30. ágúst 2019

Kolefnisspor bygginga og vistvæn hönnun

VSÓ Ráðgjöf skoðar umhverfisáhrif mannvirkja og býður upp á ýmsar lausnir til að auka sjálfbærni og draga úr loftslagsáhrifum, allt frá hönnun og skipulagi til niðurrifs.

Kolefnislosun og loftslagsbreytingar

Hitastig jarðar hefur hækkað á síðustu öld. Þessi hlýnun hefur í för með sér bráðnun jökla, hækkun sjárvarmáls, hlýnun sjávar og aukningu í öfgaveðri. Vísindamenn eru almennt sammála um að þessi hlýnun sé af mannavöldum. Það hefur verið mikil aukning í losun á gróðurhúsalofttegundum á síðustu árum vegna aukins iðnaðar. Gróðurhúsalofttegundir eru koltvíoxíð (CO2), vatnsgufa, metan, tvínituroxíð (N2O), óson (O3) og ýmis halógen-kolefnissambönd. Þessar lofttegundir eru nefndar gróðurhúsalofttegundir vegna þess að þegar þeim er hleypt út í loftið virka þær eins og gler í gróðurhúsi og halda sólarvarma innan lofthjúpsins.

Kolefni er að finna í öllum lífefnum. Kolefnishringrásin er losun og binding kolefnis. Meirihluti kolefnis jarðar er geymdur í steinum og setlögum. Afgangurinn er geymdur í hafinu, andrúmslofti og lífverum. Aukin brennsla jarðefnaeldsneytis á síðustu öld hefur aukið losun á kolefni í andrúmsloftið og truflað kolefnishringrásina.

Milliríkjanefnd Sameinuðu þjóðanna um loftslagsbreytingar (IPCC) spáir að hitastig jarðar muni hækka um 0,3 til 4,8°C á næstu hundrað árum. Hitastig jarðar hefur hækkað um 0,8°C síðustu hundrað ár en mikil hröðun hefur verið á síðustu 30 árum þar sem 75% af hækkuninni átti sér stað á þeim tíma. Koltvíoxíð (CO2) sem verður til við losun kolvetnis í andrúmsloftið stendur fyrir um það bil 80% af gróðurhúsalofttegundum.

Hvað getum við gert? Vistvæn hönnun

Mikilvægt er að draga úr losun á gróðurhúsalofttegundum. Verkfræðingar geta sannarlega lagt þung lóð á vogarskálina til að það gangi eftir. Á heimsvísu valda byggingar um það bil 40% af allri kolefnislosun. Þess vegna er mikilvægt að horfa til og reyna að draga úr mengun og losun kolefnis bæði úr byggingunni sjálfri og við uppbyggingu hennar. Við viljum hanna mannvirki sem hafa sem minnsta kolefnislosun, þ.e.a.s. með sem minnst kolefnisspor.

Til þess að lágmarka kolefnisspor mannvirkja þarf helst að:

  • Velja efni með lágt kolefnisspor
  • Tryggja góða nýtingu efna
  • Lágmarka byggingarúrgang

Fyrst og fremst er mikilvægt að skoða mismunandi byggingarefni. Við framleiðslu á öllum byggingarefnum er kolefni losað, það er óumflýjanlegt. Efni eins og timbur er með mjög lágt kolefnisspor. Timbur hagar sér eins og kolefnisgeymir (‚CO2 store‘). Þegar tré vaxa, gleypa þau kolefni með ljóstillífun sem losar súrefni og geymir kolefni. Þegar tré rotna losa þau kolefni. Þegar tré eru ræktuð til framleiðslu eru þau felld áður en þau byrja að rotna, þannig að geymt kolefni situr eftir í timbri. Allar timburvörur eru því í raun kolefnisgeymar.

Timbur er æskilegt byggingarefni vegna þess að það er með mjög lágt kolefnisspor. Ef timbur er hins vegar ekki æskilegt byggingarefni út frá öðrum hönnunarforsendum er hægt að skoða græna steypu eða endurunnið stál. Gott er að tryggja að steypa sem er notuð sé eins græn og unnt er. Steypa samanstendur af sementi, vatni og fylliefni eins og grjóti og sandi. Sementframleiðsla stendur fyrir 90% af kolefnislosun steypunnar. Rannsóknir hafa sýnt að það má nota endurunninn efni eins og t.d. flugösku í stað hluta sements án þess að hafa ráðandi áhrif á burðargetu. Flugaska fellur frá við brennslu á jarðefnaeldsneyti, einkum í kolaorkuverum. Þetta á líka við um stál. Til að teljast grænt þá þarf ákveðið magn af stálinu að vera endurunnið. Með því að notast við aukaafurðir eða endurunnin efni er hægt að lágmarka kolefnisspor byggingarefnisins.

