Η Ενσωματωμένη Ενέργεια σαν δείκτης αειφόρου ανάπτυξης στα κτίρια

Ο κατασκευαστικός τομέας είναι ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς παγκοσμίως. Ένας σημαντικός στόχος για τον κατασκευαστικό τομέα είναι η κατασκευή κτηρίων με ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθώς η κατανάλωση της ενέργειας είναι ένα από τα πιο σημαντικά θέματα κατά την διάρκεια της ζωής ενός κτιρίου, για αυτό τον λόγο τα κτήρια χαμηλής κατανάλωσης έχουν καταστεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας.
Στο πλαίσιο της αλόγιστης κατανάλωσης της ενέργειας, ο κτηριακός σχεδιασμός απαιτεί την σωστή χρήση και εξοικονόμηση της. Έτσι τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για το συγκεκριμένο θέμα σε μια προοπτική ζωής.
Το συγκεκριμένο άρθρο έχει ως στόχο να καταστήσει σαφή την έννοια της Ενσωματωμένης Ενέργειας και να αναγνωρίσει τον ρόλο της στην ανάλυση του κύκλου ζωής του κτηρίου, να εξετάσει την παρούσα κατάσταση σχετικά με τις ποιοτικές και ποσοτικές μεθόδους για την ανάλυση της, την σχέση της με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις (εκπομπές CO2, επαναχρησιμοποίηση και ανακύκλωση) και την σωστή επιλογή δομικών υλικών. Τέλος, θα γίνει η αξιολόγηση της αναγκαιότητας εφαρμογής συντελεστών Ενσωματωμένης Ενέργειας από το προκαταρκτικό στάδιο σχεδιασμού ενός κτηρίου.
Πρώτα απ’ όλα θα ήταν χρήσιμο να ορίσουμε τι είναι Ενσωματωμένη Ενέργεια (ΕΕ). Η ΕΕ ορίζεται ως η ολική ενέργεια που έχει καταναλωθεί για την κατασκευή ενός προϊόντος. Ανάλυση της ΕΕ είναι η λογιστική μέθοδος που αποσκοπεί να υπολογίσει το συνολικό ποσό της ενέργειας για ολόκληρο τον κύκλο ζωής του προϊόντος. Πρώτος την θεωρία της ΕΕ ανέφερε και ανέλυσε ο Wassilly Leontief το 1966.
Η συνολική ενέργεια κατά τη διάρκεια της ζωής ενός κτηρίου ισούται με την ενσωματωμένη ενέργεια συν την ενέργεια λειτουργίας (ανάγκη για φωτισμό, θέρμανση/ψύξη και τις υπόλοιπες συσκευές). Πιο συγκεκριμένα, η ενσωματωμένη ενέργεια ισούται με την ενέργεια που δαπανάται για την παραγωγή (συμπεριλαμβανομένων όλων των διαδικασιών από την εξόρυξη των πρώτων υλών μέχρι τη στιγμή που το υλικό θα είναι έτοιμο να εγκαταλείψει το εργοστάσιο), ανέγερση, λειτουργία, συντήρηση, εξόρυξη, μεταφορά, κατασκευή, συναρμολόγηση, εγκατάσταση, αποσυναρμολόγηση, αποδόμηση και την κατεδάφιση.
Συνήθως, η Ενσωματωμένη Ενέργεια μετριέται ως ποσότητα μη ανανεώσιμης ενέργειας ανά μονάδα οικοδομικού υλικού, κατασκευαστικού στοιχείου ή συστήματος. Για παράδειγμα, μπορεί να εκφραστεί ως μέγα Joules (MJ) ή gigajoules (GJ) ανά μονάδα βάρους (kg ή ton) ή περιοχή (m).2
Ενεργειακή ανάλυση
Η βιώσιμη ανάπτυξη αποκτάει συνεχώς αυξανόμενη σημασία, όπως και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του κλάδου των κατασκευών. Ένα από τα πιο αποτελεσματικά μέσα για να αμβλύνουν τον αντίκτυπο είναι η μείωση του ποσού της ενέργειας που καταναλώνεται σε όλες τις πτυχές της ανθρώπινης ανάπτυξης. Η τρέχουσα περίοδος των υψηλών τιμών της ενέργειας έχει υποχρεώσει όλες τις βιομηχανίες να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας καθώς οι οικονομικές επιπτώσεις της σπατάλης είναι σοβαρές.
