Obliczanie całkowitego śladu węglowego na przykładzie nowego budynku biurowego

Zbliżający się recast dyrektywy EPBD będzie wymagał od projektantów i architektów obliczenia całkowitego śladu węglowego dla nowych budynków od 1 stycznia 2027 roku. Ponadto od 2030 roku ślad węglowy budynków będzie regulowany wartościami granicznymi, które będą determinowały maksymalny dopuszczalny WLC (operacyjny oraz wbudowany ślad węglowy).

Polska jako jeden z sygnatariuszy porozumienia paryskiego jest zobowiązana do redukcji emisji gazów cieplarnianych do zera do roku 2050. Niezbędna jest dekarbonizacja przeprowadzana w wielu sektorach gospodarki, w tym w budownictwie, które odpowiada za 38% globalnych emisji gazów cieplarnianych. Aby tak ambitny cel został osiągnięty, zgodnie ze wskazaniami Unii Europejskiej, wymagana jest redukcja emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 55% do roku 2030, w stosunku do poziomu z 1990 roku. Zbliżający się recast dyrektywy EPBD będzie wymagał od projektantów i architektów obliczenia całkowitego śladu węglowego dla nowych budynków od 1 stycznia 2027 roku. Ponadto od 2030 roku ślad węglowy budynków będzie regulowany wartościami granicznymi, które będą determinowały maksymalny dopuszczalny WLC (operacyjny oraz wbudowany ślad węglowy). Pomimo przeprowadzanej transformacji energetycznej w Polsce, a także zwiększania świadomości dotyczącej efektywności energetycznej budynków, wiele problemów w zakresie śladu węglowego budynków pozostaje nierozwiązanych.

Słownik pojęć

• Całkowity ślad węglowy budynku (WLC - ang. Whole Life Carbon) – całkowita suma emisji gazów cieplarnianych powstała w całym cyklu życia budynku. Obejmuje wbudowany oraz operacyjny ślad węglowy, wyrażony w ekwiwalencie CO₂ [kg CO₂e. lub Mg CO₂e.].
• Dekarbonizacja (ang. decarbonisation) - proces polegający na systematycznym zmniejszaniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery poprzez podejmowanie odpowiednich działań we wszystkich sektorach gospodarki.
• Deklaracja środowiskowa III typu (EPD – ang. Environmental Product Declaration) – dokument zawierający informacje o wpływie danego produktu na środowisko naturalne w czasie jego cyklu życia. Jest to dobrowolne opracowanie wykonywane zgodnie z normami ISO 14025 oraz EN 15804.
• Ocena cyklu życia (LCA - ang. Life Cycle Assessment) – jest to środowiskowa metoda oceny procesu lub wyrobu w całym cyklu istnienia. Obejmuje ona analizę w zakresie możliwych oddziaływań procesu lub wyrobu na środowisko naturalne. Analiza uwzględnia wszelkie czynniki oddziaływania („strumienie wyjść i wejść”) od momentu pozyskania surowców do wszelkich procesów związanych z likwidacją produktu.
• Operacyjny ślad węglowy (OC - ang. operational carbon) – obejmuje ślad węglowy fazy B6 zużycie energii oraz fazy B7 – zużycie wody (zgodnie z normą PN-EN 15978:2012).
• Ślad węglowy (CF - ang. carboon footprint) – całkowita suma emisji gazów cieplarnianych wywołanych bezpośrednio lub pośrednio przez daną osobę, organizację, wydarzenie lub produkt, wyrażona w ekwiwalencie CO₂ [kg CO₂e. lub Mg CO₂e.]
• Wbudowany ślad węglowy (EC - ang. embodied carbon) – obejmuje ślad węglowy następujących faz cyklu życia budynku: A1-A3, A4-A5, B1-B5 oraz C1-C4 (zgodnie z normą PN-EN 15978:2012).
• WT2017 – Wymagania prawne dotyczące izolacyjności cieplnej przegród w nowych i modernizowanych budynkach oraz wskaźnika zapotrzebowania na energię w nowych budynkach obowiązujące od 01.01.2017 do 31.12.2020 r. określone w Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Cel, metodyka i założenia analizy

