A district heating and cooling (DHC) system can be a viable piece of the puzzle in the efforts of reducing the greenhouse gas (GHG) emissions. Especially if the DHC system include combined heat and power (CHP) plants which enable electricity production from renewable resources. This is set forth in national energy targets and sustainable development goals (SDGs), adopted by the United Nations in 2015. Moreover, improved energy efficiency and energy savings are important factors in fulfilling the national targets of decreased energy intensity as well as reducing the use of fossil fuels.

The aim of this thesis is to analyze the impacts of two energy end-use measures in a DHC network and their consequences on the efforts towards sustainable development. The end-use measures studied are (1) renovation of a multifamily building stock and (2) the use of a hydronic pavement system (HPS) including analysis of different control strategies. The end-use measures are assessed in terms of energy use and efficiency, use of renewable and fossil resources, and local and global GHG emissions. Lastly, it is analyzed how the results relate to national energy targets and SDGs. By using simulation and optimization models, several scenarios of end-use measures are analyzed in the two studies. In the first study, six scenarios are analyzed, as the renovation packages include measures on the envelope, ventilation and conversion from district heating to ground source heat pump. In the second study three scenarios are analyzed, where the HPS are operated all-time at a temperature below 4°C or are shut down at temperatures below -10°C or at temperatures below -5°C.

The results of the study regarding the renovation of a multifamily building stock indicate a future reduction in heat demand. All scenarios show energy savings of the studied building, which ranged from 11% to 56%. All scenarios show a reduction in local GHG emissions, as well as reduced fossil fuel use. Although the largest reduction was found in the use of renewable resources. From a global perspective on GHG emissions, the scenarios with district heating out-performed measures with heat pump solutions in the studied system. Moreover, the study point to positive impacts on the efforts towards SDGs.

To mitigate the reduced heat demand from the renovation of the building stock, an HPS may be used. The results show mostly renewable resources were used for the HPS. The use of HPS was found to generate a positive impact on global GHG emissions. A control strategy that shuts down the HPS at temperatures below -10°C would result in 10% energy saving and would maintain acceptable performance of the HPS. Furthermore, it would reduce the use of fossil fuel and reduce local GHG emissions by 25%. Moreover, an HPS may contribute to SDGs.

It is concluded that energy end-use measures of renovating a multifamily building stock are vital in the work towards an improved energy intensity. However, these measures result in a decreased demand for heat in the DHC network. This can then lead to reduced electricity production from renewable resources in the CHP plants, which in turn have a negative impact on the global GHG emissions. By finding new applications, like HPS, the infrastructure of DHC networks could be utilized efficiently and serve as one piece of the puzzle that is the efforts towards sustainable development.

Ett fjärrvärme- och fjärrkylenätverk kan vara en viktig del i arbetet att minska växthusgasutsläppen. Speciellt då ett fjärrvärme- och fjärrkylenätverk nyttjar kraftvärme, vilket möjliggör elproduktion från förnybara resurser. Detta efterfrågas i de nationella energimålen och i de globala målen för hållbar utveckling, även kallade Agenda 2030, som antogs av Förenta Nationerna 2015. Dessutom är förbättrad energieffektivitet och energibesparing viktiga faktorer för att nå de nationella energimålen för minskad energiintensitet.

Syftet med denna avhandling är att analysera effekterna av två användningsåtgärder i ett fjärrvärme- och fjärrkylenätverk, samt dess konsekvenser för en hållbar utveckling. De åtgärder som undersöks är (1) renovering av ett flerbostadshusbestånd och (2) användningen av ett markvärmesystem. Användningsåtgärderna analyseras utifrån energianvändning och energibesparing, användning av förnybara och fossila resurser, samt lokala och globala växthusgasutsläpp. Slutligen analyseras hur resultaten relaterar till nationella energimålen och de globala målen för hållbar utveckling.

Genom att använda simulerings- och optimeringsmodeller analyseras flera scenarier av användningsåtgärder i de två studierna. I den första studien analyseras sex scenarier, där renoveringsåtgärderna innehåller klimatskals- och ventilationsåtgärder, samt ett byte av värmesystem från fjärrvärme till värmepump. I den andra studien analyseras tre scenarier. Ett då markvärmesystemet drivs kontinuerligt vid en utomhustemperatur under 4° C, samt då systemet även stängs av eller försätts i viloläge vid utomhustemperaturer under -10°C respektive -5°C.

Resultaten från den först studien pekar på ett minskat värmebehov i framtiden. Alla scenarierna innebar energibesparingar i den studerade byggnaden, som varierade från 11% till 56%. Alla scenarier uppvisade en minskning av lokala växthusgasutsläpp, samt minskning av fossil bränsleanvändning. Dock ses den största minskningen i användandet av förnybara resurser. I ett globalt perspektiv på växthusgasutsläpp, så presterar värmelösningar med fjärrvärme bättre än de med värmepump i de studerade systemen. Studien uppvisar positiva effekter på de nationella målen, samt de globala målen för hållbar utveckling.

