Dekarbonizacja budynków. Wszystko zaczyna się od projektu

Jak wynika z dokumentu przygotowanego przez Polski Związek Budownictwa Ekologicznego „Zerowy ślad węglowy budynków: mapa drogowa dekarbonizacji budownictwa do roku 2050″, sektor budowlany w Polsce odpowiada za 38% emisji dwutlenku węgla¹. Patrząc w kontekście wszystkich gazów cieplarnianych jest to 22% w skali świata². Na branży spoczywa zatem ogromna odpowiedzialność, aby projektować inwestycje w duchu zrównoważonego rozwoju. Jakimi środkami projektanci mogą zmniejszać ślad węglowy budynku? Jakie standardy istnieją w Polsce?

Stężenie gazów cieplarnianych rośnie

Koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze jest obecnie najwyższa w dotychczasowej historii. Jak wskazują dane IMGW, średni poziom CO₂ w 2021 roku wynosił 414,7 ppm³. W ciągu zaledwie dekady wartość ta rosła o ponad 2 ppm każdego roku. To najszybsze stałe tempo wzrostu, jakie naukowcy obserwują od przeszło 60 lat⁴.

Skąd bierze się emisja gazów cieplarnianych?

Wśród źródeł emisji wyróżnia się te naturalne – jak na przykład aktywność wulkanów, aktywność słoneczna, czy położenie Ziemi na orbicie oraz antropogeniczne – do których należą gazy cieplarniane, ozon, aerozole, a także sposób gospodarowania terenem, czyli na przykład wycinki lasów.

Dwutlenek węgla, metan, freony i inne gazy cieplarniane zatrzymują w atmosferze energię cieplną odbitą od powierzchni ziemi i powodują lokalne podnoszenie temperatur. Co ciekawe, efekt ten nie jest równomierny na całej kuli ziemskiej. Najbardziej zauważalny jest na kontynentach, gdzie teren akumuluje ciepło i powoli emitując je jeszcze bardziej podgrzewa powietrze. Symulacje pokazują, że przy wzroście średniej temperatury o 1,5°C, największy wpływ będzie to miało na rejon Arktyki, gdzie temperatury mogą podnieść się nawet o 4-5°C.⁵

Prawne rozwiązania na kryzys klimatyczny

Jeśli średnie temperatury będą nadal rosły, zmiany klimatyczne będą wręcz pewne. Modele matematyczne wskazują, że prawdopodobieństwo występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych będzie coraz większe i możemy się spodziewać coraz częstszego pojawiania się susz, fal upałów, gwałtownych opadów i powodzi.

Aby spowolnić tempo zmian, powstało wiele inicjatyw – najważniejszą z nich było Porozumienie Paryskie, zawiązane w 2015 roku. W ramach tej inicjatywy, aż 195 krajów, w tym kraje Unii Europejskiej, postanowiło ograniczyć wzrost średnich temperatur, tak aby nie przekroczył on 2 °C, zredukować emisje netto do zera do 2050 roku oraz zwiększyć odporność krajów na zmiany klimatu. To dotychczas największe porozumienie podpisane między krajami i to z niego wynikają wytyczne Unii Europejskiej, takie jak Fit for 55 czy Zielona Taksonomia.

Emisja gazów cieplarnianych w cyklu życia budynku

Światowa roczna emisja gazów cieplarnianych ze wszystkich sektorów gospodarki wynosi 55,79 gigaton ekwiwalentu dwutlenku węgla (GtCO₂e)⁶. Z tego sektor budownictwa odpowiada za 6,8% emisji. Wydaje się, że to niewiele. Należy jednak pamiętać, że w sektorze budownictwa raportowane są jedynie bezpośrednie emisje budynków, czyli spalanie paliw w budynkach. Natomiast emisje związane z wyprodukowaniem prądu potrzebnego do oświetlenia, czy zasilania urządzeń są raportowane w sektorze energetycznym, a emisje z materiałów, np. cementu czy stali – w przemyśle.⁷

