До недавнего времени большая часть разговоров об устойчивости в строительной отрасли была сосредоточена вокруг эксплуатационного углерода. Это углерод, выбрасываемый зданиями, или энергия, которую здания потребляют в своей повседневной деятельности.
Мы подошли к устойчивому развитию с точки зрения энергоэффективности — снижения этого аппетита. Цель состояла в том, чтобы спроектировать энергоэффективное здание, чтобы в первый же день аппетит был ниже, как и счета за коммунальные услуги. Этот подход сформировал государственные кодексы энергоэффективности, такие как Title-24 в Калифорнии, Энергетический кодекс Сиэтла, стандарты ASHRAE и сертификаты экологичного строительства, такие как LEED, Living Building Challenge и Green Globes.
Мантра заключалась в том, чтобы спроектировать или спроектировать здание так, чтобы с первого дня оно потребляло меньше энергии для работы.
Поделиться
Дизайн Ежеквартально
Прочтите и загрузите Ежеквартальный выпуск 10 журнала Stantec Design | Углеродная проблема
Когда мы анализируем здания на наличие в них углерода, становится ясно, что есть возможности для дизайна по-другому. (Фаза 1 Королевской Колумбийской больницы в Нью-Вестминстере, Британская Колумбия)
Что такое воплощенный углерод?
Сокращение эксплуатационных потребностей зданий в энергии имеет смысл и будет оставаться важной частью решения кризиса, связанного с изменением климата. Что мы упустили, рассматривая только операционную энергию, так это вложения энергии в здание, которое оно унаследовало с самого первого дня, — его воплощенный углерод или воплощенную энергию.
Проще говоря, какой объем выбросов углерода внесло это здание в атмосферу — воздух, которым мы дышим — еще до того, как оно открылось?
Мы определяем воплощенный углерод как выбросы парниковых газов (в эквиваленте двуокиси углерода), связанные с производством и транспортировкой строительных материалов и процессом строительства. В отличие от строительных систем, которые можно заменить более эффективными и улучшить с течением времени, это количество воплощенного углерода фиксируется после того, как оно было израсходовано. По сути, мы (и планета) вечно живем с решениями, которые принимает вся команда проекта — от дизайнера до подрядчика и клиента — при проектировании исходного здания. Всплеск интереса к воплощенному углероду со стороны дизайнерской индустрии и широкой общественности привел к появлению дополнительной информации о материалах и их происхождении, а также к расширению ассортимента альтернативных материалов природного происхождения.
Климатический кризис, новый взгляд на углерод
Климатический кризис заставил наши руки действовать. Наука говорит нам, что если мы продолжим выбрасывать углекислый газ, как обычно, то в течение следующих 10 лет глобальная температура повысится на 1.5° по Цельсию, и это повышение будет необратимым. На следующем рубеже, повышении на 2°C, мы увидим катастрофические изменения климата.
Недавние отчеты Межправительственной группы экспертов по изменению климата настоятельно рекомендуют к 2050 году свести выбросы углерода к нулю во всем мире, чтобы остановить рост температуры. Чтобы добиться нулевых выбросов, нам нужен «углеродный бюджет» планеты. Этот бюджет представляет собой максимальное количество углерода, которое люди могут потреблять ежегодно, чтобы мы могли постепенно сокращать выбросы углерода к 2050 году. Чем ниже бюджет углерода, тем выше наши шансы на замедление повышения температуры. Чтобы остановить рост на 1.5°C, наш углеродный баланс для планеты составляет 340 Гт CO2. Этот углеродный баланс с вероятностью 67% остановит повышение температуры на 1.5°C и позволит нам постепенно сокращать выбросы углерода.
На эксплуатацию зданий приходится 28% глобальных счетов за выбросы углерода. На инфраструктуру/материалы зданий приходится 11% общих ежегодных глобальных выбросов по секторам. Изготовление стали, бетона и стекла для зданий и их транспортировка на площадку требует много энергии. Наше давнее внимание к рабочему углероду привело к тому, что энергоэффективное здание может иметь неравномерный углеродный след. Воплощенный углерод может составлять 66% от общего углеродного следа нового энергоэффективного здания с жизненным циклом здания 30 лет.
