Rola LCA (Life Cycle Assessment) oceny cyklu życia w projektowaniu budynków ekologicznych Maciej MICHAŁOWSKI Koło Naukowe Budownictwo Ekologiczne Politechnika Łódzka Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska. mgr inż. Dariusz HEIM 1. WPROWADZENIE Szczyt Ziemi, który odbył się w 1992 roku w Rio de Janeiro zapoczątkował kolejny etap w zakresie wartościowania jakości budynków. Zwiększyły się wymogi dotyczące stanu i ochrony środowiska naturalnego. Pojawiły się przekonania o uwzględnieniu zasad zrównoważonego rozwoju (developement durable, sustainable development). Spowodowało to powstanie nowego spojrzenia na problem realizacji budynków i bardziej ścisłą kontrolę pomiędzy procesami: produkcji materiałów, wznoszenia i użytkowania obiektów. Za najbardziej właściwe uznano analizowanie procesu powstania budynku w ujęciu bilansowym, w odniesieniu do całego cyklu życia (perspektywa `od narodzin do śmierci`). 2. METODY OCENY BUDYNKÓW 2.1 Ocena oddziaływania na środowisko EIA (Environamatal Impact Assessment) Ocenia się obciążenie środowiska związane z zużyciem energii i towarzyszącymi mu emisjami zanieczyszczeń do atmosfery od momentu pozyskania surowca, poprzez jego wszystkie etapy obróbki, przerobu i eksploatacji budynku, aż do chwili wyczerpania się wartości użytkowych obiektu i składowania odpadów. 2.2 Ocena w pełnym cyklu istnienia- LCA (Life Cycle Assessment) Wraz z rozwojem globalizacji światowej gospodarki bardzo istotne stały się czynniki związane z ochroną środowiska. Rozwinęły się nowe gałęzie nauki, jedną z nich jest Ekologiczna Ocena Cyklu Życia (LCA Life Cycle Assessment). Stwarza ona podstawy do identyfikacji, hierarchizacji oraz ustalenia sposobów poprawy jakości środowiska. Oszacowanie cyklu życia jest techniką badającą aspekty środowiskowe i wpływ w całym okresie życia produktu, którego zagrożenie wynika z niewłaściwego zarządzania procesami produkcji, budowy i eksploatacji obiektów budowlanych. LCA bierze pod uwagę wszystkie ekosystemy i ich elementy, dzięki czemu możliwa jest pełna ocena wpływu produktu na środowisko, a także zużycie poszczególnych zasobów środowiskowych. Analiza prowadzona jest od momentu pozyskania surowca, poprzez
etap produkcji i użytkowania, aż do likwidacji. Dzięki takiemu podejściu żaden etap istnienia wyrobu nie zostaje pominięty, co umożliwia dokonanie pełnych analiz zagrożeń jakie dla środowiska może stanowić produkcja budowlana. Technika LCA została uwzględniona w oficjalnych dokumentach rządowych np. Dyrektywa parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 grudnia 1994r., w sprawie opakowań nowych i zużytych ( 94/62/we ) w artykule 10 stwierdza: Komisja będzie popierać w szczególności opracowania norm europejskich dotyczących, m.in. kryteriów analizy cyklu życia opakowań. Również obowiązująca w Polsce Ustawa Prawo ochrony środowiska z dnia 27 kwietnia 2001 r. w artykule 143 (Dz. Ustaw nr 62 z dnia 20 czerwca 2001)informuje, iż technologia stosowana w nowo uruchamianych lub zmienianych w sposób istotny urządzeniach powinna spełniać wymagania, przy których określaniu uwzględniać się będzie m.in. technikę LCA. Badania techniką LCA prowadzone są w 4 etapach: określenie celu i zakresu, analiza zbioru, ocena wpływu, interpretacja. które są przedmiotem czterech norm międzynarodowych: ISO 14040:1997, ISO 14041:1998, ISO 14042:2000, ISO 14043:2000. Wszystkie te normy zostały przyjęte przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) jako normy europejskie i są wprowadzane przez Polski Komitet Normalizacyjny do Polskich Norm. I tak: Norma PN-EN ISO 14040:2000 