The thesis deals with energy simulation of a solar energy system in a low-energy family house with warm-air heating. The simulations performed resulted in the assessment of the energy contribution of four solar systems with different types of collectors. The profitability and return of investment for the particular system have been evaluated based on investment costs and the savings gained. The theoretical part includes an introduction to the solar energy field, solar panel systems and the passive house concept. The practical part is devoted to description of the simulated object models as used in the TRNSYS environment, the simulation results evaluation along with the assessment of the economic return on investment. The conclusion recommendations regarding a suitable type and size of the solar panel with respect to the economic criteria chosen are given.

En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment. / Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.

Residential and public buildings account for about 40% of the annual energy use in Europe. Many buildings are in urgent need of renovation, and reductions in energy demand in the built environment are of high importance in both Europe and Sweden. Building energy simulation (BES) tools are often used to predict building performance. However, it can be a challenge to create a reliable BES model that predicts the real building performance accurately. BES modelling is always associated with uncertainties, and modelling occupancy behaviour is a challenging task. This research presents a case study of a BES model of a school building from the 1960s in Gävle, Sweden, comprising an example of a validation strategy and a study of energy use and potential energy-efficiency measures (EEMs). The results show that collection of input data based on evidence, stepwise validation (for unoccupied and occupied cases), and the use of a backcasting method (which predicts varying occupancy behaviour and airing) is an appropriate strategy to create a reliable BES model of the studied school building. Several field measurements and data logging in the building management system were executed, in order to collect input data and for validation of the predicted results. Through the stepwise validation, the building’s technical and thermal performance was validated during an unoccupied period. The backcasting method demonstrates a strategy on how to predict the effect of the varying occupancy behaviour and airing activities in the school building, based on comparisons of BES model predictions and field measurement data. After applying the backcasting method to the model, it was validated during an occupied period. The annual predicted specific energy use was 73 kWh/m2 for heating of the studied building. The distribution of heat losses indicates that the best potential EEMs are changing to efficient windows, additional insulation of the external walls, improved envelope airtightness and new controls of the mechanical ventilation system. / Byggnadssektorn står för ungefär 40 % av den årliga energianvändningen i Europa. Många byggnader är i stort behov av renovering och en minskning av energibehovet inom den byggda miljön är av stor vikt i både Europa och Sverige. För att undersöka byggnaders energianvändning används ofta simuleringsverktyg, men det kan vara utmanande att skapa pålitliga simuleringsmodeller som tillräckligt noggrant predikterar den verkliga byggnadens energianvändning. Simulering av byggnaders energianvändning är alltid förknippat med osäkerheter och att simulera människors beteendemönster är en stor utmaning. Den här forskningen innefattar en fallstudie med en simuleringsmodell av en skolbyggnad, byggd under 1960 talet och belägen i Gävle, inkluderat ett exempel på en valideringsstrategi och en studie av energianvändning och potentiella energieffektiviseringsåtgärder i byggnaden. Resultaten visar att insamling av indata baserade på evidens, stegvis validering (obemannad och bemannad) och användande av en backcasting-metod (vilket predikterar varierande brukarbeteende och vädring) är en lämplig strategi för att skapa en pålitlig energisimuleringsmodell för den studerade skolbyggnaden. Flertalet fältmätningar genomfördes och data loggades i systemet för fastighetsautomation, för att samla indata och för validering av de predikterade resultaten. Genom den stegvisa valideringen kunde byggnadens tekniska och termiska prestanda valideras för en obemannad period. Backcasting-metoden visar en strategi för hur man kan prediktera varierande brukarbeteende och vädringsaktiviteter i skolbyggnaden, baserat på jämförelser av modellens prediktioner och data från fältmätningar. När backcasting-metoden tillämpats i energisimuleringsmodellen, kunde modellen valideras för en bemannad period. Den årliga predikterade specifika energianvändningen för uppvärmningen är 73 kWh/m2. Fördelningen av värmeförluster i byggnaden indikerar att de bästa potentiella energieffektiviseringsåtgärderna är byte till fönster med bättre U-värde, tilläggsisolering av ytterväggarna, bättre lufttäthet i byggnadsskalet och ny styrning av det mekaniska ventilationssystemet.

