Historic buildings, buildings built before 1945, represent a third of the total building stock in Sweden. While implementing energy efficiency measures (EEMs) on historic buildings it is important to consider heritage values. This thesis aims to investigate impacts on primary energy use and CO2 emissions while using life cycle cost (LCC) optimization on historic buildings in three studied cases: reference case with no implemented EEMs (case 1), lowest possible LCC (case 2) and a decrease by 50% in energy use (case 3). As a case study 920 historic buildings divided into twelve typical buildings (6 wood buildings, 1w-6w, and 6 stone buildings, 1s-6s) in the downtown area of Visby, Sweden, are used. Within the scope of the thesis, how to achieve the most profitable EEMs and how the profitability of energy renovation varies between the typical buildings in the studied cases will be analyzed also. An interdisciplinary method is applied in the thesis that considers both heritage values and energy savings. However, the keystone of the thesis is the use of the program Optimal Energy Retrofit Advisory-Mixed Integer Linear Programming (OPERA-MILP), which is a part of the interdisciplinary method. With the use of OPERA-MILP, the cost-optimal energy renovation strategy is obtained for a building. The program takes into account all energy-related investment costs, as well as the investment and operation costs for the heating system, during a set time period. The results show unique packages of EEMs for each of the twelve typical buildings with a potential to lower the total LCC by between 4-11% in the building stock and simultaneously decrease the energy use by more than 50%. The thesis also shows a possible decrease in primary energy use from 24%-57%. The CO2 emissions vary significantly depending on what assumptions are made related to electricity production and biomass use; the results show increases up to 224% in CO2 emissions but also decreases up to 85%. All typical buildings are economically viable to energy renovate. The LCC savings are between 1.4-11.8 SEK with a life cycle set to 50 years for every annually saved kWh, except for case 3 where cost is incurred for every annually saved kWh, 10.0-17.2 SEK, for a number of the typical buildings. / Historiska byggnader, byggnader uppförda före 1945, utgör en tredjedel av det totala byggnadsbeståndet i Sverige. Historiska byggnader har ofta kulturhistoriska värden som måste beaktas vid energieffektiviseringar. Detta examensarbete syftar till att undersöka påverkan på primärenergianvändning och CO2-utsläpp genom optimering av livscykelkostnaderna (LCC) för historiska byggnader. Som fallstudie används 920 historiska byggnader i Visbys innerstad, indelade i tolv olika typbyggnader (6 träbyggnader, 1w-6w, och 6 stenbyggnader, 1s-6s). Tre fall undersöks: referensfall utan implementerade energieffektiviseringsåtgärder (fall 1), lägsta möjliga LCC (fall 2) och en minskning av energianvändningen med 50 % (fall 3). Inom examensarbetets kommer även de mest lönsamma energieffektiviseringsåtgärderna tas fram. Examensarbetet kommer också att visa hur lönsamheten för energirenovering varierar mellan de olika typbyggnaderna. Vid utförandet av examensarbetet tillämpas en tvärvetenskaplig metod som beaktar både kulturhistoriska värden och energibesparing. Tyngdpunkten ligger dock på användningen av programmet Optimal Energy Retrofit Advisory-Mixed Integer Linear Programming (OPERA-MILP), som är en del av den tvärvetenskapliga metoden. Med användningen av OPERA-MILP erhålls den kostnadsoptimala energieffektiviseringsstrategin för en byggnad. Programmet beaktar alla energirelaterade investeringskostnader, samt investering- och driftkostnader för värmetillförselsystem, under en bestämd tidsperiod. Resultaten visar unika energieffektiviseringspaket för de olika typbyggnaderna med en potential att sänka totala LCC för byggnadsbeståndet med 4-11 % och samtidigt minska energianvändningen med mer än 50 %. Examensarbetet visar också en möjlig minskning i primärenergianvändning med 24-57 %. CO2-utsläppen varierar mycket beroende på vilka antaganden görs relaterat till elektricitetsproduktion och användning av biomassa; resultaten visar ökningar upp till 224 % i CO2-utsläpp men också minskningar ned till 85 %. Samtliga typbyggnader är ekonomiskt lönsamma att energirenovera med LCC-besparingar på 1,4-11,8 SEK med en livscykel satt till 50 år för varje årligen sparad kWh, förutom i fall 3 då kostnader uppstår för varje årligen sparad kWh med 10,0-17,2 SEK, för ett antal av typbyggnaderna. / Potential and Policies for Energy Efficiency in Swedish Buildings Built Before 1945 (Stage II) - Energy Systems Analysis

