The EU Directive for building energy performance requires all member states to reduce energy consumption and CO2 emissions in the existing building stock. A key instrument in achieving this is using building stock modelling as a tool for planning and development of policies. But since the building stock as a whole is a complex element to study, new interdisciplinary methods are required to facilitate a sustainable management of the built heritage. Moreover, as the goal of energy conservation is brought into a supposed conflict with the built heritage, the field of integrated conservation has a responsibility to be a part of the development of such methods. This thesis accordingly investigates state-of-the-art building stock models from several disciplines with the aim of developing a new method for categorising historic building stocks. The historic buildings in the case study of World Heritage Site Visby, Sweden, were surveyed and triangulated using e.g. on-site inspections, digital cadastre maps, the national EPC database and existing inventories, ultimately leading to 1048 buildings from before 1945 being included in a new inventory. This inventory, along with tools acquired from previous buildings stock models, enabled an iterative process to develop and validate the new categorisation method. The proposed method itself is based on the principal idea of categorisation where the building stock is represented by a limited number of categories which allow for further typology investigations, e.g. energy modelling, and extrapolation back to district level. The results show that the building stock can be represented by nine physical categories covering 86 % of the total number of buildings, and 70 % of the entire building volume. To encompass aspects regarding cultural heritage significance, the respective historic character of the buildings are assessed and described by combining statistical information and the Conservation plan of Visby. In all, the method shows to provide a supportive platform for investigations of a trade-off between energy conservation on one hand and building conservation on the other. / EFFESUS / Spara och Bevara

Dieser Beitrag fokussiert auf Ansätze, die der Abschätzung des deutschen Bestandes von Wohn- und Nichtwohngebäuden dienen. Insbesondere werden rasterbasierte Gebäudedaten sowie gemeindescharfe Schätzergebnisse eines bereits etablierten Ansatzes vorgestellt, analysiert und bewertet. In Verbindung mit modernen Daten der amtlichen Geoinformation (Geobasisdaten) zeichnen sich neue, innovative Möglichkeiten ab, um künftig auf kleinräumiger Ebene den Gebäudebestand zu bestimmen. Das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) verfolgt vor diesem Hintergrund mit dem Projekt „Raumbezogenes Data Mining“ das Ziel, analytische Potenziale und Visualisierungsmöglichkeiten von zeitgemäßen Methoden des Data Mining und der Knowledge Discovery für die Raumforschung zu erschließen und in der Perspektive verborgene planungsrelevante Raummuster und Zusammenhänge im hochdimensionalen Geodatenbestand zu extrahieren.

