Vil ZEB-bygg sprenge nettet?

Vil ZEB-bygg sprenge nettet? Effektprofil for fremtidens bygg CenSES Årskonferanse Oslo, 4. november 215 Karen Byskov Lindberg PhD-kandidat, Institutt for Elkraftteknikk, NTNU Overingeniør, Energiavdelingen, NVE 1 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Bakgrunn Bakgrunn trender i EU 2-2-2 mål Betydning for bygg energieffektivisering lokal energiproduksjon Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) Bygningsenergidirektivet nær nullenergibygg 218/22 Zero Energy Buildings (ZEB) Zero Emission Buildings (ZEB) Zero Carbon Buildings (ZCB) 2 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Problemstilling Doktorgradsarbeid Virkning av en stor utbredelse av nullenergibygg i Norge på kraftsystemet vårt I dag: Resultater for enkeltbygg Analyse av netto effektprofil for bygget 3 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Innhold 1. Hva er et nullenergibygg (ZEB)? 2. Hvilke faktorer påvirker effektprofilen for ZEB? Hvordan nullkravet stilles Oppvarmingsteknologi Type bygg Orientering av PV-paneler 3. Konklusjon 4 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

1. Hva er et ZEB-bygg? Balanse = import - eksport Vektingsfaktorer 5 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Hva er ZEB bygg? On-site generation (kwh, CO2-eq) Nullenergibygg Nær nullenergibygg Passivbygg energy efficiency Energy consumption (kwh, CO2-eq) Referansebygg Kilde: I. Sartori, A. Napolitano, and K. Voss, Net zero energy buildings: A consistent definition framework, Energy and Buildings, vol. 48, May 212 6 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

i import * f Systemgrense i eksport * f = Null f el = 13 g/kwh el f bio = 7 g/kwh bio el EKSPORT EL formål el IMPORT el EKSPORT VARME formål el IMPORT = 7 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

generation generation ZEB bygg er Svært energieffektive bygg Passivbygg Energibehov Skal i størst mulig grad dekkes av on-site fornybar energiproduksjon consumption consumption Viktig å analysere drift på timesnivå 8 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

2. Effektprofiler for ZEB-bygg a) Type bygg b) Oppvarmingsteknologi c) Hvordan nullkravet stilles d) Orientering av PV-paneler 9 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

1 2 3 4 5 6 7 average 1 3 4 6 8 9 12 13 17 18 19 2 21 22 23 24 25 26 27 28 average 1 2 3 5 6 7 12 average Annual energy consumption (kwh/m2yr) 28 23 2 1957 (25) 1976(23) n.a. 23 25 29 29 24 23 29 27 1995 1984 1962(25) 22 197 1995 Heated area (m2) Annual energy consumption (kwh/m2yr) 198 Annual energy consumption (kwh/m2yr) 23 22 22 192 197 (212) 28 21 191 (22) 1966(26) Annual energy consumption (kwh/m2yr) 1 2 3 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 19 2 21 22 23 24 25 27 average 2 5 11 12 14 15 16 18 2 23 25 28 3 31 32 33 35 36 37 39 4 42 43 44 47 52 average passive 2 21 29 1972 1986 27 1998 1984 1997 24 23 1967 1969 2/28 1 2 3 4 5 7 8 11 14 16 19 2 24 25 28 3 31 36 38 39 4 41 42 43 44 45 46 average 6 LowErgy 61 Passive 62 LowErgy Energy consumption (kwh/m 2 yr) 1 3 5 7 9 Average average 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 38 4 Annual energy consumption (kwh/m2yr) 29 21 21 1931 Heated area (m2) 21 Annual energy consumption (kwh/m2yr) 3 25 2 1963 1976(23) 191 (22) 1999 23 1957 (25) 1966(26) 25 195 2 1926 1937 1962(25) 1987 n.a. 24 1991 1923 1985 1981 22 1968 193(28) 1997 n.a. 45 4 35 3 Data: 2 buildings 15 15 1 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 office 25 2 1 5 Kindergarten no. Analyse av timesmålt el- og 25 varmeforbruk av over Office building no. Heat Electricity Heated area Heat Electricity Heated area Build yr (rehab yr) 45 2 næringsbygg 2 shops 4 35 3 25 2 15 1 5 - Shopping building no. Heat Electricity Heated area Construction year 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 35 3 25 2 15 1 5 Heated area (m2) 35 3 25 2 15 1 5 15 1 5 kindergarten School no. Heat 25 Electricity Heated area 2 15 1 5 - school nursing Nursing home home no. hotel Hotel no. hospital Hospital no. 1 K. B. Lindberg, Cooling Effektprofil for ZEB Heat i Norge Heat Electricity Heated area Build yr (rehab yr) Heat Electricity Heated area Construction year Electricity Heated area Heated area (m2) 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 8 4 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 2 16 12 45 4 35 3 25 2 15 1 5