Мы прошли долгий путь с точки зрения того, что возможно с точки зрения операционной эффективности. Но, глядя на жизненный цикл здания, мы видим, что можем сделать гораздо больше. Что-то должно измениться. Когда мы начинаем анализировать здания на наличие в них углерода, становится ясно, что существуют возможности для проектирования по-другому.
Взять, к примеру, бетон.
Колоссальные 8% глобальных выбросов происходят из огненных печей, которые производят цемент и бетон, из которых портландцементный бетон является наиболее распространенным. Это глобальные явления. Это чрезвычайно энергоемкий процесс производства бетона, и мир производит его в больших количествах.
Летучая зола является побочным продуктом процесса производства цемента и раньше выбрасывалась. Но на самом деле он имеет сходные вяжущие свойства с цементом с правильными заполнителями. И оказывается, если мы добавим летучую золу обратно в цементную смесь (используя 50-60% летучей золы вместо 100% портландцемента с заполнителями), мы можем значительно сократить выбросы углерода, связанные с производством. Исследования показывают, что добавление летучей золы снижает количество воды, необходимой для производства цемента, и в результате получается более пригодный для обработки, перекачиваемый и более прочный бетонный продукт.
Подобные подходы, основанные на здравом смысле, основанные на понимании воплощенного углерода, помогут нам достичь наших углеродных целей как отрасли. Точно так же сталь, изготовленная в электродуговых печах, имеет намного меньше воплощенного углерода, чем сталь, изготовленная из кислородной печи.
Блокировка углерода
Вообще говоря, мы должны рассмотреть различные способы улавливания углерода — улавливания CO2 из атмосферы. Инновационные технологии, такие как низкоуглеродистый бетон, при котором углерод вводится в бетонную смесь, обещают некоторую секвестрацию. Другой подход заключается в использовании кросс-клееной древесины (CLT), где куски дерева спрессованы вместе для создания сверхпрочного деревянного строительного материала. Это одна из самых многообещающих разработок для тех, кто заинтересован в проектировании с использованием воплощенного углерода. CLT достаточно прочен, чтобы его можно было использовать в зданиях высотой более 10 этажей. Он добывается из управляемых, устойчивых лесов и оставшихся древесных отходов. Даже с учетом клея, производства и транспортировки CLT является явным победителем.
Как и CLT, натуральные и биоматериалы могут удерживать CO2. Для интерьеров это означает выбор натуральных, возобновляемых материалов и материалов на биологической основе, таких как бамбук, целлюлоза, пробка, древесно-волокнистые плиты, изоляция из отходов джинсовой ткани и линолеум. Даже тюки соломы для изоляции имеют преимущества в отношении воплощенного углерода. Hempcrete, инновационный продукт, сочетающий сердцевину растения конопли с бетоном, является прочным, эластичным и связывает углерод.
Тонкий баланс: взвешивание воплощенного и рабочего углерода
Хотя углеродное воздействие на протяжении всего жизненного цикла здания имеет решающее значение, выбросы, предотвращенные к 2030 году, окажут еще более значительное благотворное влияние на наш климат, чем те, которые будут предотвращены позже. Это связано с тем, что выбросы являются кумулятивными, и у нас есть ограниченное время для их сокращения. Хорошая работа, которую мы делаем сейчас, может помешать нам достичь повышения глобальной температуры, которое вызовет несколько переломных моментов климата. Если мы не сможем достичь наших целей по сокращению выбросов в течение 9–10 лет, чтобы удержать потепление на уровне ниже 1.5 °C, будет нанесен серьезный и необратимый ущерб, включая исчезновение вечной мерзлоты и отмирание бореальных лесов, Амазонки и коралловых рифов (см. рис. 1). ). Среди других результатов будет высвобождено большое количество накопленного углерода и метана, что значительно усложнит усилия по поддержанию пригодности планеты для жизни ее нынешнего населения. Пришло время действовать.
