Rola LCA (Life Cycle Assessment)

Rola LCA (Life Cycle Assessment) – oceny cyklu życia
w projektowaniu budynków ekologicznych
Maciej MICHAŁOWSKI
Koło Naukowe Budownictwo Ekologiczne
Politechnika Łódzka Wydział Budownictwa,
Architektury i Inżynierii Środowiska.
mgr inż. Dariusz HEIM
1. WPROWADZENIE
Szczyt Ziemi, który odbył się w 1992 roku w Rio de Janeiro zapoczątkował kolejny etap
w zakresie wartościowania jakości budynków. Zwiększyły się wymogi dotyczące stanu i ochrony
środowiska naturalnego. Pojawiły się przekonania o uwzględnieniu zasad zrównoważonego
rozwoju (developement durable, sustainable development). Spowodowało to powstanie nowego
spojrzenia na problem realizacji budynków i bardziej ścisłą kontrolę pomiędzy procesami:
produkcji materiałów, wznoszenia i użytkowania obiektów. Za najbardziej właściwe uznano
analizowanie procesu powstania budynku w ujęciu bilansowym, w odniesieniu do całego cyklu
życia (perspektywa `od narodzin do śmierci`).
2. METODY OCENY BUDYNKÓW
2.1 Ocena oddziaływania na środowisko–EIA (Environamatal Impact Assessment)
Ocenia się obciążenie środowiska związane z zużyciem energii i towarzyszącymi mu
emisjami zanieczyszczeń do atmosfery od momentu pozyskania surowca, poprzez jego wszystkie
etapy obróbki, przerobu i eksploatacji budynku, aż do chwili wyczerpania się wartości użytkowych
obiektu i składowania odpadów.
2.2 Ocena w pełnym cyklu istnienia- LCA (Life Cycle Assessment)
Wraz z rozwojem globalizacji światowej gospodarki bardzo istotne stały się czynniki
związane z ochroną środowiska. Rozwinęły się nowe gałęzie nauki, jedną z nich jest Ekologiczna
Ocena Cyklu Życia (LCA – Life Cycle Assessment). Stwarza ona podstawy do identyfikacji,
hierarchizacji oraz ustalenia sposobów poprawy jakości środowiska. Oszacowanie cyklu życia jest
techniką badającą aspekty środowiskowe i wpływ w całym okresie życia produktu, którego
zagrożenie wynika z niewłaściwego zarządzania procesami produkcji, budowy i eksploatacji
obiektów budowlanych. LCA bierze pod uwagę wszystkie ekosystemy i ich elementy, dzięki
czemu możliwa jest pełna ocena wpływu produktu na środowisko, a także zużycie poszczególnych
zasobów środowiskowych. Analiza prowadzona jest od momentu pozyskania surowca, poprzez
etap produkcji i użytkowania, aż do likwidacji. Dzięki takiemu podejściu żaden etap istnienia
wyrobu nie zostaje pominięty, co umożliwia dokonanie pełnych analiz zagrożeń jakie dla
środowiska może stanowić produkcja budowlana.
Technika LCA została uwzględniona w oficjalnych dokumentach rządowych np. Dyrektywa
parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 grudnia 1994r., w sprawie opakowań nowych i zużytych
( 94/62/we ) w artykule 10 stwierdza: Komisja będzie popierać w szczególności opracowania
norm europejskich dotyczących, m.in. kryteriów analizy cyklu życia opakowań. Również
obowiązująca w Polsce Ustawa Prawo ochrony środowiska z dnia 27 kwietnia 2001 r. w artykule
143 (Dz. Ustaw nr 62 z dnia 20 czerwca 2001)informuje, iż technologia stosowana w nowo
uruchamianych lub zmienianych w sposób istotny urządzeniach powinna spełniać wymagania, przy
których określaniu uwzględniać się będzie m.in. technikę LCA.
Badania techniką LCA prowadzone są w 4 etapach:

określenie celu i zakresu,

analiza zbioru,

ocena wpływu,

interpretacja.
które są przedmiotem czterech norm międzynarodowych:

