Assessing the thermal demands and flexibility of buildings under changing climate : typical and extreme weather conditions
Pulkkinen, Jari (2024-05-31)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404303045
Kuvaus
Tiivistelmä
Buildings in the future are expected to participate in climate change mitigation through the improvement of their energy efficiency levels. Concurrently, a changing climate requires adaptation measures in buildings to ensure healthy living conditions. To ensure the correct end result of these actions, the thermal behavior of buildings under future conditions needs to be evaluated.
This doctoral thesis investigates the thermal demands of future buildings in Finland. The work uses future weather data with a thermal building model to evaluate the total and peak thermal energy demands of different energy efficiency leveled detached houses in the near, medium and long-term in Vantaa and Sodankylä. Then, the benefits of load shifting in the heating of domestic hot water tanks were evaluated.
The results from this work emphasize the need to include future and extreme weather data, and suitable building energy models, in the assessment of long-term changes in total thermal and peak demands in buildings. The results show that future thermal energy demand is projected to decrease in Finland in the future, even in the long-term, due to decreasing heating demand. Unlike currently, cooling peaks may become the dominant thermal peak in the future in highly energy efficient buildings in South Finland. The warming climate is also starting to require more adaptation measures from buildings to ensure a thermally comfortable environment for the tenants. The improvements to the energy efficiency level of a detached house remain beneficial in the future, reducing the energy and peak demands in all scenarios, with the saving potential being higher with earlier actions. From an energy management point-of-view, heating of domestic hot water tanks was found to be a source of flexibility, allowing the usage of demand response actions.
The results from this work emphasize the need for more local level policies in the future for determining suitable building adaptation measures, while delivering supporting information for the selection of correct energy efficiency levels for buildings to meet climate targets. Overall, this can help in deciding suitable design, operation, and renovation measures for future buildings. As a future recommendation, this work should be extended to include different renovation strategies and be used in the assessment of building stock level changes, while the used models should be developed further.
Tulevaisuudessa rakennusten odotetaan osallistuvan ilmastonmuutoksen hillintään energiatehokkuutta parantamalla. Samaan aikaan, muuttuva ilmasto vaatii sopeutumistoimia rakennuksissa terveellisten elinolosuhteiden turvaamiseksi. Näihin soveltuvien ratkaisujen löytäminen vaatii rakennusten energiankulutuksen ja lämpökäyttäytymisen tarkastelua tulevaisuuden ilmasto-olosuhteissa.
Tämä väitöskirja tarkastelee rakennusten tulevaisuuden energiantarpeita Suomessa. Työssä eri-ikäisiä omakotitaloja simuloitiin rakennusten lämpökäyttäytymismallin avulla tulevaisuuden ilmastossa, jotta saatiin tietää kuinka niiden kokonais- ja huippuenergiantarpeet kehittyvät pitkällä tähtäimellä Vantaalla ja Sodankylässä. Tämän lisäksi arvioitiin lämminvesivaraajien kulutuksen siirrosta saatavia hyötyjä.
Työn tulokset korostavat tarvetta käyttää soveltuvia rakennusten lämpökäyttäytymisen simulointimalleja ja sisällyttää säädataa tulevaisuuden ilmastosta ja äärimmäisen kylmistä ja lämpimistä vuosista rakennusten pitkänaikavälin kokonais- ja huippuenergiantarpeen muutosten arvioinnissa. Työn tulosten perusteella omakotitalojen kokonaisenergiantarpeen ennakoidaan pienentyvän tulevaisuudessa lämmitysenergiantarpeen pienenemisen takia. Toisaalta jäähdytysenergian huipputarve voi nousta lämmityksen huipputarvetta korkeammalle, erityisesti passiivitaloissa Etelä-Suomessa. Lisäksi ilmastonmuutoksen seurauksena rakennukset joutuvat tekemään sopeutustoimia asukkaiden lämpöviihtyvyyden takaamiseksi. Omakotitalojen rakenteellisen energiatehokkuuden ja ilmastoinnin lämmöntalteenoton parantamistoimet pysyvät kannattavina myös tulevaisuuden ilmastossa, pienentäen kokonais- ja huippuenergiantarvetta alkuperäisestä; tosin energiatehokkuuden parantamisesta saatu hyöty pienenee mitä myöhemmin se tehdään. Energiankulutuksen hallinnan näkökulmasta, lämminvesivaraajien löydettiin tarjoavan energiankulutuksen joustavuutta, jota tarvitaan muun muassa kysyntäjouston hyödyntämisessä.