Jak w takim razie kształtują się emisje z budownictwa, uwzględniając cały cykl życia budynków? Wytworzenie materiałów, budowa, proces projektowy oraz pełen okres użytkowania inwestycji odpowiada za 12,5 GtCO₂e, czyli 22% światowych emisji gazów cieplarnianych. Co ciekawe, sam proces budowy nie jest aż tak obciążający w porównaniu do okresu użytkowania budynku, czy wytworzenia materiałów.⁸

Ślad węglowy wbudowany

Architekci powinni zwrócić uwagę na dwa etapy – produkcję materiałów budowlanych i powiązany z tym ślad węglowy wbudowany oraz okres użytkowania budynku, w którym liczony jest ślad węglowy operacyjny, powiązany ze zużyciem energii. Ważne są też okresowe naprawy i remonty, w których wzrasta znacząco ślad węglowy wbudowany. Wniosek jest taki, że najlepiej projektować budynki na jak najdłuższy okres życia, najlepiej ponad 50 lat, z użyciem materiałów i systemów, które nie będą wymagały częstych wymian i remontów. Jest to być może dobra sposobność na powrót do szlachetnych materiałów, które są wytrzymałe i dobrze się starzeją.

Już na etapie dobierania materiałów budowlanych należy wybierać te z najmniejszym śladem węglowym wbudowanym. Wartość ta jest uzależniona od procesu wydobycia i wytworzenia surowców, transportu oraz procesu produkcji wyrobu. Warto też zwrócić uwagę na ilość energii potrzebnej do wyprodukowania danego materiału. Energia wbudowana (MJ/kg) niekoniecznie musi być wartością proporcjonalną do śladu węglowego (kgCO₂/kg) danego materiału ze względu na emisyjność źródła energii.

Oto kilka przykładów na podstawie brytyjskiej bazy danych ICE⁹:

Im mniej przetworzone materiały, tym ten ślad węglowy oraz energia wbudowana są mniejsze. Kluczowe jest, aby jak najwięcej materiałów było pochodzenia lokalnego, bez konieczności sprowadzania ich zza zagranicy. W Polsce trwają obecnie prace nad przygotowaniem baz danych śladu węglowego materiałów budowlanych, tak aby odzwierciedlały nasze lokalne technologie produkcji.

Analizując tabelę śladu węglowego materiałów, trzeba koniecznie brać pod uwagę ilości danego materiału zużywane na budowie. Beton ma pozornie niski ślad węglowy w przeliczeniu na kilogram, jednak uwzględniając jego masę w budynku i to, że dozbrajany jest stalą, powoduje, że konstrukcja budynku generuje ogromne ilości emisji dwutlenku węgla.

Jaka jest w takim razie skala takiego śladu węglowego w budynku? Można to zobrazować na takim przykładzie: przyjmijmy, że w budynku jednorodzinnym znajduje się średnio 50 m³ betonu, co przekłada się na emisję 12,5 tony CO₂. Równowartość takiej ilości dwutlenku węgla wemitowałby samochód, który pali 10 litrów na 100 kilometrów po przejechaniu ok. 50 tysięcy kilometrów. Skala jest zatem ogromna.

Jak minimalizować ślad węglowy wbudowany?

Sposobów jest wiele – to między innymi optymalizacja konstrukcji przez zmniejszenie objętości materiału, zmiana technologii produkcji i przez to ograniczenie emisji u producenta bądź też zmiana samego materiału konstrukcyjnego, na przykład na konstrukcję z drewna klejonego. Stosowanie technologii cross-laminated timber wydaje się być dobrym sposobem na redukcję emisji, ponieważ zastępuje ona konstrukcję żelbetową i jest o 20% lżejsza od cementu, który musiałby być użyty do analogicznych obciążeń.

