Csonka Pál Doktori Iskola 

Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

Témavezető: Dr. Szalay Zsuzsa

Épületek életciklus-elemzése és optimalizációja

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Épületek életciklus-elemzése során egy vizsgált épület összes környezeti hatását számítjuk ki a teljes életciklusa alatt, azaz a hozzá szükséges építőanyagok gyártásától kezdve a használat során felhasznált energiamennyiségen túl az épület lebontásáig vagy újrahasznosításáig. Optimalizálási eljárások segítségével így olyan javaslatokat tehetünk új épületek műszak megoldásaira és meglévő épületek felújítására, amely az adott keretek között a lehető legkisebb környezeti károkat okozza.

A kutatóhely rövid bemutatása

A kutatásnak a BME Építészmérnöki Karán működő Csonka Pál Doktori Iskola ad otthont. A doktori iskola az építészmérnöki és építészettudományi kutatások széles skáláját foglalja magába, így lehetőséget ad számos interdiszciplináris téma feldolgozására.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az épületek környezeti hatásainak vizsgálata egyre szélesebb érdeklődésre tart számot világszerte, hiszen az épületállomány és annak működtetése jelentős részt tesz ki a világ erőforrás- és nyersanyag-felhasználásában, és szintén nagy hányadáért felelős a környezetkárosító kibocsátásoknak. Ezeknek a hatásoknak egyfajta vizsgálatát teszi lehetővé az életciklus-elemzés, melynek segítségével egy vizsgált rendszer teljes életciklusa (jelen esetben egy épület felépítése, működtetése és bontása/újrahasznosítása) alatt lezajló összes folyamatot számba véve összesíthető a teljes környezeti hatás.

Az egyre komolyabb környezetvédelmi célkitűzéseknek köszönhetően az épületek energetikai teljesítményére vonatkozó szabályozások mind szigorúbb követelményeket támasztanak.[2] Bár üzemeltetési fázisának környezeti hatásai emiatt csökkennek, a technológia és az anyagok fejlődése, valamint az anyagfelhasználásban keletkező többlet miatt az építés és az építőanyag-gyártás hatásai növekednek.

Az egyre hatékonyabb energiahasznosító és helyi energiatermelő rendszereknek köszönhetően az üzemeltetési energiafelhasználás akár nullára is csökkenhet, ami viszont ahhoz vezet, hogy a többi életciklus fázis (gyártás, bontás, stb.) aránya az épület környezeti mérlegében jelentősen megnő. Ezek a környezeti hatások egy ország teljes épületállományának tekintetében már igen jelentősek lehetnek, ennek ellenére az épületekre vonatkozó szabályozások csupán az üzemeltetési energiafelhasználásra koncentrálnak.[3]

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Az életciklus-elemzés megfelelő eszközt adhat a környezeti hatások teljes körű elemzésére, az épületek vizsgálata azonban számos módszertani kérdést vet föl [4, 5]. Mivel egy részletes elemzés nagyon sok kisebb folyamatot vesz figyelembe (például az építéshez szükséges gépek legyártásának hatásait), ráadásul az épületben nagyon sokféle anyag kerül felhasználásra, ahhoz hogy belátható munkamennyiséggel információt kaphassunk egy épület környezeti hatásairól, egyszerűsítésre van szükség.[6]

Ráadásul új épületek esetén az életciklus-elemzésnek akkor lehet nagy jelentősége, ha annak eredményei befolyásolják a tervezést, azaz a megvalósuló épület környezeti hatásait a minimálisra csökkentették. A tervezési fázisban azonban még nagyon sok bizonytalanság övezi az épület pontos anyagait, felépítését, működését, így sok becslést kell alkalmazni a vizsgálat során.

A kutatás egyik célja e becslések hatásának kimutatása, és egyszerűsítési módszerek biztosítása, ami segítséget nyújthat az épületek tervezéséhez. A megfelelő módszer kidolgozása után célunk kimutatni, hogy mekkora potenciált rejt magában a meglévő épületállomány a környezeti hatások csökkentésének szempontjából.

A kutatás során az épület, a működés és az egyes életciklusfázisok modellezési kérdéseire is válaszokat keresünk. Nem mindegy ugyanis, hogy milyen eljárással számítjuk ki például az épület energiafelhasználását (a lehetőségek palettája az egyszerűsített szezonális módszertől, a dinamikus épületenergetikai szimulációig számos módszert foglal magába), vagy hogy miként modellezzük az épület használata közben történő felújításokat.[7]

Egy épület a tervezéskor rengeteg változtatható paraméterrel rendelkezik, hiszen nem csak az egyes építőanyagokat kell kiválasztanunk, de változtathatunk az épület geometriáján, gépészeti rendszerén vagy akár a tájolásán is, és ezek mind hatással vannak az életciklus-elemzésre. Ahhoz hogy a sok paraméterrel meghatározott számos lehetőségből kiválasszuk az optimálist, speciális, ún. heurisztikus technikákat alkalmazhatunk, melyek képesek soktényezős rendszerek kvázi-optimális megoldáshalmazát előállítani. A kutatás során ezen eljárások alkalmazhatóságát, megfelelőségét vizsgáljuk épületek esetén.