Envelopes with low thermal performance are common characteristics in European historic buildings resulting in insufficient thermal comfort and higher energy use compared to modern buildings. There are different types of applications for the European historic buildings such as historic churches, historic museums, historic theatres, etc. In historic buildings refurbished to offices, it is vital to improve thermal comfort for the staff. Improving thermal comfort should not increase, preferably reduce, energy use in the building. The overall aim in this research is to explore how to improve thermal comfort in historic buildings without increasing, preferably reducing, energy use with the application of non-intrusive methods. This is done in form of a case study in Sweden. Thermal comfort issues in the case study building are determined through a field study. The methods include field measurements with thermal comfort equipment, data logging on BMS, and evaluating the occupant’s perception of a summer and a winter period indoor environment using a standardized questionnaire. According to questionnaire and thermal comfort measurements results, it is revealed that the summer period has the most dissatisfied occupants, while winter thermal comfort is satisfactory – but not exceptionally good. Accordingly, natural heat sinks could be used in form of NV, as a non/intrusive method, in order to improve thermal comfort in the building. For the historic building equipped with mechanical ventilation, NV strategy has the potential to both improve thermal comfort and reduce the total electricity use for cooling (i.e. electricity use in the cooling machine + the electricity use in the ventilation unit’s fans). It could decrease the percentage of exceedance hours in offices by up to 33% and reduce the total electricity use for cooling by up to 40%. The optimal (maximum) NV rate (i.e. the potential of NV strategy) is dependent on the thermal mass capacity of the building, the available NV cooling potential (dependent on the ambient air temperature), COP value of the cooling machine, the SFP model of the fans (low SFP value for high NV rate is optimal), and the offices’ door scheme (open or closed doors).

NANDRAD is a dynamic building energy simulation program. It calulates heating/cooling requirements and electric power consumption with respect to realistic climatic conditions and dynamic room usage. The model includes one-dimensional spatially resolved heat transport through multi-layered walls and thermal storage of solid components (room furniture/building walls). Consequently, massive constructions forms in the European area are very well represented. Further, NANDRAD calculates geometrical long radiation heat exchange inside the room. Heating systems may be modeled with a high level of geometrical detail, i.e. surface heating systems as part of the wall constructions and radiant heaters inside the room. NANDRAD can be applied for passive building simulation, energy optimization and thermal comfort analysis with respect to a very detailed building representation. In this terms, the model supports the simulation of a large number of zones and walls without need for subgrouping or other model reduction strategies.:1 Introduction 2 NANDRAD multi-zone building model 2.1 Fundamentals 2.2 Building component models 2.3 Building services and usage 2.4 Climatic model 3 Model equations 3.1 Balance equations 3.2 Construction balance boundary conditions 3.3 Construction energy sources/sinks 3.4 Windows 3.5 Ambient environment 3.6 Zone internal loads 3.7 Construction internal heat sources 3.8 Loads on inside interfaces 3.9 Evaluation of thermal comfort

The energy retrofit of existing buildings has always been a challenging task to accomplish. The example of the Swecohuset building, proves how an integrated approach design between architectural and energetic aspects as well as the use of well-known and efficient technologies are key aspects to achieve the energy-saving goal. This work, in the first part describes the Swecohuset retrofit process, along with the reasons behind the choices which have led to the current result of a reduction by 2/3 of the energy need for space conditioning purposes. Then, in the second part, after a brief focus on the passive aspects which characterize the current energy performance of the building, it is carried out a feasibility analysis of an EWIS (external wall insulation system) by studying its interaction with a complex system as an optimization problem, with the main purpose of understanding the basis of the BPO and explore further building potentialities. / SIRen

