Life-cycle energy and greenhouse gas assessment of a modular prefab house

Abstract

O objetivo deste estudo é realizar uma Avaliação de Ciclo de Vida de uma casa pré-fabricada modular denominada por Moby, focando o consumo de energia e a emissão de gases de efeito de estufa (GEE). Tem como objetivo identificar oportunidades de melhoria do seu desempenho ambiental, sem alterar o seu conceito de produção, ou seja, ser um edifício modular e pré-fabricado. A sua produção baseia-se num conceito dual de parte da construção ser pré-fabricada produzida por um processo industrializado (referido como "Moby's Core") e existir uma personalização e montagem final do modelo realizado em estaleiro (referido como "Moby's Shell"). Um modelo de avaliação do ciclo de vida e a análise do inventário foram realizadas para avaliar a energia e o GEE incorporado nos materiais usados na sua construção; transporte (de trabalhadores, módulos e materiais) e durante a fase de utilização. O consumo de energia e as emissões de GEE para o transportedos módulos e dos trabalhadores para diferentes locais de implantação foram contabilizadas de forma a verificar a influência da localização final sobre os resultados. Por fim, uma ferramenta de simulação dinâmica térmica foi usada para avaliar o consumo de energia na fase de utilização. As seguintes alternativas foram estudadas para o protótipo de base: (i) opções comerciais propostas pela empresa de produção, que incluem quatro diferentes tipologias / layouts e três linhas de materiais de acabamento; e (ii) alternativas propostas no âmbito desta pesquisa para analisar o desempenho ambiental do protótipo, isto é, diferentes estruturas e materiais de isolamento. Estas variações foram analisadas e os resultados foram comparados. Os resultados mais importantes foram identificados ao nível dos materiais, sendo relevante o impacto de “Core” (79% de EE e GEE) em relação ao “Shell” (21% de EE e GEE), enfatizando a necessidade de redefinição estrutural do processo de pré-fabricação e o impacto relativamente reduzido dos materiais de acabamento no todo . Relativamente ao transporte, verificou-se que este tem uma grande influência durante as fases de construção e montagem, variando entre 8% da energia incorporada (EE) e 13% das emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE) (para o cenário de Aveiro) e 44% de EE VI e 52% de GEE (para o cenário do Rio de Janeiro). No entanto os impactos nem sempre aumentam proporcionalmente com a distância, pois o meio de transporte influencia significativamente os resultados. Quando incluinda nesta análise a fase de utilização, o transporte representa apenas 2% da EE e ECeq global podendo ser apenas de 1% de ECeq, no pior cenário de emissões de GEE associadas ao consumo de energia na fase de utilização (com um fator de emissão de energia de 609 gCO2 / kWh apresentado para o ano de 2005). Comparando os resultados para as diferentes tipologias verificou-se que o aumento da tipologia desta casa modular leva a uma redução dos impactos por unidade funcional: energia incorporada (EE) e GEE (ECeq) i) por área (EE/m2 e ECeq/m2), ii) por número estimado de habitantes (EE/hab e ECeq/hab) e iii) por tipologia (EE/ nr quartos e ECeq/nr quartos). Além disso, neste caso em estudo verificou-se que o aumento do custo das casas modulares (melhoria da gama das linhas de acabamentos) leva a impactos incorporados nos materiais superiores (devido a materiais com consumo de energia superior na sua produção e a camadas extras adicionadas à envolvente exterior). Os materiais de isolamento incluídos nas paredes exteriores não influenciam significativamente os resultados fazendo-os variar em apenas um ou dois pontos percentuais. Os materiais estruturais influenciam o perfil ambiental do caso de estudo porque a estrutura primária, a parede exterior, o pavimento e a cobertura nos quais se encontram estes elementos estruturais totalizam 56% do total EE. Neste sentido, o Light Steel Framing (LSF) provou ser o material preferencial. Os resultados de GEE incorporado no protótipo de variam entre 20,5-24,4 tCO2 e de energia incorporada entre 390-424 GJ. Isso equivale a 367-436 kgCO2 e 7,0-7,6 GJ de energia primária por m2 sendo que esta amplitude de valores deve-se a materiais estruturais alternativos analisados nos diferetes cenários. Estes resultados enquadram-se na variação de valores de EE e ECeq apresentados por outros estudos para idênticos métodos de construção.

The purpose of this study is to perform a Life-Cycle Energy and Greenhouse Gas Assessment (GHG) of a prefabricated modular house named “Moby”. It aims at identifying opportunities to improve its environmental performance, without altering its production concept, i.e., to be a modular and pre-fabricated building. This is based in a dual concept of a prefab industrialized core (referred as “Moby’s Core”) and an onsite personalized assemblage and finishing (referred as “Moby’s Shell”). A life-cycle model and inventory assessment was implemented to assess the energy and GHG incorporated in the materials used in its construction, during workers, modules and materials transportation and in use phase. Energy consumption for modules and workers transportation at different locations was accounted for, which permitted to verify the influence of the final location on the overall house impacts. The use phase energy consumption was assessed using thermal dynamic simulation for an expected life time of 50 years. The following alternatives to the base prototype were studied: (i) commercial options proposed by the production company, which included four different typologies / layouts (from a one-bedroom to a four bedrooms models) and three different finishing lines and materials (“basic”, “standard” and “delux); (ii) alternatives proposed in the scope of this research to analyse the environmental performance of the prototype, explicitly, different structures (concrete, wood and LSF) and different insulation materials (XPS, rockwool and cork). These variations were analysed and the results were compared. The most important results were identified at the materials level, being the impacts of Core (79% of Embodied Energy and Greenhouse Gas Emissions) nearly four times the impacts of the Shell (21% of Embodied Energy and Greenhouse Gas emissions), emphasizing the need for structural redefinition of the prefabrication process and, the small impact of finishing materials in the whole. Regarding transportation, it was verified that it has a great influence during the construction and assemblage phases, varying from 8% of Embodied Energy (EE) and 13 % of Greenhouse Gas emissions (GHG) (Aveiro scenario) to 44% of EE and 52% of GHG (Rio de Janeiro scenario). However impacts do not always increase III proportionally to the distance, as the mean of transportation strongly influences the results. When including use phase transportation only represents 2% of global EE and GHG being just 1% of GHG in the worst case scenario of GHG emission associated with energy consumption during the use phase (with an emission factor for electricity of 609 gCO2/kWh) The results comparing the different typologies showed that increasing the number of rooms of the modular house led to a reduction in impacts by functional unit: Embodied Energy (EE) and Embodied GHG (GHG) i) per area (EE/m2 and GHG/m2), ii) per estimated number of inhabitants (EE/hab and GHG/hab) and iii) per number of rooms (EE/nr bedrooms and GHG/nr bedrooms). Moreover, increasing the cost of modular houses (improving the range of finishing lines) led to higher embodied impacts (due to the extra layers added to the envelope). Insulation materials included on the external walls did not significantly influence the results, as the total impacts of alternative insulation materials only varied in one or two percentage point. Structural materials influenced the environmental profile of the case study because the primary structure, the exterior wall, floor and roof in which structure is included, stand for 56% of the total EE. In this sense, Light Steel Framing (LSF) has proved to be the preferable material. Moby prototype was found to have an embodied GHG range of 20,5 -24,4 tCO2, and required 390-424 GJ energy. This equates to 367-436 kgCO2 m2 and 7,0 -7,6 GJ per m2 primary energy per floor area. This variation is due to analysed alternative structural materials. These values fit into values range of other studies results in literature to similar construction methods.