Hållbara byggnader – Välj rätt systemgräns vid designoptimering

Vilka åtgärder för att spara energi kan användas utan att miljö påverkan från produktion och underhåll blir högre än besparingen från lägre driftenergi? Forskning visar att de indirekta effekterna av en åtgärd kan ha markant påverkan på resultaten i miljö- och kostnadsanalyser. Läs hela artikeln som pdf

Ambitionen i den svenska bygg-och förvaltningssektorn är att minska miljöpåverkan från byggnader genom att bygga mer och mer energieffektiva byggnader till en rimlig kostnad. En naturlig följd av detta är att den relativa miljöpåverkan från produktionen ökar, i form av att mer material och fler produkter sätts in i husen, samtidigt som miljöpåverkan från driften minskar. Vid projektering av en byggnad blir därför en viktig fråga – vilka energibesparingsåtgärder kan implementeras utan att miljöpåverkan från produktion och underhåll överstiger besparingen från minskad driftenergi? Ett steg i att besvara den frågan är att undersöka vilken miljöpåverkan en åtgärd har i produktionsskedet och driftsskedet. För att göra det på ett korrekt sätt måste man även ta hänsyn till vilka effekter åtgärden har på omkringliggande system och konstruktioner. Det räcker alltså inte med att jämföra en åtgärd med en annan. Den här artikeln beskriver delresultat från ett forskningsprojekt som handlar om val av systemgräns vid jämförelse av olika åtgärder. Det visade sig att indirekta effekter av en åtgärd kan ha en markant påverkan på resultaten i miljö- och kostnadsanalyser.

LCA OCH LCC FÖR BYGGNADER
För att svara på frågan om energiförbättringsåtgärder behöver byggnadens hela livscykel beaktas, från utvinning av råmaterial, till avfallshantering när byggnaden i slutändan rivs. I den inledande figuren högst upp i artikeln (fig 1) visas hur byggnadens livscykel är uppdelad enligt standard EN 15804. Ett lämpligt verktyg för att bedöma miljöpåverkan i hela livscykler är livscykelanalys (LCA). LCA är ursprungligen framtagen för att utvärdera enskilda produkter, men kan också användas för hela byggnader (vilka förenklat kan ses som en sammansatt produkt). För att ta hänsyn till kostnader kan livscykelkostnadsberäkning (LCC) användas. Även om LCA och LCC har stora strukturella skillnader är det möjligt att kombinera dem. Systemgräns anger vilka relevanta processer som ingår i en produkts livscykel, det vill säga det relevanta systemet att studera. Det som inte ligger inom systemgränsen kallas helt enkelt omgivningen, resten av världen. Vid en livscykelinventering i en LCA sammanställer man vilka resurser som tas från omgivningen och används i livscykel och vilka emissioner från livscykeln som sprids till omgivningen. För kostnadsberäkningar är det istället pengar som går in i (kostnader) och ut från (vinster) systemet. Att fastställa korrekta systemgränser är kritiskt för att få rättvisa jämförelser mellan olika lösningar. Därför har vi som första steg fokuserat vårt arbete kring effekter av olika systemgränser och utvecklat en metodik för att ta fram relevanta systemgränser vid utvärdering av olika designalternativ.

BYGGNADEN SOM SYSTEM
Traditionellt sett brukar man dela in byggnaden i olika delar som stomme, klimatskal, installationer med mera. Dessa kan i sin tur delas upp ytterligare i till exempel olika byggnadselement, ventilation och el. Denna uppdelning möjliggör för olika specialister i en projekteringsgrupp, som konstruktörer, arkitekter, VVS-specialister et cetera, att fokusera på sitt område utan att ha full kunskap om övriga delar. Detta är nödvändigt då dagens byggnader är så komplexa att det inte är möjligt för en person att ha all den kunskap som behövs för att lösa alla delar på ett bra sätt. Ett problem med den traditionella uppdelningen är att det blir svårt att få en överblick över hur alla dessa delar hänger samman i ett system. Till exempel påverkar förändringar av konstruktionen innemiljö och energianvändning i olika grad beroende på energikälla och distributionssystem. Vid LCA och LCC av olika designalternativ behöver alla relevanta förändringar i miljöpåverkan och kostnader inkluderas för en rättvis jämförelse. I en nyligen genomfört forskningsstudie har vi kunnat visa att indirekta effekter för olika designalternativ kan ha stor påverkan på slutresultatet.