Drewno jest znakomitym materiałem, ponieważ ma ono ujemny ślad węglowy – ilość węgla, jaką drzewo akumuluje przez całe swoje życie zdecydowanie przewyższa emisje CO₂ w trakcie przetwarzania go na materiał konstrukcyjny. Aby to zrozumieć, warto przyjrzeć się danym liczbowym: w tonie drewna znajduje się ok. 50-60% suchej masy, czyli węgla. Z kolei utlenienie tony węgla daje 3,67 ton CO₂. Oznacza to, że w tonie drewna zmagazynowane jest ok. 1,8 tony CO₂. Natomiast przetworzenie drewna na materiał budowlany wiąże się z emisjami rzędu 0,71 tCO₂/t¹⁰, z czego 0,30 tCO₂/t to są emisje z paliw kopalnych (fos), a 0,41 tCO₂/t emisje z biomasy (bio), które są neutralne emisyjnie. Podsumowując – przetworzenie drewna emituje 0,30 tCO₂/t, ale dostajemy produkt, który pochłonął 1,8 tCO₂/t. Należy jednak pamiętać, że ujemny ślad węglowy pozostaje tylko do momentu, dopóki tego drewna nie spalimy.

Ślad węglowy operacyjny

Śladem węglowym operacyjnym nazywamy emisje związane z użytkowaniem budynku – ogrzewaniem i chłodzeniem, gotowaniem, zużyciem energii elektrycznej na oświetlenie, czy zasilenie sprzętów domowych. Aby zminimalizować ślad węglowy operacyjny, należy myśleć dwutorowo: o strukturze produkcji dostarczanej energii elektrycznej oraz o jak największym ograniczeniu zużycia energii przez budynki.

Jeśli chodzi o ograniczenie emisji z produkcji energii elektrycznej, jest to zadanie na dużo wyższym szczeblu. Choć architekci mogą minimalizować zużycie energii, to do rządu, czy samorządu należy wprowadzanie rozwiązań na większą skalę, np. wymuszanie zmiany miksu energetycznego lokalnej sieci energetycznej i ciepłowniczej. Im więcej odnawialnych źródeł energii, tym lepiej. W Polsce w 2022 roku OZE stanowiło 21% miksu energetycznego.

Dobre standardy wyznacza w tym obszarze Wałbrzych. W ramach dążenia do redukcji emisji CO₂ i neutralnego klimatycznie środowiska do 2050 roku, Wałbrzych podjął współpracę z Europejskim Bankiem Odbudowy i Rozwoju na rzecz poprawy efektywności energetycznej w sektorze budowlanym i opracowania planu działania dla zrównoważnego finansowania. Wałbrzych to miasto górnicze, w którym obecnie żyje ok. 112 tys. mieszkańców. Kredyty inwestycyjne udzielone przez EBOiR pozwoliły na planowanie i realizację projektów:

– głębokiej termomodernizacji 52 budynków mieszkalnych będących własnością komunalną, zamieszkanych przez około 1 100 osób, o powierzchni użytkowej 30 000 m²,

– zmiany nośników energii z węgla na gaz i energię elektryczną (w postaci pomp ciepła), co przyniesie oszczędności energii powyżej 60%, a także wynikające z tego oszczędności emisji CO₂, szacowane na min. 80%,

– wykorzystania zaawansowanych technologii służących poprawie efektywności energetycznej i wodnej na najwyższym, światowym poziomie oraz integracji energii odnawialnej (fotowoltaika), co znacznie poprawi efektywność energetyczną miasta. ¹¹

Przedsięwzięcie jest zarazem bodźcem dla dalszych inwestycji sektora prywatnego w zrównoważony rozwój. W ślady Wałbrzycha powinny iść zatem kolejne miasta w Polsce.

Praktyczne porady dla projektantów

Choć w zakresie redukcji emisji wiele leży po stronie władz, to architekci mają z kolei wpływ na ilość zużywanej energii w trakcie użytkowania budynku. Warto stawiać na projekty budynków niskoenergetycznych, pasywnych, ponieważ ich głównym założeniem jest redukcja zapotrzebowania budynku na energię – niezależnie od źródła tej energii. To bardzo wzmacnia odporność energetyczną infrastruktury sieciowej, do której budynek jest podłączony, a to jest szczególnie ważne w silnie zurbanizowanych rejonach. Projekty w standardzie zero energetycznym powinny być przede wszystkim wdrażane w obiektach najbardziej energochłonnych – takich jak fabryki, czy inne budynki przemysłowe.

