästövähennyksiä. Sen sijaan kiinteistöverosta vapauttaminen viideksi vuodeksi ei ole riittävä kannuste rakentaa erittäin vähähiilisiä asuinkerrostaloja. Lisärakennusoikeuden myöntäminen puolestaan on tulosten mukaan riittävä kannuste rakentajalle, mutta sen käyttöönoton laajuus perustuisi kuntien halukkuuteen ottaa ohjauskeino käyttöön

Vähähiilisyys ja kiertotalous julkisissa hankinnoissa - Kiihdyttämö –hankkeen tulokset, opit ja kokemukset

Kaupungit ja kunnat ovat keskeisiä toimijoita hiilineutraalin kiertotalouden edistämisessä. Kuntatasolla tehtävät julkiset hankinnat ovat vuodessa lähes 20 miljardia euroa, mikä on kaksi kolmasosaa julkisen sektorin hankinnoista. Julkisten varojen kohdentamisella vähähiilisiin ja kiertotaloutta edistäviin ratkaisuihin voidaan vauhdittaa niiden markkinoita ja hyvien käytäntöjen leviämistä. Kiihdyttämö-hankkeen tavoite oli tuoda vähähiilisyys ja kiertotalous mukaan kuntien hankintoihin erityisesti hankesuunnitteluvaiheessa. Tässä raportissa kuvataan Kiihdyttämön tulokset, opit ja kokemukset siitä, miten kiertotalous ja vähähiilisyys voidaan ottaa keskeisiksi tavoitteiksi jo hankintojen suunnitteluvaiheessa ja kytkeä tavoitteet kilpailutukseen. Raportissa tuodaan esiin tarkasteltujen hankintakohteiden tärkeimmät vähähiilisyys- ja kiertotalousnäkökohdat sekä niiden odotettavissa olevat hyödyt ja tehdään toimenpide-ehdotuksia näiden huomioimiseksi suunnitteluprosessissa. Kiihdyttämössä tarkasteltiin kymmentä hankintakohdetta rakentamisen, liikkumisen ja ruokapalveluiden teemoissa. Lisäksi vauhditettiin kahta yhteishankintaa, sekä edistettiin EUn tarjoamaa ELENA-rahoituksen käyttöä hankintojen valmisteluun. Kiihdyttämön keskeisenä menetelmänä oli toimintatutkimus, jonka puitteissa pidettiin yhteiskehittämiseen pohjautuvia sparraus- ja työpajatilaisuuksia. Parhaat edellytykset vähähiilisyys- ja kiertotalousnäkökohtien huomioimiselle hankintaprosessissa on silloin, kun ne on asetettu tavoitteeksi jo mahdollisimman varhaisessa suunnitteluvaiheessa. Esimerkiksi rakentamisen hankkeissa päälämmitysjärjestelmän valinta osoittautui vähähiilisyyden näkökulmasta merkittäväksi. Jos se oli päätetty jo ennen kilpailutusta, niin hiilijalanjälkeen ei voitu enää kilpailutuksessa merkittävästi vaikuttaa. Myöhäisemmässä vaiheessa voidaan toki vaikuttaa materiaalivalintoihin ja pienentää hiilijalanjälkeä omalla uusiutuvan energian tuotannolla, mutta vain rajallisesti. Hiilijalanjälkilaskentaa käytettiin Kiihdyttämössä osoittamaan eri vaihtoehtojen ympäristövaikutuksia, mutta se ei kuitenkaan ole ainoa kestävyyden mittari. Muuntojoustavuus ja tilatehokkuus ovat kiertotalouden mukaisia tavoitteita ja toteutuessaan pienentävät rakennetun ympäristön päästöjä, vaikka vaikutus ei näkyisikään yksittäisen rakennuksen hiilijalanjälkilaskelmassa. Samoin kiertotalouden resurssitehokkuuden näkökulmasta on tärkeää edistää uusiomateriaalien käyttöä ja säästää neitseellisiä luonnonvaroja, vaikka se ei näkyisikään merkittävänä vaikutuksena rakennuksen hiilijalanjäljessä. Liikennejärjestelmissä on käynnissä useita muutostrendejä. Tavoitteena on lisätä sähkö- ja biokaasukäyttöisten autojen osuutta liikenteessä ja niitä tukevaa latausinfrastruktuuria. Kiihdyttämössä toteutettiin tätä tukevia yhteishankintoja yhdessä KL-Kuntahankintojen kanssa. Lisäksi edistettiin yhteiskäyttöautojen hankintaa, jossa ajatuksena on pienentää kuntien omistamaa autokantaa ja tehostaa kaluston käyttöä. Korttelikilpailutuksessa kiertotalous tuli esiin muun muassa rakentamisen ja liikenteen infrastruktuurin edistämisenä sekä uusien toimintatapojen, palveluiden ja yhteisöllisyyden kehittämisenä. Ruokapalveluiden hankintoihin Kiihdyttämössä kehitettiin hiilijalanjälkilaskuri, jonka avulla ruokapalveluiden päästöt ja hävikin merkitys tehtiin näkyviksi. Laskurin avulla pystytään paremmin tarttumaan konkreettisiin mahdollisuuksiin ruokapalveluiden hiilijalanjäljen pienentämiseksi. Päästölaskuri on avoimesti ladattavissa ja sen avulla kunnat pystyvät arvioimaan hiilineutraalisuustavoitteidensa saavuttamista. Kestävyystavoitteiden läpivienti julkisessa hankinnassa edellyttää paitsi tietoa ja osaamista niin myös toimijoiden sitoutumista monella tasolla. Kuntapäättäjien ja esittelevien virkamiesten ymmärryksen lisääminen elinkaarinäkökulmasta sekä tuki ja sitoutuminen kestävyystavoitteisiin hankkeen eri vaiheissa on ensiarvoisen tärkeää. Tuomalla tutuksi EUn ELENA-rahoitusta ja muita rahoitusmahdollisuuksia, voidaan hankkijoita kannustaa kestäviin hankintoihin. Kiihdyttämön tapauskohtainen asioiden työstäminen hankesuunnitteluvaiheessa koettiin hyödylliseksi erityisesti silloin, kun siihen osallistuvat hankkeen toteutuksen ja päätösten kannalta keskeiset henkilöt yhdessä asiantuntijoiden kanssa

