Energy innovation needs in public buildings : sizing a photovoltaic system for the University of Oulu Linnanmaa campus

Abstract

The European countries have set ambitious goals for reducing energy use and CO₂ emissions. The first goals were set for 2020 and measures to reach the goals have been implemented. Further goals were set for the year 2030 and reaching these goals requires improvements in both energy production and energy use. The goals set by the EU demand actions from all EU countries. Buildings consume around 40 % of the final energy in the EU and improving their energy efficiency plays an important role in reaching the improvement goals. This thesis concentrates on mapping the energy use and areas of possible improvements of public buildings. A preliminary energy audit is done specifically on the University of Oulu Linnanmaa campus to uncover energy issues of the campus buildings. Following that the possibilities of photovoltaic electricity production at the campus are found out.

This work is partly done as to contribute to the FREED project, which is presented in the introduction as are the exact research goals of this thesis. The theoretical part will start with describing the present and future energy use of public buildings and the energy policies affecting them. Here it is found out that buildings in Finland consume the largest amount of energy per square meter in the EU. The theory regarding energy audits of buildings is then reviewed as this procedure is used in the experimental part. To be used as information for the energy audit, the overall energy use of public buildings in the EU is reviewed. It is revealed that heating accounts for most of the energy use. Then the energy production and transfer in the Oulu area is described. The last part of the theory is the innovation scanning, which was done as a part of FREED. A wide range of different definitions for an innovation were found. In this thesis an innovation was defined as a new/improved product, service or process, which has the potential for success in the market. In the innovation scanning it is found out, that there are a wide variety of innovations available, which have the potential to reduce the energy use in public buildings.

The first section of the experimental part is an energy audit on the University of Oulu Linnanmaa campus. The Linnanmaa campus consists of different sectors of which most have been built separately and have different construction years. The audit is based on hourly energy consumption data, basic building information and knowledge from local specialist employees. It is found out that the different university buildings have differing energy consumption profiles, which is likely partly due to the building age and partly due to different building activities. It was revealed that the electricity data currently available was insufficient to point out energy use by different activities and appliances but that it can possibly be used to promote some energy efficiency projects. Potential future energy investigation options are laid out as are improvement possibilities. It is revealed that some of the before scanned innovations could be implemented at the university.

A more detailed plan for localised photovoltaic electricity production at the university is created as a way to lower the amount of purchased electricity. Solar radiation data and electricity pricing/use data are gathered for the formation of this plan. A simplified virtual construct of the campus is also done to perform shading simulations on the building. Two different scenarios are created to give a wider view of the production possibilities. Each scenario discovers the production capabilities and economic outcomes of a photovoltaic system. The system in the other scenario is 2,2 MWp and in the other scenario 460 kWp. It is found out that photovoltaic electricity can be created economically at the location and that it would lower the amount of greenhouse gas emissions resulting from the energy use.

Euroopan maat ovat asettaneet korkeat tavoitteet energiankulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. Aika ensimmäisten tavoitteiden saavuttamiseen umpeutuu 2020 ja niiden saavuttamiseksi on otettu käyttöön erilaisia keinoja. Uudet tavoitteet on jo asetettu vuodelle 2030 ja ne tähtäävät entistä suurempiin energiankulutuksen ja CO₂-päästöjen vähennyksiin. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on tehtävä parannuksia sekä energiantuotannossa, että energian loppukulutuksessa. Rakennukset vastaavat noin 40 % osuutta EU:n energian loppukulutuksesta, joten niiden energiatehokkuuden parantamisella on tärkeä rooli asetettujen tavoitteiden saavuttamisessa. Tässä opinnäytetyössä pyritään kartoittamaan julkisten rakennusten energiankulutusta sekä mahdollisia parannuskohteita. Oulun yliopiston Linnanmaan kampuksen rakennuksille tehdään alustava energiaselvitys, jossa pyritään selvittämään näiden rakennusten energiaongelmia. Tämän jälkeen yritetään kartoittaa mahdollisuudet aurinkosähkön tuotantoon kampuksella.

