Роль инженерных систем в оценке жизненного цикла зданий

Изображение: © Clipart Collectors - stock.adobe.com

Метод оценки жизненного цикла закладывает основу для устойчивого проектирования и понимания воздействия здания на окружающую среду, позволяя оценить вышеупомянутые факторы и энергопотребление здания в процессе эксплуатации. В рамках этой статьи представлены основы оценки жизненного цикла зданий на национальном уровне, а также ​​информация о возможном влияниии, в частности, инженерных систем на оценку жизненного цикла здания.

Что входит в сферу оценки жизненного цикла здания и какие термины при этом используются?
Оценка жизненного цикла (Life Cycle Assessment (LCA)) – это инструмент для расчета воздействия здания на окружающую среду за определенный период времени. Энергопотребление здания и связанные с этим выбросы обусловлены, с одной стороны, всеми строительными материалами, используемыми в здании, а с другой – энергией, необходимой для отопления, вентиляции, охлаждения и освещения в процессе эксплуатации. На рисунке 2 показан круговорот материалов и, следовательно, основа для анализа здания в рамках оценки его жизненного цикла.

Для экономии ограниченных материальных ресурсов и достижения небольшого углеродного следа (экологического баланса) здания особое внимание следует уделить тому, чтобы используемые материалы и компоненты можно было легко демонтировать по окончании срока службы, разделить по типам и чтобы они имели низкое содержание загрязняющих веществ. То есть, чтобы их снова можно было использовать в круговороте материалов с минимальной (Reuse) или с незначительной уценкой (Recycling) и, по возможности, без отходов. Материалы, которые не подлежат вторичной переработке, покидают круговорот и ввиду отсутствия технических и экономических возможностей попадают либо на свалку, либо в термическую переработку.

Этапы жизненного цикла здания, которые учитываются при его оценке, регламентированы стандартом DIN EN 15978. Согласно выдержке из этого стандарта, при оценке жизненного цикла учитываются этапы производства (A1 – A3), строительства (A4 – A5), использования (B1– B7), утилизации (C1 – C4), а также потенциал повторного использования, восстановления и переработки (D) (см. рис. 3).

Какие экологические показатели оцениваются и откуда берутся эти данные?
При оценке жизненного цикла здания оцениваются выбросы в окружающую среду. При этом различают глобальное воздействие на окружающую среду и использование ограниченных ресурсов (см. табл. 1 и табл. 2). В этих табличных обзорах дается краткое описание экологических показателей, обычно анализируемых при оценке жизненного цикла, а также их влияния.

В идеале базовые данные, необходимые для оценки, предоставляются производителями строительной продукции в экологических декларациях (EPD). EPD, основанные на стандарте EN 15804, предоставляют сопоставимую информацию об экологических характеристиках продукции, которая оформляется, как минимум, в соответствии с экологическими показателями, определенными в табл. 1 и 2, а также этапами, представленными на рис. 3 (см. пример выдержки из экологической декларации продукции регулятора расхода воздуха фирмы Wildeboer Bauteile GmbH).

Помимо экологических деклараций на конкретные изделия, Федеральный институт исследований в области строительства, городского хозяйства и территориального развития (BBSR) раз в год разрабатывает и публикует общие наборы данных экологических деклараций на отдельные строительные материалы (например, бетон, медь). Они предоставляются на основе общедоступных статистических данных. Для оценки жизненного цикла зданий в настоящее время всё еще используются такие общие наборы данных для большинства материалов. Это связано с тем, что база данных по имеющимся EPD пока находится в стадии разработки.

Основой для расчета оценки жизненного цикла является стандарт DIN EN 15978. Используемые компоненты классифицируются по DIN 276, а их соответствующие количества регистрируются по группам затрат 300, 400 и 500 (для наружных объектов). В зависимости от используемой единицы (м, м², м³, штука и т.д.) в EPD необходим перевод на верную единицу изменения. Поэтому для цифровых изображений компонентов, подлежащих оценке, необходимо указывать эталонный размер (статичные модели изделий) либо геометрический или основанный на правилах размер (параметрическое моделирование) в целях расчета на основе модели.