Införandet av elektrisk belysning var en revolution på många områden, inte minst för byggnadsinteriörer. Syftet med belysningsändringar i nutid är ofta förbättringar av byggnadens funktion och tillgänglighet. Samtidigt är ljusbilden viktig för den historiska läsbarheten, stämningen och upplevelsen av en byggnad. Syftet med uppsatsen är att undersöka ljussättning i historiska miljöer ur ett antikvariskt perspektiv. Vilka effekter har övergången till elektrisk belysning fått i historiska byggnader jämfört med deras historiska ljusbild? Ljussättning följer restaureringsideologier men även trender och den tekniska utvecklingen. För att bättre ta tillvara våra historiska byggnader och deras värden är kunskap om historisk belysning viktig. Samtidigt bör vi vara medvetna om hur vårt nutida perspektiv påverkar belysningslösningar även i äldre byggnader. Materialet för undersökningen består av litteratur och forskning om ljus och belysning från flera discipliner: etnologi, arkeologi, ljusdesign, kulturvård och arkitektur. En del av materialet samlades i fältstudier och innefattar fyra olika byggnadsinteriörer. Som metod för undersökningen användes fältstudier och fotodokumentation tillsammans med studier av arkivmaterial och relevant litteratur. Undersökningen visar att belysningen i en byggnad påverkar dess kulturhistoriska värden samtidigt som ljusbilden i sig kan tillskrivas kulturhistoriskt värde. Genom att ta hänsyn till byggnadens originalgestaltning och vissa grundprinciper för historisk belysning blir det möjligt att skapa en mer historiskt trovärdig belysning som samtidigt höjer upplevelsevärdet. En tydlig värdering av ljusbilden kan leda till mer ändamålsenliga belysningslösningar samtidigt som flera värden i en byggnad kan tas tillvara. / The introduction of electric light was a revolution in several areas of life. It ́s impact on building interiors is not to be underestimated. The aim with changes in lighting is often to improve access or function in a building. The light environment, however, is important even for the feeling and experience of an interior and can improve its historical readability. The purpose of this paper is to study lighting in historical buildings from a conservation point of view. What effects do the transition to electric lighting have on historical buildings and how does the light environment differ from the historical ways of lighting? Lighting design follows restauration ideologies as well as trends and the technical development. Knowledge of historical lighting is important for the conservation of historical buildings and their heritage values. At the same time, we need to be aware of the ways our modern perspective on light and lighting affects lighting design even in historical buildings. Material for the study consists of literature and research on light and lighting from several disciplines: anthropology, archeology, lighting design, conservation and architecture. Part of the material was collected through field studies in four historical interiors. Methods used for this study were field studies and photo documentation together with studies of archive material and relevant literature. The study shows that appropriate lighting can enhance cultural heritage values in a building and even have a value on its own. By respecting the original character of a building and applying some basic principles of historical lighting it is possible to create a historically truthful light environment that improves the experiential value of the building. A clear valorization of a light environment can lead to more favorable lighting solutions and help preserve several more cultural heritage values in a building.