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - zasady i struktura - omawia podstawowe zasady i strukturę LCA bez szczegółowego opisu metody; PrPN-EN ISO 14041 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Określenie celu i zakresu oraz analiza zbioru (przygotowany projekt Polskiej Normy do ustanowienia przez PKN) - prezentuje dwa pierwsze etapy LCA. Pierwszy to określenie celu oraz zakresu badań; drugi LCI - najmniej kontrowersyjny - analiza zbioru wejść (materiały i energia) i wyjść (materiały i odpady) w cyklu życia, czyli tzw. bilans materiałowy, którego celem jest uporządkowanie informacji o większości oddziaływań środowiskowych przedsiębiorstwa związanych z procesami produkcyjnymi, a w przypadku LCA również poza produkcyjnymi; PrPN-EN ISO 14042 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Ocena wpływu cyklu życia (projekt Polskiej Normy na etapie ankiety - adresowanej i powszechnej) - opisuje fazę Oceny
Wpływu na Środowisko LCIA, w której sporządza się między innymi katalog odpadów oraz przyporządkowuje się dane poprzedniego etapu konkretnym oddziaływaniom środowiskowym oraz przeprowadza się ich hierarchizację; PrPN-EN ISO 14043 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Interpretacja cyklu życia (projekt Polskiej Normy na etapie ankiety - adresowanej i powszechnej) -jest to ostatni etap badań, w którym formułuje się ostateczne wnioski z przeprowadzonej analizy zgodnie z wytyczonym na pierwszym etapie celem. Można zatem wskazać te elementy danego wyrobu, procesu czy usługi, w przypadku których zagrożenia środowiskowe są największe. Na tej podstawie ustala się sposoby minimalizowania wpływu na środowisko, na przykład poprzez zmianę technologii w tej fazie życia wyrobu czy procesu, który jest najbardziej uciążliwy dla środowiska. Technika LCA będzie istotna zarówno dla dużych podmiotów gospodarczych (zmniejszenie kosztów produkcji, opłat za korzystanie ze środowiska, lepszą pozycje na rynkach międzynarodowych), jak i małych przedsiębiorstw, które są dostawcami poszczególnych surowców i materiałów. Uwzględniony jest cały cykl życia produktu, a zatem znany jest wpływ na środowisko, jaki wywierają poszczególne surowce lub podzespoły. Metody oceny w pełnym cyklu istnienia LCA to: ECO QUANTUM ( Holandia ) ECO-PRO ( Niemcy ) EQUER ( Francja ) ATHENA ( Kanada ) BRE Profile ( Wielka Brytania ) 3. OPIS PROGRAMU ATHENA Environmental Estimator Impact ATHENA jest to środowiskowe narzędzie szacowania oparte na cyklu życia, które pozwala modelować budynek jako całość. Pozwala ono projektantom budowli, producentom produktu i badaczom dokonać porównania względnych środowiskowych skutków i ustępstw między alternatywnymi rozwiązaniami projektowymi a użytkowaniem przez określony czas życia budynku. Program posiada następujące możliwości:
możliwość modelowania kompletnej struktury budynku (okładziny, izolacje, ściany, pokrycia dachowe i systemy okienne przez 900 możliwych kombinacji); możliwość modelowania etapu eksploatacji i skutków cyklu życia na bazie typu zabudowy, miejsca i sposobu życia użytkownika w budynku; kalkulacja, by przemienić energię rzeczywistą na energię pierwotną i emisje zanieczyszczeń do atmosfery, umożliwia to użytkownikowi porównanie wpływu energii traconej na środowiskowe skutki życie budynku; "koniec - życia" moduł, który symuluje energię potrzebną do zniszczenia i utylizację materiałów budynku; tworzenie sensownych udogodnień w miejscu działań użytkowników; możliwość modelowania zarówno kanadyjskich jak i amerykańskich lokalizacji. Rezultaty Ateny są dostępne w różnych etapach