Obliczanie całkowitego śladu węglowego na przykładzie nowego budynku biurowego

*****
Polska jako członek Unii Europejskiej oraz sygnatariusz porozumienia paryskiego jest zobowiązana do znacznego obniżenia emisji gazów cieplarnianych. Jednym z głównych sektorów przyczyniających się do emisji tego typu jest sektor budownictwa. Najnowszy recast dyrektywy EPBD z marca 2023 r. wskazuje na wymóg wykonywania analiz śladu węglowego w całym cyklu życia (WLC – Whole Life Carbon) dla nowych budynków już od 2027 r. Aktualnie w kraju brakuje oficjalnej metodyki dotyczącej obliczania śladu węglowego budynków. Co więcej jest niewielka ilość polskich deklaracji środowiskowych EPD typu III, które mogłyby być źródłem danych dotyczących wskaźników emisji. Zawarte w artykule studium przypadku przedstawia analizę śladu węglowego nowego obiektu biurowego w całym cyklu życia, w warunkach polskich. W obliczeniach starano się uwzględnić możliwie największy zakres analizy LCA, korzystając w pierwszej kolejności z danych polskich, a w przypadku ich braku, z baz danych krajów europejskich. Wnioski wyciągnięte z przeprowadzonej analizy mogą posłużyć jako punkt odniesienia do stworzenia krajowych wytycznych w zakresie obliczeń całkowitego śladu węglowego budynków.

Whole life carbon analysis of a new office building

Poland, as a member of the European Union and a signatory of the Paris Agreement, is obligated to significantly reduce greenhouse gas emissions. One of the main sectors contributing to these emissions is the building sector. The latest recast of the EPBD directive from March 2023 indicates the requirement to perform WLC (Whole Life Carbon) analyses of new buildings from 2027. Currently, there is a lack of an official methodology for calculating the carbon footprint of buildings in Poland. Moreover, type III environmental declarations (EPDs), which could be a source of data for this type of analysis, are not mandatory. Therefore, there is a negligible number of EPD type III declarations in relation to the number of construction products used in Poland. The case study included in the article presents an analysis of the carbon footprint of a new office building throughout its life cycle in Polish conditions The calculations aimed to incorporate the widest possible range of life cycle assessment (LCA) analysis, primarily utilizing Polish data, and in the absence of such data, from European databases. The conclusions drawn from the conducted analysis can serve as a reference point for the development of Polish guidelines regarding the calculation of the total carbon footprint.
*****

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.].

Czytaj więcej o: Szacowaniu śladu węglowego budynków

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) – 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).

Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP, ang. Global Warming Potential). Wskaźnik służący do ilościowej oceny wpływu danej substancji na efekt cieplarniany wyrażany w ekwiwalencie dwutlenku węgla [kg CO₂e.].

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 1.01.2017 do 31.12.2020 r. określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

WT2021 – wymagania prawne dotyczące izolacyjności cieplnej przegród w nowych i modernizowanych budynkach oraz wskaźnika zapotrzebowania na energię w nowych budynkach obowiązujące od 1.01.2021 r. określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Zgodnie z raportem ONZ [2], sektor budowlany odpowiada za 38% globalnych emisji gazów cieplarnianych, z czego 10% dotyczy wbudowanego śladu węglowego, zaś 28% operacyjnego śladu węglowego. Pomimo przeprowadzanej transformacji energetycznej w Polsce, a także zwiększania świadomości dotyczącej efektywności energetycznej budynków, wiele problemów w zakresie śladu węglowego budynków pozostaje nierozwiązanych. Należy zwrócić uwagę na szerokie wykorzystanie w polskim budownictwie wyrobów wysokoemisyjnych, a także na brak wypracowanej metodyki oceny budynków w zakresie całkowitego śladu węglowego.