This study was conduct as a candidate thesis at Jönköping’s School of Engineering. The purpose of the study was to examine how the light zone of façade lighting on a historical building is perceived in correlation to the cityscape. Historical buildings are an important part of the cityscape and connect the identity of the city, the cultural heritage, and the history of the building to the inhabitants. However, currently there is little published research within the area perception of façade lighting. The study is conducted as three case studies on the buildings: Rådhuset (the townhall) in Jönköping, Grand Hotel in Stockholm, and the Stadshuset (City hall) in Gothenburg.  The case studies used qualitative observational methods (Lynch /Branzell, PERCIFAL & FOG). To be able to compare the different objects a new method was developed by the authors, named “FOG”. FOG stands for the English word fog.  The new method is based on methods established by Lynch, Branzell, Cullen, and the optical scale. Our results indicate that the new method FOG is suitable to use when planning for façade lighting on existing facades, historical or not. FOG also have the potential to be used on other objects than facades when evaluating or working with the cityscape. Historical buildings façade suitability for façade lighting is based on its ornamentation and correlation with the urban space. Lighting on historical building façades increases the accessibility of the area and the perception of exclusiveness of the area. / Studien genomfördes som ett examensarbete vid Jönköpings Tekniska högskola. Syftet med studien är att undersöka hur ljusrum upplevs i samband med historiska fasader och stadsrummet.  Historiska byggnader är en viktig del av stadsrummet samt stadens identitet, kulturarv och historia. I dagsläget finns nästintill ingen tidigare forskning publicerad på upplevelsen av fasadbelysning. Studien genomfördes som tre fallstudier på platserna: rådhuset i Jönköping, Grand hotell i Stockholm och stadshuset i Göteborg med kvalitativa observationsmodeller (Lynch / Branzell, PERCIFAL & FOG). För att kunna jämföra de olika objekten har författarna tagit fram en egen metod kallad ”FOG”. FOG kommer från det engelska ordet dimma. FOG grundar sig i metoderna Lynch, Branzell, Cullen och optisk skala. Studien visar att FOG kan användas vid planering och som observations metod av fasadbelysning av en befintlig byggnad. FOG har även potential att kunna användas på andra objekt och för att stödja arbete med stadsgestaltning. En historisk fasads lämplighet för belysning påverkas av fasadens ornamentering och relation till stadsrummet. Resultaten från studien visar att belysning på historiska fasader ökar tillgängligheten av platsen, samt ökar upplevelsen av exklusivitet.

In Sweden, buildings are responsible for about 40 % of total energy use and about 10 % of total CO2 emissions Today more than 60 % of existing Swedish residential buildings are over 40 years old and are in need of major renovation. In addition, 15 % of all multi-family buildings and 27 % of all single-family houses were built before 1945. The increased energy use and threat from CO2 emissions of the building sector create a need for energy efficiency. The important role that renovation of residential buildings will play in reducing the total energy used by the Swedish building sector as well as in reducing primary energy use and CO2 emissions on both the national and global levels has been the impetus for the studies included in this thesis. The aim of the current research is to develop a methodology from a system perspective which can be used to analyze the energy use, optimal life cycle cost (LCC), energy efficiency measure (EEM) package, indoor environment, CO2 emissions, and primary energy use of a building or a community during major renovation. The developed methodology accomplished at three different levels, i.e. building level, cluster level and district level. The methodology considers both energy efficiency and economic viability during building renovation and will also play an important role in overall urban planning. The studied buildings include both non-listed and listed residential buildings and the tools used include building energy simulation (BES), survey, technical measurements, LCC optimization and building categorization. The results show that the combination of BES, technical measurements and surveys provides a holistic approach for evaluation of energy use and indoor environment of the studied residential buildings. The results from the current study also show that the 2020 energy target, i.e., reduction of energy use by 20 %, for the building sector can be achieved by all the studied building types and that the total LCC of these buildings are below the cost-optimal