Cities play a crucial role in sustainable energy system transformation. Urban energy systems account for 75% of global primary energy use, and 70% of global greenhouse gas (GHG) emissions (IEA, 2021). There is currently a large, untapped potential for reducing both energy demand and emissions by focusing measures on one of the largest consumers of energy: buildings. In North Macedonia, there is an estimated energy savings potential of 57% in the residential sector, and 29% in the public service sector (Apostolska et al., 2020). In the midst of the country’s ambitious targets of decreasing energy demand and GHG reductions, the city of Bitola is in the process of developing an action plan for a sustainable transition of the city. For this purpose, there is a need to investigate the current challenges in the energy system of the city and to evaluate potential future pathways to address these challenges, with a focus on the built environment. In this thesis, a city-scale urban building energy model (UBEM) of the city of Bitola was developed using the software City Energy Analyst (CEA). This involved modeling a total of 14 024 buildings in the city ranging from residential buildings to commercial and industrial facilities. Out of these 14 024 buildings, 10 792 were included in the analysis after excluding abandoned buildings which account for an estimated 25% of the total residential building stock. One Baseline scenario based on the current energy use in the built environment in the city, and four scenarios investigating building retrofit measures and alternative heating solutions were developed for the time period 2023-2040 which were then assessed based on three key performance indicators (KPIs). A 2% implementation rate was used for the measures included in the scenarios, resulting in a total of 34% of the buildings being included in the scenario assessment. The scenarios included in the analysis are Business-as-Usual (BAU), decentralized natural gas boilers (NGB), district heating (DH) and decentralized heat pumps (HP). The KPIs include the total primary energy demand, the total operational CO2 emissions, and the economic performance of the system, measured as a net present value (NPV). All scenarios were also evaluated with and without solar photovoltaic (PV). The results showed the BAU scenario to be the lowest performing scenario for all three KPIs, while the HP scenario showed to be the best-performing scenario regarding the reduction of energy demand and CO2 emissions, with a 99% reduction of CO2 emissions and a 65% lower energy demand than in the baseline year. However, this comes at a relatively high cost compared to the other scenarios. The DH and NGB scenarios performed moderately regarding demand and CO2 emission savings while performing better from an economic standpoint. All scenarios showed a low share of buildings on an individual level having a positive NPV, thus failing to reach a positive total NPV for the entire system. On the other hand, the sensitivity analysis demonstrated how a reduction of the capital expenditure (CAPEX) led to a positive NPV for all scenarios with PV, and for all scenarios except BAU without PV. This indicates that subsidies provided by local or national stakeholders could result in a profitable investment. Two important conclusions can be drawn from the results: firstly, taking any action and implementing either of the HP, NGB and DH scenarios will be more beneficial than taking no action, and secondly, the sustainable development of the city needs to be led by the local municipality, as well as national stakeholders to enable a long-lasting transition. / Städer spelar en avgörande roll för omställningen till hållbara energisystem. Energisystem i städer står för 75% av den globala primära energianvändningen och 70% av de globala växthusgasutsläppen (IEA, 2021). För närvarande finns det en stor, outnyttjad potential för minskning av både energibehov och utsläpp genom att fokusera på åtgärder för en av de största energikonsumenterna: byggnader. I Nordmakedonien uppskattas det finnas potential för energibesparingar på 57% i bostadssektorn och 29% i offentlig sektor (Apostolska et al., 2020). I samband med landets ambitiösa mål om att minska energianvändning och växthusgasutsläpp genomgår staden Bitola för närvarande en process för att utveckla en handlingsplan för en hållbar omställning av staden. För detta ändamål krävs en undersökning av de aktuella utmaningarna i stadens energisystem och utvärdering av potentiella framtida riktningar för att möta dessa utmaningar, med fokus på den bebyggda miljön. I detta examensarbete utvecklades en modell i stadsskala av energianvändningen i byggnader för staden Bitola i Nordmakedonien med hjälp av programvaran City Energy Analyst (CEA). Modellen omfattade totalt 14 024 byggnader, från bostadshus till kommersiella och industriella fastigheter. Då 25% av stadens bostadsbyggnader uppskattas vara övergivna ingick totalt 10 792 byggnader i den slutgiltiga analysen. Ett basscenario som beskriver dagens energianvändning i byggnaderna, och fyra framtida scenarier, som omfattar energieffektiviseringsåtgärder och alternativa värmesystem, utvecklades för tidsperioden 2023-2040. En implementeringstakt om 2% av byggnadsbeståndet, vilket resulterade i att totalt 34% av byggnadsbeståndet inkluderades i scenarioanalysen. De