Integrated cost and environmental life-cycle analysis of windows

Abstract

There is an increasing need for energy-efficient windows; but these windows can have high embodied impacts and can be costly. Hence, it is important to wisely select optimal windows that minimize energy consumption, costs, and environmental impacts throughout their life cycle. However, life cycle assessments (LCAs) are time-consuming and resource-intensive, and usually performed at late-design stages when the potential to make changes is low. The selection of windows with the lowest life cycle cost (LCC) and environmental impacts in an early-design stage can potentially minimize the environmental impacts and costs of buildings. Thus, it is important to streamline LCA and LCC of windows to support early-stage building design decisions. The main goal of this PhD thesis is to investigate both full and streamlined LCA approaches to support the selection of windows to improve the life cycle environmental and economic sustainability of European office buildings. Firstly, an integrated cost and environmental full LCA approach combined with thermal dynamic simulation has been developed for alternative windows combining various framing materials (aluminum, fiberglass, PVC, and wood), and glazing solutions (from low to high values of thermal transmittance and solar factors). The influence of each window component, as well as window properties on the LCC and LCA has been investigated for three European climates. Operational energy, life cycle environmental impacts and costs have been assessed and trade-offs have been identified. LCC has been performed to calculate the cost in terms of net present value for the window solutions. A sensitivity analysis has been performed to rank the parameters that contribute the most to variability in LCA and LCC of windows to support the development of a streamlined LCA approach. Next, an approach has been developed to streamline LCA and LCC of windows to support early-decision making for selection of windows. This approach enables estimation of economic and environmental performance of windows with different levels of information specified. In addition, this approach may reduce the uncertainty in the estimated results by means of sequentially specifying attributes based on a quantified attribute ranking derived from the full LCA. Some recommendations are provided to enhance the economic and environmental performance of windows in European office buildings based on the full LCA results. The optimal window solutions for warm climates highlighted low solar factor windows, while for cold climates low thermal transmittance solutions. The glazing is the component with the greatest influence on the LCA results (mainly operational). The impacts depend to a very great extent on the thermal transmittance values and solar factors. LCC shows that the initial investment in the windows has a high impact on the overall cost, even for a lifespan of 30 years. A sensitivity analysis on a set of window solutions allowed to conclude that the highest influential parameter on LCA and LCC is window-to-wall ratio, for all orientations and locations. In addition, other influential parameters depend on the location: for warmer climates, smaller windows are recommended or bigger windows with low solar factors; for colder climates, bigger windows or small windows with high solar factors. Thermal transmittance value has a large influence on smaller windows in warmer climates, while in colder climates on bigger windows. The streamlined LCA model has proved to be effective in providing robust results to support the selection of windows, at early-design stages of buildings, by specifying very few window- and operation-related attributes (less than 8). The confidence in the results has been confirmed by comparing the results with the full LCA results. This PhD research covers a large range of windows available in the market in terms of thermal transmittance and solar factor values. Hence, future market window solutions with random values of thermal transmittance and solar factor can be assessed using this approach to promote a better cost and environmental performance of buildings. In addition, this PhD research develops a streamlined model to assess the environmental and cost performance of windows with limited inventory data about most design attributes. Following that, it is not essential to perform a time-consuming and resource-intensive full LCA to select the most appropriate window solution in terms of environmental and cost performances. The streamlined model enables designers to select window solutions that improve the life cycle cost and environmental performance of buildings, when limited information is available at an early-design stage.