point. In comparison, the 2050 energy target, i.e., reduction of energy use by 50 %, for the building sector may be achieved by the non-listed buildings, but when the constraints relevant to listed buildings are added the cost-optimality changes as some EEMs in direct conflict with the building’s heritage value may not be implemented. The investigation of primary energy use and CO2 emissions by the residential buildings show that the higher the energy saving, the lower the primary energy use becomes, and vice versa. With the same energy saving, the heating system with higher primary energy factor results in higher primary energy use. From a CO2 emissions point of view, EEM packages proposed to help buildings connected to a CHP based district heating system, to reduce the energy use or LCC are not consistently effective. Since these EEM packages will reduce district heating demand, the electricity produced in the CHP plant will also decrease. When the biomass is considered a limited resource, measures such as investment in a biofuel boiler are not favourable from the CO2 emissions point of view. The current study has also shown that combining building categorization method and LCC optimization method will help the community to reduce its energy use, primary energy use and CO2 emissions in a systematic and strategic way. / I Sverige, står byggnadssektorn för cirka 40 % av den totala energianvändningen och cirka 10 % av CO2-utsläppen. Idag är mer än 60 % av befintliga svenska bostäder över 40 år gamla och i stort behov av renovering. Dessutom är 15 % av alla flerbostadshus och 27 % av alla småhus byggda före 1945. Den ökade energianvändningen och hotet från CO2-utsläpp från byggsektorn skapar ett behov av energieffektivisering. Grunden för studierna i denna avhandling är den stora betydelse som renoveringen av bostäder har, såväl för att kunna minska den totala energianvändningen som den primärenergianvändningen och CO2-utsläppen på både nationell och global nivå. Syftet med denna forskning är att utveckla en metodik ur ett systematiskt perspektiv som kan användas för att analysera energianvändning, finna optimal livscykelkostnad (LCC), skapa energieffektiviseringsåtgärdspaket, undersöka inomhusmiljöer, beräkna CO2-utsläpp och primärenergianvändning i en byggnad eller ett samhälle vid omfattande renovering. Den utvecklade metodiken som har använts i de aktuella studierna är på tre olika nivåer: byggnadsnivå, klusternivå och stadsdelsnivå. Metodiken avser både energieffektivitet och ekonomisk lönsamhet vid renovering av byggnader och kommer också att spela en viktig roll i den övergripande stadsplaneringen. De studerande byggnaderna i denna avhandling innefattar både historiska och icke-historiska bostäder. De använda verktygen inkluderar building energy simulering (BES), enkätundersökning, tekniska mätningar, LCC-optimering och byggnadskategorisering. Resultaten visar att kombinationen av BES, tekniska mätningar och enkätundersökning ger en god helhetsbild för utvärdering av energianvändning och inomhusmiljö av den studerade byggnaden. Resultaten från den aktuella studien visar också att 2020-energimålet, d.v.s. en minskning av energianvändningen med 20 % till 2020 av byggsektorn, kan uppnås i alla undersökta byggnader och att den totala LCC av dessa byggnader ligger under den kostnadsoptimala punkten. I jämförelse, kan 2050-energimålet, d.v.s. en minskning av energianvändningen med 50 % till 2050, kan uppnås i icke-historiska byggnader, men med hänsyn tagen till begränsningarna för historiska byggnader, ändras de kostnadsoptimala lösningarna, eftersom vissa energieffektiviseringsåtgärder är i direkt konflikt med byggnadens kulturhistoriska värde och därför inte kan genomföras. Undersökningen av primärenergianvändning och CO2-utsläpp i de studerade byggnaderna visar, att ju högre energibesparingen är, desto lägre blir primärenergianvändningen, och vise versa. Med lika mycket energibesparing, resulterar värmesystemet med högre primärenergifaktor i högre primärenergianvändning. Sett från CO2-utsläppssynvinkel, är de energieffektiviseringsåtgärdspaket, som kan hjälpa byggnader anslutna till ett kraftvärmebaserat fjärrvärmesystem att minska energianvändningen eller LCC, inte effektiva, eftersom dessa åtgärdspaket kommer att minska fjärrvärmeanvändningen. Detta leder till att mängden producerad el i ett kraftvärmeverk också kommer att minskas. När biobränsle betraktas som en begränsad resurs, är åtgärder som investering i en biobränslepanna inte energieffektiva från en CO2-utsläppssynvikel. Den aktuella studien visar också att kombinationen av byggnadskategorisering och LCC-optimering kommer att hjälpa byggnadssektorn att minska sin energianvändning, primärenergianvändning och CO2-utsläpp på ett systematiskt och strategiskt sätt.