fyra framtida scenarierna som ingick i analysen är Business-as-Usual (BAU), decentraliserade gasvärmepannor (NGB), fjärrvärme (DH) och decentraliserade värmepumpar (HP). Scenarierna bedömdes med hjälp av tre nyckeltal (KPI:er): den totala primärenergianvändningen, de totala operativa CO2 utsläppen och den ekonomiska prestandan, mätt som investeringens nu värde (NPV). Samtliga scenarier utvärderades med och utan implementering av solceller. Resultaten visade att scenariot BAU presterade sämst för alla tre KPI:er, medanHP-scenariot visade sig vara det bäst presterande scenariot för minskning avenergibehovet och CO2-utsläppen, med 99% minskning av CO2-utsläpp och 65%lägre energianvändning jämfört med basscenariot. Dock är detta förknippat medrelativt höga kostnader jämfört med de andra scenarierna. DH- och NGB-scenariotpresterade måttligt gällande besparing av energibehov och CO2-utsläpp, samtidigt somde presterade bättre ur ett ekonomiskt perspektiv. Alla scenarier resulterade i en lågandel av byggnader på individuell nivå med ett positivt NPV, vilket innebär att demisslyckas med att nå ett positivt totalt NPV för hela systemet. Å andra sidan visadekänslighetsanalysen att en minskning av investerings kostnaderna (CAPEX) ledde tillett positivt NPV för alla scenarier med solceller, och för alla scenarier utom BAU utan solceller. Detta indikerar att subventioner från lokala och nationella aktörer kan leda till en lönsam investering. Två viktiga slutsatser kan dras från dessa resultat: för det första, att vidta åtgärder och implementera något av HP-, NGB- eller DH-scenariot är mer fördelaktigt än att inte vidta några åtgärder, och för det andra, behöver den hållbara utvecklingen av staden ledas av den lokala kommunen samt nationella aktörer för att möjliggöra en långvarig omställning.

Detta projekt har som syfte att analysera en kommande renovering av en kontorsbyggnad i Boden under Fortifikationsverkets ägo. Projektet använder sig av programvarorna IDA Indoor Climate and Energy och Revit för att simulera byggnaden som den kommer att se ut efter att renoveringen är utförd. På detta sätt kan Fortifikationsverket utvärdera den utförda renoveringen med referensvärden tillhandahållna av detta projekt. Projektet introducerar läsaren till Revit samt simuleringsprogrammet IDA ICE och visar hur energianvändning kan simuleras för byggnader man önskar renovera. Ritningar, en energibesiktning av huset och uppmätta värden för tidigare år utgör underlaget för simuleringen och där värden inte finns tillgängliga görs antaganden. Den stundande renoveringen består av ett nytt ventilationssystem och strikta riktlinjer satta av Fortifikationsverket följs då renovering utförs. Renoveringen kommer att beröra tätning av byggnaden, sänkning av rumstemperaturer, effektivisering av belysning samt installation av effektivare fläktar, kylaggregat och värmeväxlare. Projektet finner att den stundande renoveringen sänker byggnadens årliga energianvändning med ca 31 %, uppvärmning och elförbrukning ingår i denna energianvändning och sänks med ca 29 % respektive 33 %. Byggnadens årliga uppvärmning och elförbrukning efter renovering fås till 409 009 kWh respektive 446 905 kWh. Av renoveringens olika åtgärder finner projektet att värmeåtervinning i ventilationssystemet hade överlägset störst verkan på uppvärmningen. Angående elförbrukningen hade effektivare belysning och effektivare fläktar störst verkan. / The purpose of this project is to analyze an upcoming renovation of an office building in Boden, owned by Fortifikationsverket. The project makes use of the software IDA Indoor Climate and Energy and Revit to simulate the building as it will function after completed renovation. This way Fortifikationsverket has a reference value to use when evaluating the actual performance of the building. The project introduces the reader to Revit as well as to the simulation program IDA ICE and shows how energy consumption may be simulated when one wishes to renovate a building. Drawings, an energy report and measured energy consumption act as the basis for the simulation and where values are not available assumptions are made. The upcoming renovation consists of a new HVAC system and rules set forth by Fortifikationsverket which are to be followed when a building under their regime is renovated. These rules consists of reducing air leakage, lowering room temperature and installing more effective lightning, fans, heat exchangers and air cooling. The project finds that the upcoming renovation lowers the yearly energy consumption of the building by approximately 31 %, heating and electricity are included in this energy consumption and are lowered by approximately 29 % and 33 % respectively. The yearly use of heating and electricity is found to be 409 009 kWh and 446 905 kWh respectively. Of the various measures taken by the renovation the heat recovery is found to be the most effective. The electricity consumption was lowered most by more effective lightning and fans.