Η Ενσωματωμένη Ενέργεια (EE) μπορεί να αναφέρεται σε δύο μορφές: την αρχική EE και επαναλαμβανόμενη EE. (Πρώτον, η αρχική EE είναι ότι ασχολείται με την απόκτηση, μεταφορά και επεξεργασία των πρώτων υλών για τη δημιουργία ενός προϊόντος. Δεύτερον, επαναλαμβανόμενη EE είναι η ενέργεια που καταναλώνεται για τη συντήρηση, και των συναφών δραστηριοτήτων, ενός προϊόντος κατά τη διάρκεια της ζωής του.)
Η επαναλαμβανόμενη ενσωματωμένη ενέργεια σχετίζεται με την ανθεκτικότητα των δομικών υλικών, εξαρτημάτων και συστημάτων που είναι εγκατεστημένα στο κτήριο, το πόσο καλά αυτά διατηρούνται, και η ζωή του.
Ενσωματωμένη ενέργεια = Αρχική EE + Επαναλαμβανόμενη EE
Η ενσωματωμένη ενέργεια ενός ολόκληρου κτηρίου ή ενός δομικού αποτελείται από την έμμεση και άμεση ενέργεια. (Άμεση ενέργεια είναι η ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά προϊόντων του κτηρίου στο χώρο, και στη συνέχεια για την κατασκευή του κτηρίου ενώ έμμεση ενέργεια είναι η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την απόκτηση, καθώς και την κατασκευή των δομικών υλικών, συμπεριλαμβανομένων των μεταφορών που συνδέονται με τις δραστηριότητες αυτές. Συγκεκριμένα, η έμμεση ενέργεια χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει τις εισροές αγαθών και υπηρεσιών ενώ η άμεση ενέργεια είναι η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την κύρια διαδικασία.) Αρχική ΕΕ= Άμεση Ενέργεια + Έμμεση Ενέργεια
Οι βασικές μέθοδοι Ενεργειακής ανάλυσης είναι:
α) Ανάλυση διαδικασίας
β) Ανάλυση εισροών-εκροών (Ι-Ο)
γ) Υβριδική ανάλυση
δ) Επεξεργασία με βάση την υβριδική ανάλυση
ε) Εισόδου-εξόδου με βάση την υβριδική ανάλυση.

Επιλογή υλικών
Η επιλογή των υλικών, του σχεδιασμού και τεχνολογιών για την κατασκευή του κτηρίου θα πρέπει να ικανοποιούν τις ανάγκες του χρήστη, καθώς και των αναπτυξιακών αναγκών της κοινωνίας, χωρίς να προκαλεί δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τα τελευταία χρόνια, η ευαισθητοποίηση για τα περιβαλλοντικά ζητήματα έχει αυξηθεί στον τομέα της οικοδομής και των κατασκευών. Ως εκ τούτου, η επιλογή των φιλικά προς το περιβάλλον δομικά υλικά είναι ένας τρόπος για να μειωθούν οι αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η έννοια της ενσωματωμένης ενέργειας και της αειφόρου ανάπτυξης περιλαμβάνει μια ποικιλία στρατηγικών κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, της κατασκευής και της λειτουργίας των κτηριακών έργων. Τα οικοδομικά υλικά διαδραματίζουν μεγάλο ρόλο στην αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων και συμβάλλουν στην οικονομική ευημερία. Η ποσότητα της ενσωματωμένης ενέργειας στα κτίρια ποικίλει σημαντικά. Αρχικά η ενσωματωμένη ενεργειακή κατανάλωση εξαρτάται από τη φύση του κτηρίου, τα υλικά που χρησιμοποιούνται και την πηγή αυτών των υλικών. Παραδοσιακά, τα υλικά επιλογής για τον σχεδιασμό και την κατασκευή των κτηρίων έχει βασιστεί σε τεχνολογικές και οικονομικές θεωρήσεις, λαμβάνοντας υπόψη την επιθυμητή διάρκεια ζωής του κτιρίου. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ότι η συνολική ενσωματωμένη ενέργεια ενός κτιρίου μπορεί να μειωθεί σημαντικά όταν χρησιμοποιούνται ενεργειακά αποδοτικά είτε εναλλακτικά οικοδομικά υλικά. Κατά την επιλογή μεταξύ εναλλακτικών δομικών υλικών ή προϊόντων με βάση την ενσωματωμένη ενέργεια, πρέπει να ληφθεί υπόψη όχι μόνο το αρχικό υλικό, αλλά και τα υλικά που καταναλώνονται κατά τη διάρκεια της ζωής του κτιρίου, κατά τη διάρκεια επισκευών συντήρησης και αντικατάστασης. Έτσι, ο σχεδιασμός κτηρίων με χαμηλή ενσωματωμένη ενέργεια μπορεί να μειώσει την κατανάλωση των φυσικών πόρων, καθώς και το κόστος για την κατασκευή τους και η ενεργειακή απόδοση του κτηρίου να βελτιωθεί σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής του. Συνοψίζοντας, φτάνουμε στο συμπέρασμα ότι η καλύτερη λύση είναι ο σχεδιασμός αειφόρων κτηρίων καθώς και η επιλογή υλικών με χαμηλή ενσωματωμένη ενέργεια.