Существует ли в настоящее время юридическое обязательство по проведению экологической экспертизы здания?
В настоящее время такого закона (пока) нет. В будущем на европейском и национальном уровне планируется документировать оценку жизненного цикла путем выдачи паспорта ресурсов здания. Однако сертификация экологически устойчивых зданий проводится уже сейчас, например, в соответствии с DGNB (Немецкий совет по экологическому строительству), BNB (Система оценки устойчивого строительства) и в рамках Федеральной программы финансирования эффективных зданий (BEG). На них мы остановимся ниже.

Для зданий, субсидируемых в рамках программы BEG, оценка жизненного цикла и соответствие предельным значениям стали неотъемлемым условием финансирования. С 1 марта 2023 года программа финансирования BEG называется «Климатически-безопасное строительство». Оценка жизненного цикла должна быть проверена в соответствии с так называемыми граничными условиями QNG (QNG = Знак качества для устойчивых зданий). Требования QNG ограничиваются разрешенными выбросами парниковых газов и допустимой потребностью в невозобновляемой первичной энергии в течение всего жизненного цикла здания. Например, в случае жилого дома предельное значение выбросов парниковых газов для QNG-Plus составляет максимум 24 кг эквивалента CO₂/м²*год, а для допустимой потребности в невозобновляемой первичной энергии — максимум 96 кВтч/м²*год. Для нежилых зданий требования определяются индивидуально на основе энергетического баланса конструкции здания. При этом следует соблюдать специальные требования к расчетам в соответствии с QNG. Модуль D (потенциал утилизации и влияние экспортируемой энергии), например, не включается в оценку, а только отдельно приводится (в информационных целях).

Как для различных систем устойчивой сертификации, так и для субсидий в рамках BEG применяются различные граничные условия и правила оценки, а также различные предельные значения. Например, для QNG необходимо использовать определенные наборы данных EPD, в то время как для оценки жизненного цикла, например, в соответствии с DGNB используются актуальные нейтральные наборы данных ÖKOBAUDAT. Это означает, что для зданий, прошедших сертификацию и финансирование в соответствии с BEG, необходимо подготовить две оценки жизненного цикла: одну в соответствии с граничными условиями DGNB, а другую в соответствии с граничными условиями QNG.

Влияние инженерных систем на оценку жизненного цикла
Самым большим рычагом положительного влияния на экологический баланс здания является отказ от определенных материалов или сокращение их количества до минимума. Климатически нейтральная эксплуатация тоже немаловажна. Внутренние инженерные системы зданий оказывают большое влияние на оценку жизненного цикла благодаря выбранной концепции энергоснабжения, а также количеству и выбору материалов и используемым хладагентам.

Этап производства A1– A3
На этапе производства материалы оцениваются с точки зрения их глобального воздействия на окружающую среду при закупке сырья, транспортировке на завод и производстве. Этот этап включает в себя все процессы от добычи сырья до выхода с территории завода. В соответствии с границами оценок жизненного цикла в рамках процессов сертификации для строительства учитываются только строительные материалы, относящиеся к группам затрат 300 (строительные конструкции) и 400 (технические системы).

Несущие конструкции (300) представляют собой наибольшую долю глобального воздействия на окружающую среду с точки зрения потенциала глобального потепления и потребностей в невозобновляемых первичных источниках энергии. Помимо этого, положительное влияние на оценку жизненного цикла также могут оказать инженерные системы, если выбирать компоненты с низким воздействием на окружающую среду, повторно используемые и перерабатываемые строительные материалы и компоненты, а также как можно меньшее количество связующих элементов.

Сравнение потенциала глобального потепления в зависимости от выбора материала
На рис. 4 на основе обобщенных данных ÖKOBAUDAT за 2022 год проведено сравнение пяти труб для водоснабжения, изготовленных из различных материалов, с точки зрения их потенциала влияния на глобальное потепление. При этом одна труба из нержавеющей стали сравнивается с четырьмя различными пластиковыми трубами. Приведенная оценка относится к трубам для водоснабжения с номинальным диаметром DN 12 на метр длины. В пересчете на массу нержавеющая сталь имеет более низкий эквивалент CO₂, чем пластик. Так как трубы из нержавеющей стали весят больше, пластиковые трубы имеют меньший потенциал глобального потепления. Но не стоит думать, что использование пластиковых труб принципиально более экологично, чем труб из нержавеющей стали. Простота демонтажа и переработки, а также повторное использование материалов и замыкание их круговорота также играют все более важную роль в процессе строительства.