Zanim projektant zacznie dobierać zaawansowane systemy ogrzewania, chłodzenia, wentylacji czy automatykę wspomagającą, powinien skupić się na optymalizacji projektu. Jakimi prostymi sposobami można zredukować zapotrzebowanie na energię? To między innymi: orientacja bryły na działce, zaplanowanie elementów zacieniających (np. drzew) czy forma obiektu. Warto także stosować termiczne strefowanie pomieszczeń, polegające na lokalizowaniu pomieszczeń na planie budynku w zależności od ich potrzeb temperaturowych. Najcieplejsze pokoje najlepiej umieszczać wewnątrz bryły i tworzyć tzw. strefy buforowe wokół nich, np. ogrody zimowe. Obserwacja w praktyce pokazuje, że taki zabieg może przynieść znaczne oszczędności. Każdorazowo jednak konieczne są obliczenia uwzględniające specyfikę danego projektu.

Dobrze będzie także zwrócić uwagę na wielkość i ekspozycję okien oraz ich współczynniki przenikania. Duże okno z niskim współczynnikiem przenikania ciepła będzie generowało niewielkie straty ciepła zimą, jednak bez odpowiedniego zacienienia, latem pomieszczenie będzie się nadmiernie przegrzewać. Dlatego warto montować przesłony zewnętrzne, które mają możliwość sterowania – na przykład automatyczne żaluzje. Kluczowa jest też szczelność budynku oraz izolacja termiczna przegród zewnętrznych.

Dopiero kiedy mamy zminimalizowane zapotrzebowanie na energię pasywnymi metodami, można dobrać systemy instalacyjne budynku HVAC (ogrzewanie, chłodzenie, wentylacja). Przynosi to korzyści finansowe, ponieważ instalacja nie będzie przewymiarowana. Na tym etapie warto również uwzględnić wentylację z rekuperacją, ponieważ znacząco ogranicza straty energii.

Warto też pamiętać, że zmiana pojedynczych zmiennych lub parametrów energetycznych nie daje efektów tak satysfakcjonujących jak jednoczesna optymalizacja wszystkich parametrów na raz na etapie projektu koncepcyjnego.

Optymalizacja projektu koncepcyjnego

Istnieje wiele programów – narzędzi, które umożliwiają symulację i optymalizację różnych parametrów budynku, takich jak właściwości przegród i okien czy instalacja HVAC, ale też analizy pasywnych zysków cieplnych i ich wpływu na obniżenie zapotrzebowania budynku na energię do ogrzewania zimą i przegrzewanie latem. Optymalny projekt zaczynamy od kształtowania architektury i to na tym etapie architekci powinni zwrócić szczególną uwagę na to, jak wykorzystają naturalne uwarunkowania działki. Jak poradzą sobie z zyskami słonecznymi.

W prowadzeniu symulacji kluczowe jest, aby wiedzieć w jaki sposób są wykonywane obliczenia, według jakich norm. W ramach badań naukowych na Politechnice Wrocławskiej wykonywałam symulacje w programie Design Builder Energy Plus, który opiera się na standardzie ASHRAE 55 (ANSI/ASHRAE Standard 55-2010: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy) obowiązującym m.in. w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych oraz ma wbudowaną brytyjską bazę danych śladu węglowego. Wyniki symulacji Energy Plus są bardzo szczegółowe i bazują na dokładnych modelach termodynamicznych i różnią się od obliczeń wykonywanych na podstawie Polskich Norm.