The need for heating and cooling in buildings constitutes a considerable part of the total energy use in a country and reducing this need is of outmost importance in order to reach national and international goals for reducing energy use and emissions. One important way of reaching these goals is to increase the proportion of renewable energy used for heating and cooling of buildings. Perhaps the largest obstacle with this is the often occurring mismatch between the availability of renewable energy and the need for heating or cooling, hindering this energy to be used directly. This is one of the problems that can be solved by using thermal energy storage (TES) in order to save the heat or cold from when it is available to when it is needed. This thesis is focusing on the combination of TES techniques and buildings to achieve increased energy efficiency for heating and cooling. Various techniques used for TES as well as the combination of TES in buildings have been investigated and summarized through an extensive literature review. A survey of the Swedish building stock was also performed in order to define building types common in Sweden. Within the scope of this thesis, the survey resulted in the selection of three building types, two single family houses and one office building, out of which the two residential buildings were used in a simulation case study of passive TES with increased thermal mass (both sensible and latent). The second case study presented in the thesis is an evaluation of an existing seasonal borehole storage of solar heat for a residential community. In this case, real measurement data was used in the evaluation and in comparisons with earlier evaluations. The literature reviews showed that using TES opens up potential for reduced energy demand and reduced peak heating and cooling loads as well as possibilities for an increased share of renewable energy to cover the energy demand. By using passive storage through increased thermal mass of a building it is also possible to reduce variations in the indoor temperature and especially reduce excess temperatures during warm periods, which could result in avoiding active cooling in a building that would otherwise need it. The analysis of the combination of TES and building types confirmed that TES has a significant potential for increased energy efficiency in buildings but also highlighted the fact that there is still much research required before some of the technologies can become commercially available. In the simulation case study it was concluded that only a small reduction in heating demand is possible with increased thermal mass, but that the time with indoor temperatures above 24 °C can be reduced by up to 20%. The case study of the borehole storage system showed that although the storage system worked as planned, heat losses in the rest of the system as well as some problems with the system operation resulted in a lower solar fraction than projected. The work presented within this thesis has shown that TES is already used successfully for many building applications (e.g. domestic hot water stores and water tanks for storing solar heat) but that there still is much potential in further use of TES. There are, however, barriers such as a need for more research for some storage technologies as well as storage materials, especially phase change material storage and thermochemical storage. / Behovet av värme och kyla i byggnader utgör en betydande del av ett lands totala energianvändning och att reducera detta behov är av yttersta vikt för att nå nationella samt internationella mål för minskad energianvändning och minskade utsläpp. En viktig väg för att nå dessa mål är att öka andelen förnyelsebar energi för kylning och uppvärmning av byggnader. Det kanske största hindret med detta är det faktum att det ofta råder obalans mellan tillgången på förnyelsebar energi och behovet av värme och kyla, vilket gör att denna energi inte kan utnyttjas direkt. Detta är ett av problemen som kan lösas genom att använda termisk energilagring (TES) för att lagra värme eller kyla från när det finns tillgängligt till dess att det behövs. Denna avhandling fokuserar på kombinationen av TES och byggnader för att nå högre energieffektivitet för uppvärmning och kylning. Olika tekniker för energilagring, samt även kombinationen av TES och byggnader, har undersökts och sammanfattats genom en omfattande litteraturstudie. För att kunna identifiera byggnadstyper vanliga i Sverige gjordes även en kartläggning av det svenska byggnadsbeståndet. Inom ramen för denna avhandling resulterade kartläggningen i valet av tre typbyggnader, två småhus samt en kontorsbyggnad, utav vilka de två småhusen användes i en simuleringsfallstudie av passiv TES genom ökad termisk massa (både sensibel och latent). Den andra fallstudien som presenteras i denna avhandling är en utvärdering av ett existerande borrhålslager för säsongslagring av solvärme i ett bostadsområde. I detta fall användes verkliga mätdata i utvärderingen samt i jämförelser med tidigare utvärderingar. Litteraturstudien visade att användningen av TES öppnar upp möjligheter för minskat energibehov och minskade topplaster för värme och kyla samt även möjligheter till en ökad andel förnyelsebar energi för att täcka energibehovet. Genom att använda passiv lagring genom ökad termisk massa i byggnaden är det även möjligt att minska variationer i inomhustemperaturen och speciellt minska övertemperaturer under varma perioder; något som kan leda till att byggnader som normalt behöver aktiv kylning kan klara sig utan sådan. Analysen av kombinationen av TES och byggnadstyper bekräftade att TES har en betydande potential för ökad energieffektivitet i byggnader, men belyste även det faktum att det fortfarande krävs mycket forskning innan vissa av lagringsteknikerna kan bli kommersiellt tillgängliga. I simuleringsfallstudien drogs slutsatsen att en ökad termisk massa endast kan bidra till en liten minskning i värmebehovet, men att tiden med inomhustemperaturer över 24 °C kan minskas med upp till 20 %. Fallstudien av borrhålslagret visade att även om själva lagringssystemet fungerade som planerat så ledde värmeförluster i resten av systemet, samt vissa problem med driften av systemet, till en lägre solfraktion än beräknat. Arbetet inom denna avhandling har visat att TES redan används med framgång i många byggnadsapplikationer (t.ex. varmvattenberedare eller ackumulatortankar för lagring av solvärme) men att det fortfarande finns en stor potential i en utökad användning av TES. Det finns dock hinder såsom behovet av mer forskning för både vissa lagringstekniker samt lagringsmaterial, i synnerhet för lagring med fasändringsmaterial och termokemisk lagring.

