Life-cycle Environmental and Cost Assessment of Building Retrofits: Evaluating Conventional and Streamlined Approaches

Abstract

Building retrofits can promote a significant reduction in the environmental load and operating costs of the European building stock. In Portugal there are two million households needing refurbishment (34% of the Portuguese building stock). Most of those buildings are among the largest contributors to the poor energy performance of the building sector. However, given their long life span, it is essential that designers and developers are encouraged to identify effective strategies that reduce the overall burden of the building in life-cycle (LC) perspective. Life-cycle approaches have been extensively applied to analyze building environmental impacts and costs. However, they are time consuming and resource-intensive to implement, preventing a more widespread use. Additionally, they are usually performed in late design stages when significant reduction in total life-cycle impacts is costly to achieve. The main goal of this PhD thesis is to explore both conventional and streamlined LCA and LCCA approaches to identify the most appropriate strategies to improve the LC environmental and economic sustainability of building retrofits for family households and office buildings in South European climates. An integrated cost and environmental conventional LC approach combined with thermal dynamic simulation was developed and implemented to different building retrofit projects (a single-family house, an apartment, and an office building). Final and primary energy, environmental impacts and costs are assessed and trade-offs identified. LCCA is performed using the equivalent annual cost method to calculate the net annual savings. A sensitivity analysis addressing occupancy is performed to increase the robustness of the results. A novel approach was developed to streamline LCA and LCCA for building retrofits that both accommodates varying amounts (and quality) of information on retrofit design and provides both estimates and uncertainty in the estimate for both environmental and economic performance. A framework was developed that fully integrates a streamlined embodied LCA, statistical-based operational energy and cost models. The method comprises the application of structured under-specification, probabilistic triage, and guided sequential specification. Drawing on the results, some recommendations can be provided to enhance the environmental performance of building retrofits in historic city centers with load-bearing stone wall systems in South European buildings from the late 1800s to the early 1900s, pointing to a roof and exterior-wall insulation thickness threshold (where total life-cycle impacts are minimized) depending on the type of house and occupancy. Highly-insulated retrofit strategies are more beneficial for high occupancy levels with higher thermal comfort conditions. Exterior-wall with 40 mm insulation presents the highest marginal savings and the lowest environmental impacts. There are no benefits in roof insulation of more than 80 mm for all types of occupancy. A sensitivity analysis performed to a set of building cases concluded that highly influential design attributes should be defined early in the design process as it may leverage further design decisions. Occupancy-related parameters have been identified has highly influential to the total LC impacts of buildings retrofit irrespective to location, type of house and wall-system. Three retrofit strategies were assessed to compare the recommendations derived from the streamlined approach with the previous conventional LCA studies. The model identified the same preferred options as conventional LCA with only five to eight building design attributes specified. The streamlined approach allows the designers to either identify an environmentally and economically superior design or evaluate the design choices by increasing specification efficiently until the level of resolution in the result is sufficient to make decisions. An equally important aspect is to enhance the potential of this approach for widespread use of LCA and LCCA as decision-making tools in the current building design practice. RESUMO: A reabilitação de edifícios pode contribuir para potenciar uma redução significativa no impacte ambiental e económico do sector imobiliário na Europa. Em Portugal, existem dois milhões de habitações a necessitar de reabilitação (34% do parque imobiliário Português). Em particular, os edifícios históricos estão entre os maiores contribuidores para o mau desempenho energético no sector da construção. Dada a sua longa vida útil, é essencial identificar estratégias eficazes que permitam reduzir o impacte global de ciclo de vida (CV) do edifício. As abordagens de avaliação de CV (ACV) têm sido amplamente aplicadas para analisar os impactes ambientais e custos de edifícios. No entanto, as abordagens convencionais requerem muito tempo e dados para a sua implementação, impedindo uma utilização mais generalizada pelos vários intervenientes no projecto. Adicionalmente, estas análises são realizadas geralmente em fases finais do projecto quando o potencial de redução significativa de impactes totais de CV é muito limitado. O principal objetivo desta tese é explorar abordagens tradicionais e simplificadas1 de ACV e análise de custo de CV (ACCV) para identificar as estratégias mais eficazes para promover a sustentabilidade ambiental e económica de CV na reabilitação de edifícios em climas do sul da Europa. Uma abordagem integrada de CV ambiental e económica, combinada com simulação térmica dinâmica, é implementada para diferentes soluções de reabilitação de edifícios (uma habitação unifamiliar, um apartamento, e um edifício de escritórios). Foi analisada a energia final e primária, os impactes ambientais, e os custos, e foram identificados os potenciais compromissos (“trade-offs”) entre impactes incorporados (demolição, construção e manutenção) e operacionais. A ACCV é aplicada usando o método de custo anual equivalente para calcular as poupanças anuais líquidas. É ainda incorporada uma análise de sensibilidade considerando diferentes padrões de ocupação para aumentar a robustez dos resultados. Uma nova abordagem simplificada de ACV e ACCV foi desenvolvida para a reabilitação de edifícios que considera quantidades (e qualidade) variáveis de informação e incorpora incerteza no cálculo de resultados. Este método inclui a aplicação de uma base de dados estruturada e hierarquizada com vários níveis de especificação, triagem probabilística, e especificação sequencial guiada. O modelo desenvolvido integra uma análise de impactes incorporados, de energia operacional baseada em modelos estatísticos, e de custos. Com base nos resultados, recomendações podem ser fornecidas para melhorar o desempenho ambiental e económico na reabilitação de edifícios, especificamente com sistemas de parede simples de pedra, construídos entre finais de 1800 e inícios de 1900, e localizados em centros históricos urbanos no sul da Europa, que apontam para níveis óptimos (onde os impactes totais de CV são minimizados) de espessuras de isolamento para coberturas e paredes exteriores, dependendo do tipo de edifício e padrão de ocupação. As soluções que consideram espessuras de isolamento maiores são mais benéficas em níveis de ocupação elevados e condições de maior conforto térmico. Paredes exteriores com isolamento de 40 mm apresentam maiores poupanças marginais e menores impactes ambientais. O isolamento da cobertura não apresenta benefícios ambientais ou económicos para espessuras superiores a 80 mm, independentemente do tipo de ocupação. A análise de sensibilidade concluiu que os parâmetros com maior influência no desempenho ambiental e económico de CV estão relacionados com a ocupação, independentemente da localização, tipo de edifício ou sistema construtivo. Foram analisadas três soluções para comparar as recomendações fornecidas pelo modelo simplificado e a abordagem de ACV convencional. O modelo simplificado identificou as mesmas soluções preferenciais especificando apenas cinco a oito parâmetros do projeto. A abordagem simplificada permite que os projectistas possam identificar as melhores soluções em termos ambientais e económicos ou avaliar opções através de uma especificação progressiva e eficiente, de forma a reduzir a incerteza dos resultados suficientemente para tomar decisões. A tese demostra ainda o potencial desta abordagem na difusão do uso de ACV e ACCV como ferramenta de tomada de decisão na prática corrente de reabilitação de edifícios.

