Energy demand assessment for space conditioning and domestic hot water : a case study for the Austrian building stock

Abstract

In allen Klimawandel-Reduktionsstrategien wird dem Gebäudesektor eine zentrale Rolle zugewiesen. Daher ist dieser in den vergangenen 10-15 Jahren zunehmend in den Focus der europäischen wie auch nationalen energiepolitischen Rahmenrichtlinien gerückt. Seither hat sich in diesem Bereich viel getan, besonders hinsichtlich des Energiebedarfes von Neubauten getan. Auf nationaler Ebene gemessen, wurden dennoch nicht alle Erwartungen an Energieeffizienzsteigerungen erfüllt. Diese Arbeit verfolgt drei Ziele. Das erste (a) ist die Entwicklung eines umfassenden Modells, das Analysen hinsichtlich der mittel- bis langfristigen Entwicklungen des Energiebedarfes und Endenergieeinsatzes zur Raumkonditionierung und Warmwasserbereitstellung im Gebäudesektor unter unterschiedlichen Rahmenbedingungen unterstützt. Weiters (b) wird die Entwicklung eines disaggregierten und kalibrierten Gebäudedatensatzes mit Energiebedarfs- und -verbrauchsrelevanten Parametern für Österreich verfolgt. Schließlich werden (c) werden die Einflüsse von ausgewählten energiepolitischen Rahmenbedingungen sowie des zukünftigen Klimawandels auf den Energiebedarf und -Verbrauch untersucht. Das erste Ziel führte zur Entwicklung des Invert/EE-Lab Modells, einem umfassenden techno-ökonomischen Bottom-up Modells. Die drei zentralen Rechenelemente des Modells umfassen ein Modul (a) zur Berechnung des Energiebedarfes und -Verbrauches von Gebäuden basierend auf dem Monatsbilanzverfahren und den energetischen Eigenschaften der Gebäudekomponenten, ein Module (b) zur endogenen Berechnung von Maßnahmenraten sowie ein Module (c) zur endogenen Antizipation von Investitionsentscheidungen. Basierend auf dem entwickelten Gebäudebestandsdatensatzes werden Energiebedarf und -Verbrauch des Gebäudesektors anhand von drei Szenarien bis 2030 untersucht. Die ersten beiden Szenarien "mit existierenden Maßnahmen (WEM)" und "mit zusätzlichen Maßnahmen (WAM)" spiegeln die derzeitige energiepolitische Realität wider. Unter diesen Bedingungen reduziert sich der Endenergieeinsatz bis 2030 um 15% bis 17% gegenüber dem Verbrauch von 2012. Das dritte Szenario entstammt einer Diskussion um ambitioniertere Maßnahmenpakete nach 2021 (WAMplus). Durch die zusätzlichen Maßnahmen werden Einsparungen um 25% in 2030 gegenüber 2012 erwirkt. Die Auswirkungen eines globalen Temperaturanstieges in einer IPCC-A1B Klimawandel-Storyline werden anhand der Ergebnisse von drei regionalen Klimamodellen bis 2080 untersucht. Unter dem damit einhergehenden Ansteigen der durchschnittlichen österreichischen Außentemperaturen um etwa 3°C reduziert sich der Energiebedarf für Heizen um etwa 25% bis 2080, der Kühlbedarf steigt um 60%-100% an.

In the past 10-15 years the building sector has increasingly come into the focus of European and national energy policies, as it plays a crucial role in any climate change mitigation strategy. Significant progress has already been made, especially regarding the thermal standard of new buildings. However, not all expectations regarding the decline of the national energy consumption of the considered end-use energy sector have been met. One objective of this thesis is to (a) develop a model framework which is capable of assessing the mid- to long-term trajectories of the energy needs of heating, cooling and domestic hot water. It also assesses the associated final energy demand and how this development might be affected by different (policy) framework conditions. Furthermore, it (b) develops an input dataset for the model of the Austrian building sector, and (c) analyzes different futures for the assessed sector. The outcomes of the first two objectives result in the Invert/EE-Lab model, a comprehensive modeling framework and a highly disaggregated numerical description of the Austrian building stock. Methodologically, the developed model is an engineering-based bottom-up model augmented by statistical bottom-up elements. The model kernel consists of three modules: the building physics energy calculation engine, the building demolition and building element replacement calculation module, and the investment decision module based on the concept of logit models combined with a technology diffusion model. The Austrian energy demand for space heating and hot water under constant climate conditions and the energy carriers applied to supply the demand until 2030, are analyzed in three policy scenarios. The first two scenarios, the "with existing measures" (WEM) scenario and the "with additional measures" (WAM) scenario, describe (a) the currently implemented policy measures (implemented in 2012) and (b) additional measures, which are likely to be enforced within the next few years. According to these settings, the final energy demand will be reduced by between 15% (WEM) and 17 % (WAM) until 2030, compared to level of 2012. The third policy scenario implements additional, more ambitious policy settings after 2020. These policy settings in the WAM+-scenario will trigger additional energy savings of 8 TWh, resulting in a total reduction of 25% until 2030 compared to the level of 2012. Finally, the impact of the climate change on the energy needs for the heating and cooling of the Austrian building stock until 2080 is evaluated. Under IPCC-A1B climate conditions (~3°C-scenario) the energy needs for heating will decline by about 25% until 2080 (~12% in 2050) compared to constant climate conditions. The analysis also reveals that the cooling is more sensitive to increasing temperatures. Depending on the regional climate model, cooling needs will increase by about 60%-100% until 2080 (40%-60% until 2050) compared to current climate conditions.