ISO 14040:1997,

ISO 14041:1998,

ISO 14042:2000,

ISO 14043:2000.
Wszystkie te normy zostały przyjęte przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) jako normy
europejskie i są wprowadzane przez Polski Komitet Normalizacyjny do Polskich Norm. I tak:
Norma PN-EN ISO 14040:2000 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - zasady i
struktura - omawia podstawowe zasady i strukturę LCA bez szczegółowego opisu metody;
PrPN-EN ISO 14041 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Określenie celu
i zakresu oraz analiza zbioru (przygotowany projekt Polskiej Normy do ustanowienia przez PKN)
- prezentuje dwa pierwsze etapy LCA. Pierwszy to określenie celu oraz zakresu badań; drugi LCI najmniej kontrowersyjny - analiza zbioru wejść (materiały i energia) i wyjść (materiały i odpady)
w cyklu życia, czyli tzw. bilans materiałowy, którego celem jest uporządkowanie informacji o
większości
oddziaływań
środowiskowych
przedsiębiorstwa
związanych
z
procesami
produkcyjnymi, a w przypadku LCA również poza produkcyjnymi;
PrPN-EN ISO 14042 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Ocena wpływu cyklu życia
(projekt Polskiej Normy na etapie ankiety - adresowanej i powszechnej) - opisuje fazę Oceny
Wpływu na Środowisko LCIA, w której sporządza się między innymi katalog odpadów oraz
przyporządkowuje się dane poprzedniego etapu konkretnym oddziaływaniom środowiskowym
oraz przeprowadza się ich hierarchizację;
PrPN-EN ISO 14043 Zarządzanie środowiskowe - Ocena cyklu życia - Interpretacja
cyklu życia (projekt Polskiej Normy na etapie ankiety - adresowanej i powszechnej) -jest to ostatni
etap badań, w którym formułuje się ostateczne wnioski z przeprowadzonej analizy zgodnie z
wytyczonym na pierwszym etapie celem. Można zatem wskazać te elementy danego wyrobu,
procesu czy usługi, w przypadku których zagrożenia środowiskowe są największe. Na tej
podstawie ustala się sposoby minimalizowania wpływu na środowisko, na przykład poprzez
zmianę technologii w tej fazie życia wyrobu czy procesu, który jest najbardziej uciążliwy dla
środowiska.
Technika LCA będzie istotna zarówno dla dużych podmiotów gospodarczych (zmniejszenie
kosztów produkcji, opłat za korzystanie ze środowiska, lepszą pozycje na rynkach
międzynarodowych), jak i małych przedsiębiorstw, które są dostawcami poszczególnych
surowców i materiałów. Uwzględniony jest cały cykl życia produktu, a zatem znany jest wpływ na
środowisko, jaki wywierają poszczególne surowce lub podzespoły.
Metody oceny w pełnym cyklu istnienia LCA to:

ECO QUANTUM ( Holandia )

ECO-PRO ( Niemcy )

EQUER ( Francja )

ATHENA ( Kanada )

