Linking the urban form to environmental and health impacts with a life-cycle approach

Abstract

Today, over half of the world’s population lives in urban areas, which account for the heaviest consumption of natural resources and significant generation of emissions and waste. Urban planning and design play a central role in promoting sustainable urban development by evaluating and guiding changes in the urban form. Environmental assessments of urban areas are needed to anticipate how different urban form characteristics can affect the environmental performance of urban areas and help urban planners and decision-makers to identify and design strategies toward sustainable development. However, urban areas are complex systems and challenging to evaluate for many reasons: assessments are multidisciplinary in nature; many approaches and indicators can be used to evaluate environmental performance; data requirements can be large; and there are many limitations and uncertainties. There is a need for systematic, integrated and objective frameworks to model, evaluate and compare alternative strategies and scenarios that can promote sustainable urban development. The overall goal of this dissertation is twofold: to provide insight on key linkages between urban form and environmental impacts of urban areas; and to address critical issues in the application of life-cycle assessment (LCA) to urban systems. The research investigates environmental and health impacts associated with residential buildings and transportation, examining the interaction with the urban form. The research evaluates modeling and parameter choices in the LCA of buildings, the potential significance of user commuting requirements, the comparative environmental and health assessment of commuting modes, and how to adequately address exposure and health effects associated with traffic-related air pollutants within a LCA framework. These issues are addressed using four case studies drawn from the Lisbon, Portugal area. The results show that larger dwelling floor area per occupant can significantly increase energy demand and greenhouse gas (GHG) emissions associated with residential buildings, due to higher construction, use phase and retrofit requirements, but different metrics can provide contrasting results. Energy and GHG emissions associated with commuting can exceed those of residential buildings if housing is located in a car-dependent location. Environmental impacts of different urban transportation modes vary significantly, and future shifts in transportation mode or technology can cause trade-offs between impact categories, e.g., a shift to electric vehicles may decrease GHG emissions and health impacts associated with traffic-related air pollutants, but increase freshwater eutrophication. In addition, it is important to consider local environmental and health impacts, particularly in areas near major roads that are densely populated. On a methodological level, results show the importance of applying a life-cycle perspective in the environmental assessment of urban areas, the varying results and implications of using different impact indicators and metrics, the significance of using system boundaries that encompass the greater urban area in order to avoid missed or shifted impacts, and the need for spatially-resolved analyses that more accurately predict local environmental and health impacts. Drawing on the approaches and results of this research, recommendations are provided for the evaluation of environmental and health impacts associated with urban areas and the urban form. The proposed approaches extend and can improve the application of LCA to urban systems, by addressing a wide variety of impacts and key methodological issues, identifying potential improvement opportunities, and revealing unintended impacts and trade-offs. The methods can be applied in other cities and different settings, since they use mostly statistical data from national or international sources. The findings obtained for Lisbon may be generalizable since Lisbon’s urban form characteristics and development trends are common to those in many other cities; however, local and site-specific assessments are recommended. The dissertation shows the feasibility of integrating urban and transportation planning in a LCA context that considers environmental and health goals, and it suggests the benefits that can be attained by using this type of tools to develop more sustainable urban forms.

