The role of staged retrofits in the space heating decarbonisation of residential buildings

Abstract

Die Dissertation befasst sich mit den wirtschaftlichen Hindernissen der Haushalte und der schrittweisen Sanierung als Renovierungsansatz, um die Lücke zwischen der Modellierung der Gebäudesanierung und der realen Praxis zu schließen. Die folgenden Forschungsfragen werden beantwortet: 1) Welche Erkenntnisse über die Auslöser für Gebäudesanierungen ergeben sich aus der Zusammenführung von EU-SILC- und HBS-Datensätzen zur Erstellung von techno-sozioökonomischen Datensätzen? 2) Welche Erkenntnisse lassen sich aus einem technisch-ökonomischen Optimierungsmodell gewinnen, das den optimalen Zeitpunkt für die stufenweise Sanierung von Gebäuden ermittelt? 3) Welchen Einfluss haben gestaffelte Sanierungen auf die CO2-Emissionen verschiedener Gebäudetypen? In dieser Arbeit werden zwei Neuerungen vorgestellt: ein Modell zur statistischen Abstimmung von EU-SILC- und HBS-Datenquellen und ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell zur Bestimmung des optimalen Zeitplans für gestaffelte Nachrüstungen. Zwei Fallstudien beantworten die Forschungsfragen, indem sie kosten- und klimaoptimale Varianten von Energieeffizienzmaßnahmen in Spanien, Deutschland und Schweden vergleichen und den optimalen Zeitpunkt unter Verwendung datengestützter Haushaltsbudgets für den Fall Spaniens bewerten. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig es ist, bei der Sanierung des Gebäudebestands technische und sozioökonomische Heterogenitäten zu berücksichtigen und den Einfluss des verfügbaren Budgets auf die zeitliche Dimension der Sanierung zu berücksichtigen. Außerdem zeigen sie Schwachstellen bei einigen Haushaltstypen und Auslöser auf, die den Sanierungsansatz beeinflussen (z. B. Erdgasausgaben und Materialalterungsprozess). Die optimierten Fahrpläne schlagen 3 bis 17 Jahre vor, je nach Gebäudeeigenschaften und verfügbarem Haushaltsbudget. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Schluss, dass für die Dekarbonisierung des Wärmebedarfs von Gebäuden ein gut abgestimmter Mix aus ein- und mehrstufigen Sanierungsmaßnahmen erforderlich ist. Darüber hinaus enthält die Arbeit politische Empfehlungen, einschließlich der Vorgabe von Mindestenergieeffizienzniveaus pro Stufe. Darüber hinaus empfiehlt diese Arbeit die Verwendung von Messgrößen, die die zeitliche Dimension von Gebäudesanierungen darstellen (z. B. kumulierte CO2-Emissionen), um den Fortschritt bei der Dekarbonisierung des Gebäudebestands zu überwachen.

The thesis addresses households’ economic barriers and staged retrofits as a renovation approach, bridging the gap between building retrofit modelling and real-life practices. The following research questions are answered: 1) What are the insights about triggers for building retrofitting when merging EU-SILC and HBS datasets to generate techno-socioeconomic datasets? 2) When assessing the time dimension of staged retrofits, what are the insights from a techno-economic optimisation model that delivers the optimum timing? 3) What is the impact of staged retrofits on the CO2 emissions of different building types? The thesis introduces two novelties: a model to match EU-SILC and HBS data sources statistically and a mixed-integer linear optimisation model for determining staged retrofit optimum timing. Two case studies answer the research questions by comparing cost- and climate-optimal energy efficiency measures variants in Spain, Germany, and Sweden and assessing the optimum timing using data-driven household budgets for the case of Spain. Findings highlight the importance of considering techno-socioeconomic heterogeneities when retrofitting the building stock and the influence of available budget on the retrofit’s time dimension. Also, they reveal vulnerabilities in some household types and triggers that influence the retrofitting approach (such as natural gas expenditure and material ageing process). The optimised roadmaps suggest 3 to 17 years, depending on building characteristics and available household budgets. The present thesis concludes that a well-coordinated mix of single-stage and staged retrofits is necessary for decarbonising buildings’ heating demand. Moreover, the thesis provides policy recommendations, including the requirement of minimum energy performance levels per stage. Furthermore, this thesis advises using metrics representing the time dimension of building retrofits (for example, cumulative CO2 emissions) to monitor the building stock decarbonisation progress.