BRE Profile ( Wielka Brytania )
3. OPIS PROGRAMU ATHENA
Environmental Estimator Impact ATHENA jest to środowiskowe narzędzie szacowania oparte na
cyklu życia, które pozwala modelować budynek jako całość. Pozwala ono projektantom budowli,
producentom produktu i badaczom dokonać porównania względnych środowiskowych skutków i
ustępstw między alternatywnymi rozwiązaniami projektowymi a użytkowaniem przez określony
czas życia budynku.
Program posiada następujące możliwości:
 możliwość modelowania kompletnej struktury budynku (okładziny, izolacje, ściany, pokrycia
dachowe i systemy okienne – przez 900 możliwych kombinacji);
 możliwość modelowania etapu eksploatacji i skutków cyklu życia na bazie typu zabudowy,
miejsca i sposobu życia użytkownika w budynku;
 kalkulacja, by przemienić energię rzeczywistą na energię pierwotną i emisje zanieczyszczeń do
atmosfery, umożliwia to użytkownikowi porównanie wpływu energii traconej na środowiskowe
skutki życie budynku;
 "koniec - życia" moduł, który symuluje energię potrzebną do zniszczenia i utylizację materiałów
budynku;
 tworzenie sensownych udogodnień w miejscu działań użytkowników;
 możliwość modelowania zarówno kanadyjskich jak i amerykańskich lokalizacji.
Rezultaty Ateny są dostępne w różnych etapach i poziomach tworzenia obiektów budowlanych,
aby zaspokoić potrzeby różnych typów użytkowników. Badacz potrzebujący szczegółowych
informacji może określić wszystkie skutki wpływające na środowisko i sam obiekt, wynikające z
wykorzystania określonych form energii lub substancji odpadowych, do oceny cyklu życia i typu
konstrukcji. Architekt może tylko być zainteresowany tabelaryczną albo graficzną prezentacją
wyników lub charakterystyką konstrukcji budynku. Model ten pozwala też użytkownikowi zrobić
bezpośrednie porównania między alternatywnymi projektami, na podstawie części lub całości
projektów, gdzie jednym z projektów jest projekt bazowy.
Program zawiera bazę danych ( LCI ) kluczowych produktów do budowy w regionach północnej
Ameryki. Baza uwzględnia 90-95 % materiałów i systemów budowlanych związanych z
budownictwem mieszkaniowym i systemami prefabrykowanymi przydatnymi do typowych
handlowych, usługowych, lekkich przemysłowych i mieszkaniowych budynków.
Te bazy danych zawierają różny rodzaje drewna, stali, konkretnych produktów, jak również
okładziny i ich systemy, izolacje, pokrycia dachowe i ich systemy, odpowiednie wykończenie
materiałów oraz wyroby szklane i opcje ich oprawienia w ramy okienne, które stanowią
zewnętrzna powłokę budynku.
Pierwsza baza LCI, na podstawie wieloletnich badań, została przedstawiona w 1997 roku i jest
nieustannie uaktualniana. W celu ulepszenia wyników i LCI systemu, rozwinięta została baza
danych dla zużycia energii i emisji dla konstrukcji w określonym miejscu, jej utrzymania i
zamiany, oraz skutków transportu dla jego struktury i materiałów. Pozwala to analizować budynki
ze względu na usytuowanie i położenie geograficzne oraz możliwość zburzenia i skutki recyklingu
produktu końcowego dla poszczególnych materiałów.
4. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY
W pracy przedstawiono przykładowe wyniki analiz uzyskanych z programu Athena dla budynku o
szkieletowej konstrukcji stalowej. Budynek ma powierzchnię 405 m2, łączna długość ścian
konstrukcyjnych wynosi 172,8 m, a wysokość 3,4 m, ściany wewnętrzne mają długość 42 m.
Zapotrzebowania na energię zostały przedstawione w formie tabelarycznej (tabela 1 i 2) i
graficznej (rys. 1). Zapotrzebowanie na energię przedstawione przez różne typy paliwa dla każdej
części cyklu życia oraz rocznego zapotrzebowania na energię do eksploatacji.
Główne założenia:
Produkcja:
zawiera wydobycie surowca, transport surowca i produkcję określonych
materiałów, produktów lub komponentów budynku;
Konstrukcja:
zawiera produkt / komponent, transport z punktu produkcji na plac budowy
i działalności na konstrukcji w miejscu jej wznoszenia;
Operacje:
zawiera utrzymanie cyklu życia i działalności, zamiany komponentów koperty na
założony typ zabudowy, miejsce i życie użytkowników, jak również roczne
zapotrzebowanie na energię do eksploatacji;
Budynek „End - Life”:
symuluje energię zburzenia i końcowe usposobienie materiałów
wcielonych do budynku na końcu jego życia.
Nośniki energii - paliwa
Elektryczność: zużycie netto energii elektrycznej, czyli ilość elektryczności (kWh) jaka została
wygenerowana.
