Comprehensive life cycle assessment of new houses in Portugal: building design, envelope, and operational conditions

Abstract

Residential buildings are accountable for a significant share of final energy consumption and environmental impacts. Although new houses are expected to hold significantly lower impact than existing dwellings, Portuguese building regulations and most actions at building level still focus mainly on operational energy reduction, disregarding building embodied impacts. Aiming to transition to more sustainable new building practices, a life cycle (LC) perspective is needed and has been advocated by LC studies of dwellings. Generally LC studies of new houses acknowledge the importance of building construction options, the envelope thermal performance, and energy systems, which jointly characterize the embodied and the operational impacts. But new houses in south Europe and Portugal have seldom been addressed from a LC perspective, and the few existing LC studies fail to consider that, in mild Mediterranean climate, the operational impact (for heating and cooling) may be highly dependent on user behavior. Additionally architectural design options have not been addressed from a LC perspective. This thesis goal is to assess the influence of alternative building envelope, design, and operational conditions on the environmental impact of new single-family houses in Portugal considering alternative user behavior. A framework combining life cycle assessment (LCA) and building dynamic simulation was developed and implemented to investigate how operational and embodied impacts of Portuguese single family houses vary among options at different levels: building envelope (insulation thickness, ventilation level, building components), design (orientation, window sizing and placement, and building shape), and operation (user operational pattern, heating systems selection, electricity generation mix). Insulation thickness tipping points that reduce the house LC impact were identified for different Portuguese locations. The results showed that embodied energy of new houses (construction and maintenance) can represent two to seven times the operational heating and cooling energy (operational pattern OP50, with heat pump or wood pellets boiler, respectively) for most locations (Coimbra, Lisboa, Porto and Faro). Even under more demanding Portuguese weather conditions (e.g., Évora, Bragança) embodied impacts are likely to surpass operational impact due to user behavior (OP25-OP50, using a heat pump system). Therefore, careful attention should be paid to building design and building components selection. Comparative results showed that design options can have a higher influence in the overall impact of new houses than changing the envelope insulation or ventilation levels. Additionally selecting building components with lower embodied impact and similar thermal performance (e.g., wooden exterior wall instead of a double brick wall) can have a higher influence on reducing overall impacts than focusing only on envelope thermal improvement. Results also showed that the LC impact of new Portuguese dwellings is very sensitive to operational conditions, namely operational patterns and the heating system selected. But, based on the potentially small contribution of thermal energy requirements, current building regulations might miss important LC impacts when focusing only on operational energy, especially for new houses in Portugal, and in other south European locations with mild Mediterranean climate.

Os edifícios de habitação são responsáveis por uma parte significativa do consumo energético e dos impactes ambientais. Embora se espere que os novos edifícios de habitação tenham um impacte ambiental significativamente menor do que os edifícios existentes, em Portugal, a regulamentação existente e a maioria das ações são focadas principalmente no desempenho térmico do edifício e na fase de utilização, não tendo em conta os impactes ambientais incorporados no próprio edifício (na sua construção e manutenção). Para apoiar a conceção de edifícios de habitação com menor impacte ambiental, é importante considerar uma perspetiva de ciclo de vida (CV), a qual tem sido defendida por estudos de CV de edifícios. Em geral, os estudos CV de novos edifícios habitacionais identificam as opções construtivas, o desempenho térmico da envolvente, e os sistemas energéticos, como opções relevantes que influenciam os impactes incorporados no edifício e os impactes da fase de utilização. No entanto, apenas alguns estudos de CV abordam edifícios de habitação em Portugal, e os poucos estudos existentes para novos edifícios não consideram que, em clima Mediterrânico moderado, os impactes ambientais da fase de utilização podem ser significativamente dependentes do comportamento dos habitantes. Adicionalmente, os estudos existentes não consideram opções de desenho arquitetónico numa perspetiva de ciclo de vida. O objetivo desta tese é avaliar a influência de diferentes opções construtivas da envolvente do edifício, do desenho arquitetónico, e das condições operacionais no impacto ambiental de moradias unifamiliares em Portugal considerando diferentes padrões de utilização. Um modelo de CV que combina a metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) com a simulação dinâmica de edifícios foi desenvolvido para analisar como variam os impactes ambientais incorporados e os impactes ambientais da fase de utilização de uma moradia unifamiliar em Portugal, considerando diferentes opções construtivas da envolvente (nível de isolamento térmico, nível de ventilação, e paredes exteriores), alternativas arquitetónicas (orientação, tamanho e localização dos vão envidraçados, e forma do edifício), e condições operacionais (padrão de utilização, sistemas de climatização e mix energético). Com base no modelo desenvolvido foram identificados níveis de espessura do isolamento térmico que reduzem o impacte ambiental de ciclo de vida da moradia para diferentes localizações em Portugal. Os resultados da ACV mostraram que a energia incorporada em edifícios de habitação unifamiliar (construção e manutenção) pode representar duas a sete vezes a energia operacional de climatização (padrão operacional OP50, com bomba de calor ou caldeira a pellets, respetivamente) para a maioria das localizações (Coimbra, Lisboa, Porto e Faro). Mesmo sob condições climáticas mais exigentes (por exemplo, Évora ou Bragança), é provável que os impactes incorporados ultrapassem o impacte operacional graças aos padrões de utilização (OP50-OP25, e um sistema de bomba de calor). Por conseguinte, deve ser dada especial atenção ao desenho arquitetónico e à seleção dos elementos construtivos. Os resultados mostraram que, em moradias novas, as opções arquitetónicas podem ter uma maior influência no impacte ambiental do que alterar o nível de isolamento térmico da envolvente ou o nível de ventilação. Adicionalmente, a seleção de componentes de construção com menor impacte ambiental incorporado e com desempenho térmico semelhante (por exemplo, uma parede exterior de madeira em vez de uma parede de tijolo dupla) pode ter uma maior influência na redução de impacte ambiental global do que focar apenas na melhoria do desempenho térmico da envolvente. Os resultados mostraram também que o impacte ambiental de ciclo de vida de novas moradias em Portugal é muito sensível às condições operacionais, nomeadamente aos padrões de utilização e ao sistema de aquecimento selecionado. Mas, com base na potencialmente pequena contribuição das necessidades de aquecimento e arrefecimento, os regulamentos de construção atuais que se focam na energia operacional, não contabilizam uma parte significativa do impacte ambiental de ciclo de vida, especialmente para novas moradias em Portugal e em outros locais do sul da Europa com clima mediterrâneo moderado.