Например, изделия из нержавеющей стали не требуют утилизации, так как она в основном изготавливается из легированного лома и, следовательно, минимизируется использование ограниченных ресурсов. Изделия из нержавеющей стали в настоящее время перерабатываются почти на 100 %, в то время как для большей часть пластиковых используется большое количество энергии.

То есть повторимся, что при выборе материалов решающую роль играет не только процесс производства, но и легкость демонтажа, переработки и повторного использования. Поэтому в целях экономии ресурсов уже в самом начале следует спросить себя: нужен ли мне вообще этот материал? Затем основное внимание уделяется «сохранению» материала в его исходном виде и повторному использованию в процессе строительства. Например, в случае труб из нержавеющей стали это значит, что в конце срока службы здания их можно демонтировать и повторно использовать (без переплавки) в другом здании (Reuse), если при этом будут соблюдаться гигиенические требования.

Подготовка оценки жизненного цикла на примере требований к финансированию экологически чистых новостроек (BEG QNG)
Согласно граничным условиям QNG, компоненты и составные конструкции группы затрат 400 учитываются по единой ставке с так называемой базовой величиной, например, трубопроводы и коллектора для обогреваемых площадей помещений группы 420. Это относится к этапу производства A1-A3, замены B4 и этапу утилизации C3 и C4. Наборы данных по крупных системам, таким как системы генерации тепла, вентиляционные системы, системы самообеспечения и лифтовые системы, должны быть добавлены к этой базовой величине в соответствии с наборами данных QNG и указанными циклами замены. В таблице ниже показаны базовые величины выбросов парниковых газов и потребности в невозобновляемой первичной энергии для уровней требований QNG-Plus и QNG-Premium.

Даже при наличии базовой величины для группы 400 в рамках оценки жизненного цикла по QNG фактические количества и массы должны учитываться при оценке жизненного цикла с другими граничными условиями (например, для процедур сертификации). Возросшие усилия производителей по созданию EPD для своей технической продукции свидетельствуют о том, что в будущем выбор ресурсосберегающих технических компонентов будет приобретать все большее значение.

Этап использования B1– B7
Оценка жизненного цикла здания обычно рассматривается на период в 50 лет. Применяемые требования основаны на конечных энергетических потребностях, полученных на основании физических сертификатов здания в соответствии с немецким законом об энергетике зданий (GEG). Опыт показывает, что на этап эксплуатации приходится более 50 % выбросов парниковых газов в течение всего жизненного цикла здания. В качестве примера на рис. 5 и 6 приведены результаты оценки жизненного цикла в соответствии с граничными условиями QNG для школьного здания монолитной конструкции с тепловым насосом «воздух-вода». 

Чем больше возобновляемых источников энергии и систем для самостоятельной выработки электроэнергии включено в проект здания, тем лучше оценка жизненного цикла и тем ниже воздействие здания на окружающую среду, связанное с выбросами, на этапе эксплуатации.

Выбранная энергетическая концепция может оказать существенное влияние на экологический след здания на протяжении всего его жизненного цикла. Кроме того, глобальное воздействие здания на окружающую среду можно дополнительно снизить за счет использования концепций Lowtech (например, ночной вентиляции через заслонки в оконных фасадах). Отказ от определенных технических компонентов или их преднамеренное сокращение, а также выбор надежных и долговечных материалов для инженерных систем позволяют избежать их замены либо делать это значительно реже. Поскольку считается, что срок службы компонентов системы отопления, вентиляции и кондиционирования занимает всего 10–25 лет жизненного цикла здания, то следует выбирать надежные системные технологии с более длительным сроком службы. Это позволит сэкономить не только деньги (инвестиции, реинвестиции и обслуживание), но и ресурсы.