För att möta den minskade värmebehovet kan ett markvärmesystem nyttjas. Resultaten visar att främst förnybara resurser används. Användningen av markvärme har en positiv inverkan på globala växthusgasutsläpp och en kontrollstrategi som försätter markvärmesystemet i vila vid temperaturer under -10°C kan resultera i 10% energibesparing samtidigt som en acceptabel prestanda bibehålls. Detta minskar den fossila bränsleanvändningen, samt de lokala växthusgasutsläppen med 25%. Ett markvärmesystem kan bidra i arbetet med de nationella målen, samt de globala målen för en hållbar utveckling.

Slutsatsen är att renovering av ett bestånd av flerbostadshus ska genomföras i arbetet för en minskad energiintensitet. Dessa åtgärder leder emellertid till en minskad efterfrågan på värme. Detta kan minska elproduktion från förnybara resurser i kraftvärmeanläggningarna, vilket i sin tur har en negativ inverkan på de globala växthusgasutsläppen. Genom att hitta nya applikationer, som markvärme, kan infrastrukturen i fjärrvärme- och fjärrkylenätverk nyttjas effektivt fortsättningsvis och fungera som en bit i pusslet för en hållbar utveckling.

Increased energy efficiency is a prerequisite for achieving the national energy and climate goals, the goals set by the European Union, and the Sustainable Development Goals adopted by the United Nations. Close to 40% of Sweden’s total energy use and approximately 20% of domestic greenhouse gas emissions are allocated to the residential and service sector. There is great potential for increased energy efficiency within the sector. Almost half of Swedish households are situated in multifamily buildings, where district heating is the predominant heating solution, as well as in service buildings.

This thesis uses a system perspective to explore energy efficiency work and end-use measures in an energy system, focusing on district heated regions that include combined heat and power production, and the residential and service sector, focusing on multifamily buildings and non-residential buildings. The research explores energy and climate goals in relation to the integration of the Sustainable Development Goals and potential barriers between organizations’ different objectives. In addition, the research focuses on barriers and drivers for energy efficiency. How type of ownership, size of the organization, and degree of urbanization can differentiate this work is also studied. Finally, the research explores potential conflicting objectives by studying energy end-use measures based on different system boundaries.

The results show that around 70% of organizations in the Swedish residential and service sector had integrated the Sustainable Development Goals. However, depending on ownership, the integration rate ranges from 60% in public organizations with predominantly rental properties to 77% in private organizations, and 84% in cooperative organizations with predominantly tenant-owned properties. Only 48% of the small organizations had integrated the goals, compared to 73% of medium-sized organizations and 90% of large organizations. 49% of organizations in rural areas had integrated the goals, compared to 63% in towns and suburbs, and 80% in cities. The results show different use of terminology and timelines, and conflicting objectives are seen as different system boundaries are applied. This may inhibit understanding and communication, and hinder integration.

Despite the need for energy efficiency, cost-efficient energy conservation measures are not always implemented. This is explained by the existence of barriers to energy efficiency. The perception of a lack of time or other priorities is the most hindering factor, along with the experience of a slim organization. On the other hand, the major drivers are reducing costs, followed by drivers of an organizational or behavioral nature. The results illustrate a challenging situation among publicly owned organizations, small organizations, and those in rural areas, as - relative to other groups - they experience barriers to a greater degree and drivers to a lesser extent. Positive factors that emerge between 2010 and 2020 are that energy strategies are integrated, and energy efficiency is given high priority throughout the organizations’ working methods.

Lastly, by using simulation and optimization models, energy end-use measures of (1) large-scale renovation of a multifamily building stock and (2) the use of a hydronic pavement system for snow and ice clearance are studied. The results of the large-scale renovation of multifamily buildings reveal a potential conflict. The measure resulting in the best energy performance of the building, which may be the most desirable measure from a building owner’s perspective, risks leading to larger greenhouse gas emissions. A hydronic pavement system - a rarely used application in present-day district heating systems - proves to be a possible sustainable solution and a suitable application for the future generation of a low-temperature district heating system. The results underline the importance of understanding system boundaries in general, but also when considering energy efficiency improvements.

En ökad energieffektivisering är en förutsättning får att uppnå de nationella energi- och klimatmålen, så väl som målen satta av Europeiska unionen och de globala hållbarhetsmålen antagna av Förenta nationernas medlemsländer. Närmare 40 % av Sveriges totala energianvändning och cirka 20 % av de inhemska växthusgasutsläppen allokeras till bostads- och servicesektorn. Det finns en stor potential till ökad energieffektivisering inom sektorn. Närmare hälften av de svenska hushållen finns i flerbostadshus, där fjärrvärme är den dominerande värmelösningen med närmare 90% marknadsandel och med en marknadsandel på ungefär 80% för lokaler. Genom att samla aktörer från tillförselsidan inom energisektorn och användarsidan inom bostadsoch servicesektorn kan möjligheter för ett effektivt energisystem och en effektiv energianvändning studeras.