Учитывая этот ограниченный период времени, воплощенный углерод (EC) в процессе разработки — выбросы, связанные с добычей материалов, производством продукции, транспортом и строительством — приобретает огромное значение. Фактически, если мы продолжим вести бизнес как обычно, электроэнергия будет составлять почти половину выбросов, связанных со строительством, в следующие 30 лет. Действительно, для нового здания, построенного сегодня, EC представляет собой большую часть его влияния в ближайшие девять критически важных лет. Мы считаем, что для оптимального сокращения выбросов углерода от данного проекта необходимо комплексно сбалансировать EC и операционный углерод (OC), обеспечив их одновременную оценку, а не решать одно за счет другого, хотя иногда это сложно. баланса для достижения, потому что они могут потребовать противоречивых стратегий.
В наших практиках — Magnusson Architecture and Planning и Bright Power — мы накопили значительный опыт и добились успеха в снижении нашего OC, особенно за счет применения принципов строительства пассивного дома. Тем не менее, EC — это слишком большой кусок пирога, чтобы его игнорировать; только один широко используемый строительный материал, бетон, составляет примерно 8% глобальных выбросов углерода. Итак, как архитектор и консультант по устойчивому развитию, мы ведем переговоры об этом тонком балансе между EC и OC. В первой части этой статьи, состоящей из двух частей, мы излагаем нашу структуру того, как мы обращаемся как с EC, так и с OC. Во второй части мы покажем, как мы применяем эту структуру к новой застройке доступного жилья, в качестве примера. Мы также объясним, как этот подход может повысить справедливость, особенно в контексте доступного городского жилья. В Magnusson Architecture and Planning and Bright Power мы заинтересованы в представлении идей, которые команды могут использовать немедленно, с минимальными затратами и с минимальным влиянием на свои процессы.
Из-за того, что этот вопрос зависит от времени, мы строим этот разговор вокруг тематического исследования проекта с десятилетними временными рамками, чтобы лучше понять электропроводность, излучаемую сейчас, по сравнению со всем жизненным циклом проекта. Когда мы сосредоточимся на более ближайшем аспекте, мы сможем определить наш вклад в триггеры необратимого изменения климата и уже сейчас выявить ключевые механизмы сокращения выбросов углерода. Эти ключевые механизмы, которые можно считать малозаметными, продемонстрировали сокращение выбросов ЭУ на 20–45 % по сравнению с обычным бизнесом. с надбавкой к стоимости не более 1%.
Мы начнем с рассмотрения контекста и современного состояния науки о расчете EC. Для специалистов в области строительства важно быть знакомыми с процессами и развитием этой науки и ее структурой отчетности, чтобы они могли внести свой вклад в ее развитие.
Оценка жизненного цикла
EC, или потенциал глобального потепления (GWP) конкретного материала или продукта, является лишь одним расчетным воздействием, изучаемым в рамках науки об оценке жизненного цикла (LCA). ОЖЦ «является стандартным методом отслеживания и отчетности о воздействии продукта или процесса на окружающую среду на протяжении всего его жизненного цикла» (ISO 2006a:8). Он не охватывает все воздействия на окружающую среду (извлечение и выбросы в природу и из нее), но обычно дает количественную оценку от пяти до одиннадцати типов, одним из которых является потенциал глобального потепления. Стандартная цель LCA состоит в том, чтобы фиксировать эти воздействия на протяжении всего срока службы материала или продукта, от добычи сырья до конца срока службы. Эти этапы определяются как A1-3 Product, A4-5 Construction, B1-7 Use, C1-4 End of Life, D Reuse (называемые границей системы) (см. рис. 2). Важно оценить все этапы и все воздействия. Тем не менее, для решения проблемы ЕС в течение следующих девяти лет мы сосредоточимся на результатах ОЖЦ с точки зрения ПГП на этапах A1–A3 (называемых «от колыбели до ворот»).