Βάση δεδομένων
Προς το παρόν, δεν υπάρχει μια κοινή διεθνής βάση δεδομένων με συντελεστές Ενσωματωμένης Ενέργειας. Το επίτευγμα αυτό είναι περίπλοκο, επειδή οι συντελεστές ΕΕ διαφέρουν όχι μόνο από χώρα σε χώρα αλλά και από περιοχή σε περιοχή, ανάλογα με τη γεωγραφία και τη γεωλογία της κάθε περιοχής καθώς εξαρτάται από το αν στην περιοχή αυτή παράγεται κάποιο υλικό, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή του κτηρίου. Επιπλέον, πολλές παράμετροι πρέπει να εξεταστούν, όπως η γεωγραφική απόσταση και το οδικό δίκτυο. Ένας άλλος λόγος για την έλλειψη μιας κοινής βάσης δεδομένων είναι το γεγονός ότι δεν υπάρχει μια παγκοσμίως αποδεκτή μέθοδος υπολογισμού της ΕΕ. Για παράδειγμα: Η EE συντελεστής για το αλουμίνιο στο Ηνωμένο Βασίλειο είναι 227MJ/kg ενάντια στη Νέα Ζηλανδία, το οποίο είναι 235MJ/kg. Στο παράδειγμα αναφέρω τις συγκεκριμένες χώρες, διότι είναι οι πρώτες χώρες που δημοσίευσαν μια βάση δεδομένων συντελεστών ΕΕ, σε αντίθεση με την χώρα μας.
Τυπικές τιμές Υλικό Ενεργειακό κόστος (MJ/kg)
Αλουμίνιο 227-342
Τούβλα 2-5
Τσιμέντο 5-9
Χαλκός 60-125
Γυαλί 18-35
Σίδερο 20-25
Χαρτόνι 20-25
Πλαστικό 60-120
Πέτρα (τοπική) 0.5-1.5
Ξύλο 0.5-1.3

Περιβαλλοντική άποψη
Η ανάλυση του κύκλου ζωής ενός προϊόντος ή συστήματος είναι μια αυστηρή εξέταση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής του. Και σε συνεργασία με την ανάλυση της ενσωματωμένης ενέργειας, η οποία είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την ευρεία αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων μπορούμε να αξιολογήσουμε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε όλες τις φάσεις ζωής του κτηρίου.
Ειδικότερα, με την τρέχουσα εστίαση στην υπερθέρμανση του πλανήτη και την συνακόλουθη αλλαγή του κλίματος, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τις επιπτώσεις του CO2 της κάθε πηγής ενέργειας, δεδομένου ότι αυτό είναι παγκοσμίως το κύριο αέριο του θερμοκηπίου. Επιπροσθέτως, δεδομένου ότι η χρήση της ενέργειας που συνδέεται με τον κατασκευαστικό τομέα ισούται περίπου με το μισό της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, για αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο να γνωρίζουμε το καθεστώς των εκπομπών CO2 που ενσωματώνονται σε κάθε δομικό υλικό. Μεταξύ άλλων, η κατασκευαστική βιομηχανία αποσκοπεί στην μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκύπτουν από τις διαδικασίες της, με στόχο να παρέχουν ένα προϊόν υψηλής ποιότητας. Επιπλέον, συνεχίζεται η έρευνα για τη δημιουργία μεθόδων, μειώνοντας σημαντικά τις εκπομπές CO2.