Módszerek

A fentiek alapján belátható, hogy az épületek életciklus-elemzéséhez használt számítási módszereket moduláris rendszerben kell felépíteni. Így lehetővé válik az egyes elemek gyors kiváltása, például ha az épület üzemeltetési energiafelhasználását új módszerrel szeretnénk kiszámolni. Fontos az is, hogy az egyes modulok egy közös keretrendszerben működjenek, így lehetővé téve a visszacsatolást, ami feltétele az optimalizálásnak is.

Egy épület környezeti hatásait többféle indikátorral is lehet jellemezni; ilyenek az összes felhasznált erőforrás és nyersanyag mennyisége, vagy a különböző környezetkárosító kibocsátások. Egy életciklus-elemzés során fontos kimutatni, hogy a nagy kibocsátások/felhasználások melyik fázishoz és melyik épületelemhez tartoznak. Ezért nem elegendő az egyes indikátorok összegzése, hanem fontos azok allokációja is. Egy épület bonyolult geometriai és életciklusmodelljében ez összetett eredménymegjelenítést tesz szükségessé. A kutatás során külön figyelmet szentelünk az eredmények értelmezésére, vizuális megjelenítésére.

A kutatás következő lépéseként egy ország vagy régióra jellemző környezeti hatás csökkentésének potenciálját határozzuk meg. Ezt az épületállomány tipikus épületeinek modellezésével érhetjük el. Az épülettipológia segítségével így az is kimutatható, hogy egy országnak hogyan lenne érdemes az épületekre vonatkozó szabályozási rendszerét fejleszteni annak érdekében, hogy csökkenteni lehessen a környezetkárosító hatásokat.

Az egyes épülettípusokon elvégzett különböző optimalizálási eljárások segítségével kimutatható, hogy milyen felújításokat érdemes a meglévő épületeken megtenni [8]. Az optimalizálás ezen túlmenően az épületek tervezési szakaszában is fontos eszköz, hiszen egy adott körülmények között optimális épületmodell iránymutatást tud nyújtani az épület környezeti hatásainak csökkentését célzó változtatásokra.

Az épületmodellek parametrikus felépítésével ezek után lehetővé válik, hogy különböző egyszerűsítési eljárásokat is teszteljünk, és javaslatokat tegyünk olyan modellekre, amelyek akár a tervezés kezdetekor, néhány paraméter megadásával kimutatják a tervezett épület várható környezeti hatásait.

Eddigi eredmények

A kutatás első fázisában egy meglévő épület életciklus-elemzését végeztük el a tervezés különböző fázisaiban [1]. Az épületet különböző paraméterekkel jellemezve vizsgálható volt, hogy az egyes tervezési fázisokban a még lehetséges változatok mennyire térnek el egymástól a környezeti hatások tekintetében. Az épületet jellemző paraméterek között szerepelt az épület geometriája, a határoló és belső szerkezetek anyaga és felépítése, a különböző gépészeti rendszerek a tájolás és az árnyékolás fajtája is.

Az elemzés során azokat a fontos változókat kerestük, amelyek megváltoztatása nagy különbséget okozott a környezeti indikátorokban (1. ábra). A kutatás segítségével kimutatható volt, hogy még egy energiahatékony szemléletben felépített családi ház esetén is jelentősen befolyásolja az épület környezeti hatásait az üzemeltetéshez felhasznált energiahordozó fajtája.

1.     ábra

A vizsgált épület globális felmelegedést okozó hatásának lehetséges értékei (függőleges tengely) az egyes tervezési fázisokban (vízszintes tengely). A kék mező a lehetséges változatokat mutatja. A jelölt elválások egy-egy fontos paraméter hatását mutatják.

A vizsgált épület esetén például a megvalósult, elektromos energiát felhasználó fűtés (hőszivattyú) helyett kisebb környezeti hatást okozott volna egy faelgázosító kazán használata, bármely más paraméter változtatása esetén is. Az eredményekből az is látható volt, hogy jóllehet a szakemberek által az egyes tervezési fázisban választott megoldások nem voltak messze az optimálistól, az adott körülmények között még lehetett volna javítani az épület környezeti hatásain. (2. ábra)

2.     ábra

A vizsgált épület környezetet elsavasító potenciáljának lehetséges értékei (függőleges tengely) az egyes tervezési fázisokban (vízszintes tengely). A zöld mező jelöli azt a különbséget, amennyivel a szakértők által választott verzión túl még javítani lehetett volna az épületen.