The need for heating and cooling in buildings constitutes a considerable part of the total energy use in a country and reducing this need is of outmost importance in order to reach national and international goals for reducing energy use and emissions. One important way of reaching these goals is to increase the proportion of renewable energy used for heating and cooling of buildings. Perhaps the largest obstacle with this is the often occurring mismatch between the availability of renewable energy and the need for heating or cooling, hindering this energy to be used directly. This is one of the problems that can be solved by using thermal energy storage (TES) in order to save the heat or cold from when it is available to when it is needed. This thesis is focusing on the combination of TES techniques and buildings to achieve increased energy efficiency for heating and cooling. Various techniques used for TES as well as the combination of TES in buildings have been investigated and summarized through an extensive literature review. A survey of the Swedish building stock was also performed in order to define building types common in Sweden. Within the scope of this thesis, the survey resulted in the selection of three building types, two single family houses and one office building, out of which the two residential buildings were used in a simulation case study of passive TES with increased thermal mass (both sensible and latent). The second case study presented in the thesis is an evaluation of an existing seasonal borehole storage of solar heat for a residential community. In this case, real measurement data was used in the evaluation and in comparisons with earlier evaluations. The literature reviews showed that using TES opens up potential for reduced energy demand and reduced peak heating and cooling loads as well as possibilities for an increased share of renewable energy to cover the energy demand. By using passive storage through increased thermal mass of a building it is also possible to reduce variations in the indoor temperature and especially reduce excess temperatures during warm periods, which could result in avoiding active cooling in a building that would otherwise need it. The analysis of the combination of TES and building types confirmed that TES has a significant potential for increased energy efficiency in buildings but also highlighted the fact that there is still much research required before some of the technologies can become commercially available. In the simulation case study it was concluded that only a small reduction in heating demand is possible with increased thermal mass, but that the time with indoor temperatures above 24 °C can be reduced by up to 20%. The case study of the borehole storage system showed that although the storage system worked as planned, heat losses in the rest of the system as well as some problems with the system operation resulted in a lower solar fraction than projected. The work presented within this thesis has shown that TES is already used successfully for many building applications (e.g. domestic hot water stores and water tanks for storing solar heat) but that there still is much potential in further use of TES. There are, however, barriers such as a need for more research for some storage technologies as well as storage materials, especially phase change material storage and thermochemical storage. / Behovet av värme och kyla i byggnader utgör en betydande del av ett lands totala energianvändning och att reducera detta behov är av yttersta vikt för att nå nationella samt internationella mål för minskad energianvändning och minskade utsläpp. En viktig väg för att nå dessa mål är att öka andelen förnyelsebar energi för kylning och uppvärmning av byggnader. Det kanske största hindret med detta är det faktum att det ofta råder obalans mellan tillgången på förnyelsebar energi och behovet av värme och kyla, vilket gör att denna energi inte kan utnyttjas direkt. Detta är ett av problemen som kan lösas genom att använda termisk energilagring (TES) för att lagra värme eller kyla från när det finns tillgängligt till dess att det behövs. Denna avhandling fokuserar på kombinationen av TES och byggnader för att nå högre energieffektivitet för uppvärmning och kylning. Olika tekniker för energilagring, samt även kombinationen av TES och byggnader, har undersökts och sammanfattats genom en omfattande litteraturstudie. För att kunna identifiera byggnadstyper vanliga i Sverige gjordes även en kartläggning av det svenska byggnadsbeståndet. Inom ramen för denna avhandling resulterade kartläggningen i valet av tre typbyggnader, två småhus samt en kontorsbyggnad, utav vilka de två småhusen användes i en simuleringsfallstudie av passiv TES genom ökad termisk massa (både sensibel och latent). Den andra fallstudien som presenteras i denna avhandling är en utvärdering av ett existerande borrhålslager för säsongslagring av solvärme i ett bostadsområde. I detta fall användes verkliga mätdata i utvärderingen samt i jämförelser med tidigare utvärderingar. Litteraturstudien visade att användningen av TES öppnar upp möjligheter för minskat energibehov och minskade topplaster för värme och kyla samt även möjligheter till en ökad andel förnyelsebar energi för att täcka energibehovet. Genom att använda passiv lagring genom ökad termisk massa i byggnaden är det även möjligt att minska variationer i inomhustemperaturen och speciellt minska övertemperaturer under varma perioder; något som kan leda till att byggnader som normalt behöver aktiv kylning kan klara sig utan sådan. Analysen av kombinationen av TES och byggnadstyper bekräftade att TES har en betydande potential för ökad energieffektivitet i byggnader, men belyste även det faktum att det fortfarande krävs mycket forskning innan vissa av lagringsteknikerna kan bli kommersiellt tillgängliga. I simuleringsfallstudien drogs slutsatsen att en ökad termisk massa endast kan bidra till en liten minskning i värmebehovet, men att tiden med inomhustemperaturer över 24 °C kan minskas med upp till 20 %. Fallstudien av borrhålslagret visade att även om själva lagringssystemet fungerade som planerat så ledde värmeförluster i resten av systemet, samt vissa problem med driften av systemet, till en lägre solfraktion än beräknat. Arbetet inom denna avhandling har visat att TES redan används med framgång i många byggnadsapplikationer (t.ex. varmvattenberedare eller ackumulatortankar för lagring av solvärme) men att det fortfarande finns en stor potential i en utökad användning av TES. Det finns dock hinder såsom behovet av mer forskning för både vissa lagringstekniker samt lagringsmaterial, i synnerhet för lagring med fasändringsmaterial och termokemisk lagring. / <p>QC 20130225</p>

