Life cycle assessment of retrofitting process for a district

Abstract

In the thesis, a case study area was examined based on energy consumption and environmental impact during its life time via life cycle assessment (LCA) methodology. There are 79 residential buildings that share similar structure in the area; hence, one of them was selected as reference that the investigated building results were used for whole district. The building was built at the end of 1980s. Detailed energy performance analyzes were performed; besides, the energy efficiency retrofitting strategies were defined based on these energy models. These retrofitting strategies were applied to the building to improve energy performance, decrease released greenhouse gases and increase renewable energy source percentage in overall in 2015. In the analysis, the building life time was estimated 75 years. The first 25 years were considered with baseline conditions, and the next 50 years were considered with retrofitted conditions. The aim is investigating a residential area based on its energy consumption and environmental impact during its life time from cradle-to-grave via LCA methodology. For this purpose, ISO 14040 and EN 15978 standard were used to develop the methodology. ISO 14040 defines general methodology of LCA; besides, EN 15978 specializes it based on building application. Also, EN 15978 methodology was created based on ISO 14040. Therefore, both standard were combined and used for the thesis methodology. Two scenarios were defined in the thesis. The first one is called as baseline scenario. In this scenario, beginning situation of the building was examined during 75 years from 1990 to 2065. The second scenario is called as retrofitted scenario that investigated building from 1990 to 2065. Nevertheless, retrofitted scenario was divided into two part. The first part is between 1990 and 2015 (25 years); besides, the second part is between 2015 and 2065 (50 years). Hence, the first part was examined based on beginning condition of the building, and the second part was examined based on retrofitted conditions. The building life time was divided into 3 stages as product, use and end of life stage in both scenario based on EN 15978 methodology. The building was examined as a whole with materials that were used, energy consumption, transportation and end of life steps. It is means that system boundaries of the thesis was defined as cradle-to-grave from raw materials extraction to disposal in the thesis. Already developed BIM and energy performance model of the buildings were used to calculate the amount of materials that were used in the buildings and energy consumption. In addition, two indicators were defined to demonstrate the results of LCA. These are called as cumulative energy demand (CED) and global warming potential (GWP). The reason for this selection is related with aim of the thesis. Energy consumption of the building and released greenhouse gases from the building were presented clearly by helps of defined indicators. xx The results were obtained according to defined indicators after all input and output were collected based on defined system boundaries, the developed model was run. Total CED results of baseline scenario is 23,718,772 MJ/75years. Contribution from stages based on percentage is 5% from product stage, 94% from use stage and 1% from end of life stage. Total GWP results of baseline scenario is 2,216,050 kgCO 2 eq./75years. Contribution from stages based on percentage is 5% from product stage, 83% from use stage and 12% from end of life stage. After baseline scenario results were obtained, retrofitted scenario results were also gotten. Overall CED of retrofitted scenario is 14,036,986 MJ/75years; besides, contribution from use stage is 82%, from product stage is 18% and from end of life stage is less than 1% for CED indicators. Overall GWP of retrofitted scenario is 1,325,967 kgCO 2 eq./75years; besides, contribution from use stage is 66%, from end of life stage is 20% and from production stage is 14% for GWP indicators. After all results were obtained for both scenario, a comparison was made to show retrofitting strategies impact. Thus, CED of the buildings decreased 41% with helps of retrofitting during building life time. The reduce rate for GWP is 40% in retrofitted scenario. The results of the thesis show overall CED and GWP of the building; also, the results demonstrate all phases of the building from manufacturing materials that were used to disposing of all wastes from the buildings. Also, stages of building life time were analyzed individually to demonstrate their impact on total. As it mentioned before, the building was retrofitted during its usage time. These retrofitting strategies also were investigated in retrofitted scenario. Thus, the importance and impact of retrofitting was demonstrated in the thesis. Based on the results, these kind of strategies can be used to reach energy efficient and more environmentally districts or cities.