FALLSTUDIE
För att utreda betydelsen av indirekta effekter utförde vi en teoretisk fallstudie på ett flerbostadshus. Byggnaden består av sex våningar med en total Atemp på 1 693 m² och antas vara placerad i Göteborg. Konstruktionen är en betongstomme med lätta utfackningsväggar av mineralull och stålreglar, se figur 2. Syftet med studien var att undersöka om indirekta effekter av olika isolertjocklekar i en yttervägg har en signifikant påverkan på resultatet från LCA och LCC. Vid tillräckligt små förändringar i isolertjocklek kommer påverkan på övriga delar i byggnaden att vara försumbara på grund av de säkerhetsmarginaler som tilllämpas vid utformning av en byggnad. För att täcka in så många konsekvenser som möjligt valdes därför en extrem isolertjocklek för jämförelse med en ”normaltjock” vägg som referensfall. I referensfallet består regelstommen i ytterväggen av 145 x 45 mm reglar med isolering. Extremfallet är väggen istället konstruerad med 220 x 220 x 220 x 45 mm regelstommar som antas placeras utåt, det vill säga den ökade isoleringen påverkar inte invändig golvarea.

För att undersöka relevansen av indirekta effekter utfördes en förenklad LCA på produktionen av material och energi. Studerad miljöpåverkan uttrycktes som global uppvärmningspotential. Detta kombinerades med en LCC med kalkylränta 5 procent och energipriset 1 krona per kWh. För båda utvärderingarna användes den funktionella enheten 1 m² Atemp som uppfyller BBR i 50 år.

För att undersöka potentiell systemgräns användes en metodik vi valt att benämna ECE (effect and consequences evaluation, effekt och konsekvensutvärdering). Metoden kommer att finnas beskriven i detalj i en vetenskaplig artikel och i huvudförfattarens avhandling, men i korta drag så identifieras relevanta effekter som en åtgärd kan medföra. För varje effekt studeras de potentiella konsekvenser denna effekt kan få på övriga delar av byggnaden. För varje funnen konsekvens identifieras återigen relevanta effekter och vilka ytterligare konsekvenser dessa kan ge upphov till. Förfarandet upprepas tills inga fler potentiella konsekvenser kan hittas. Detta ger upphov till ett nät av olika konsekvenser och dess inbördes beroenden. Varje konsekvens representerar en enhetsprocess i systemet och beräkningar på dess påverkan utförs för att avgöra huruvida den är tillräckligt relevant för att ingå i det slutgiltiga systemet som ska undersökas.

RELEVANT SYSTEMGRÄNS
Relevant system för den här specifika studien visas i figur 3. Att öka väggisolering medför en förändring i volym, vikt, energibehov, maximalt effektbehov och kostnader. Att väggen blir tjockare (volymförändring) innebär att golven som bär väggen behöver förlängas. På liknande sätt behöver yttertaket förlängas för att bibehålla funktionen av takfoten. Dessa åtgärder innebär i sin tur en ökning i vikt, volym och kostnad för respektive element. osäkert om det innebär en signifikant förändring. Det beror till stor del på vilken teknik Figur 3. Relevant systemgräns för den aktuella studien. Linjen till mindre energikälla är streckad eftersom förändring i maximalt effektbehov är relativt liten, så det är osäkert om det innebär en signifikant förändring. Volym, vikt, energi, maximalt effektbehov och kostnader representerar den parameter som förändras till följd av designalternativet och de konsekvenser som uppstår.

Den totala viktökningen är cirka 143 ton i byggnaden, men bland annat på grund av symmetrin i viktökningen innebär ökningen inga signifikanta justeringar av grundläggningen. Eventuellt kan man behöva förstärka armeringen i stommen, men för att utreda omfattningen skulle det behövas detaljerade statiska beräkningar, vilket inte rymdes inom studien. Stommen är därför medtagen i systemgränsen, men vi har inte redovisat någon magnitud av miljöpåverkan och kostnader i figur 4 och 5. Det minskade maximala effektbehovet var relativt litet i förhållande till byggnadens storlek. Det blir därmed som finns tillgängligt på marknaden.