Das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) verfolgt u. a. das Ziel, präzise Kenntnisse über das Mengengerüst des deutschen Gebäudebestandes und seiner Eigenschaften zu gewinnen und räumlich hochauflösende Indikatoren als Grundlage einer nachhaltigen Raumentwicklung für Planer und Entscheidungsträger zu erarbeiten. Dieser Beitrag fokussiert auf Ansätze der räumlichen Analyse, die eine Quantifizierung und Charakterisierung des Gesamtbestandes von Wohn- und Nichtwohngebäuden unterstützen. Vorgestellt werden erste Ergebnisse einer deutschlandweiten Auswertung amtlicher Hauskoordinaten und Hausumringe. Der Gebäudebestand wird nach Bundesländern und nach Raumstrukturtypen des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) gegliedert. Es besteht Bedarf, nicht nur Datenmodelle zu entwickeln, sondern daraus auch Erklärungs- und Messmodelle abzuleiten, die einen expliziten Raumbezug aufweisen und sich zur bestandsorientierten Wissensgewinnung sowie zur Strategieentwicklung eignen – auch im europäischen Kontext.

Dieser Beitrag fokussiert auf Ansätze, die der Abschätzung des deutschen Bestandes von Wohn- und Nichtwohngebäuden dienen. Insbesondere werden rasterbasierte Gebäudedaten sowie gemeindescharfe Schätzergebnisse eines bereits etablierten Ansatzes vorgestellt, analysiert und bewertet. In Verbindung mit modernen Daten der amtlichen Geoinformation (Geobasisdaten) zeichnen sich neue, innovative Möglichkeiten ab, um künftig auf kleinräumiger Ebene den Gebäudebestand zu bestimmen. Das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) verfolgt vor diesem Hintergrund mit dem Projekt „Raumbezogenes Data Mining“ das Ziel, analytische Potenziale und Visualisierungsmöglichkeiten von zeitgemäßen Methoden des Data Mining und der Knowledge Discovery für die Raumforschung zu erschließen und in der Perspektive verborgene planungsrelevante Raummuster und Zusammenhänge im hochdimensionalen Geodatenbestand zu extrahieren.