Enerji eldesi, artan enerji ihtiyacı ve geleneksel enerji kaynaklarının giderek azalması nedeni ile ülkeler için büyük bir sorun haline gelmiş durumdadır. Enerji genel olarak sanayide, ulaşımda ve binalarda kullanılmaktadır. Binalardaki kullanılan enerji toplam birincil enerji harcamasının %25-30’una denk gelmektedir ve Türkiye’de son yıllarda bina sektöründe büyük ölçekli yatırımlar yapmaktadır. Buna bağlı olarak, binalarda enerji yönetimi konusunda gerekli tedbirlerin alınması için yeni yapılan binaların enerji verimli inşa edilmesine yönelik yönetmelikler tanımlanırken var olan binaların enerji performansı da yapılan yenileme çalışmaları ile iyileştirilmektedir. Tezde yürütülen çalışmanın amacı, vaka çalışması olarak seçilen bir yerleşkedeki binaların fiziksel koşullarının yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD) yöntemi ile analiz edilmesidir. Binalar yaşam süresi boyunca birincil enerji tüketimi ve çevresel etkileri açısından beşikten mezara yaklaşımı ile ele alınmıştır. İncelenen yerleşke Manisa’nın Soma ilçesinde bulunmakta ve binalar Soma’da bulunan termik santralin lojmanları olarak kullanılmaktadır. Yerleşkede 79 adet bina bulunmaktadır ve bu binaların yapısal özellikleri ve enerji performansları birbirlerine benzerlik göstermektedir. Bu nedenle tüm yerleşkenin etkisini ortaya koymak için bir bina referans olarak seçilmiş ve incelenmiştir. İncelenen binalar 1980’li yılların sonuna doğru inşa edilmiş, 2015 yılında enerji verimliliği açısından iyileştirme çalışmaları yapılmasına karar verilmiştir. İyileştirme çalışmalarının temel amacı binanın enerji performansı iyileştirmek ve metre kare başına düşen enerji tüketimini azaltmaktır. Bunun yanında yapılan iyileştirmeler ile bina kullanımı kaynaklı karbondioksit salınımı azalımı ve yenilenebilir enerji kaynaklarının toplam kullanımdaki yüzdesinin arttırılması hedeflenmiştir. Buna göre, enerji performansının iyileştirilmesi için yapılan uygulamalar aşağıdaki gibidir. - Cam ve çerçeve değişimi - Dış cepheye izolasyon uygulaması - Sıcak su için güneş enerjisi panelleri kullanımı - Radiant ısıtma uygulaması - LED uygulaması - Merkezi ısıtma kaynağı olarak atık ısı kullanımı Yapılan uygulamalar ile bina dış kabuğunun ısıl geçirgenlik değerlerinin düşürülmesi hedeflenmiştir. Temel senaryoda pencerelerde tek cam kullanılırken iyileştirilmiş senaryoda çift cam uygulaması yapılmıştır. Ayrıca pencere çerçevesinin malzemesi ahşapken Poli Vinil Clorür (PVC)’e değiştirilmiştir. Dış cepe izolasyonu için binaların dış duvarlarına Expanded Polystyrene Foam (EPS) malzemesi uygulanırken, çatı ve zemin için taş yünü malzemesi uygulaması yapılmıştır. Güneş enerjisinden yararlanabilmek için çatılara ısıl güneş enerji sistemleri ve bileşenleri entegre edilmiştir. Isıl güneş enerji sistemi sıcak kullanım suyu temini için uygulanmıştır. Yeni xxii ısıtma sistemi için radiant ısıtma sistemi uygulaması yapılmıştır. Aydınlatma için standart ampuller LED ile değiştirilmiştir. Son olarak ise merkezi ısıtma sisteminin enerji kaynağı değiştirilmiştir. Temel senaryoda var olan merkezi ısıtma sistemi enerji kaynağı olarak linyit kullanırken bu kaynak iyileştirilmiş senaryoda atık ısı olarak belirlenmiştir. Atık ısı yerleşkeye yakın konumda bulunan termik santralden elde edilmektedir. Bunun için yerleşke ile termik santral arasında yeni bir merkezi ısıtma boru hattı döşenmiştir. Tezin yöntemi oluşturulurken iki standarttan yararlanılmıştır. Bunlar ISO 14040 ve EN 15978’dir. ISO 14040, Uluslararası Standard