Экологическая декларация продукта
Научной дисциплине LCA всего несколько десятилетий, и она родилась из принципов промышленной экологии. Стандартный метод отчетности о воздействии ОЖЦ — это экологическая декларация продукта (ЭПД), которая бывает нескольких типов (см. рис. 3).
EPD не оценивают продукт и не определяют, проходит ли он определенный порог воздействия; они являются только отчетными документами. Первоначально предприятия создавали ЭПД для внутренней документации. Только совсем недавно EPD стали использовать для сравнения продуктов и категорий продуктов. Стандарты ISO регулируют их создание, наиболее полезным из которых на данный момент является ISO 14025, который требует, чтобы EPD была проверена третьей стороной и «специфична для продукта».
Правило категории продукта
Стандарт ISO для EPD устанавливает, что сначала должно быть создано правило категории продукта (PCR). Отрасль, создающая продукт, согласовывает PCR и точно определяет, что рассчитывается в границах системы LCA, другими словами, «методологический выбор, сделанный при разработке кадастра и преобразовании его в воздействие на окружающую среду».1 PCR определяются свои собственные стандарты ISO и должны быть достаточно подробными, чтобы две разные стороны могли получить одинаковые результаты ОЖЦ. Большинство PCR прямо сейчас позволяют использовать общие или вторичные данные для некоторых исходных данных (более ранние этапы продукта). Однако, поскольку политики и специалисты строительной отрасли стремятся к немедленному сокращению выбросов углерода, растет спрос на более конкретные данные, такие как EPD для конкретных объектов или цепочек поставок. Реальная экономия может быть достигнута, если закупки определяются более конкретными данными, поскольку продукты сравнения могут существенно отличаться, если эти данные раскрываются. Несмотря на то, что промышленность обладает лучшим опытом для создания PCR, потребители и разработчики должны быть осведомлены об этом процессе, чтобы они могли отстаивать информацию, которая, по их мнению, необходима. Например, ОПЗ для изделий из древесины не требует включения управления лесами (или насаждениями деревьев) или сертификации. Тем не менее, эта информация существенно влияет на углеродное воздействие (не говоря уже о биоразнообразии и здоровье экосистем) изделий из древесины. (Форум Carbon Leadership в июле 2021 года опубликовал информативный информационный документ о текущем статусе EPD: «Требования к ЭПД в политике закупок».)
EPD можно сравнивать для оценки ПГП между продуктами, но только если они сначала согласованы по нескольким аспектам. Сравниваемые ЭПД должны:
следовать одному и тому же правилу категории продукта, представляющему одни и те же этапы жизненного цикла,
не быть устаревшим (обычно срок действия составляет десять лет), и
представляют продукты, которые функционально эквивалентны, что означает, что они выполняют одно и то же действие, и никакие другие продукты не отсутствуют в сравнении.
В настоящее время существует два метода расчета воздействия: Traci или Cml, поэтому необходимо проверить, совпадают ли EPD и здесь. Наконец, перед проведением сравнения проводится тщательный анализ дополнительных данных с указанием потенциального влияния на качество данных (например, географический диапазон) и ограничений (влияние не определено количественно). В отсутствие EPD для конкретного объекта или цепочки поставок производители раскрывают эту информацию в разделах дополнительных данных в ответ на спрос и развитие законодательства, такого как HB 1103 штата Вашингтон.
В идеале EPD используются в качестве первичных данных для оценки жизненного цикла всего здания (WBLCA), что позволяет оценить компромиссы между различными системами и воздействием на окружающую среду. Но для многих команд это в настоящее время является дорогостоящим и трудоемким мероприятием. Тем не менее, даже когда EPD не используются в WBLCA, они значительно расширяют возможности отрасли для принятия обоснованных решений о воздействии углерода сразу после оценки реализованных и эксплуатационных выбросов проекта.
