Smart specialisering inom kunskapsområdet energieffektivt samhällsbyggande

Syftet med rapporten är att utgöra underlag för Dalarnas strategi för smart specialisering inom energiområdet, vilken görs enligt den europeiska modellen framarbetad av Sevilla-plattformen; Regional Forsknings- och Innovationsstrategi (RIS3). Rapporten motsvarar enligt denna modell steg 5 i processen. Rapporten ger svar på om kunskapsområdet Energieffektivt samhällsbyggande kan kvalificera sig för att vara ett prioriterat område för smart specialisering i Dalarna och lämnar förslag på hur en öppen innovationsarena inom kunskapsområdet kan organiseras. Förslag lämnas på roller och funktioner för respektive organisation inom innovationssystemet, däribland Högskolan.  EUs strategi för tillväxt och jobb ”EU 2020 – Smart och hållbar tillväxt för alla” kopplar samman tillväxt och lösningen av samhällsutmaningar. I strategin ingår att styra alla befintliga verktyg i strategins riktning, vilket innebär skärpta krav på att jobba enligt strategin om man vill komma åt stöd från olika finansiella program. EUs flaggskepp ”Innovationsunionen” framhåller att konkurrenskraft och tillväxt är beroende av innovation inom produkter, tjänster, handel och samhällsmässiga processer och modeller. För att lyckas med detta behöver varje europeisk region analysera och fokusera på sina starkaste områden. EUs program för forskning och innovation Horizon 2020 ställer krav på nyttiggörande av forskning och samverkan med omgivande samhälle, varför ökad företagssamverkan behövs. Dalarnas satsning på smart specialisering inom området Energieffektivt samhällsbyggande stöds av såväl nationella som regionala innovationsstrategin, Dalarnas regionala utvecklingsstrategi, Norra Mellansveriges strukturfondsprogram, m fl programskrivningar. Kunskapsområdet energieffektivt samhällsbyggande spänner över ett brett område där allt från energiproduktion och energiöverföring till energins användning ingår. Ordet samhälle i namnet för kunskapsområdet markerar att det omfattar mer än byggande av hus. Det är energieffektiviteten som är den samlande faktorn. En vision för kunskapsområdet finns redan beslutad i Dalarnas energi- och klimatstrategi.  Analysen av spetskompetens visar att det finns förutsättningar att hävda eller utveckla excellens och nå tillväxt inom flera områden inom energieffektivt samhällsbyggande, däribland elöverföring, smarta elnät, energisystem, solenergi, energieffektivt byggande och IT-transportlösningar. Dock saknas i flera fall dokumentation av hur olika verksamheter och spetskompetenser befinner sig i jämförelse med andra. Baserat på analysen konstateras att Energieffektivt samhällsbyggande kvalificerar sig för att vara ett prioriterat område för smart specialisering i Dalarna. I rapporten kartläggs och beskrivs alla aktörer inom kunskapsområdet. Tillsammans täcker de in de flesta delar av energiomställningen och innovationssystemet, uppbackat av ett starkt regionalt ledarskap och Dalarna som Pilotlän för grön utveckling. En ingående funktionsanalys av innovationssystemet inom kunskapsområdet identifierar några brister som föreslås lösas.  Förslag lämnas på alla berörda aktörers roller och funktioner i innovationssystemet, där klustren förväntas ta en nyckelroll i att generera idéflöden och implementera innovationer. Högskolan Dalarna ges en central roll i specialiseringen inom energiområdet och föreslås inneha både ett energikompetenscentrum och ett innovationscenter. En öppen innovationsarena kan skapas av de tre FoI-miljöerna byggande, smarta elnät och IT i transportsektorn. Rapporten föreslår innovationsarenans arbetssätt och verksamhet.