Äldre flerbostadshus står för en stor del av Sveriges totala energianvändning som behöver sänkas föratt minska klimatpåverkan och klara regeringsmålet om effektivare energianvändning. Examensarbetets syfte är därför att bidra till en ökad kunskap om energieffektivisering genom åtgärder i äldre byggnaders klimatskärm, och om hur åtgärder kan värderas genom energisimulering och livscykelkostnadsanalys. Målet är att identifiera vilka åtgärder som är ekonomiskt och arkitektoniskt lämpliga för äldre flerbostadshus med intresse av att bevara deras karaktär. Det är även att bedöma vilken energibesparing och livscykelkostnad de utvalda åtgärderna genererar. Ett flerbostadshus i centrala Luleå valdes ut som referensbyggnad. Byggnaden är genom sin konstruktion och design representativ för tidseran. Intressanta åtgärder samt åtgärdspaket i dess klimatskal valdes ut. Sedan utfördes en bred litteraturgenomgång om bostadsbyggandet i Sverige 1945–1964, byggnadens energianvändning, energieffektivisering av klimatskalet, de utvalda åtgärderna samt metoderna energisimulering och livscykelkostnadsanalys. Referensbyggnaden dokumenterades och en energisimuleringsmodell byggdes i programvaran IDA ICE. Den nuvarande utformningen av byggnaden simulerades och kalibrerades mot senast uppmätt normalårskorrigerad energianvändning. Sedan utfördes simuleringar för de utvalda åtgärderna och åtgärdspaketen vilka bestämts till tilläggsisolering av vindsbjälklag, byte av fönster till lågenergifönster och tätning av otätheter runt dessa, en kombination av båda tidigare åtgärder (åtgärdspaket 1), tilläggsisolering av fasad och fönsterbyte, samt en kombination av alla tre åtgärder (åtgärdspaket 2). Livscykelkostnaderna för nuläget och för implementering av de olika åtgärderna beräknades genom nuvärdeskostnadsmetoden. Även återbetalningstider beräknades genom simple-payback-metoden. Byggnadens nuvarande utformning gav efter kalibrering en simulerad energianvändning på 136,2 kWh/(m2Atemp,år); 2,9 % över det senast uppmätta normalårskorrigerade värdet. Nuvärdeskostnaden för att inte utföra någon åtgärd beräknades till ca 2 727 tkr. Åtgärderna genererade energibesparingar på 3,5–14,6 %, nuvärdeskostnader på 2 685-5 880 tkr och återbetalningstider på 7-105 år. För varje adderad åtgärd i klimatskalet ökade energibesparingen. Tilläggsisolering av vindsbjälklag visade sig vara den enda lönsamma åtgärden, då den har en nuvärdeskostnad som är lägre än att inte utföra någon åtgärd. En känslighetsanalys utfördes för kostnadsberäkningarna där diskonteringsräntan höjdes och sänktes med 2 % och energipriset höjdes med 10 %. Tilläggsisoleringav vindsbjälklag kvarstod dock som den enda lönsamma åtgärden. Åtgärderna hade kunnat generera högre procentuell energibesparing för en annan liknande byggnad. Referensbyggnaden innehåller ett stort renoverat kontor vilket ger en lägre nuvarande energianvändning och lägre procentuell energibesparing för åtgärder än om endast den äldre bostadsdelen studerats. Då Luleå har Sveriges lägsta energipris är åtgärder med hög investeringskostnad ekonomiskt svårmotiverade. Detta beror på att kostnadsbesparingarna genom minskad energianvändning blir små i förhållande till åtgärdernas investeringskostnader. Tilläggsisolering av fasad kan inte rekommenderas då åtgärden både är mycket olönsam och förändrar byggnadens uttryck väsentligt. Slutsatsen är att tilläggsisolering av vindsbjälklag är den lämpligaste åtgärden för äldre flerbostadshus, av de undersökta åtgärderna för energieffektivisering i klimatskalet. Den är arkitektoniskt lämplig med hänsyn till bevarandet av byggnaden då den inte förändrar byggnadens utseende. Den är även ekonomiskt lämplig då den har en livscykelkostnad som är lägre änalternativet att inte utföra någon åtgärd. För fortsatta studier föreslås bl.a. att undersöka hur åtgärder kan göras mer attraktiva för fastighetsägare, att kartlägga fastigheter från tidseran (skick, energianvändning, resultat av åtgärder, möjligheter) samt att utvärdera potentialen av ny teknik. / Old multifamily houses stand for a large part of Sweden’s