i poziomach tworzenia obiektów budowlanych, aby zaspokoić potrzeby różnych typów użytkowników. Badacz potrzebujący szczegółowych informacji może określić wszystkie skutki wpływające na środowisko i sam obiekt, wynikające z wykorzystania określonych form energii lub substancji odpadowych, do oceny cyklu życia i typu konstrukcji. Architekt może tylko być zainteresowany tabelaryczną albo graficzną prezentacją wyników lub charakterystyką konstrukcji budynku. Model ten pozwala też użytkownikowi zrobić bezpośrednie porównania między alternatywnymi projektami, na podstawie części lub całości projektów, gdzie jednym z projektów jest projekt bazowy. Program zawiera bazę danych ( LCI ) kluczowych produktów do budowy w regionach północnej Ameryki. Baza uwzględnia 90-95 % materiałów i systemów budowlanych związanych z budownictwem mieszkaniowym i systemami prefabrykowanymi przydatnymi do typowych handlowych, usługowych, lekkich przemysłowych i mieszkaniowych budynków. Te bazy danych zawierają różny rodzaje drewna, stali, konkretnych produktów, jak również okładziny i ich systemy, izolacje, pokrycia dachowe i ich systemy, odpowiednie wykończenie materiałów oraz wyroby szklane i opcje ich oprawienia w ramy okienne, które stanowią zewnętrzna powłokę budynku. Pierwsza baza LCI, na podstawie wieloletnich badań, została przedstawiona w 1997 roku i jest nieustannie uaktualniana. W celu ulepszenia wyników i LCI systemu, rozwinięta została baza danych dla zużycia energii i emisji dla konstrukcji w określonym miejscu, jej utrzymania i zamiany, oraz skutków transportu dla jego struktury i materiałów. Pozwala to analizować budynki
ze względu na usytuowanie i położenie geograficzne oraz możliwość zburzenia i skutki recyklingu produktu końcowego dla poszczególnych materiałów. 4. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY W pracy przedstawiono przykładowe wyniki analiz uzyskanych z programu Athena dla budynku o szkieletowej konstrukcji stalowej. Budynek ma powierzchnię 405 m 2, łączna długość ścian konstrukcyjnych wynosi 172,8 m, a wysokość 3,4 m, ściany wewnętrzne mają długość 42 m. Zapotrzebowania na energię zostały przedstawione w formie tabelarycznej (tabela 1 i 2) i graficznej (rys. 1). Zapotrzebowanie na energię przedstawione przez różne typy paliwa dla każdej części cyklu życia oraz rocznego zapotrzebowania na energię do eksploatacji. Główne założenia: Produkcja: zawiera wydobycie surowca, transport surowca i produkcję określonych materiałów, produktów lub komponentów budynku; Konstrukcja: zawiera produkt / komponent, transport z punktu produkcji na plac budowy i działalności na konstrukcji w miejscu jej wznoszenia; Operacje: zawiera utrzymanie cyklu życia i działalności, zamiany komponentów koperty na założony typ zabudowy, miejsce i życie użytkowników, jak również roczne zapotrzebowanie na energię do eksploatacji; Budynek End - Life : symuluje energię zburzenia i końcowe usposobienie materiałów wcielonych do budynku na końcu jego życia. Nośniki energii - paliwa Elektryczność: zużycie netto energii elektrycznej, czyli ilość elektryczności (kwh) jaka została wygenerowana. Hydro: Hydrauliczna energia użyta w produkcji elektryczności nie jest włączony do najważniejszej sumy paliwa. LPG: Gaz płynny propan Diesel: Olej napędowy Gaz ziemny: Gaz ziemny Las: Elementy odpadowe produkcji drzewnej i produkty uboczne Węgiel: Węgiel Olej paliwa ciężkiego: wszystkie oleje grzewcze Zużycie surowca ( tabela 1 i 2 oraz rys. 2). Każdy etap cyklu życia jest przyporządkowany do wkładów zużycia surowca, transportu i rocznej energii eksploatacji.