PÅVERKAN AV INDIREKTA EFFEKTER
Den globala miljöpåverkan för produktion av den förändrade materialåtgången samt förändrat energibehov är redovisat i figur 4. Endast den ökade isoleringen i ytterväggen påverkade signifikant energibehovet i byggnaden med en avsevärd minskning. Trots miljöpåverkan av tillverkningen av den extra isoleringen får man ett netto på –13 kg CO2-eq normaliserat mot den funktionella enheten (f.e.). Den sammanlagda miljöpåverkan för ökad materialproduktion av de övriga delarna är 8 kg CO2-eq/f.e., varav mellanbjälklagen stod för den största delen. Nettopåverkan för hela designalternativet är därmed 5 kg CO2-eq/f.e. Den faktiska sänkningen av miljöpåverkan blir med andra ord inte ens hälften så stor om hela systemet kring byggnaden beaktas jämfört med om enbart ytterväggen studeras. Det är värt att notera att den ökade materialåtgången för indirekta effekter inte skulle påverka slutsatsen att ökad isolering skulle medföra minskad miljöpåverkan och ökade kostnader i det här specifika fallet. I vissa situationer ligger däremot ökad miljöpåverkan och högre kostnader för att införa energibesparingsåtgärder i samma nivå som minskad miljöpåverkan och mindre kostnader på grund av sänkt energibehov. Om inte hänsyn tas till indirekta effekter i dessa fall finns en risk för att felaktiga beslut tas.

SYSTEMGRÄNSER ÄR SPECIFIKA FÖR VARJE OBJEKT OCH FRÅGESTÄLLNING
Studien visar vikten av att utreda systemgränsen vid jämförelse av olika designalternativ. Något som försvårar detta är att till synes små justeringar kan medföra stora förändringar av systemet. Hade förutsättningen i det här fallet varit att öka isoleringen inåt i byggnaden skulle inte golven, bottenplattan och yttertaket behöva justeras, men istället påverkas den tillgängliga golvytan. Det relevanta systemet i det fallet skulle därmed skilja sig väsentligt från den här studien. Andra konstruktionstyper som till exempel sandwichelement eller bärande ytterväggar kommer också få skilda konsekvenser av tilläggsisolering och därmed andra systemgränser. Projektet som utförs har hanterat design vid nybyggnation. Vid nyprojektering är det sannolikt enklare att förutse indirekta effekter och deras påverkan än vid ett renoveringsprojekt. I en renovering kan det finnas osäkerheter kring utförande och skick på befintlig konstruktion, begränsningar för att inte störa brukarna och andra svårigheter som inte uppstår i nyproduktion. Det vore därför intressant att utföra en liknande studie på ett renoveringsprojekt.

FUNKTIONELL ENHET
I livscykelanalyser kommer resultaten att normaliseras till den funktionella enheten. Val av funktionell enhet kommer därför att styra hur resultaten ska tolkas. I en byggnad finns det flertalet viktiga funktioner och därför flera tänkbara funktionella enheter, till exempel värmemotstånd i 1 m² vägg per X m² boarea, en byggnad med X antal brukare eller en lägenhet för 2,5 personer i 50 år. Den valda funktionella enheten tar hänsyn till att det finns krav på byggnaden som måste uppfyllas för att byggnadens funktion ska anses uppfylld. Samtidigt tillåter den att energibehovet i byggnaden förändras, såvida inte energikraven i BBR överskrids.

NÄSTA STEG
De resultat och diskussioner som framställts här har mer i detalj beskrivits i en artikel avsedd att publiceras i tidskriften Journal of Cleaner Production. I det fortsatta arbetet kommer vi studera hur man kan hantera indirekta effekter när man optimerar den totala miljöpåverkan i byggnader. Vi vill rikta ett stort tack till våra samarbetsparters: Skanska, Sveriges Byggindustrier, Veidekke, Wäst-Bygg och Eksta Bostads AB som bidragit med information och erfarenheter, samt SBUF och Energimyndigheten som delfinansierat forskningsprojektet. Läs hela artikeln som pdf