total energy usage, which must decrease to minimize our environmental impact and to accomplish the government goal of more efficient energy usage. The aim of this master thesis is therefore to contribute to an increased knowledge on energy optimization through building envelope improvements in older buildings, and how energy efficiency measures can be evaluated through building energy simulation and life cycle cost analysis. The goal is to identify which measures that are economically and architecturally appropriate for old multifamily houses with interest in retaining their character. It is also to evaluate which energy saving and life cycle cost the selected measures generate. A multifamily house in central Luleå was selected as reference building. The building is by its construction and design representative for the era. Interesting energy efficiency measures in the building envelope were chosen. Then a wide literature study was carried out on house building in Sweden 1945-1964, building energy usage, energy efficiency through building envelope measures, the selected measures and the methods building energy simulation and life cycle cost analysis. The reference building was documented and an energy simulation model was built in the software IDA ICE. A present version of the building was simulated and calibrated to better match the latest normalised annual value. After that, simulations were performed for the selected measures; additional attic insulation, change to low energy windows and weather stripping these, a combination of both previous measures, additional facade insulation and change of windows, and a combination of all three measures. The life cycle costs of the present situation and for implementation of the different measures were calculated through the net present cost method. Also, payback times were calculated through the simple payback method. The building in its original state showed a post-calibration energy usage of 136,2 kWh/(m2Atemp,year); 2,9 % above the surveyed value. The net present cost for not performing any energy conservation measures was calculated to about 2 727 SEK. The measures generated energy savings of 3,5-14,6 %, net present costs of 2 685 -5 880 SEK and payback times of 7-105 years. For each added measure in the building envelope, the energy saving increased. Additional insulation of the attic turned out to be the only profitable measure, since its net present cost is lower than for not performing any energy conservation measure. A sensitivity analysis was performed for the cost analyses where the discount rate was raised and lowered by 2 % and the energy price raised by 10 %. However, the additional attic insulation remained as the only profitable measure. The energy conservation measures could have generated greater energy savings for a similar building. The reference building contains a large retrofitted office which lowers the present energy usage and the percental energy savings for measures compared to if only the dwelling part had been studied. Since Luleå has Sweden’s lowest energy prices, measures with high investment costs become difficult to give grounds for. This is because the cost savings achieved by their energy savings are low compared to their investment costs. Additional facade insulation cannot be recommended since it both is very unprofitable and highly changes the appearance of the building. The conclusion is that additional attic insulation is the most appropriate energy conservation measure for old multifamily houses, of selected measures in the building envelope. It can be regarded as architecturally appropriate since it does not change the building appearance. It is also economically appropriate since its life cycle cost is lower than for not performing any measure. Suggested future research includes analyzing how energy efficiency measures can be made more attractive for real estate owners, charting real estate from the era (condition, energy usage, results from measures, opportunities) and evaluating the potential of new technology within the field.