Пример проекта, представленный во второй половине этой статьи, будет использовать компонентный метод использования EPD для оценки выбора продукта. Для доступного жилья в Нью-Йорке дизайн осуществляется в рамках некоторых установленных параметров, которые хорошо подходят для местности и типологии. Работая в рамках этой структуры, мы по-прежнему можем добиться немедленных и существенных улучшений влияния ПГП каждого компонента, который мы обычно используем, даже в зданиях с высоким содержанием материалов, обеспечивающих пассивный дом / почти нулевой показатель.
Чрезвычайно полезным инструментом для команд, стремящихся оптимизировать компоненты, является Калькулятор воплощенного углерода в строительстве (инструмент EC3). Это позволяет команде отслеживать количество материалов и связывать их с EPD из всеобъемлющей общедоступной базы данных. Команды могут искать в базе данных EPD определенный продукт и просматривать диапазон доступных вариантов GWP. Например, команды могут искать конкретный продукт из своего региона, например, бетонную смесь, и видеть диапазон воздействия доступных продуктов на ПГП. Обладая этой информацией, команды могут устанавливать цели для своих проектов. В то время как наука о стандартах отчетности ОЖЦ становится все более точной, полученный ПГП следует рассматривать не столько как буквальное число, сколько как порядок величины, полезный для сравнений.
Инструмент EC3 сообщает об уровне неопределенности данных, наглядно представленных на диаграммах «усов», в зависимости от их специфики и качества. Это бесплатный инструмент, все еще находящийся в бета-версии, с тысячами пользователей. Некоммерческая организация Building Transparency, созданная Форумом лидеров по углероду (CLF), теперь использует инструмент EC3. CLF ежегодно устанавливает базовые значения ПГП для каждой категории продуктов и сообщает о них. Хотя большинство продуктов упадут ниже отметки, этот базовый уровень является хорошей отправной точкой для разработки ограничений или сокращений выбросов углерода. Во второй части этой статьи мы обсудим, как мы использовали инструмент EC3 в нашем примере проекта. Вы также увидите, как обычный бизнес был определен с использованием базовых показателей для некоторых материалов, для которых у нас не было конкретной EPD продукта. (Те, кто полагается на PHPP для моделирования энергопотребления, могут использовать PHribbon для извлечения информации об электропроводности непосредственно в модель PHPP с помощью модуля Embodied CO2, который использует данные из базы данных Building Transparency EC3 и Агентства по охране окружающей среды США.)
Низко висящий фрукт
Во второй части мы также подробно рассмотрим низко висящие компоненты фруктов, которые мы рассмотрели и изучили в рамках примера нашего проекта. Эти компоненты составляют некоторые из ключевых механизмов, определенных CLF/RMI в их целевых сценариях сокращения на 20-45%, и включают:
теплоизоляция (кровля, стены, перекрытия),
окна (остекление, установка) и
Глубоко погрузившись в каждый из этих изученных компонентов (в течение десяти лет), мы выделим компромиссы и рычаги принятия решений, обнаруженные путем сравнения и уравновешивания влияния EC и OC изученных изменений конструкции. Это исследование ставит в контекст возможности сокращения, доступные немедленно, особенно для аналогичных типологий высокопроизводительных многоквартирных жилых домов с высокой плотностью застройки. Охватывая процесс проектирования от схемы до строительной документации, тематическое исследование проекта предоставит важные новые исследования, связанные с каждой тематической областью компонента. Наконец, мы обрисуем влияние пассивного дизайна, электрификации и других движений OC на непосредственный вклад EC в исследование, где мы можем выполнить более низкие версии обоих (см. Таблицу 1).
Это важный момент для климата, но у профессионалов строительной отрасли есть невероятная возможность изменить ситуацию. Как мы отметили здесь, в настоящее время существуют инструменты и стратегии, позволяющие значительно снизить прямое воздействие проекта на выбросы углерода. Мы с нетерпением ждем возможности проиллюстрировать, как работает этот процесс, во второй части этой статьи.