Vistvæn hönnun þarf einnig að tryggja góða nýtingu efna. Það er hægt að besta stærð burðarvirkja til þess að lágmarka byggingarefni. Á Íslandi eru flest mannvirki steypt. Ávinningur af því að draga úr steypumagni getur því verið talsverður.

Ef timbur er byggingarefnið sem verður fyrir valinu er hægt að besta nýtingu með því að notast við límtréseiningar (CLT modular systems). Einingarnar eru hannaðar og framleiddar með það í huga að nýta efnið sem best. Notkun á einingum lágmarkar einnig vinnu á verkstað, sem dregur enn frekar úr kolefnisspori. Á svipuðum nótum er einnig hægt að notast við forsteyptar einingar úr grænni steypu og endurunnu stáli.

Hægt er að ná árangri við niðurrif bygginga. Við hönnun byggingar er mikilvægt að lágmarka byggingarúrgang, sem er best að gera með því að endurnota efni. Það er gert með því að velja efni með möguleika fyrir endurnýtingu og tryggja nægjanlegt rými og gott aðgengi þegar það kemur að niðurrifi. Á þessu sviði eru timbureiningar einn besti kosturinn.

Vistferilsgreining, Life-Cycle Assessment ‚LCA‘

Eins og áður kom fram þá valda byggingar um það bil 40% af allri kolefnislosun á heimsvísu. Til þess að skoða mögulegar lausnir til að draga úr vistspori bygginga er gerð vistferilsgreining á hönnunarstigi byggingar. Vistferlisgreining eða ‚Life-Cycle Assessment‘ felst í því að skoða kostnaðinn við hönnun, uppbyggingu, afnot, viðhald og loks niðurrif byggingarinnar. Innan vistferlisgreiningarinnar er hægt að besta efnaval, efnanýtingu og svo framvegis til þess að finna hagkvæmustu og um leið umhverfisvænustu lausnina fyrir hvert verkefni. Mynd 1 sýnir megin áherslur við vistferilsgreiningu á byggingum.

Verkefnið

Reykjavík, ásamt 96 stórborgum á heimsvísu, er þátttakandi í alþjóðlegri samkeppninni Reinventing Cities á vegum C40 samtakanna. Meginmarkmið keppninnar er að draga úr loftslagsbreytingum með því að stuðla að vistvænni hönnun og sjálfbærni. Þverfaglegum teymum var boðið að þróa þrjár lóðir víðsvegar um Reykjavík. Hönnunarlausnir áttu að huga að sjálfbærni, umhverfisgæðum og kolefnisspori. VSÓ Ráðgjöf var leiðandi í að þróa lausnir fyrir tvær lóðir. Skoðum annað verkefnið nánar.

Lóðin er í miðbæ Reykjavíkur. Tvær byggingar eiga að standa á lóðinni, fjölbýlishúsnæði og þjónustuhúsnæði. VSÓ teymið lagði fram lausn sem samanstendur af níu hæða fjölbýlishúsnæði og fjölnota þjónustuhúsnæði sem á að hýsa verslanir, veitingastaði og líkamsrækt.

Byggingarnar eru báðar úr límtréseiningum frá Noregi. Einingarnar eru 4×8 m og ein eining er ein íbúð. Einingarnar hafa þann möguleika að vera sameinaðar til þess að tryggja sveigjanleika og aðlögunarhæfni. Við það að notast við einingar er byggingatími helmingaður miðað við steinsteypt hús. Byggingarnar eru klæddar með timburklæðningu. Á þaki fjölbýlishúsnæðis eru garðar og gróðurhús sem stuðla að sjálfbærni og draga enn frekar úr kolefnisspori. Efri hæð þjónustuhúsnæðis verður úr gleri til þess að tryggja ótruflað sjávarútsýni íbúa á svæðinu.