Annual energy consumption (kwh/m2yr) 3 25 2 15 1 5 1931 1963 1976(23) 191 (22) 1999 23 1957 (25) 1966(26) 25 195 2 1926 1937 1962(25) 1987 n.a. 24 1991 1923 1985 1981 22 1968 193(28) Regresjonsanalyse 1997 n.a. Annual energy consumption (kwh/m2yr) Annual energy consumption (kwh/m2yr) 4 45 3 35 2 25 1 15 5 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 23 1 1 3 4 6 8 9 12 13 17 18 19 2 21 22 23 24 25 26 27 28 average 1 2 2 3 4 5 7 8 11 1976(23) 3 191 (22) 5 24 2 1957 (25) 6 14 16 19 2 24 24 23 25 28 3 31 36 1967 38 39 4 1969 41 42 43 44 45 46 average 2/28 6 LowErgy 61 Passive Office building no. 21 29 21 21 62 LowErgy 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Heat Electricity Heated area Build yr (rehab yr) 45 7 29 2 8 9 1 1972 11 12 13 14 15 27 16 17 1998 19 2 1997 21 21 22 23 1984 24 25 27 average 1986 35 4 25 3 2 15 1-5 Shopping building no. Heat Electricity Heated area Construction year 1 9 35 8 3 7 25 6 5 2 4 15 3 1 2 5 1 1966(26) 27 1995 23 Nursing home no. 1984 1962(25) Heat Electricity Heated area Build yr (rehab yr) 22 n.a. 197 23 25 1995 Heated area (m2) Annual energy consumption (kwh/m2yr) Heated Annual energy area (m2) consumption (kwh/m2yr) 1 2 3 5 6 7 12 average Energy consumption (kwh/m 2 yr) 192 198 35 3 25 2 15 1 5 25 2 15 1 5 1 Hotel no. 2 5 197 (212) 28 21 3 5 7 9 Average 12 14 16 18 Kindergarten no. Heat Electricity Heated area 2 15 1 5 Heat Electricity Heated area Construction year 11 12 14 15 16 18 2 23 25 28 3 31 32 33 35 36 37 39 4 42 43 44 47 52 - Annual energy consumption (kwh/m2yr) 2 School no. Heat Electricity Heated area 25 22 5 55 4 45 3 35 2 25 1 15 5 24 Cooling Electricity 28 1 26 23 28 2 3 22 3 32 29 4 Hospital no. 34 5 22 36 average passive 29 6 38 29 7 4 average 2 16 12 8 4 average 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Heat Heated area Heated area (m 2 ) Heated area (m2) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 average Heated area (m2) Heated area (m2) Heated area Ambient temperature T t Measured hourly heat PASSIVE existing AVERAGE for 11 building categories Regression model HEAT for each building category, i. y T TMA t t t t t t t Regression model ELECTRICITY for each building category, i. Predicted hourly HEAT demand H 2 yit, [ Wh / m ] Predicted hourly ELECTR. demand EL 2 yit, [ Wh / m ] 11 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

1 8 15 22 29 36 43 5 57 64 71 78 85 92 99 16 113 12 127 134 141 148 155 162 1 8 15 22 29 36 43 5 57 64 71 78 85 92 99 16 113 12 127 134 141 148 155 162 Wh/m2 Wh/m2 Passivbygg vs. Normale bygg Prediksjon av el-behov og varmebehov i kontorbygg for en vinteruke Energibehov Totalt El-forbruk m/panelovn KONTORBYGG KONTORBYGG 8 8 7 6 Elspesifikt behov El til varme Total Elforbruk 7 6 5 5 4 3 2 1 4 3 2 1 HEAT demand Normal ELEC demand Normal HEAT demand Passive ELEC demand Passive Tot-el Offices Direct Normal EH Tot-el Passive P Offices Direct EH 12 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Effektprofiler Passivbygg Effekt ca. - 4% Kontor: - 39 % Skole: - 48 % Bolig: - 42% Energi - 3 til - 6 % Kontor: - 27% Skole: - 57% Bolig: - 44% 13 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

