Economic comparison of renewable heating systems in two different European countries in consideration of refurbishment of buildings - Cost/Energy Curves

Abstract

Für den Gebäudesektor werden etwa 40 % des gesamten Endenergieverbrauchs der Europäischen Union gebraucht und somit sind Gebäude die größten Beteiligten (ca. 26 %) zu den europäischen CO2-Emissionen. Daher spielen heutzutage die Sanierung der bestehenden Gebäudetypen, die Steigerung der Gesamtenergieeffizienz und die Förderung von erneuerbaren Energien eine sehr bedeutende Rolle für die europäischen Länder. Das Ziel der Arbeit ist die Analyse, Bewertung und Erstellung von Kostenoptimalitäts-Kurven in zwei verschiedenen europäischen Ländern (Schweden und Slowenien) für die Sanierung von Ein- und Mehrfamilienhäusern. Im Weiteren wird analysiert, unter welchen Umständen die Kosten-Optimalitätspunkte gesetzt werden können, um Sanierungsentscheidungen abhängig von Energieverbrauch, Gebäudesanierung und Heizungssystem zu unterstützen. Als Ergebnis der Arbeit wurden enorme Potenziale für Energieeinsparungen in Bezug auf die Gebäudehülle und Heizungssysteme (bei Nutzung von Solarenergie und Wärmepumpen) erforscht. Um wirksame Sanierungsmaßnahmen auszuwählen und die Energiesparpotentiale zu quantifizieren, wird eine spezifische Methodik in Form von Fallstudien an den Referenzobjekten angewendet. Diese Methodik definiert, wie Maßnahmen in Bezug auf ihre Energieperformance und Umsetzungskosten mit der Zielsetzung, die Kostenoptimalitätsniveaus festzustellen, an den Referenzgebäuden umgesetzt werden. Für unklare Parameter (Servicefaktor und Zinssatz) wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt und die Abweichungen der Ergebnisse untersucht, um eine gültige Aussage zu finden bzw. festzustellen, um wie viel die tatsächlichen Ergebnisse abweichen können. Die Ergebnisse zeigen, dass Wärmepumpen das effizienteste Heizungssystem mit den höchsten Primärenergieeinsparungen sind, welche Energieeinsparungen von bis zu 58 % ermöglichen. Wärmepumpen hängen jedoch von den Jahresarbeitszahlen ab, welche unter realen Bedingungen für verschiedene Gebäuden ganz erheblich variieren. Für den Einsatz von solarthermischen Anlagen, spielen die geographische Lage und damit die Sonnenstrahlung eine herausragende Rolle. Die Energieeigenschaften der Gebäudeteile haben eine deutliche Auswirkung auf die Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes. Um die kostenoptimalen Niveaus festzustellen, müssen alle Möglichkeiten der Sanierung im Detail untersucht werden. In diesem Zusammenhang entsprechen die Ergebnisse des slowenischen Mehrfamilienhauses jenen Ergebnissen, welche wir aus der Literatur kennen. In allen anderen Fallstudien (Ein- und Mehrfamilienhäuser) konnte dieses typische Muster nicht reproduziert werden. Die Gründe dafür sind die angewandten Energiepreise, Investitionskosten, Zinssätze, Nichtberücksichtigung der externen Kosten usw. In dieser Arbeit wurden die Änderung des Zinssatzes und des Servicefaktors für die Sensitivitätsanalyse berücksichtigt. So können die Parameter für die Sensitivitätsanalyse ein weiterer Grund sein, da genau diese Kombination in der Literatur nicht vorkommt. Schließlich führt die Erhöhung des Zinssatzes wie erwartet zu einer Verringerung der Kosten zwischen verschiedenen Heizsystemen und die Kostenoptimalitätspunkte werden von niedrigeren Nettoprimärenergien zu höheren verschoben.

Total final energy consumption used for the building sector of the European Union is about 40% and buildings are the biggest single contributor (about 26%) to European CO2 emissions. Therefore, the refurbishment of different buildings, increase of total energy efficiency and support of renewable energies is becoming a very important concern for European countries. The aim of the thesis is the analysis, evaluation and development of cost-optimality curves in two different European countries (Sweden and Slovenia) for the renovation of single- and multi-family houses. Furthermore, it will be analysed under which circumstances the cost-optimality point can be set in order to support refurbishment choices depending on energy consumption, building refurbishment and heating systems. As an outcome of the work, enormous potentials for energy savings regarding building envelope and heating systems (use of solar energy and heat pumps) are explored. To select effective refurbishment measures and to quantify the energy saving potentials, a specific methodology is performed on reference buildings in the form of case studies. This methodology defines how to compare measures in relation to their energy performance and implementation costs, and how to adopt these to chosen reference buildings with the target of setting cost-optimal levels. A sensitivity analysis for unclear parameters (service factor and discount rate) is carried out and the deviation of the results are investigated in order to find out whether a general statement is valid or how much the actual result may differ. The results show heat pumps as the most-effective heating systems with the highest primary energy savings, which allow up to 58% in energy savings. However, heat pump depends on the COP achieved under real conditions which can vary quite significantly among buildings. For the application of solar thermal systems, the geographical location and thus solar radiation plays a prominent role. Energy characteristics of the buildings have an evident impact on the energy performance of the building. To find the cost-optimal level, all possible options of refurbishment need to be studied in detail. In this context, the results of the Slovenian multi-family house correspond to results typically obtained in the literature. In all other case studies (single- and multi-family houses) this typical pattern could not be reproduced. Reasons are applied energy prices, investment costs, interest rate, not including external costs etc. In this thesis, change of the discount rate and service factors were considered for the sensitivity analysis. Therefore, another reason may be the parameters used for the sensitivity analysis, as exactly this combination cannot be found in the literature. Finally, as expected, the increase of the discount rate leads to a cost decrease between different heating systems and moves the cost-optimal level from lower net primary energy to a higher one.