Celem niniejszej pracy było wykonanie obliczeń całkowitego śladu węglowego budynku na przykładzie budynku biurowego, a także identyfikacja problemów związanych z metodyką analizy śladu węglowego w całym cyklu życia budynków w Polsce. Obliczenia zostały wykonane w oparciu o metodykę LCA, a w szczególności o normę PN-EN 15978:2012 „Zrównoważone obiekty budowlane”. Do przeprowadzenia analizy skorzystano ze statycznej metody obliczeniowej, zakładającej brak zmienności danych w zakresie technologii, materiałów, źródeł ciepła i wskaźników emisji gazów cieplarnianych na przestrzeni cyklu życia. Wskaźniki emisji przyjęto na podstawie Deklaracji Środowiskowych Typu III oraz publicznie dostępnych baz danych. W pierwszej kolejności korzystano z polskich deklaracji środowiskowych III Typu, a w przypadku braku deklaracji krajowych posłużono się deklaracjami europejskimi. Z uwagi na brak szczegółowych danych z obliczeń wykluczono fazy: B2, B3, B5, B7 oraz D ujęte w Tabeli 1. Obliczenia śladu węglowego budynku biurowego zostały wykonane dla 50-letniego cyklu życia.

Tabela 1. Fazy cyklu życia metodyki LCA. Kolorem niebieskim zaznaczono fazy uwzględnione w analizie budynku biurowego. Opracowanie na podstawie normy PN-EN 15978:2012.

Opis analizowanego budynku

Analizowany obiekt to trzykondygnacyjny budynek biurowy zaprojektowany w roku 2017 przez Pracownię projektów budownictwa Energooszczędnego Krajowej Agencji Poszanowania Energii S.A. Jest to budynek niepodpiwniczony, o powierzchni netto 1266,5m² (powierzchnia użytkowa - 1189,6 m²) i kubaturze brutto wynoszącej 5294 m³. Konstrukcja części nadziemnej składa się ze szkieletu żelbetowego oraz murowanych ścian z bloczków wapienno-piaskowych.

Głównym źródłem ciepła oraz chłodu w budynku jest rewersyjna elektryczna pompa ciepła typu woda/woda. Odbiór ciepła zimą oraz chłodu latem odbywa się poprzez klimakonwektory. Praca instalacji ciepłej wody użytkowej opiera się na pompie ciepła (82%) oraz na instalacji kolektorów słonecznych (18%). Budynek wyposażony jest także w instalacje wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej, z odzyskiem ciepła. Energia elektryczna w budynku jest w 1/3 pokrywana przez instalację fotowoltaiczną o mocy 15 kW. Budynek składa się z części biurowej, administracyjnej, gospodarczej oraz części z salą konferencyjną.

Wybrany budynek został wybudowany w okresie obowiązywania wymagań WT2017, jednak zdecydowano się na wykonanie przegród o wyższej izolacyjności termicznej niż minimalne wymagania obowiązujące w 2017 roku.

Tabela 2. Współczynniki przenikania ciepła U przegród znajdujących się w budynku.

Tabela 3. Wskaźniki EU (energia użytkowa), EK (energia końcowa) i EP (energia pierwotna) dla wybranego budynku biurowego.

Wyniki

Porównując całkowity ślad węglowy obu wariantów obliczeniowych można zaobserwować, że w obu rozpatrywanych przypadkach największy udział ma faza B6, związana ze zużyciem energii w fazie użytkowania budynku (tzw. operacyjny ślad węglowy). Pomimo zastosowania rozwiązań energooszczędnych w budynku, ślad węglowy fazy B6 dominuje nad innymi fazami, a wynika to przede wszystkim z wysokiego wskaźnika emisyjności dla energii elektrycznej w Polsce.

Drugim co do wielkości elementem odpowiadającym za ślad węglowy, zarówno w wariancie W1, jak i wariancie W2 są fazy A1-A3 (faza wyrobu -procesy wydobycia, produkcji i transportu do bramy zakładu). Związane jest to z m.in. z użyciem wysokoemisyjnych materiałów do konstrukcji budynku, takich jak stal czy beton. Z kolei rozpatrując fazę B4, trzecią co do wielkości udziału, największy wpływ na jej wynik ma ilość wymian poszczególnych elementów w cyklu życia budynku. Niektóre komponenty (np. instalacje, stolarka okienna i drzwiowa) w związku z określonym krótkim czasem użytkowania powinny być wymienione w okresie 20-30 letnim. To oznacza co najmniej jedną wymianę, a czasem nawet dwie w 50-letnim cyklu życia budynku. Różnice w fazie B4 pomiędzy wariantami wynikają z przyjętej krotności wymian elementów. W wariacie W1 założono wszystkie zalecane wymiany, nierzadko dwukrotne, w całym cyklu życia. Z kolei w wariancie W2, kierując się praktyką budowlaną, ilość wymienianych elementów oraz krotność ich wymian była zdecydowanie mniejsza w porównaniu z pierwszym wariantem obliczeniowym.