Techno-economic analysis of three HVAC retrofitting options

Accounting for around 40% of the total final energy consumption, the building stock is an important area of focus on the way to reaching the energy goals set for the European Union. The relatively small share of new buildings makes renovation of existing buildings possibly the most feasible way of improving the overall energy performance of the building stock. This of course involves improvements on the climate shell, for example by additional insulation or change of window glazing, but also installation of new heating systems, to increase the energy efficiency and to fit the new heat load after renovation. In the choice of systems for heating, ventilation and air conditioning (HVAC), it is important to consider their performance for space heating as well as for domestic hot water (DHW), especially for a renovated house where the DHW share of the total heating consumption is larger. The present study treats the retrofitting of a generic single family house, which was defined as a reference building in a European energy renovation project. Three HVAC retrofitting options were compared from a techno-economic point of view: A) Air-to-water heat pump (AWHP) and mechanical ventilation with heat recovery (MVHR), B) Exhaust air heat pump (EAHP) with low-temperature ventilation radiators, and C) Gas boiler and ventilation with MVHR. The systems were simulated for houses with two levels of heating demand and four different locations: Stockholm, Gdansk, Stuttgart and London. They were then evaluated by means of life cycle cost (LCC) and primary energy consumption. Dynamic simulations were done in TRNSYS 17. In most cases, system C with gas boiler and MVHR was found to be the cheapest retrofitting option from a life cycle perspective. The advantage over the heat pump systems was particularly clear for a house in Germany, due to the large discrepancy between national prices of natural gas and electricity. In Sweden, where the price difference is much smaller, the heat pump systems had almost as low or even lower life cycle costs than the gas boiler system. Considering the limited availability of natural gas in Sweden, systems A and B would be the better options. From a primary energy point of view system A was the best option throughout, while system B often had the highest primary energy consumption. The limited capacity of the EAHP forced it to use more auxiliary heating than the other systems did, which lowered its COP. The AWHP managed the DHW load better due to a higher capacity, but had a lower COP than the EAHP in space heating mode. Systems A and C were notably favoured by the air heat recovery, which significantly reduced the heating demand. It was also seen that the DHW share of the total heating consumption was, as expected, larger for the house with the lower space heating demand. This confirms the supposition that it is important to include DHW in the study of HVAC systems for retrofitting.

Comparison of two HVAC renovation solutions : A case study

Within the aging building stock of Europe, there is great potential of saving energy through renovation and upgrading to modern standards, and to thereby approach the internationally set goals of lower energy use. This paper concerns the planned renovation of the building envelope and HVAC systems in a multi-family house in Ludwigsburg, Germany. Five systemic HVAC solutions were compared, with special focus on two systems: A) Balanced ventilation with HRC + Micro heat pump, and B) Forced exhaust ventilation + Heat pump with exhaust air HRC + Ventilation radiators. Given the predicted heating demand and ventilation rate of the house after renovation, the performance of the two systems was compared, alongside three common systems for reference. Calculations were made using TMF Energi, a tool developed by SP Technical Research Institute of Sweden.    Both systems A and B were found to have the lowest electrical energy use together with the ground source heat pump system for the assumed conditions. For other assumptions, including different climate and degree of insulation, some differences between these three systems were noted. Most significant is the increased electrical use of system B for higher heating loads due to limitations in the power available from the heat source, exhaust air, which is dependent on the ventilation rate.

Energy performance comparison of three innovative HVAC systems for renovation through dynamic simulation

In this paper, dynamic simulation was used to compare the energy performance of three innovativeHVAC systems: (A) mechanical ventilation with heat recovery (MVHR) and micro heat pump, (B) exhaustventilation with exhaust air-to-water heat pump and ventilation radiators, and (C) exhaust ventilationwith air-to-water heat pump and ventilation radiators, to a reference system: (D) exhaust ventilation withair-to-water heat pump and panel radiators. System A was modelled in MATLAB Simulink and systems Band C in TRNSYS 17. The reference system was modelled in both tools, for comparison between the two.All systems were tested with a model of a renovated single family house for varying U-values, climates,infiltration and ventilation rates.It was found that A was the best system for lower heating demand, while for higher heating demandsystem B would be preferable. System C was better than the reference system, but not as good as A or B.The difference in energy consumption of the reference system was less than 2 kWh/(m2a) betweenSimulink and TRNSYS. This could be explained by the different ways of handling solar gains, but also bythe fact that the TRNSYS systems supplied slightly more than the ideal heating demand.