Natural ventilation is the dominating ventilation process in ancient buildings like churches, and also in most domestic buildings in Sweden and in the rest of the world. These buildings are naturally ventilated via air infiltration and airing. Air infiltration is the airflow through adventitious leakages in the building envelope, while airing is the intentional air exchange through large openings like windows and doors. Airing can in turn be performed either as single-sided (one opening) or as cross flow ventilation (two or more openings located on different walls). The total air exchange affects heating energy and indoor air quality. In churches, deposition of airborne particles causes gradual soiling of indoor surfaces, including paintings and other pieces of art. Significant amounts of particles are emitted from visitors and from candles, incense, etc. Temporary airing is likely to reduce this problem, and it can also be used to adjust the indoor temperature. The present study investigates mechanisms and prediction models regarding air infiltration and open-door airing by means of field measurements, experiments in wind tunnel and computer modelling. In natural ventilation, both air infiltration and airing share the same driving forces, i.e. wind and buoyancy (indoor-outdoor temperature differences). Both forces turn out to be difficult to predict, especially wind induced flows and the combination of buoyancy and wind. In the first part of the present study, two of the most established models for predicting air infiltration rate in buildings were evaluated against measurements in three historical stone churches in Sweden. A correction factor of 0.8 is introduced to adjust one of the studied models (which yielded better predictions) for fitting the large single zones like churches. Based on field investigation and IR-thermography inspections, a detailed numerical model was developed for prediction of air infiltration, where input data included assessed level of the neutral pressure level (NPL). The model functionality was validated against measurements in one of the case studies, indicating reasonable prediction capability. It is suggested that this model is further developed by including a more systematic calibration system for more building types and with different weather conditions. Regarding airing, both single-sided and cross flow rates through the porches of various church buildings were measured with tracer gas method, as well as through direct measurements of the air velocity in a porch opening. Measurement results were compared with predictions attained from four previously developed models for single‑sided ventilation. Models that include terms for wind turbulence were found to yield somewhat better predictions. According to the performed measurements, the magnitude of one hour single-sided open-door airing in a church typically yields around 50% air exchange, indicating that this is a workable ventilation method, also for such large building volumes. A practical kind of diagram to facilitate estimation of suitable airing period is presented. The ability of the IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) computer program to predict airing rates was examined by comparing with field measurements in a church. The programs’ predictions of single-sided airflows through an open door of the church were of the same magnitude as the measured ones; however, the effect of wind direction was not well captured by the program, indicating a development potential. Finally, wind driven air flows through porch type openings of a church model were studied in a wind tunnel, where the airing rates were measured by tracer gas. At single-sided airing, a higher flow rate was observed at higher wind turbulence and when the opening was on the windward side of the building, in agreement with field measurements. Further, the airing rate was on the order of 15 times higher at cross flow than at single-sided airing. Realization of cross flow thus seems highly recommendable for enhanced airing. Calibration constants for a simple equation for wind driven flow through porches are presented. The measurements also indicate that advection through turbulence is a more important airing mechanism than pumping.   