1 1 2 3 4 5 6 7 8 W/m2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 W/m2 Varme- og elspesifikt behov Passivbygg 6 5 Varmebehov Varme Reduksjon av både effekt (- 5 %) og energi (- 6 %). 4 3 2 1 Kontor NORMAL Kontor PASSIV Skole NORMAL Skole PASSIV Bolig NORMAL Bolig PASSIV El-spesifikt Lite endring (ca. - 1% for kontor) 6 5 4 3 2 Elspesifikt behov Kontor NORMAL Kontor PASSIV Skole NORMAL Skole PASSIV Bolig NORMAL 1 Bolig PASSIV 14 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

generation Passiv-bygg Svært energieffektive bygg Passivbygg consumption Effekt- og energibehov: Oppvarming: ca 5-6 % lavere Elektrisitetsspesifikt : noe lavere, men ikke mye Totalt: ca 4 % lavere 15 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

2. Effektprofiler for ZEB-bygg a) Type bygg b) Oppvarmingsteknologi c) Hvordan nullkravet stilles d) Orientering av PV-paneler 16 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Optimering EL HEAT Grid Dynamic deterministic mixed integer optimization model Hourly time resolution HP Bio min investment costs discounted operational yr subject to : zero balance ( CO2 or primary energy) electricit y balance heat balance technolo gy constraints costs 17 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Lager ZEB-skole EL behov HEAT behov VP luft-v VP v-v EL EL Bio 18 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

kw Effektprofil for ZEB m/bio ZEB-skole med PV og bio-pellets-kjel Passiv-skole med panelovner 5 4 3 2 1-1 -2-3 -4-5 Passiv-skole El+heat demand El+heat Passiv-skole demand zeroco2 ZEBskole m/bio 19 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

kw Effektprofil for ZEB m/vp ZEB-skole med PV og varmepumpe Passiv-skole med panelovner 5 4 3 2 1-1 -2-3 -4-5 Passiv-skole El+heat demand ZEBskole nobio zeroco2 m/vp 2 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

kw ZEB-skole: Bio vs. VP 5 4 3 2 1-1 -2-3 -4-5 VP nobio zeroco2 Bio zeroco2 PV investering: øker Sommer: 21 % lavere maks-eksport Vinter: 28 % lavere maks-last 21 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

2. Effektprofiler for ZEB-bygg a) Type bygg b) Oppvarmingsteknologi c) Hvordan nullkravet stilles d) Orientering av PV-paneler 22 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

generation Nær ZEB - hvor nært? 1 % 5 % ZEB-skole % ZEB: passiv-bygg, og ingen nullkrav 1% ZEB: balansen må være strengt = (dvs. import = eksport) % consumption 23 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

W/m 2 export import Effektprofil for el-forbruk Nær nullenergibygg (ZEB) 4 35 3 25 2 15 1 5-5 -1-15 -2-25 -3-35 -4-45 Hour Maks last = 8 W/m2 Maks eksport = 4 W/m2 876 nozero (HP) 5% zeroco2 (Bio) 1% zeroco2 (Bio) 1% zeroco2 (HP) 24 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

2. Effektprofiler for ZEB-bygg a) Type bygg b) Oppvarmingsteknologi c) Hvordan nullkravet stilles d) Orientering av PV-paneler 25 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

BOLIG ØST-VEST vendt Årlig energiproduksjon: 1 % lavere enn sørvendt Self-consumption: ca 1 prosentpoeng høyere (Avhengig av størrelse på bygget og på PV-anlegget) Ref: Utarbeidelse av solprofiler fra Multiconsult AS 26 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

KONTOR SØR-vendt Årlig energiproduksjon: 1 % høyere enn øst/vest-vendt Self-consumption: ingen store endringer (Avhengig av størrelse på bygget og på PV-anlegget) Orientering av PV ikke så viktig Ref: Utarbeidelse av solprofiler av Multiconsult AS 27 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

3. Konklusjon 28 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Konklusjon ZEB-bygg Beregnes som en netto-null-balanse over året Svært energieffektivt bygg = passivbygg Effektbehov: -4 % Lokal energiproduksjon: PV er mest kostnadseffektivt Effektprofil avhengig av Type bygg næringsbygg (midt på dag), bolig (morgen/kveld) Oppvarmingsteknologi bioenergi gir lavest effektbehov for el Orientering av PV-paneler øst/vest for boliger, sør for næringsbygg Hvordan nullkravet stilles hvor nært null? Nettforsterkninger? ikke nødvendigvis Nær ZEB en mulig løsning? Hvor nært må diskuteres nærmere 29 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge

Takk til Takk for oppmerksomheten karen.lindberg@ntnu.no kli@nve.no 3 K. B. Lindberg, Effektprofil for ZEB i Norge