Actualmente, mais de metade da população mundial vive em zonas urbanas, e estas assumem o maior consumo de recursos naturais e produção de emissões e resíduos, a nível global. O urbanismo assume um papel central no desenvolvimento sustentável, pois determina e avalia as transformações e a evolução da forma urbana. A avaliação de impactes ambientais associados a áreas urbanas permite entender como diferentes características da forma urbana afectam a performance ambiental e, dessa forma, apoiar profissionais no processo de tomada de decisão e no desenvolvimento de estratégias para a sustentabilidade. No entanto, as áreas urbanas são sistemas complexos e difíceis de avaliar por diversos motivos: a avaliação de impactes ambientais associados a áreas urbanas tem um carácter multidisciplinar, há diversas metodologias e indicadores que podem ser aplicados neste contexto, que requerem muita informação e dados nem sempre disponíveis, e com limitações e incertezas significativas. Assim, são necessárias abordagens sistemáticas, integradas e objectivas para desenvolver modelos, avaliar e comparar estratégias e cenários alternativos, no sentido de promover um desenvolvimento urbano sustentável. Os principais objectivos desta tese dividem-se em duas componentes: por um lado, a investigação procura contribuir para o entendimento das ligações entre a forma urbana e os impactes ambientais das áreas urbanas; e por outro, abordar aspectos críticos na aplicação da avaliação de ciclo de vida (ACV) a sistemas urbanos. A investigação incide sobre os impactes ambientais e na saúde pública associados aos edifícios de habitação e aos transportes, explorando a ligação com a forma urbana. Mais especificamente, a investigação aborda decisões na modelação e nos parâmetros utilizados na ACV de edifícios, a importância dos movimentos pendulares, a avaliação comparativa de impactes ambientais e na saúde de vários meios de transporte urbano, e a adequada avaliação da exposição e dos efeitos na saúde associados a emissões poluentes dos transportes rodoviários no contexto da ACV. Estas questões são abordadas através de quatro estudos de caso aplicados a Lisboa, Portugal. Os resultados indicam que uma maior área habitável por pessoa pode contribuir para aumentos significativos nos requisitos de energia e emissões de gases de efeito estufa (GEE), nas fases de construção, reabilitação e uso dos edifícios de habitação; no entanto, a utilização de diferentes métricas pode ter resultados contrastantes. A energia e os GEE associados aos movimentos pendulares dos habitantes podem ser maiores do que os impactes associados aos edifícios de habitação, quando estes estão localizados em zonas dependentes da utilização do automóvel. Os impactes ambientais associados a diferentes meios de transporte podem variar significativamente, e alterações dos meios de transporte ou das tecnologias utilizadas, podem contribuir para trade-offs entre cagorias de impacte ambiental, e.g., a utilização e veículos eléctricos pode contribuir para reduções nas emissões de GEE e para a melhoria da qualidade do ar e da saúde pública, mas provocar um aumento da eutrofização da água doce. É importante considerar impactes ambientais locais e na saúde humana, especialmente em áreas com alta densidade populacional junto a grandes eixos rodoviários. A nível metodológico, os resultados mostram a importância de utilizar uma perspectiva de ciclo de vida na avaliação ambiental de áreas urbanas, os diferentes resultados e as implicações de considerar diferentes indicadores e métricas, a importância de utilizar fronteiras de sistema alargadas à escala urbana para evitar o desvio de impactes ambientais, e a necessidade de desenvolver análises com resolução espacial para avaliar impactes ambientais locais e efeitos na saúde. Com base nas abordagens desenvolvidas e nos resultados obtidos, são feitas recomendações para a avaliação de impactes ambientais e na saúde, associados a áreas e à forma urbana. Os métodos desenvolvidos contribuem para o desenvolvimento e melhoria da aplicação da ACV a sistemas urbanos, nomeadamente por considerar diversos impactes ambientais e questões metodológicas importantes, idenficar oportunidades de melhoria, e revelar impactes não intencionados e trade-offs. Os métodos podem ser aplicados a outras cidades e contextos, uma vez que utilizam sobretudo dados estatísticos nacionais e internacionais. Os resultados obtidos para Lisboa poderão ser generalizados uma vez que as características da forma e do desenvolvimento urbano nesta cidade são semelhantes em várias outras. No entanto, avaliações locais e específicas são recomendadas. A tese mostra que a integração do urbanismo, do desenho urbano e do planeamento de transportes com valores ambientais e de saúde pública num contexto de ACV é viável, e sugere os benefícios que podem resultar da aplicação deste tipo de metodologias no desenvolvimento de formas urbanas mais sustentáveis.