Design Builder Software i De Montfort University Leicester (Wielka Brytania) zorganizowali kiedyś testy, żeby sprawdzić jak bardzo można zoptymalizować budynek, by miał on jak najniższy ślad węglowy (materiały + użytkowanie) oraz koszt (materiały), przy zachowaniu zadanych parametrów użytkowych¹². Zadaniem było przygotowanie wstępnej koncepcji budynku biurowego, zlokalizowanego pod Londynem, o powierzchni 3000 m². Wszyscy uczestnicy testów dostali te same wytyczne dotyczące budynku oraz te same zbiory materiałów i urządzeń, które mogli wykorzystać w swoim projekcie.

Udało mi się zoptymalizować wartości emisji rocznych do poziomu 136,2 tCO₂/rok z szacowanymi kosztami £2,294,216, a początkowy budynek referencyjny miał emisje wynoszące 297,5 tCO₂/rok. Osiągnęłam to głównie przez optymalizację formy i konstrukcji projektu oraz jego ustawienia na działce budowlanej. Kolejnym ważnym etapem był dobór materiałów, w tym też testowanie materiałów zmiennofazowych. Następnie określenie parametrów okien oraz dobranie odpowiednich lamp wewnątrz budynku. Bardzo ważnym etapem był dobór systemów HVAC i sposobu automatyzacji otwierania i zacieniania okien w zależności od natężenia promieniowania słonecznego czy temperatur zewnętrznych. Na koniec za pomocą wbudowanego narzędzia do optymalizacji, opierającego się na algorytmach genetycznych, dobrałam szczegółowo wszystkie parametry tak, aby wybrać najlepsze rozwiązanie z najmniejszymi emisjami i kosztem.

Zacząć już dziś

W Polsce niebawem wejdzie w życie obowiązek liczenia śladu węglowego budynków. Stoimy dziś przed zadaniem opracowania metodologii obliczeń i ewentualnego określenia wymaganych wartości. Pośrednim atutem redukcji emisji w sektorze budowlanym jest zmniejszenie zużycia energii pochodzącej ze źródeł nieodnawialnych i zarazem zwiększenie niezależności energetycznej. To dziś jedno z najważniejszych zadań kraju. Do walki o zeroemisyjność stają kolejne regiony, a Wrocław jest jednym z pięciu miast w Polsce zakwalifikowanych do misji UE „Neutralne klimatycznie i inteligentne miasta”. Branża architektów i urbanistów powinna zacząć działania już dziś.

Weronika Lechowska – ekspert ds. budownictwa niskoemisyjnego, architekt z SRDK Architekci Studio Śródka

1^ Badanie przeprowadzone przez Polskie Stowarzyszenie Budownictwa Ekologicznego (PLGBC) we współpracy z Europejskim Bankiem Odbudowy i Rozwoju (EBOR)

2^ Baza danych Climate Trace https://climatetrace.org/inventory

3^ https://obserwator.imgw.pl/poziom-stezenia-metanu-atmosferycznego-z-nowym-rekordem/

4^ NASA https://climate.nasa.gov/vital-signs/carbon-dioxide

5^ IPCC https://interactive-atlas.ipcc.ch

6^ Emisje gazów cieplarnianych podaje się jako ekwiwalent dwutlenku węgla – uwzględnia to wpływ wszystkich gazów cieplarnianych na środowisko, nie tylko dwutlenek węgla.

7^ Climate Trace https://climatetrace.org/inventory

8^ https://www.mckinsey.com/industries/engineering-construction-and-building-materials/our-insights/call-for-action-seizing-the-decarbonization-opportunity-in-construction#/

9^ Embodied Carbon. The Inventory of Carbon and Energy (ICE). G. Hammond, C. Jones, F. Lowrie, P. Tse. University od BATH. BSRIA. 2011

10^ Embodied Carbon. The Inventory of Carbon and Energy (ICE). G. Hammond, C. Jones, F. Lowrie, P. Tse. University od BATH. BSRIA. 2011

11^ Raport „Zerowy ślad węglowy budynków: mapa drogowa dekarbonizacji budownictwa do roku 2050″

12^ Optimisation of building’s construction costs and CO₂ emissions based on the computer model of a theoretical office building located near London. W. Lechowska. Architecture and Urban Planning. 2015