The present work adds knowledge particularly to the issues of air infiltration and airing through doors, in large single zones. The results can be applicable also to other kinds of large single-zone buildings, like industry halls, atriums and sports halls. / Naturlig ventilation är den dominerande ventilationsprocessen i äldre byggnader såsom kyrkor, och även i de flesta småhus i Sverige och övriga delar av världen. Luftinfiltration och vädring utgör viktiga komponenter i naturlig ventilation, där luftinfiltration är luftflöde genom oavsiktliga läckage i byggnadsskalet, medan vädring är avsiktligt luftutbyte genom stora öppningar såsom fönster och dörrar/portar. Vädring kan i sin tur ske ensidigt (genom en öppning) eller som tvärdrag (genom två eller flera öppningar belägna på olika ytterväggar). Det totala luftutbytet påverkar värmeförluster och inomhusluftens kvalité. I kyrkor orsakar avsättning av luftpartiklar en gradvis nedsmutsning av invändiga ytor, inklusive väggmålningar och andra konstföremål. Betydande mängder partiklar avges från besökare, tända ljus, rökelse, o.d. Tillfällig vädring kan minska detta problem, men även användas för att justera innetemperaturen. Föreliggande studie analyserar mekanismer och predikteringsmodeller gällande luftinfiltration och dörrvädring genom fältmätningar, vindtunnelförsök och datorsimuleringar. Luftinfiltration och vädring har samma drivkrafter, d.v.s. vind och termik (inne‑ute temperaturskillnader). Båda dessa drivkrafter är svåra att predicera, särskilt vindinducerade flöden och kombinationen av termik och vind. Två av de mest etablerade modellerna för luftinfiltrationsprediktering i byggnader har utvärderats via mätningar i tre kulturhistoriska stenkyrkor i Sverige. En korrigeringsfaktor av 0,8 föreslås för bättre prediktion av den ena modellen (som gav bäst resultat) gällande höga en-zonsbyggnader såsom kyrkor. En detaljerad numerisk modell är utvecklad för luftinfiltrationsprediktering, där indata baseras på fältundersökningar, inkl. IR-termografering och uppmätt av neutrala tryckplanet (NPL). Modellens funktionalitet har validerats via mätningar i en av fallstudierna och pekar på tämligen god prediktionsprestanda. Vidare utveckling av modellen föreslås, inkl. ett mer systematiskt kalibreringssystem, för olika typer av byggnader och väderförhållanden. Gällande vädring mättes både ensidigt flöde och tvärdrag genom portar i olika kyrkobyggnader med hjälp av spårgas samt direkta lufthastighetsmätningar i portöppning. Mätresultaten jämfördes med erhållna prediktioner från fyra tidigare utvecklade modeller för ensidig ventilation. De modeller som tog hänsyn till vindturbulens gav något bättre resultat. Enligt utförda mätningar medför en timmes ensidig portvädring i en kyrka cirka 50 % luftutbyte, vilket indikerar att detta är en tillämpbar ventilationsmetod, även för så pass stora byggnadsvolymer. Ett särskilt vädringsdiagram presenteras, som syftar till att underlätta uppskattning av erforderlig vädringsperiod. Vidare studerades predikteringsprestanda hos IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) simuleringsprogram avseende vädring, där simuleringsdata jämfördes med fältmätningar i en kyrka. Programmets prediktion av ensidigt luftflöde genom en öppen kyrkport var av samma storlekordning som det uppmäta; dock klarade programmet inte av att hantera inverkan av vindriktning så väl, vilket pekar på en utvecklingspotential. Avslutningsvis undersöktes vinddrivet flöde igenom portöppningar i en kyrkmodell i vindtunnel, där luftomsättningen mättes med hjälp av spårgasmetoden. Vid ensidig vädring observerades högre flöde vid högre vindturbulens och när öppningen var på vindsidan av byggnaden, i överensstämmelse med fältmätningarna. Dessutom var vädringsflödet vid tvärdrag i storleksordningen 15 högre än det vid ensidig vädring. Det verkar alltså som att man kan öka vädringstakten avsevärt om man kan åstadkomma tvärdrag. Kalibreringskonstanter presenteras också för en enkel ekvation för vinddrivet flöde genom portar. Vindtunnelstudien indikerar vidare att advektion genom turbulens är en viktigare vädringsmekanism än pumpning. Föreliggande arbete bidrar med kunskap speciellt kring luftinfiltration och vädring genom portar i höga en-zonsbyggnader. Resultaten kan även vara tillämpliga på andra typer av höga en-zonsbyggnader såsom industrihallar, atrier/ljusgårdar och idrottshallar. / Church project