A reabilitação de edifícios pode contribuir para potenciar uma redução significativa do impacte ambiental e económico do sector imobiliário na Europa. Em Portugal, existem dois milhões de habitações a necessitar de reabilitação (34% do parque imobiliário). Em particular, os edifícios históricos são aqueles que mais contribuem para o mau desempenho energético no sector da construção. Dada a sua longa vida útil, é essencial adotar estratégias eficazes que permitam reduzir o impacte global de ciclo de vida (CV) do edifício. As diversas abordagens de avaliação de CV (ACV) têm sido amplamente aplicadas nas análises dos impactes ambientais e dos custos de edifícios. No entanto, as abordagens convencionais requerem demasiado tempo e dados para a respetiva implementação, dificultando o seu uso generalizado pelos vários intervenientes no projeto. Além disso, estas análises são geralmente realizadas nas fases finais do projeto quando o potencial de redução significativa dos impactes totais de CV é já muito limitado. O principal objetivo desta tese é explorar as abordagens tradicionais e simplificadas1 de ACV e análise de custo de CV (ACCV), identificando as estratégias mais eficazes para a promoção da sustentabilidade ambiental e económica de CV aquando da reabilitação de edifícios em climas do sul da Europa. Implementou-se uma abordagem integrada de CV ambiental e económica, combinada com simulação térmica dinâmica, para diferentes soluções na reabilitação de edifícios (uma habitação unifamiliar, um apartamento, e um edifício de escritórios). Analisaram-se a energia final e primária, os impactes ambientais, e os custos, e foram identificados os potenciais compromissos (“trade-offs”) entre impactes incorporados (demolição, construção e manutenção) e operacionais. Aplicou-se a ACCV usando o método de custo anual equivalente, para calcular as poupanças anuais líquidas. Foi ainda incorporada uma análise de sensibilidade considerando diferentes padrões de ocupação, a fim de aumentar a credibilidade dos resultados. Desenvolveu-se uma nova abordagem simplificada de ACV e ACCV para a reabilitação de edifícios, considerando quantidades (e qualidade) variáveis de informação e incorporando incerteza no cálculo de resultados. Este método inclui a aplicação de uma base de dados, estruturada e hierarquizada com vários níveis de especificação, triagem probabilística e especificação sequencial guiada. O modelo desenvolvido integra uma análise de impactes incorporados, de energia operacional baseada em modelos estatísticos e de custos. Com base nos resultados, é possível fornecer determinadas recomendações para melhorar o desempenho ambiental e económico na reabilitação de edifícios (especificamente nos sistemas de parede simples de pedra, construídos entre finais de 1800 e inícios de 1900, e localizados em centros históricos urbanos no sul da Europa). Essas recomendações apontam para níveis ótimos de espessuras de isolamento para coberturas e paredes exteriores nos quais os impactes totais de CV são minimizados, dependendo do tipo de edifício e padrão de ocupação. As soluções que utilizam maiores espessuras de isolamento são mais benéficas para níveis de ocupação elevados e condições de maior conforto térmico. Paredes exteriores com isolamento de 40 mm apresentam maiores poupanças marginais e menores impactes ambientais. O isolamento da cobertura não apresenta benefícios ambientais ou económicos para espessuras superiores a 80 mm, independentemente do tipo de ocupação. A análise de sensibilidade concluiu que os parâmetros com maior influência no desempenho ambiental e económico de CV estão relacionados com a ocupação, independentemente da localização, tipo de edifício ou sistema construtivo. Foram analisadas três soluções para comparar as recomendações fornecidas pelo modelo simplificado e pela abordagem de ACV convencional. O modelo simplificado identificou as mesmas soluções preferenciais especificando apenas cinco a oito parâmetros do projeto. A abordagem simplificada permite que os projetistas possam identificar as melhores soluções em termos ambientais e económicos, e ainda avaliar opções através de uma especificação progressiva e eficiente, de forma a reduzir a incerteza dos resultados para tomar decisões. Esta tese demostra ainda o potencial desta abordagem na difusão do uso de ACV e ACCV como ferramenta para tomadas de decisão na prática corrente da reabilitação de edifícios.