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 WLC w Polsce. Obliczenia śladu węglowego analizowanego obiektu zostały wykonane w oparciu o metodykę LCA, a w szczególności o normę PN-EN 15978:2012 „Zrównoważone obiekty budowlane”. Zgodnie z normą, metoda LCA dla budynków uwzględnia 17 modułów cyklu życia dotyczących fazy wyrobu (A1–A3), fazy budowy (A4–A5), fazy użytkowania (B1–B7), fazy końca życia (C1–C4) oraz dodatkowej informacji zawartej w module D.

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. Z uwagi na brak szczegółowych danych oraz niewielki udział w całkowitym śladzie węglowym budynku z obliczeń wykluczono fazy: B2, B3, B5, B7 oraz element D. Zakres analizowanych faz szczegółowo przedstawiono w TABELI 1. Obliczenia śladu węglowego budynku biurowego zostały wykonane dla 50-letniego cyklu życia.

Założenia przyjęte dla poszczególnych faz cyklu życia:

• Fazy A1–A3: W zakresie modułów A1–A3 obliczeń dokonano zarówno dla wyrobów budowlanych, jak i instalacji. W analizie uwzględniono jedynie elementy znajdujące się w obrębie budynku – pominięto zagospodarowanie terenu. Wskaźniki emisji przyjęto na podstawie deklaracji środowiskowych III typu 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.
• Faza A4: Obliczenia fazy A4 przeprowadzono dla pięciu rodzajów środków transportowych, w zależności od przewożonego wyrobu: samochód ciężarowy solo 6 t, betonomieszarka 8 m³, samochód samowyładowczy 20 t, samochód ciężarowy 28 t oraz samochód dostawczy 1–1,5 t. W obliczeniach założono średnią odległość transportu równą 20 km. Przyjęta odległość wynika z podmiejskiej lokalizacji analizowanego obiektu.
• Faza A5: Obliczenia fazy A5 przeprowadzono dla maszyn i środków transportowych, na podstawie wyszczególnionych w kosztorysie projektu wartości r-g (roboczogodzin).
• Faza B1: W niniejszej analizie obliczenia fazy B1 objęły jedynie wyciek czynnika chłodniczego z pompy ciepła, gdyż nie stwierdzono innych źródeł emisji.
• Faza B4: Obliczeń dla fazy B4 dokonano w dwóch wariantach:
  - W1 – wariant, w którym okresy użytkowania poszczególnych wyrobów i instalacji przyjęto na podstawie deklaracji środowiskowych III typu, opracowania PLGBC [3], opracowania KAPE SA [5] oraz brytyjskiej bazy BCIS [6]. Założono odpowiednio:
      – dla elementów konstrukcyjnych długość życia równą długości życia budynku, tj. 50 lat,
      – wymianę stolarki okiennej i drzwiowej po 30 latach,
      – wymianę elementów wykończeniowych przegród zewnętrznych po 30 latach,
      – wymianę elementów wykończeniowych przegród wewnętrznych po 30 latach,
      – odnowienie wewnętrznych powłok malarskich po 10–20 latach,
      – wymianę instalacji po 20–30 latach.
  - W2 – wariant, w którym przyjęto okresy użytkowania zgodne z doświadczeniem i praktyką budowlaną. Założono odpowiednio:
      – wymianę podstawowych urządzeń po 20–30 latach,
      – wymianę stolarki okiennej i drzwiowej po 30 latach,
      – odnowienie wewnętrznych powłok malarskich po 10–20 latach,
      – wymianę elementów wykończeniowych przegród wewnętrznych po 30 latach.
• Faza B6: Analizę śladu węglowego powstałego w fazie B6 wykonano na podstawie charakterystyki energetycznej budynku. W analizie uwzględniono zapotrzebowanie na energię końcową na cele ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia.
• Faza C1: Do obliczeń fazy C1 przyjęto zastępczy wskaźnik emisji, wskazany w raporcie PLGBC [3], wynoszący 3,40 kg CO₂e/m².
• Faza C2: Obliczeń emisji powstałych w fazie C2 dokonano analogicznie z obliczeniami dla fazy A4. Przyjęto następujące środki transportu, w zależności od przewożonych odpadów: hakowiec wraz z kontenerami o pojemności 21 m³ i 7 m³.
• Fazy C3–C4: Do obliczeń faz C3–C4 przyjęto zastępczy wskaźnik emisji, wskazany w raporcie PLGBC [3], wynoszący 0,013 kg
  CO₂e/kg.