Lausnin dregur fram það besta í vistvænni byggingarhönnun ásamt því að styðja við jákvæða borgarþróun. Hún felur í sér góða orkunýtingu og sorphirðu, tryggir líffræðilegan fjölbreytileika og stuðlar að sjálfbærni íbúa. Staðsetningin er mjög góð hvað varðar almenningssamgöngur og aðgengi að göngu- og hjólastígum. Rafmagnsbílar og sameiginlegir bílar fá forgang í bílageymslu. Almennt á þessi hönnun eftir að laða að sér einstaklinga sem eru með vistvænt hugarfar og framtíðarsýn.

Vistferilsgreining, eða ‚LCA‘, var gerð á hönnuninni. Vistferilsgreining byggir m.a. á magntöku. Magntakan þarf að vera nákvæm hvað varðar byggingarefni. Notast er við límtréseiningar, þar sem burðarvirkið er úr límtré. Ytri og innri veggir eru úr límtré og klæddir með gifsplötum að innan og timburklæðningu að utan. Einangrað er með íslenskri steinull. Stiga- og lyftukjarnar ásamt undirstöðum eru steyptir. Botnplata er steypt ásamt hluta gólfplatna. Þak er úr límtré.

Þegar magntöku er lokið er hafist handa við vistferilsgreiningu með LCA hugbúnaði, eða OneClickLCA í þessu tilfelli. Fyrir hvert byggingarefni þarf að ákvarða framleiðanda og flutningavegalengd og -aðferð. Einnig þarf að ákvarða líftíma hvers byggingarefnis, þ.e.a.s. má áætla að það þurfi að endurnýja efnið á líftíma byggingarinnar. Í útreikningum er tekið tillit til allra fasa vistferilsins fyrir hvert efni, þ.e.a.s. kolefnislosun við öflun og vinnslu hráefna (A1-A3), uppbygging mannvirkis (A4-A5), notkun og viðhald (B1-B7) og niðurrif og meðhöndlun úrgangs (C1-C4). Nákvæm sundurliðun á fösum samkvæmt staðli ÍST EN 15879 má sjá á Mynd 2.

Til þess að sjá ávinninginn við það að notast við vistvæn byggingarefni var vistferilsgreining einnig gerð á sambærilegri steinsteyptri byggingu eins og almennt tíðkast á Íslandi. Fyrir samanburðar hönnunina, eða Business As Usual ‚BAU‘, var notast við algengar íslenskar byggingarvenjur. Burðarvirki er staðsteypt en notast er við forsteyptar einingar í ytri veggi og holplötur fyrir gólf og þök. Innri veggir eru timburgrind klædd með gifsplötum. Einangrað er með íslenskri steinull. Stiga- og lyftukjarnar ásamt undirstöðum eru steyptir. Botnplata er einnig steypt.

Niðurstöður úr vistferilsgreiningu sýna að það er hægt að draga úr kolefnislosun um 40% með því að notast við límtré í stað steinsteypu. Bygging sem nýtir límtréshönnunin losar um 663.000 kg af CO2 en hefðbundin steinsteypt bygging losar 1.120.000 kg af CO2. Ekki var skoðað að notast við græna steypu en það má álykta að það myndi draga enn frekar úr kolefnisspori byggingarinnar. Mynd 3 sýnir niðurstöður úr vistferilsgreiningunni fyrir báðar lausnir, þ.e.a.s. límtré (CLT) og steinsteypu (BAU). Þessi mynd sýnir áhrif ýmissa þátta (fasa) á heildarkolefnislosun og aðstoðar hönnuði við að aðgreina hvar mætti reyna að draga enn frekar úr losun. Eins og sjá má á myndinni var mesti ávinningurinn falin í því að velja límtré fram yfir steinsteypu (fasar A1-A3) þótt að það kosti aðeins meiri kolefnislosun við niðurrif (fasar C1-C4). Sjá Mynd 2 fyrir frekari útskýringar á vistferils fösum.

 

Grein birt í Vélabrögðum 2019, tímarit útskriftanema í Véla og iðnaðarverkfræði

Greinina skrifaði Sigríður Ósk Bjarnadóttir, byggingarverkfræðingur Ph.D 
Hún veitir fúslega nánari upplýsingar ef óskað er.