Organizasyonu tarafından 2006 yılında YDD yöntemini tanımlamak için yayımlanmıştır. Ancak, bu standart genel olarak yöntem açıklaması yaparken daha çok ürün temelli açıklamalarda bulunmuştur. Bu yüzden 2011 yılında British Standard Institute tarafından EN 15978 yayımlanmıştır. EN 15978, ISO 14040 yöntemini temel alarak YDD yöntemini binalar özelinde tekrardan ele almış ve bir hesaplama yöntemi tanımlamıştır. Bu yüzden iki yöntem de bir arada kullanılarak tezin yöntemi belirlenmiştir. EN 15978 standardına göre bina yaşam döngüsü üç aşamaya bölünmüştür. Bunlar ürün, kullanım ve yaşam sonu aşamalarıdır. Buna göre ürün aşamasında binada kullanılan tüm malzemelerin ve kullanılan enerjisinin ham madde eldesi, ham madde taşıması, üretimi ayrıca ana malzemelerin taşınması ve bina yapım adımları ele alınmıştır. Kullanım aşamasında binada kullanılan operasyonel enerji miktarı ve binadaki malzemelerin standart bakım ve değişim süreçleri ele alınmıştır. Son aşama olan yaşam sonu aşamasında ise binada kullanılan malzemeleri ve bina yıkıldıktan sonra oluşan yıkıntı atıklarının taşınması, işlenmesi ve bertaraf edilmesi süreçleri ele alınmıştır. Bu şekilde ilk başta belirtildiği gibi bina beşikten mezara yani malzemelerinin üretim aşamasında yıkıntı atıklarının işlenip bertaraf edilmesine kadar bir bütün olarak incelenmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Binaların envanter analizi oluşturulurken, kullanılan malzeme miktarları hesaplamak için daha önceden geliştirilmiş olan binaların yapı bilgi modellemesi (BIM) modelleri ve enerji harcamalarını hesaplamak için de yine daha önceden geliştirilmiş olan enerji performansı modelleri kullanılmıştır. Sonuçların eldesi için iki farklı gösterge seçilmiştir. Bunlardan biri kümülatif enerji ihtiyacı (KEI) ve diğeri de küresel ısınma potansiyelidir (KIP). Bu iki gösterge iyileştirme çalışmalarının amaçları doğrultusunda seçilmiştir. Buna göre, kümülatif enerji ihtiyacı binada kullanılan toplam birincil enerji ihtiyacını verirken, küresel ısınma potansiyeli binadan salınan sera gazı miktarını karbondioksit eşdeğerinde vermektedir. Bina yaşam döngüsü karmaşık bir süreçtir ve yaşam süresi boyunca birçok malzeme ve süreç girdi olarak sisteme dahil olur. Bu karmaşıklığı önlemek için çalışmada bazı kabuller yapılmıştır. Yapılan kabuller aşağıdaki gibidir: - Kullanılan malzemeler farklı üreticilerden temin edilmiştir. Üretici firmaların konum bilgileri veri eksikliğinden dolayı elde edilememiştir. Bu sebepten dolayı malzemelerin hepsinin İzmir taşındığı kabulü yapılmıştır. - Binaların yapım aşamasında harcanan enerji ihtiyacı veri eksikliğinden dolayı elde edilememiştir. Bu yüzden yapım aşamasında sadece oluşan inşaat atıkları dikkate alınmıştır. - Bina yıkımı sırasında harcanan enerji miktarı literatür bilgilerinden yararlanılarak elde edilmiştir. Binanın yaşam döngüsü değerlendirmesi yapılırken iki farklı senaryo tanımlanmıştır. Bunlar sırası ile temel senaryo ve iyileştirilmiş senaryo olarak adlandırılmıştır. Temel senaryoda bina 1990 yılında inşa edildiği hali ile 2065 yılına kadar yani 75 yıl süre ile xxiii incelenmiştir. Bu süreçte sadece yapılması zorunlu olan cam değişimi, dış boya gibi temel bakım ve onarım faaliyetleri sistem sınırları içerisine dahil edilmiştir. Bunların dışında ilk yapım sürecinde kullanılan malzemelerin ham madde eldesinden başlanarak bina yaşam sonunda oluşan atıkların bertarafına kadar beşikten mezara yaklaşımı ile binanın 75 yıllık yaşam döngüsü ele alınmıştır. İyileştirilmiş senaryoda ise bina yaşamı ikiye bölünmüştür. Birinci bölüm binanın 1990 yılındaki ilk inşasından 2015 yılına kadar geçen süredir. 