Hydro: Hydrauliczna energia użyta w produkcji elektryczności – nie jest włączony do
najważniejszej sumy paliwa.
LPG: Gaz płynny propan
Diesel: Olej napędowy
Gaz ziemny: Gaz ziemny
Las: Elementy odpadowe produkcji drzewnej i produkty uboczne
Węgiel: Węgiel
Olej paliwa ciężkiego: wszystkie oleje grzewcze
Zużycie surowca ( tabela 1 i 2 oraz rys. 2). Każdy etap cyklu życia jest przyporządkowany do
wkładów zużycia surowca, transportu i rocznej energii eksploatacji.
Tabela 1. Wyliczone wartości dla poszczególnych okresów cyklu życia
Wydobycie
Produkcja
Konstrukcja
Całość
Zapotrzebowanie
na energię
Odpady stałe
[MJ]
269624,55
3290268,83
42224,12
3602117,50
[kg]
0,00
55562,40
11794,44
67536,84
Zanieczysz Zanieczysz Zanieczyszczenia
czenie
czenie
wpływające na
powietrza
wody
efekt cieplarniany
[kg]
8302,92
0,00
94467,08
41070,05
16128,58
503005,64
753,61
0,00
11017,56
50126,58
16128,58
608490,28
Zużycie
surowca
[kg]
954929,24
0,00
0,00
954929,24
Tabela 2. Wyliczone wartości dla poszczególnych elementów budynku
Fundamenty
Ściany
Belki i
kolumny
Podłogi i dach
Całość
Zapotrzebowanie
na energię
Odpady stałe
[MJ]
170695,74
139578,93
2464101,61
[kg]
9616,33
6048,40
29141,89
827741,26
3602117,50
22730,31
67536,93
Zanieczysz Zanieczysz Zanieczyszczenia
czenie
czenie
wpływające na
powietrza
wody
efekt cieplarniany
[kg]
2206,01
143,07
52345,48
245,83
416,15
35196,09
30856,03
13981,15
339820,47
14827,04
50126,58
1588,36
16128,58
Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię
Rys.2. Zużycie surowca
181128,24
608490,28
Zużycie
surowca
[kg]
237987,21
108553,95
272447,07
335941,02
954929,24
Rys.3. Zużycie energii , pokazane dla poszczególnych paliw
Uwzględnione grupy:
Materiał: zawiera wszystkie skutki produkcji materiału bądź jego zużycia.
Transport: zawiera wszystkie skutki związane z transportem materiałów.
Roczny zużycie energii: zawiera wszystkie skutki łączone z roczną energią eksploatacji w
wyszczególnionym przez użytkownika modelu.
Miary zanieczyszczenia powietrza i wody spełniają proste zadanie przedstawienia zanieczyszczeń i
wpływu substancji emitowanych podczas różnych etapów cyklu życia na ludzkie zdrowie . W tym
przypadku użyta została powszechnie zaakceptowana metoda wielkości krytycznej mająca na celu
ocenę wielkości otaczającego powietrza lub wody, które będzie wymagane do rozpuszczenia
zanieczyszczeń do akceptowalnych poziomów - gdzie akceptowalność jest zdefiniowana poprzez
najsurowsze standardy (na przykład: standard wody pitnej).
Rys.4. Wykres toksyczności powietrza
Wykres toksyczności powietrza (Rys. 4) pokazuje poszczególne związki powodujące
zanieczyszczenia. Kolorami zaznaczona jest emisja dla poszczególnych etapów cyklu życia. Jak
widać na powyższym wykresie największy wpływ ma dwutlenek węgla (CO2), co zostało
pokazane na osobnym wykresie i porównane z całkowitym zanieczyszczeniem.
Rys.5.Wykres zanieczyszczeń wody
Na wykresie zanieczyszczenia wody (Rys.5) każdy etap cyklu życia pokazany jest za pomocą
innego koloru. Jak widać największe zanieczyszczenie występuje podczas produkcji.
5. PODSUMOWANIE
Jak widać program ma ogromne możliwości. Z danych uzyskanych z Atheny może korzystać wiele
osób: badacze, inżynierowie, konstruktorzy i zwykli użytkownicy. Pogram ten ma jedną zasadniczą
wadę jest przeznaczony do warunków kanadyjskich i amerykańskich. Nie wiadomo czy będzie
dobrze ”współpracować” z materiałami i systemami budownictwa stosowanego w Europie i w
Polsce. Celem niniejszej pracy jest sprawdzenie programu dla polskich warunków i ewentualne
uzupełnienie istniejącej bazy danych. Jego szerokie zastosowanie na pewno będzie bardzo
pomocne na etapie planowania i projektowania nowych inwestycji w naszym kraju.
6. LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Athena help-user manual ATHENA™'s Environmental Impact Estimator2.0
Trusty W., Meil J., AthenaTM sustainable materials institute RESEARCH GUIDELINES,
January 1997
Kulczycka J., red. LCA nową techniką zarządzania środowiskowego Wydawnictwo
IGSMiE Pan Kraków 2001 ( www.min-pan.krakow.pl/pbs)
Jędrzejewska-Ścibak T., Zadania budownictwa na tle strategii zrównoważonego rozwoju,
Materiały Konferencyjne XLVII Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica
2001.
Panek A., Jędrzejowska-Ścibak T., Ewolucja kryteriów wartościowania jakości obiektów
budowlanych, s. 548-557, Mat. IX Konferencji Naukowo - Technicznej Fizyka Budowli w
Teorii i Praktyce, Łódź 2003.