W obu analizowanych przypadkach udział faz: A4, A5, B1, C1, C2, C3-C4 jest znikomy i wynosi łącznie mniej niż 10%.

Rysunek 1. Udział faz w całkowitym śladzie węglowym (wariant W1– wariant w którym założono wszystkie rekomendowane wymiany).

Rysunek 2. Udział faz w całkowitym śladzie węglowym (wariant W2 – wariant z mniejszą ilością wymian poszczególnych elementów)

W Tabeli 3 widoczna jest znaczna różnica w zakresie fazy B4 – wymiany wybranych elementów budynku w trakcie 50 letniego cyklu życia. Wariant W2 ma o 13% niższy całkowity ślad węglowy od wariantu W1. Wyniki tej analizy wskazują, że bardzo istotną kwestią w tracie procesu projektowania jest zastosowanie trwałych rozwiązań oraz wykorzystanie wysokiej jakości materiałów do budowy obiektu. Wydłużenie cyklu życia poszczególnych wyrobów może znacząco wpływać na obniżenie całkowitego śladu węglowego budynku. Wysoki poziom użycia węgla do produkcji energii elektrycznej ma nie tylko wpływ na fazę B6 dotyczącą zużycia energii, ale także na fazę A1-A3 (przygotowanie wyrobu do wbudowania w obiekt), która stanowi drugą co do wielkości emisji fazę w całkowitym śladzie węglowym.

Tabela 4. Wyniki analizy śladu węglowego budynku biurowego z podziałem na poszczególne fazy, w 50-letnim cyklu życia. W1 – wariant w którym założono wszystkie zalecane wymiany, nierzadko dwukrotne, w całym cyklu życia. W2 – wariant z mniejszą ilością wymian poszczególnych elementów w stosunku do wariantu W1.

Podsumowanie

Całkowity ślad węglowy w polskim sektorze budownictwa szybko nabiera znaczenia. Nieuchronnie zbliżające się kolejne daty kamieni milowych stojących na drodze do zeroemisyjności, wymuszają postęp w zakresie dekarbonizacji. Analiza śladu węglowego w warunkach polskich wiąże się z wieloma trudnościami. Jedną z głównych przeszkód jest brak oficjalnej metodyki oraz brak krajowych baz danych. W obliczeniach dokonano licznych założeń i uproszczeń wynikających z niewystarczających danych wsadowych.

Projektanci i architekci będą w bliskiej przyszłości zobowiązani do projektowania budynków o niskim WLC. Aktualnie dużym wyzwaniem jest zaprojektowanie obiektu z niskim śladem węglowym ze względu na wiele utrudnień. Jedną z głównych przeszkód jest brak jest jednolitej krajowej bazy danych dotyczących wskaźników emisji dla wyrobów budowlanych. Dysponujemy jedynie niewielką ilością deklaracji środowiskowych typu III, które mogłyby służyć jako źródło tego typu danych. Korzystanie z baz danych innych krajów europejskich nie jest właściwe m.in. z powodu innego miksu energetycznego, co bezpośrednio przekłada się na emisyjność wyrobów budowlanych. Drugim poważnym problemem jest brak krajowej metodyki oraz narzędzia do obliczeń śladu węglowego. Przez brak instrumentów oraz usystematyzowanego podejścia do WLC niewiele inwestorów decyduje się na analizę śladu węglowego.

Pierwszym krokiem dla stworzenia odpowiednich warunków do przeprowadzania tego typu analiz powinno być opracowanie metodyki obliczeń faz cyklu życia budynku, przygotowanie jednolitej bazy danych wyrobów budowlanych z wskazaniem wskaźników emisji gazów cieplarnianych oraz stworzenie ogólnie dostępnego narzędzia do obliczeń WLC.