Työn tulokset korostavat paikallisten ratkaisujen merkitystä rakennusten sopeutumistoimien sekä energiatehokkuuden vaatimusten määrittelyssä. Tätä tietoa voidaan hyödyntää rakennusten suunnittelussa, talotekniikan toiminnassa sekä korjausrakentamisessa tulevaisuudessa. Jatkokehotuksena esitettiin työn laajentamista sisältämään eri korjausrakentamisen strategioita sekä tulosten hyödyntämistä rakennuskantatasolla.
Original papers
-
Hietaharju, P., Pulkkinen, J., Ruusunen, M., & Louis, J.-N. (2021). A stochastic dynamic building stock model for determining long-term district heating demand under future climate change. Applied Energy, 295, 116962. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116962 https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116962
-
Pulkkinen, J., & Louis, J.-N. (2021). Near- and medium-term hourly morphed mean and extreme future temperature datasets for Jyväskylä, Finland, for building thermal energy demand simulations. Data in Brief, 37, 107209. https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107209 https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107209
-
Pulkkinen, J., Louis, J.-N., Debusschere, V., & Pongrácz, E. (2024). Near-, medium- and long-term impacts of climate change on the thermal energy consumption of buildings in Finland under RCP climate scenarios. Zenodo. https://doi.org/10.5281/ZENODO.11069997 https://doi.org/10.5281/ZENODO.11069997
-
Louis, J.-N., & Pulkkinen, J. (2021). Multi-scale smart building simulation platform for energy, market and automation solutions. In Proceedings of The 61st SIMS Conference on Simulation and Modelling SIMS 2020, 176(7), 47–54. https://doi.org/10.3384/ecp2017647 https://doi.org/10.3384/ecp2017647
-
Pulkkinen, J., & Louis, J.-N. (2021). Impacts of demand side management programs to domestic hot water heating load profiles in smart buildings. In Proceedings of The 61st SIMS Conference on Simulation and Modelling SIMS 2020, 176(1), 1–8. https://doi.org/10.3384/ecp201761 https://doi.org/10.3384/ecp201761
Osajulkaisut
-
Hietaharju, P., Pulkkinen, J., Ruusunen, M., & Louis, J.-N. (2021). A stochastic dynamic building stock model for determining long-term district heating demand under future climate change. Applied Energy, 295, 116962. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116962 https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116962
-
Pulkkinen, J., & Louis, J.-N. (2021). Near- and medium-term hourly morphed mean and extreme future temperature datasets for Jyväskylä, Finland, for building thermal energy demand simulations. Data in Brief, 37, 107209. https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107209 https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107209
-
Pulkkinen, J., Louis, J.-N., Debusschere, V., & Pongrácz, E. (2024). Near-, medium- and long-term impacts of climate change on the thermal energy consumption of buildings in Finland under RCP climate scenarios. Zenodo. https://doi.org/10.5281/ZENODO.11069997 https://doi.org/10.5281/ZENODO.11069997
-
Louis, J.-N., & Pulkkinen, J. (2021). Multi-scale smart building simulation platform for energy, market and automation solutions. In Proceedings of The 61st SIMS Conference on Simulation and Modelling SIMS 2020, 176(7), 47–54. https://doi.org/10.3384/ecp2017647 https://doi.org/10.3384/ecp2017647
-
Pulkkinen, J., & Louis, J.-N. (2021). Impacts of demand side management programs to domestic hot water heating load profiles in smart buildings. In Proceedings of The 61st SIMS Conference on Simulation and Modelling SIMS 2020, 176(1), 1–8. https://doi.org/10.3384/ecp201761 https://doi.org/10.3384/ecp201761
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34155]