Há uma necessidade crescente de usar janelas energeticamente eficientes; mas estas janelas podem ter impactes ambientais e custos elevados. Portanto, é importante selecionar janelas que minimizem o consumo de energia, custos e impactes ambientais ao longo do seu ciclo de vida. No entanto, um estudo de avaliação do ciclo de vida (ACV) requer muito tempo e recursos, e são normalmente realizados em fases finais do projeto, quando o potencial para efetuar alterações é baixo. A seleção de janelas com o menor custo de ciclo de vida (CCV) e impactos ambientais numa fase inicial do projeto pode potencialmente minimizar os impactos ambientais e os custos dos edifícios. Assim, é importante agilizar a implementação da ACV e CCV de janelas para apoiar as decisões na fase inicial de conceção de edifícios. O principal objetivo desta tese é investigar abordagens de ACV, tanto a análise completa como a agilizada, para apoiar a seleção de janelas a fim de melhorar a sustentabilidade ambiental e económica do ciclo de vida dos edifícios de serviços na Europa. Em primeiro lugar, foi desenvolvida uma abordagem de CV ambiental e económica, combinada com simulação térmica dinâmica, para janelas alternativas combinando vários materiais para a caixilharia com vários tipos de vidro. A energia operacional, os impactes ambientais do ciclo de vida e os custos foram avaliados, e foram identificados potenciais compromissos (“trade-offs”). A avaliação de CCV (ACCV) foi realizada para calcular o custo em termos de valor presente líquido para as várias opções de janelas. Foi realizada uma análise de sensibilidade para classificar os parâmetros que mais contribuem para a variabilidade na ACV e da CCV de janelas no sentido de apoiar o desenvolvimento de uma abordagem de ACV agilizada. Adicionalmente, foi desenvolvida uma abordagem agilizada de ACV e de ACCV de janelas para apoiar a tomada de decisão na seleção de janelas em fases iniciais de projeto. Esta abordagem permite avaliar o desempenho ambiental e de custo de janelas com diferentes níveis de informação especificados. Além disso, esta abordagem permite reduzir a incerteza nos resultados estimados através da especificação sequencial de parâmetros com base numa classificação quantificada de parâmetros derivada da análise completa do CV. Com base nos resultados, é possível fornecer algumas recomendações para melhorar o desempenho económico e ambiental de janelas em edifícios de serviços na Europa. As opções de janelas com melhor desempenho para climas quentes apresentam baixos fatores solares, enquanto que para climas frios, estas apresentam valores baixos de coeficiente de transmissão térmica. O tipo de vidro é o parâmetro com maior influência nos resultados da ACV (principalmente na fase de uso). A variação nos impactes depende, principalmente, do coeficiente de transmissão térmica e do fator solar. A ACCV mostra que o investimento inicial nas janelas tem um impacto elevado no custo global, mesmo durante uma vida útil de 30 anos. Uma análise de sensibilidade sobre um conjunto de opções de janelas permitiu concluir que o parâmetro de maior influência na ACV e na ACCV é a fração envidraçada da fachada (“window-to-wall ratio”), para todas as orientações e localizações. Além disso, outros parâmetros influentes dependem da localização: para climas mais quentes, recomenda-se janelas mais pequenas ou janelas maiores com fatores solares baixos; para climas mais frios, janelas maiores ou janelas pequenas com fatores solares altos. O modelo para a ACV agilizada de janelas provou ser eficaz no cálculo de resultados robustos para apoiar a seleção de janelas, em fases iniciais de conceção dos edifícios, especificando muito poucos parâmetros, tanto relacionados com a configuração das janelas como de utilização dos edifícios (menos de 8). A confiança nos resultados da ACV agilizada foi confirmada pela comparação dos resultados com os resultados da análise completa. Esta tese de doutoramento avalia uma vasta gama de janelas disponíveis no mercado em termos de coeficiente de transmissão térmica e fator solar. Esta tese de doutoramento desenvolveu um modelo agilizado para avaliar o desempenho ambiental e de custos de janelas com dados de inventário limitados. Assim, esta abordagem permite avaliar futuras opções de janelas no mercado com uma vasta gama de valores de coeficiente de transmissão térmica e fator solar para promover um melhor desempenho ambiental e de custo dos edifícios, não sendo essencial realizar uma análise completa, demorada e intensiva em recursos, para selecionar a solução de janelas com melhor desempenho ambiental e de custo de ciclo de vida. O modelo agilizado permite aos engenheiros e arquitetos selecionar as opções de janelas que melhoram o desempenho ambiental e de custo de ciclo de vidados edifícios, com pouca informação disponível numa fase inicial do projeto.