Analizowany budynek

Analizowany obiekt to trzykondygnacyjny budynek biurowy zaprojektowany w 2017 r. przez Pracownię projektów budownictwa energooszczędnego Krajowej Agencji Poszanowania Energii SA. Jest to budynek niepodpiwniczony, o powierzchni netto 1266,5 m², w tym powierzchni użytkowej 1189,6 m² i kubaturze brutto wynoszącej 5294 m³ (RYS. 1).

Konstrukcja części nadziemnej składa się ze szkieletu żelbetowego (słupy, ściany i stropy żelbetowe monolityczne) oraz murowanych ścian z bloczków wapienno-piaskowych. Dach nad częścią biurową wykonany jako żelbetowy, natomiast strop nad częścią z salą konferencyjną oparty na dźwigarach kratowych. Do pokrycia obu dachów zastosowano membranę FPO. Obiekt posadowiony na żelbetowej płycie fundamentowej o grubości 40 cm.

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 4-rurowe. Praca instalacji ciepłej wody użytkowej opiera się na pompie ciepła (82%) oraz na instalacji kolektorów słonecznych (18%). Budynek wyposażony jest także w instalację wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej, z odzyskiem ciepła o sprawności odzysku ciepła 70%. W obiekcie zastosowano energooszczędne oświetlenie o mocy 7 W/m². Energia elektryczna w budynku jest w 31% dostarczana z instalacji fotowoltaicznej 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 w tamtym czasie na wykonanie przegród o wyższej izolacyjności termicznej niż minimalne wymagania obowiązujące. W TABELI 2 przedstawiono otrzymane wartości współczynnika U dla przegród zewnętrznych w analizowanym budynku, w odniesieniu do przepisów obowiązujących w czasie budowy.

Budynek zaprojektowano jako budynek energooszczędny, zgodnie z wymaganiami programu priorytetowego Lemur Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w klasie A. Z uwagi na wysoką izolacyjność termiczną przegród oraz zastosowanie wydajnych źródeł energii w budynku wraz z instalacjami OZE, budynek osiągnął relatywnie niskie wartości poszczególnych wskaźników zużycia energii przedstawione w TABELI 3.

Wyniki

Porównując całkowity ślad węglowy obu wariantów obliczeniowych (RYS. 2–3), 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, np. stali i betonu.

Z kolei rozpatrując fazę B4, trzecią co do wielkości udziału, największy wpływ na jej wynik ma ilość instalacji budynkowych, materiałów wykończeniowych i częsta ilość wymian niektórych elementów budynku w okresie analizy. Owe elementy w związku z określonym krótkim czasem użytkowania powinny być wymienione w okresie 20–30-letnim. To oznacza co najmniej jedną wymianę w 50-letnim cyklu życia analizowanego budynku.

Porównując ślad węglowy powstający w fazie B4, to ma on 24% udział w wariancie W1 oraz 12% udział w wariancie W2. Różnice w tej fazie 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, liczba 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%.
W TABELI 4 przedstawiono zestawienie porównawcze wyników obliczeń całkowitego śladu węglowego poszczególnych faz życia budynku dla dwóch wariantów.

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 (RYS. 4). Wyniki tej analizy wskazują, że bardzo istotną fazą jest faza B4 oraz trwałość i jakość zastosowanych rozwiązań. Wydłużenie cyklu życia poszczególnych wyrobów może znacząco wpływać na obniżenie całkowitego śladu węglowego budynku.

Podsumowanie

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 braku odpowiednych danych wsadowych, szczegółowo opisanych w części „Cel, metodyka i założenia analizy”.