2015 yılından sonra ise bina iyileştirilmiş şekilde 2065 yılına kadar kullanılmaya devam etmiştir. Bu 50 yıllık süreç ise iyileştirilmiş senaryonun ikinci kısmını oluşturmaktadır. Buna göre, iyileştirilmiş senaryoda binada kullanılan ve sistem sınırlarına dahil edilen tüm malzemelerin yanında ayrıca iyileştirilme için kullanılan malzemeler, binanın kullanım aşaması ve bu süreçte yapılan tüm bakım ve onarım çalışmaları ve son olarak da bina yaşam sonunda oluşan atıklar incelenmiştir. Sonuçlar, tüm girdi ve çıktılar sistem sınırları çerçevesinde belirlendikten sonra geliştirilen modelin çalıştırılması ile tanımlanan göstergelere göre elde edilmiştir. Toplam KEI temel senaryoda 23.718.772 MJ/75yıl olarak elde edilmiştir. Bu harcamanın %5’i ürün aşamasından, %94’ü kullanım aşamasından ve %1’i de yaşam sonu aşamasından kaynaklanmaktadır. Toplam KIP ise 2.216.050 kgCO 2 eq./75yıl olarak hesaplanmıştır. Bu salınımın da %5’i ürün aşamasından gelirken, %83’ü kullanım aşamasından, %12’si ise yaşam sonu aşamasından kaynaklanmaktadır. Temel senaryo sonuçları elde edildikten sonra, iyileştirilmiş senaryo sonuçları da aynı şekilde elde edilmiştir. Toplam KEI iyileştirilmiş senaryodan 14.036.986 MJ/75yıl olarak elde edilmiştir. Bu harcamanın %17’si ürün aşamasından, %82’si kullanım aşamasından ve %1’de yaşam sonu aşamasından kaynaklanmaktadır. Toplam KIP ise 1.325.967 kgCO 2 eq./75yıl olarak hesaplanmıştır. Bu salınımın %14’i ürün aşamasından gelirken, %66’ü kullanım aşamasından, %20’si ise yaşam sonu aşamasından kaynaklanmaktadır. İki senaryo içinde tüm sonuçlar elde edildikten sonra, iyileştirme çalışmalarının etkisini göz önüne koymak için iki senaryonun sonuçları bir biri ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, binanın KEI’si iyileştirme çalışmaları sonucu %41 azalmışken, bu azalma oranı KIP için %40’dır. Ayrıca her bir malzeme ayrı ayrı analiz edilmiştir. Malzeme bazlı sonuçlara göre en çok enerji harcamasına sebep olan malzemelerin beton, tuğla olduğu görülmüştür. Bu durum malzeme bazlı karbondioksit salınımı için de aynı şekildedir. Ayrıca iyileştirilmiş senaryoda kullanılan LED ürününün de enerji harcaması ve karbondioksit salınımı miktarı diğer malzemelere oranla fazladır. Geri dönüştürülebilen malzemelerin geri dönüşüm süreçleri kaynaklı enerji geri kazanım ve karbondioksit azaltma potansiyeli bulunmaktadır. Bu potansiyel toplam enerji harcaması ve karbondioksit gazı salınımı ile kıyaslandığında düşük seviyede kalmaktadır. Ancak geri dönüşüm oranları arttırılırsa potansiyellerin artacağı öngörülmüştür. Tezde yapılan çalışma ile incelenen binaların KEI ve KIP sonuçları elde edilmiştir. Ayrıca sonuçlar malzeme üretiminden yaşam sonu süreçlerine kadar binanın tüm aşamalarını için ve malzeme bazlı olarak ayrı ayrı da elde edilmiştir. Daha önce belirtildiği gibi iyileştirme çalışmaları bina kullanım aşamasındayken uygulanmıştır ve iyileştirilmiş senaryoda iyileştirme çalışmaları etkisi de göz önüne koyulmuştur. Böylece iyileştirme çalışmalarının önemi bu tez yardımı ile gösterilmiştir. Sonuçlara göre bu tarz çalışmaların yapılmasının var olan binaların enerji ihtiyaçlarını ve salınan sera gazı miktarını büyük oranda azaltacağı görülmüştür. Belediyeler ve ya bina sahipleri benzeri politikalar geliştirerek var olan enerji ihtiyaçlarını düşürebilir ve enerji verimli ve çevreci yerleşkeler ve şehirler hedefine daha çok yaklaşabilirler.