Συμπεράσματα για την επαναχρησιμοποίηση και ανακύκλωση
Όπως ανέφερα προηγουμένως, η παραγωγή κτηρίων με ελάχιστο περιβαλλοντικό αντίκτυπο είναι ένας πολύ σημαντικός στόχος για τον κτηριακό τομέα. Η χρήση ενέργειας είναι ένα κεντρικό ζήτημα και γενικά ένα από τα πιο σημαντικά μέσα που χρησιμοποιούνται σε κτίρια κατά τη διάρκεια ζωής τους. Υπάρχουν αρκετοί λόγοι για να συμπεριληφθούν οι πτυχές της ανακύκλωσης στην ανάλυση της χρήσης της ενέργειας των κτηρίων, για παράδειγμα, το αυξανόμενο ποσοστό της συνολικής χρήσης της ενέργειας που αναλογεί στα υλικά, τα κέρδη της ανακύκλωσης και της μείωσης της διάρκειας ζωής των κτηρίων.
Η ενσωματωμένη ενέργεια αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό τμήμα, το 40% της συνολικής ενέργειας στα κτήρια με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια ζωής του κτηρίου (υποτιθέμενη διάρκεια ζωής 70 ετών). Επιπλέον, περίπου το 37-42% της Ενσωματωμένης Ενέργειας μπορεί να ανακτηθεί μέσω της ανακύκλωσης ή της επαναχρησιμοποίησης. Επίσης, η δυνατότητα ανακύκλωσης είναι περίπου 15% της συνολικής χρήσης ενέργειας κατά τη διάρκεια της ζωής του κτηρίου. Από τα παραπάνω, φτάνουμε στο συμπέρασμα ότι έχει μεγάλη σημασία για το ενεργειακό ισοζύγιο η σωστή επιλογή των δομικών υλικών αλλά και της ανακύκλωσης στο στάδιο του σχεδιασμού των νέων κτηρίων. Το πιο σημαντικό μέτρο προκειμένου να διευκολυνθεί η μελλοντική ανακύκλωση είναι η χρήση ανακυκλώσιμων υλικών και την αποφυγή των κατασκευών που η αποσυναρμολόγηση είναι δύσκολη.
Μείωση της Ενσωματωμένης Ενέργεια στα κτίρια
Η επίτευξη μιας πραγματικά ενεργειακής βελτιστοποιημένης σχεδίασης απαιτεί την ικανότητα να διερευνήσει τις επιπτώσεις της ενέργειας από εναλλακτικές λύσεις για το σχεδιασμό, συμπεριλαμβανομένων όλων των αλληλένδετων εισροών, διαδικασιών καθώς και τα αποτελέσματα αυτών. Η αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας καθιστά το σκεπτικό της Ενσωματωμένης Ενέργειας όλο και πιο σημαντική. Η ενέργεια που αρχικά ενσωματώνεται σε ένα κτίριο θα μπορούσε να είναι όσο το 67% της ενέργειας λειτουργίας σε μια περίοδο 25 ετών. Αν επιπλέον η ενσωματωμένη ενέργεια που αποκτήθηκε κατά τη διάρκεια της ζωής του κτιρίου συμπεριληφθεί, τότε η συνολική ενέργεια του κύκλου ζωής θα μπορούσε να είναι μεγαλύτερη από το ενέργεια λειτουργίας κατά την ίδια περίοδο. Επί του παρόντος, η ενσωματωμένη ενέργεια δεν μπορεί να προβλεφθεί με ακρίβεια λόγω της έλλειψης αξιόπιστων και ακριβών στοιχείων και συντελεστών.
Οι κατασκευαστές, σχετικά με τις ενεργειακές απαιτήσεις και τις εκπομπές CO2 στοχεύει όχι μόνο προς το «πράσινο κτίριο», αλλά στο «κτήριο μηδενικής ενέργειας» Αλλά αυτά τα κριτήρια δεν είναι τα μοναδικά, καθώς σημαντικό κριτήριο είναι το κόστος καθώς και ο χρόνος της οικονομικής απόσβεσης, που πολλές φορές μπορεί να θεωρηθούν πιο σημαντικά από τον προϋπολογισμό της ενέργειας. Υπάρχουν πολλοί παράμετροι για την μείωση της ΕΕ στα κτίρια, θα προσπαθήσω να αναφέρω τις πιο σημαντικές προτάσεις:
1.Επαναχρησιμοποίηση υλικών. Είναι η πιο αποτελεσματική και απλούστερη μέθοδος για τη μείωση των EE. Παρόλο που μερικές φορές η επαναχρησιμοποίηση των υλικών απαιτεί εντατικό καθαρισμό και επισκευή, αντιπροσωπεύει ένα μέσο για την εξοικονόμηση της.