Пример влияния выбора хладагента на оценку жизненного цикла
Выбор хладагента может оказать положительное влияние на оценку жизненного цикла. Например, в соответствии с граничными условиями QNG должны использоваться только природные хладагенты согласно табл. 4 AMEV Kälte 2017 (например, R290 – пропан и R717 – аммиак) и хладагенты, классифицированные как перспективные до 2030 года согласно табл. 3 AMEV Kälte 2017 (например, R1234ze и R454A). Это требование распространяется на системы кондиционирования воздуха, а также на холодильные системы и тепловые насосы. Оно направлено на то, чтобы избежать дополнительного воздействия на окружающую среду от использования неприродных хладагентов. Коэффициент GWP устаревших хладагентов составляет, к примеру, 2088 кг CO₂-эквивалента на кг (для хладагента R410A), тогда как коэффициент GWP для устойчивого хладагента, например R290, составляет 4 кг CO₂-эквивалента на кг. Таким образом, устаревший хладагент в 522 раза вреднее для климата, чем экологичный.

Коэффициенты GWP хладагентов обычно не включаются в оценку жизненного цикла, поскольку предотвращение дополнительных глобальных воздействий на окружающую среду, ими вызываемых, уже обеспечивается упомянутыми выше требованиями. Для зданий с хладагентами, не удовлетворяющими вышеуказанным условиям, воздействие хладагентов на окружающую среду следует регистрировать в течение периода B1 и оценивать как потенциал глобального потепления. Результаты расчетов суммируются с результатами оценки жизненного цикла. Также необходимо учитывать процент утечек, темпы утилизации и циклы замены в соответствии с граничными условиями QNG. Благодаря этому гарантируется, что глобальное воздействие неприродных хладагентов на окружающую среду будет учтено при оценке жизненного цикла в соответствии с QNG. Выбрав «правильный» (экологичный) хладагент, можно существенно повлиять на оценку жизненного цикла и глобальное воздействие на окружающую среду при проектировании инженерных систем здания.

Заключение
Проектирование инженерных систем здания оказывает значительное влияние на то, как оно будет воздействовать на окружающую среду. Возможные влияния, представленные в этой статье, обусловлены материалами инженерных систем, выбранными на этапе производства здания, его энергетической концепцией с учетом необходимого количества и надежности компонентов инженерных систем на этапе использования, возможностью переработки материалов в и выбор экологически чистых хладагентов.

Решение о том, насколько устойчивым будет здание в дальнейшем, принимается не на этапе 3 (эскиз), когда проверяется его проект. Планирование устойчивого развития начинается на этапе 0 с определения предназначения здания. Оно требует междисциплинарного подхода со стороны всех специалистов-проектировщиков, начиная с предэскизной стадии.

Только таким образом можно реализовать задачу всех участников процесса проектирования – будущее снижение глобального воздействия на окружающую среду, рассмотрение возможности дальнейшего использования строительных материалов на том же уровне после окончания жизненного цикла здания и предотвращение образования строительных отходов. Ресурсосберегающее строительство и, соответственно, снижение глобального воздействия на окружающую среду являются одними из приоритетных целей и задач, стоящих перед строительной отраслью в ближайшие годы.  

Компания KEMPEN KRAUSE INGENIEURE, в которой работает более 340 сотрудников, предоставляет услуги по проектированию, контролю и мониторингу сложных строительных проектов практически по всем направлениям строительной отрасли. Ресурсосберегающее проектирование вошло в нашу ДНК. Наши инженеры идеально разбираются во всех актуальных темах – устойчивое развитие, строительство из дерева и его гибридов, перерабатываемые материалы, проекты Cradle-to-Cradle и Lowtech. Конечно, используя самые современные инструменты проектирования на основе BIM. Именно поэтому наши проектировщики, особенно в области несущих конструкций, противопожарной защиты и строительной физики, реализуют многие проекты с использованием общих 3D-моделей (Building Information Modelling – BIM), тем самым оптимизируя процесс проектирования, строительства и эксплуатации как гражданских, так и промышленных зданий. Использование мобильных 3D-сканеров и дронов для обследования объектов, интеллектуальных инструментов проектирования, а также целенаправленное управление знаниями и постоянное стремление к повышению квалификации характеризуют нас как поставщика услуг.

KEMPEN KRAUSE INGENIEURE GMBH
Ritterstraße 20
52072 Aachen
0241/88 990 0

www.kempenkrause.de
info@kempenkrause.de