Comprehensive development of nearly zero-energy municipal service buildings (COMBI). Tutkimushankkeen johdanto- ja yhteenvetoraportti.

Tässä COMBI-tutkimushankkeen johdanto- ja yhteenvetoraportissa esitetään vuosina 2015—2018 toteutetun tutkimushankkeen keskeiset suositukset ja johtopäätökset. Hankkeen tavoitteena on ollut parantaa julkisten palvelurakennusten, kuten koulujen, päiväkotien ja vanhainkotien energiatehokkuutta turvallisesti ja kustannustehokkaasti. Hankkeessa on tarkasteltu sekä uudis- että korjausrakentamista.Tutkittuja aihepiirejä on hankkeessa ollut suuri määrä. Arkkitehtuurin osalta on tarkasteltu palvelurakennusten arkkitehtisuunnittelun kehittämistä energiatehokkuuden ja tilasuunnittelun näkökulmista sekä ympäristöystävällisyyden ja kestävyyden huomioon ottamista arkkitehtisuunnittelussa. Rakenteiden osalta on tutkittu niiden lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa ja määritetty kosteusteknisiä materiaaliominaisuuksia. Kenttätutkimuksissa on tarkasteltu sisäilman olosuhteita 24 palvelurakennuksessa Tampereen ja ympäristökuntien sekä Helsingin alueella. Myös palvelurakennusten laskennallista ja toteutunutta energiankulutusta on tutkittu Tampereen, Helsingin ja Oulun kohteista. Taloteknisten järjestelmien osalta on tarkasteltu niiden kustannusoptimaalisuutta, uusiutuvan energian etätuotantoa, taloautomaatiojärjestelmien toimintaa, aurinkosuojausta ja valaistusta. Rakennusprosessin osalta näkökulmina ovat olleet päätöksenteon prosessit, talotekniikan käytännön toteutus, rakennuksen toimivuuden varmistus sekä olosuhteiden ja energiankulutuksen seuranta. Lisäksi on kehitetty työkaluja rakennushankkeen taloudellisuustarkasteluihin.Tämän johdanto- ja yhteenvetoraportin liitteenä on hankkeen tulosten pohjalta koottu COMBI 8 suosituslista, jossa esitettyjen toimenpiteiden katsotaan laajasti edesauttavan julkisten palvelurakennusten toimivuutta ja energiatehokkuutta. Raportin liitteenä on myös 45 kpl lyhyitä tuloskortteja sekä niihin liittyvät esitysaineistot, joiden tarkoituksena on helpottaa hankkeessa kerätyn tiedon leviämistä. Hankkeen alkuperäisjulkaisut on listattu tämän raportin liitteenä olevassa julkaisuluettelossa.Keskeisenä johtopäätöksenä todetaan, että hyvä energiatehokkuus on ainoastaan yksi laadukkaan rakentamisen monista ominaisuuksista. Laadukas rakentaminen edellyttää kokonaisvaltaista ja oikeaaikaista asioiden tarkastelua sekä ehjän ketjun rakentamista suunnittelusta toteutukseen ja käyttöön. Tässä onnistumisen edellytyksenä ovat rakennushankkeessa ja sen jälkeen rakennuksen parissa toimivien henkilöiden hyvä ammattitaito ja yhteistyö sekä riittävät resurssit. COMBI-hankkeen tulosten tavoitteena on antaa eri osapuolille tietoa ja työkaluja turvallisen, taloudellisen ja energiatehokkaan lopputuloksen saavuttamiseksi