Tabela 1. Wyliczone wartości dla poszczególnych okresów cyklu życia Zapotrzebowanie Odpady stałe na energię Zanieczysz czenie powietrza Zanieczysz czenie wody Zanieczyszczenia wpływające na efekt cieplarniany Zużycie surowca [MJ] Wydobycie 269624,55 0,00 8302,92 0,00 94467,08 954929,24 Produkcja 3290268,83 55562,40 41070,05 16128,58 503005,64 0,00 Konstrukcja 42224,12 11794,44 753,61 0,00 11017,56 0,00 Całość 3602117,50 67536,84 50126,58 16128,58 608490,28 954929,24 Tabela 2. Wyliczone wartości dla poszczególnych elementów budynku Zapotrzebowanie Odpady stałe na energię Zanieczysz Zanieczysz Zanieczyszczenia Zużycie czenie czenie wpływające na surowca powietrza wody efekt cieplarniany [MJ] Fundamenty 170695,74 9616,33 2206,01 143,07 52345,48 237987,21 Ściany 139578,93 6048,40 245,83 416,15 35196,09 108553,95 Belki i 2464101,61 29141,89 30856,03 13981,15 339820,47 272447,07 kolumny Podłogi i dach 827741,26 22730,31 14827,04 1588,36 181128,24 335941,02 Całość 3602117,50 67536,93 50126,58 16128,58 608490,28 954929,24 Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię Rys.2. Zużycie surowca
Rys.3. Zużycie energii, pokazane dla poszczególnych paliw Uwzględnione grupy: Materiał: zawiera wszystkie skutki produkcji materiału bądź jego zużycia. Transport: zawiera wszystkie skutki związane z transportem materiałów. Roczny zużycie energii: zawiera wszystkie skutki łączone z roczną energią eksploatacji w wyszczególnionym przez użytkownika modelu. Miary zanieczyszczenia powietrza i wody spełniają proste zadanie przedstawienia zanieczyszczeń i wpływu substancji emitowanych podczas różnych etapów cyklu życia na ludzkie zdrowie. W tym przypadku użyta została powszechnie zaakceptowana metoda wielkości krytycznej mająca na celu ocenę wielkości otaczającego powietrza lub wody, które będzie wymagane do rozpuszczenia zanieczyszczeń do akceptowalnych poziomów - gdzie akceptowalność jest zdefiniowana poprzez najsurowsze standardy (na przykład: standard wody pitnej). Rys.4. Wykres toksyczności powietrza Wykres toksyczności powietrza (Rys. 4) pokazuje poszczególne związki powodujące zanieczyszczenia. Kolorami zaznaczona jest emisja dla poszczególnych etapów cyklu życia. Jak
widać na powyższym wykresie największy wpływ ma dwutlenek węgla (CO 2 ), co zostało pokazane na osobnym wykresie i porównane z całkowitym zanieczyszczeniem. Rys.5.Wykres zanieczyszczeń wody Na wykresie zanieczyszczenia wody (Rys.5) każdy etap cyklu życia pokazany jest za pomocą innego koloru. Jak widać największe zanieczyszczenie występuje podczas produkcji. 5. PODSUMOWANIE Jak widać program ma ogromne możliwości. Z danych uzyskanych z Atheny może korzystać wiele osób: badacze, inżynierowie, konstruktorzy i zwykli użytkownicy. Pogram ten ma jedną zasadniczą wadę jest przeznaczony do warunków kanadyjskich i amerykańskich. Nie wiadomo czy będzie dobrze współpracować z materiałami i systemami budownictwa stosowanego w Europie i w Polsce. Celem niniejszej pracy jest sprawdzenie programu dla polskich warunków i ewentualne uzupełnienie istniejącej bazy danych. Jego szerokie zastosowanie na pewno będzie bardzo pomocne na etapie planowania i projektowania nowych inwestycji w naszym kraju. 6. LITERATURA [1] Athena help-user manual ATHENA 's Environmental Impact Estimator2.0 [2] Trusty W., Meil J., Athena TM sustainable materials institute RESEARCH GUIDELINES, January 1997 [3] Kulczycka J., red. LCA nową techniką zarządzania środowiskowego Wydawnictwo IGSMiE Pan Kraków 2001 ( www.min-pan.krakow.pl/pbs) [4] Jędrzejewska-Ścibak T., Zadania budownictwa na tle strategii zrównoważonego rozwoju, Materiały Konferencyjne XLVII Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2001. [5] Panek A., Jędrzejowska-Ścibak T., Ewolucja kryteriów wartościowania jakości obiektów budowlanych, s. 548-557, Mat. IX Konferencji Naukowo - Technicznej Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź 2003.