The electric power systems are currently being transformed through the integration of intermittent renewable energy resources and new types of electric loads. These developments run the risk of increasing mismatches between electricity supply and demand, and may cause non-favorable utilization rates of some power system components. Using Demand Response (DR) from flexible loads in the building stock is a promising solution to overcome these challenges for electricity market actors. However, as DR is not used at a large scale today, there are validity concerns regarding its cost-benefit and reliability when compared to traditional investment options in the power sector, e.g. network refurbishment. To analyze the potential in DR solutions, bottom-up simulation models which capture consumption processes in buildings is an alternative. These models must be simple enough to allow aggregations of buildings to be instantiated and at the same time intricate enough to include variations in individual behaviors of end-users. This is done so the electricity market actor can analyze how large volumes of flexibility acts in various market and power system operation contexts, but also can appreciate how individual end-users are affected by DR actions in terms of cost and comfort. The contribution of this thesis is bottom-up simulation models for generating load profiles in detached houses and office buildings. The models connect end-user behavior with the usage of appliances and hot water loads through non-homogenous Markov chains, along with physical modeling of the indoor environment and consumption of heating and cooling loads through lumped capacitance models. The modeling is based on a simplified approach where openly available data and statistics are used, i.e. data that is subject to privacy limitations, such as smart meter measurements are excluded. The models have been validated using real load data from detached houses and office buildings, related models in literature, along with energy-use statistics from national databases. The validation shows that the modeling approach is sound and can provide reasonably accurate load profiles as the error results are in alignment with related models from other research groups. This thesis is a composite thesis of five papers. Paper 1 presents a bottom-up simulation model to generate load profiles from space heating, hot water and appliances in detached houses. Paper 2 presents a data analytic framework for analyzing electricity-use from heating ventilation and air conditioning (HVAC) loads and appliance loads in an office building. Paper 3 presents a non-homogeneous Markov chain model to simulate representative occupancy profiles in single office rooms. Paper 4 utilizes the results in paper 2 and 3 to describe a bottom-up simulation model that generates load profiles in office buildings including HVAC loads and appliances. Paper 5 uses the model in paper 1 to analyze the technical feasibility of using DR to solve congestion problems in a distribution grid. / Integrering av förnybara energikällor och nya typer av laster i de elektriska energisystemen är möjliga svar till klimatförändringar och uttömning av ändliga naturresurser. Denna integration kan dock öka obalanserna mellan utbud och efterfrågan av elektricitet, och orsaka en ogynnsam utnyttjandegrad av vissa kraftsystemkomponenter. Att använda efterfrågeflexibilitet (Demand Response) i byggnadsbeståndet är en möjlig lösning till dessa problem för olika elmarknadsaktörer. Men eftersom efterfrågeflexibilitet inte används i stor skala idag finns det obesvarade frågor gällande lösningens kostnadsnytta och tillförlitlighet jämfört med traditionella investeringsalternativ i kraftsektorn. För att analysera efterfrågeflexibilitetslösningar är botten-upp-simuleringsmodeller som fångar elförbrukningsprocesser i byggnaderna ett alternativ. Dessa modeller måste vara enkla nog för att kunna representera aggregeringar av många byggnader men samtidigt tillräckligt komplicerade för att kunna inkludera unika slutanvändarbeteenden. Detta är nödvändigt när elmarknadsaktören vill analysera hur stora volymer efterfrågeflexibilitet påverkar elmarknaden och kraftsystemen, men samtidigt förstå hur styrningen inverkar på den enskilda slutanvändaren.  Bidraget från denna avhandling är botten-upp-simuleringsmodeller för generering av elförbrukningsprofiler i småhus och kontorsbyggnader. Modellerna kopplar slutanvändarbeteende med elförbrukning från apparater och varmvattenanvändning tillsammans med fysikaliska modeller av värmedynamiken i byggnaderna. Modellerna är byggda på en förenklad approach som använder öppen data och statistisk, där data som har integritetsproblem har exkluderats. Simuleringsresultat har validerats mot elförbrukningsdata från småhus och kontorsbyggnader,  relaterade modeller från andra forskargrupper samt energistatistik från nationella databaser. Valideringen visar att modellerna kan generera elförbrukningsprofiler med rimlig noggrannhet. Denna avhandling är en sammanläggningsavhandling bestående av fem artiklar. Artikel 1 presenterar botten-upp-simuleringsmodellen för genereringen av elförbrukningsprofiler från uppvärmning, varmvatten och apparater i småhus. Artikel 2 presenterar ett dataanalytiskt ramverk för analys av elanvändningen från uppvärmning, ventilation, och luftkonditioneringslaster (HVAC) och apparatlaster i en kontorsbyggnad. Artikel 3 presenterar en icke-homogen Markovkedjemodell för simulering av representativa närvaroprofiler i enskilda kontorsrum. Artikel  4 använder resultaten i artiklarna  2 och 3 för att beskriva en botten-upp-simuleringsmodell för generering av elförbrukningsprofiler från HVAC-laster och apparater i kontorsbyggnader. Artikel  5 använder modellen i artikel 1 för att analysera den tekniska möjligheten att använda efterfrågeflexibilitet för att lösa överbelastningsproblem i ett eldistributionsnät. / <p>QC 20160329</p>

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.

Das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) verfolgt u. a. das Ziel, präzise Kenntnisse über das Mengengerüst des deutschen Gebäudebestandes und seiner Eigenschaften zu gewinnen und räumlich hochauflösende Indikatoren als Grundlage einer nachhaltigen Raumentwicklung für Planer und Entscheidungsträger zu erarbeiten. Dieser Beitrag fokussiert auf Ansätze der räumlichen Analyse, die eine Quantifizierung und Charakterisierung des Gesamtbestandes von Wohn- und Nichtwohngebäuden unterstützen. Vorgestellt werden erste Ergebnisse einer deutschlandweiten Auswertung amtlicher Hauskoordinaten und Hausumringe. Der Gebäudebestand wird nach Bundesländern und nach Raumstrukturtypen des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) gegliedert. Es besteht Bedarf, nicht nur Datenmodelle zu entwickeln, sondern daraus auch Erklärungs- und Messmodelle abzuleiten, die einen expliziten Raumbezug aufweisen und sich zur bestandsorientierten Wissensgewinnung sowie zur Strategieentwicklung eignen – auch im europäischen Kontext.

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.