Pominięcie wybranych faz było podyktowane ich małym udziałem w całkowitym śladzie węglowym oraz brakiem wystarczających danych umożliwiających wykonanie obliczeń. Doświadczenia innych autorów dotyczących analiz oddziaływania budynków na środowisko w całym cyklu życia wykazały niewielki udział pominiętych faz [3, 7, 8].

Z powodu braku polskich regulacji prawnych oraz wartości granicznych odnoszących się do całkowitego śladu węglowego, nie ma możliwości skategoryzowania otrzymanego budynku jako wysokoemisyjny lub niskoemisyjny. Z pomocą może przyjść legislacja oraz ustalone wartości graniczne, np. w Danii. Prawodawstwo duńskie przewiduje limit dla nowych obiektów wynoszący 12 kg CO₂e/m²/rok. Analizowany budynek biurowy wykazuje się śladem węglowym na poziomie 43,78 kg CO₂e/m²/rok w wariancie W1 oraz w wariancie W2 na poziomie 37,98 kg CO₂e/m²/rok.

Odniesienie wyników do limitów obowiązujących w Danii wykazuje znaczne przekroczenie wartości granicznej. Jednak należy zwrócić uwagę na nieco inną metodykę obliczeń szczególnie w zakresie faz cyklu życia objętych analizą. Innym powodem może być większa niż w Danii ilość energii otrzymywanej z paliw kopalnych w polskim miksie energetycznym. 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.

Analiza śladu węglowego w polskim sektorze budownictwa szybko nabiera znaczenia. Nieuchronnie zbliżające się kolejne daty kamieni milowych stojących na drodze do zeroemisyjności, wymuszają postęp w zakresie dekarbonizacji. Niezbędne jest stworzenie metodyki analizy śladu węglowego oraz odpowiednich aktów prawnych regulujących wymagania w tym zakresie. Ponadto, 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. Pierwszym krokiem dla stworzenia odpowiednich warunków do przeprowadzania tego typu analiz powinno być opracowanie metodyki obliczeń wszystkich faz cyklu życia budynku, przygotowanie jednolitej bazy danych wyrobów budowlanych z wskazaniem wskaźników emisji gazów cieplarnianych oraz ewentualnie stworzenie ogólnie dostępnego narzędzia do obliczeń WLC.

Artykuł powstał w ramach projektu „Establishing whole-life carbon of buildings in Poland” realizowanego przez Krajową Agencję Poszanowania Energii SA ze środków European Climate Foundation

Literatura

1. A. Kuczera, M. Płoszaj-Mazurek, „Zerowy ślad węglowy budynków. Mapa drogowa dekarbonizacji budownictwa do roku 2050”, PLGBC, czerwiec 2021.
2. „United Nations 2020 Global Status Report For Buildings and Constructions”, online: https://globalabc.org/resources/publications/2020-global-status-report-buildings-andconstruction, dostęp: 25.05.2023.
3. D. Bartosz, W. Kowalski, „Szacowanie śladu węglowego budynków. Mapa drogowa dekarbonizacji budownictwa do roku 2050”, PLGBC, październik 2022.
4. J. Steinmann, M. Röck, T. Lützkendorf, K. Allacker, X. Le Denm, „Whole life carbon models for the EU27 to bring down embodied carbon emissions from new buildings. Review of existing national legislative measures”, Ramboll, KU Leuven, 2022.
5. A. Węglarz et al., „Środowiskowe Aspekty Nowoczesnego Budownictwa Drewnianego”, KAPE SA, 2019.
6. „Building Cost Information Service Database”, 2011.
7. R. O’Hegarty, O. Kinnane, „Whole life carbon quantification of the built environment: Case study Ireland, Building and Environment”, Volume 226, 2022, ISSN 0360-1323.
8. R.S. Srinivasan, W. Ingwersen, Ch. Trucco, R. Ries, D. Campbell, „Comparison of energy-based indicators used in life cycle assessment tools for buildings, Building and Environment”, Volume 79, 2014, Pages 138-151, ISSN 0360-1323.