Melt pond formation and temporal evolution at the drifting station Tara during summer 2007

Melt pond coverage of sea ice in the High Arctic was observed for a period of 28 days: from 24 June to 21 July 2007. Pond fractions were computed from digital photographs automatically obtained with a camera and computer unit mounted in the mast of the drifting polar schooner Tara. The area visible in the series of images corresponds to approximately 6400 m2 on the ice. By applying iterative image classification methods, the images were partitioned into melt ponds and other surface types, such as ice or snow. The percentage of melt ponds could be calculated for 22 out of 28 days. Six days were omitted from the analysis because of weather conditions causing poor visibility. Melt pond coverage was seen to rise rapidly shortly after the melt ponds started forming: between 24 and 30 June 2007 the pond fraction increased from 3 to 14%. After the first rapid growth period, the pond fraction increased more gradually, reaching 15% at the end of the data collection period (21 July 2007). Estimated with additional data, the maximum melt pond coverage was reached in mid- August, and totalled 32–42%. Melt onset date and the initial rapid melt pond growth agree well with previous research, but the areal pond coverage appears surprisingly high for the latitude (88°N). Direct comparison with previously observed melt pond coverage is rendered difficult by scarce observations of pond coverage sufficiently high up in the Arctic

Renovation results of Finnish single-family renovation subsidies : Oil boiler replacement with heat pumps

Finland has approximately 150,000 oil-heated private homes. In 2020, the Finnish government launched subsidies for private homeowner energy renovations. In this study, we examine the impact of two new energy renovation subsidies, the ELY grant and the ARA grant, from an energy efficiency point of view. Data from these subsidies reveal that a typical energy renovation case is a building from the 1970s where the oil boiler is replaced with an air-to-water heat pump. With additional data from the Finnish Energy certificate registry, a reference 1970s house is constructed and modelled in the building simulation programme, IDA ICE 4.8. Combinations of several renovation measures are simulated: air-to-water heat pump, ground-source heat pump, ventilation heat recovery and improved insulation. We found that resorting mainly to air-to-water heat pumps is not the most energy-effective solution. Ground-source heat pumps deliver a more significant reduction in delivered energy, especially with additional measures on insulation and heat recovery. Groundsource heat pumps also demand slightly less power than air-to-water heat pumps. Onsite solar PV generation helps supplement part of the power needed for heat pump solutions. Subsidy policies should emphasize deep renovation, ventilation heat recovery and onsite electricity generation

Cost-optimal energy performance measures in a new daycare building in cold climate

New municipal service buildings must be energy effective, and cost-optimality is one of the criteria for selecting the suitable energy performance improvement measures. A daycare building in a cold climate was studied by means of simulation-based, multi-objective optimisation. Using a genetic algorithm, both target energy use and life-cycle cost of the selected measures were minimised. It was found that extensive insulation of the building envelope is not a cost-optimal method to reduce the daycare building energy use. Improving energy efficiency of the ventilation system, utilising solar energy on-site and employing a light control strategy are preferable ways of improving the building energy performance. Ground-source heat pump is a more cost-optimal heating system for the daycare building than district heating. The cost-optimal sizing of the heat pump is small, only 28% of the required maximum heating power. Abbreviations: AHU: air handling unit; CAV: constant air volume; COMBI: comprehensive development of nearly zero-energy municipal service buildings; COP: coefficient of performance; DH: district heating; DHW: domestic hot water; EPBD: energy performance of buildings directive; EU: European Union; FINVAC: Finnish Association of HVAC Societies; GSHP: ground-source heat pump; HRU: heat recovery unit; IDA ICE: IDA Indoor Climate and Energy; LED: light-emitting diode; MOBO: multi-objective building optimisation tool; NSGA-II: Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II; nZEB: nearly zero-energy building; PV: photovoltaic; TRY: test reference year; VAV: variable air volume; ZEB: zero-energy buildingPeer reviewe

Cost optimal energy performance renovation measures in a municipal service building in a cold climate

The energy saving potential of existing buildings is significant compared to new buildings in the EU region. To reduce significantly the CO2 emissions of buildings, energy efficiency of old buildings need to be improved. Aim of this study is to determine cost-optimal solutions for energy renovation and renewable energy production systems for an old existing service building. The example building of this study is a residence for elderly people, which was built in 1955 and located in Finland. This study was carried out by a dynamic building simulation tool IDA-ICE and multi objective optimization tool MOBO. The cost-optimal renovation concepts were determined from over 2.6 billion renovation measure combinations to minimize both target energy consumption and life-cycle costs over 20 years. The results show that air-to-water heat pump is more cost effective heating system for the studied building than district heating from the building owner point of view. Improving thermal insulation level of the external wallsfrom the original level is not the most cost-effective option to improve the energy efficiency of the building. Instead of that, for example, installation of PV and solar thermal systems are recommended in all the cost-optimal solutions regardless of the target energy consumption level.Peer reviewe