A kutatás következő lépéseként felépítettük az azt a moduláris rendszert, amely lehetővé teszi az életciklus-elemzés különböző számítási módszereinek vizsgálatát (3. ábra). A geometriai modellezést is lehetővé tevő rendszer magában foglalja az épületre vonatkozó információk (pl. építőanyagok, szerkezetek) hozzárendelését, a gépészeti rendszer meghatározását, az energetikai számítást és a környezeti hatások vizsgálatát.

3.     ábra

Az életciklus-elemzés különböző számítási módszereinek vizsgálatát lehetővé tevő moduláris rendszer felépítése

A rendszer segítségével különböző megjelenítési módokat dolgoztunk ki az életciklus-elemzés eredményeinek értékelésére. Egy esettanulmányon bemutattuk, hogyan rendelhető hozzá az egyes életciklus fázisokhoz, azon belül pedig az egyes szerkezeti elemekhez hierarchikus módon az általuk okozott környezeti hatás (4. ábra).

4.     ábra

A vizsgált épület kumulatív energiaigénye az életciklus fázisok és szerkezetek szerint hierarchikusan lebontva.

Ennek segítségével könnyen megkereshetőek voltak azok a fázisok, melyek változtatásával csökkenthető az épület környezeti hatása. Ezen túl, a 3D modellt alapul vevő megjelenítések (5. ábra) segítségével beazonosítottuk azokat a szerkezeteket, amelyek szintén meghatározóak ugyanebből a szempontból.

5.     ábra

Az épület egyes szerkezeteinek környezeti hatását jellemző modell

A 3D modell az egyes szerkezeti elemek energetikai teljesítményének megjelenítését is lehetővé tette (6. ábra), így könnyen láthatóvá vált, hogy hol lehet egyszerűen javítani az épületen.

6.     ábra

Az épület egyes szerkezeteinek veszteségeit (baloldal) és az üvegezett szerkezetek szoláris nyereségeit (jobboldal) jellemző modellek

Várható impakt, további kutatás

A kidolgozott rendszer és vizualizációs technikák már könnyen lehetővé teszik a fent említett további kutatási lépések elvégzését is. Azokon túlmenően, később lehetőség nyílik akár olyan tervezési irányelvek meghatározására is, amelyeket a tervezők a napi gyakorlatban is használni tudnak. A kutatás későbbi lépéseként olyan szimulációs eljárást is érdemes lenne kidolgozni, amely figyelembe veszi az épület hosszú használati fázisa során változó klimatikus és gazdasági viszonyokat [9], vagy az egyes nem megújuló erőforrások végességét, vagy hozzáférhetőségének körülményeit.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk:

[1]   B. Kiss and Zs. Szalay, The Impact of Decisions Made in Various Architectural Design Stages on Life Cycle Assessment Results, Applied Mechanics and Materials 861 (2016) 593–600. old.

 

Hivatkozások:

[2]   European Commission, Resource efficiency opportunities in the building sector (2014) 10. old.

[3]   A. Zöld, Zs. Szalay, What is missing from the concept of the new European Building Directive? Build. Environ. 42 (2007) 1761–1769. old.

[4]  M. Buyle, J. Braet, and A. Audenaert, “Life cycle assessment of an apartment building: Comparison of an attributional and consequential approach,” Energy Procedia, 62. kötet, 132–140. old., 2014.

[5]  S. Lasvaux, J. Gantner, B. Wittstock, M. Bazzana, N. Schiopu, T. Saunders, C. Gazulla, J. A. Mundy, C. Sjöström, P. Fullana-i-Palmer, T. Barrow-Williams, A. Braune, J. Anderson, K. Lenz, Z. Takacs, J. Hans, and J. Chevalier, “Achieving consistency in life cycle assessment practice within the European construction sector: the role of the EeBGuide InfoHub,” Int. J. Life Cycle Assess., 19. kötet, 11. szám, 1783–1793. old., 2014

[6]   A. Hollberg and J. Ruth, “LCA in architectural design – a parametric approach,” Int. J. Life Cycle Assess., 21. kötet, 7. szám, 943–960. oldal, 2016.

[7]  A. Passer, H. Kreiner, and P. Maydl, “Assessment of the environmental performance of buildings: A critical evaluation of the influence of technical building equipment on residential buildings,” Int. J. Life Cycle Assess., 17. kötet, 9. szám, 1116–1130. oldal, 2012.

[8]  A. Vilches, A. Garcia-Martinez, and B. Sanchez-Montañes, “Life cycle assessment (LCA) of building refurbishment: A literature review,” Energy Build., 135. kötet, 286–301. old., 2017.

[9]        C. Roux, P. Schalbart, E. Assoumou, and B. Peuportier, “Integrating climate change and energy mix scenarios in LCA of buildings and districts,” Appl. Energy, 184. kötet, 619–629. old., 2016.