2. Δεύτερον, η EE από μεταποιημένο υλικό μπορεί να μειωθεί με τη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας σε οπουδήποτε στάδιο της παραγωγής. Για παράδειγμα, η ενέργεια της ξυλείας μειώνεται σημαντικά με την ξήρανση σε αέρα σε σχέση με την ξήρανση σε κλίβανο.
3. Επιλογή ανθεκτικού, μακράς διάρκειας ζωής οικοδομικού υλικού. Τα ανθεκτικά υλικά, κυρίως αυτά με χαμηλές απαιτήσεις, έχουν χαμηλότερη EE από τα βραχύβια υλικά. 4. Χρήση γήινων και τοπικών υλικών. Πρώτον υπάρχει χαμηλότερο κόστος της ενέργειας μεταφοράς και δεύτερον η χρήση αυτής της κατηγορίας υλικών συνήθως συνεπάγεται με κατανάλωση λιγότερης ενέργειας στην επεξεργασία σε σχέση με τα συμβατικά υλικά κατασκευής.
Επιπροσθέτως μερικές ακόμα προτάσεις είναι ο σχεδιασμός για μεγάλη διάρκεια ζωής και την προσαρμοστικότητα, χρησιμοποιώντας ανθεκτικά υλικά χαμηλού κόστους συντήρησης. Όπου είναι δυνατόν, να χρησιμοποιείται ένα μεγάλο ποσοστό από ανακυκλωμένα ή ανακυκλώσιμα υλικά. Επίσης, όπου είναι δυνατόν, να χρησιμοποιούνται τοπικά παραγόμενα υλικά για την ελαχιστοποίηση της ενέργειας των μεταφορών και να αποφεύγετε η άσκοπη χρήση υλικών. Τέλος τα υλικά από την κατεδάφιση των υπαρχόντων κτιρίων, και τα απόβλητα κατασκευών να επαναχρησιμοποιούνται ή να ανακυκλώνονται και να εξασφαλίζονται ότι τα υλικά μπορούν εύκολα να διαχωριστούν.

Πεδίο εφαρμογής μελλοντικής έρευνας

Η ενσωματωμένη ενέργεια ως δείκτης αειφόρου ανάπτυξης βάσει δεικτών δείχνει καθαρά την εξοικονόμηση ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί με την κατάλληλη επιλογή των υλικών. Η μελέτη αυτή θα πρέπει να γίνει πιο ολοκληρωμένη με ένα ευρύτερο φάσμα συντελεστών. Έτσι, μια πιο ευρεία εικόνα θα προκύψει, όσον αφορά τη συνολική εξοικονόμηση ενέργειας στον κατασκευαστικό τομέα και ιδιαίτερα στα κτήρια.
Επιπλέον, η ενσωματωμένη ενέργεια προσφέρει μια άλλη άποψη των οικολογικών και των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση και τη βελτίωση των βιομηχανικών δραστηριοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, οι τεχνικές αυτές είναι ζωτικής σημασίας εκτιμώντας τη συμβολή των οικοσυστημάτων σε όλες τις ανθρώπινες δραστηριότητες και την αντιμετώπιση των προκλήσεων της αειφόρου ανάπτυξης.
Τέλος, ο συμπληρωματικός χαρακτήρας της Ενσωματωμένης Ενέργειας με άλλους κλάδους πρέπει επίσης να διερευνηθεί. Για παράδειγμα, η ανθρώπινη εκτίμηση των οικολογικών προϊόντων και υπηρεσιών απαιτεί πληροφορίες σχετικά με το ρόλο των οικοσυστημάτων, τα οποία μπορούν να παρέχονται μέσω μιας ενσωματωμένης ενεργειακής ανάλυσης.

Σεραφείμ Γεωργακόπουλος
Πολιτικός Μηχανικός Τ.Ε.
MSc in Energy
[email protected]

Απάντηση