Tämä työ on tehty osana FREED-projektia, joka esitellään johdannossa tarkkojen tutkimuskysymysten lisäksi. Teoriaosuuden alussa kuvataan rakennusten tämänhetkistä energiankulutusta sekä miten sen oletetaan muuttuvan tulevaisuudessa. Tärkeimmät muutosta ajavat linjaukset ja direktiivit esitellään. Selviää, että suomalaiset rakennukset kuluttavat eniten energiaa neliömetriä kohden koko EU:n alueella. Rakennusten energiankulutuksen selvittämiseen käytetyt energia-auditointitekniikat selvitetään ja niitä käytetään työn kokeellisessa osuudessa. Energia-auditoinnissa hyödyllisenä tietona selvitetään EU-alueen julkisten rakennusten energiankulutusta yleisellä tasolla ja selviää, että yli puolet näiden rakennusten energiankulutuksesta menee lämmitykseen. Tämän jälkeen kuvataan energiantuotanto Oulun alueella. Viimeisessä osiossa tehdään innovaatiokartoitus osana FREED-projektia. Innovaatiolle löydettiin useita eri määritelmiä. Tässä työssä innovaatio määritellään uudeksi/parannelluksi tuotteeksi, palveluksi taikka prosessiksi, jolla on mahdollisuuksia menestyä markkinoilla. Innovaatiokartoituksessa selviää, että on olemassa ja kehitteillä paljon erilaisia innovaatioita, joilla on potentiaalia laskea julkisten rakennusten energiankulutusta.

Käytännön osuuden ensimmäisessä osiossa tehdään alustava energia-auditointi Oulun yliopiston Linnanmaan kampuksen rakennuksille. Linnanmaan kampuksen rakennukset ovat pääsääntöisesti rakennettu erillisinä projekteina eri aikaan. Auditointi perustui rakennusten tuntikohtaiseen energiankulutusdataan, tila-asiantuntijan haastatteluun sekä yleiseen rakennuksista tarjolla olevaan tietoon. Auditoinnissa paljastuu, että yliopiston eri rakennusten energiankulutusprofiilit eroavat paljon toisistaan. Tämän oletetaan johtuvan osittain rakennusten erilaisista rakennustekniikoista sekä osittain rakennusten erilaisista käyttökohteista. Auditoinnissa paljastuu, että kerätty sähkönkulutusdata ei ole riittävän tarkkaa, jotta tässä työssä kyettäisiin paljastamaan mihin sähköä tarkalleen kulutetaan. Työssä selvitetään kuitenkin yleiselle tuntikohtaiselle sähkönkulutustiedolle muita käyttökohteita. Jatkoselvitystä vaativat kohteet eritellään niihin vastaavien innovaatioiden kanssa. Paljastuu, että yliopiston rakennuksissa on tulevaisuudessa mahdollisuuksia usean energiankulutusta vähentävän innovaation käyttöönottoon.

Seuraavassa vaiheessa tehdään tarkempi kartoitus aurinkosähkön tuottamisesta Oulun yliopistolla. Tämän kartoituksen tekemiseksi hankitaan dataa auringon säteilystä, sähkön kulutuksesta sekä sähkön hinnasta. Yliopistosta tehdään myöskin yksinkertaistettu virtuaalinen malli varjostushäviöiden kartoittamiseksi. Aurinkosähköjärjestelmistä tehdään kaksi erilaista skenaariota, jotta saadaan laajempi kuva tuotantopotentiaalista. Skenaarioissa selvitetään kyseisen järjestelmän tuotantopotentiaali sekä taloudellinen kannattavuus. Toisen skenaarion systeemin koko on 2,2 MWp ja toisen 460 kWp. Kartoituksen tuloksena saadaan selville, että aurinkosähkön tuottaminen Oulun yliopistolla on taloudellisesti kannattavaa ja sillä saadaan CO₂ päästövähennyksiä aikaiseksi.