Syftet med denna avhandling är att med ett systemperspektiv studera arbetet med energieffektivisering och energieffektiviseringsåtgärder inom energisektorn, med fokus på fjärrvärmeregioner med kraftvärmeproduktion, och den svenska bostads- och servicesektorn, med fokus på flerbostadshus och lokaler. Forskningsfrågorna analyserar klimat- och energimål kopplat till de globala hållbarhetsmålen och potentiella hinder mellan målsättningar. Utöver detta fokuserar forskningen på energieffektivisering och dess hinder och drivkrafter. Vidare studeras hur typ av ägarskap, organisationsstorlek och befolkningstäthet kan differentiera resultaten. Slutligen studeras potentiella målkonflikter vid genomförande av olika energieffektiviseringsåtgärder vid renovering av flerbostadshus och hur användning av markvärme påverkar energisystemet. Forskningen bidrar med kunskap om hur en ökad energieffektivitet kan påverka utsläpp av växthusgaser från energisystemet.

Integreringen av ramverket för de globala hållbarhetsmålen i den svenska bostads- och servicesektorn har studerats genom en enkätstudie. Resultatet visar att ungefär 70% av organisationerna har integrerat ramverket i sitt arbete. Integreringen varierar dock beroende på typ av ägarskap, från 60 % i allmännyttiga bostadsbolag med övervägande hyresrätter, 77 % i privata bostadsbolag till 84 % i kooperativa organisationer med övervägande bostadsrätter. Bland små organisationerna hade 48 % integrerat ramverket jämfört med 73 % i medelstora och 90 % i stora organisationer. Även beroende på befolkningstätheten där organisationerna är verksamma ses skillnader, där 49 % av organisationer på landsbygd hade integrerat ramverket jämfört med 63 % i mindre städer och förorter och 80 % av organisationerna i storstäder. Genom en kvalitativ innehållsanalys och målkonfliktutvärdering i en kontrollerad grupp energioch bostadsbolag påvisas att integrering av klimat- och energimål kan resultera i olika användning av terminologi, tidslinjer och motstridiga mål när olika systemgränser tillämpas. Detta kan hämma förståelse och kommunikation, samt motverka genomförande och integreringen av de globala hållbarhetsmålen.

En ökad energieffektivisering inom bostads- och servicesektorn är en central del av nationella och Europeiska unionens klimat- och energistrategier och för att nå de globala hållbarhetsmålen. Genom enkätundersökningar studeras uppfattningen av hinder mot och drivkrafter för energieffektivisering inom den svenska bostads- och servicesektorn och vilka förändringar som skett mellan 2010 och 2020. Resultaten visar att brist på tid eller andra prioriteringar är det största hindret, samt uppfattningen om en slimmad organisation. Den största drivkraften är att minska kostnader följt av drivkrafter av organisatorisk eller beteendemässig karaktär. Resultaten visar en utmanande situation bland allmännyttiga bostadsbolag, små organisationer och de på landsbygden, då de relativt andra grupper upplever hinder till högre grad och drivkrafter lägre. Positiva faktorer som framkommer från 2010 till 2020 är att energistrategier integreras och energieffektivisering ges hög prioritet i organisationens arbetssätt.

Slutligen studeras, genom simulerings- och optimeringsmodellering, energieffektiviseringsåtgärderna (1) storskalig renovering av ett bestånd av flerbostadshus och (2) användning av markvärmesystem ämnat för is- och halkbekämpning. Åtgärderna analyseras utifrån energiprestanda och växthusgasutsläpp beroende på olika systemgränser. Resultaten gällande renovering av flerbostadshusen påvisar en potentiell målkonflikt. Åtgärden som ger bäst energiprestanda för byggnaden, vilket kan vara den mest önskvärda åtgärden ur en byggnadsägares perspektiv, riskerar att leda till större utsläpp av växthusgaser. Konflikten uppstår på grund av olika användning av systemgränser. Ett markvärmesystem, en applikation som nyttjas i låg utsträckning i dagens fjärrvärmesystem, visar sig vara en möjlig hållbar lösning och en lämplig applikation för framtida generationers lågtempererade fjärrvärmesystem. Studierna visar vikten av förståelsen av systemgränser i allmänhet men också när man överväger energieffektiviseringar. Ett för snävt systemperspektiv och systemgränser kan leda till oönskade suboptimeringar med högre utsläpp av växthusgaser som konsekvens.