Analysis of Embodied Energy and Carbon Emission of a Single Story Rural Area Structure

Year 2024, , 1565 - 1580, 25.09.2024

Tuğba Erzurum , Önder Halis Bettemir

https://doi.org/10.2339/politeknik.1207484

Abstract

Determining and analyzing the adverse consequences of construction works on the environment is an important research area. The necessity of execution of a large number of work items for the construction of a building and the large number of building material options make it difficult to conduct embodied energy and carbon emission analyzes of building constructions. In this study, a framework system is developed to overcome the mentioned difficulties. Construction items of a typical single-story building that can be built in the rural region are arranged and different construction options are generated for the construction items. The amounts of material and construction equipment requirements for the unit construction item of all construction options are computed. Semantic relationships between the building elements and the construction alternatives are established so that the quantity values that may vary according to the selected work item can be calculated exactly. Cost, embodied energy and carbon emissions caused by the construction of the building are calculated by matching the quantity values with the unit construction item definitions. Moreover, the heat loss calculations of the building are carried out according to TS 825 and the energy consumption, carbon emission and cost that will occur as a result of the utilization of wood, coal, electric stove and air conditioner options as heating source during its 50 years of life cycle are calculated. In order to examine the effects of construction items on the embodied energy, carbon emission and cost, Monte Carlo simulation is implemented by forming the building with random selections for each construction item among the defined construction options with equal probability of selection. At the end of the simulation the total embodied energy, carbon emission and cost of both the construction and the utilization phases of the structure are calculated. In this manner, the average embodied energy, carbon emission and cost effect of each of the construction items on the structure are determined. Prepared embodied energy and carbon emission quantities of the construction items and the analysis results presented within this study have the potential to be beneficial to the researchers studying on green buildings.

Keywords

Green building, sustainability, Monte Carlo simulation, embodied energy, carbon emission, Life Cycle Assessment

Tek katlı Kırsal Bölge Yapısının Gömülü Enerji ve Karbon Salınımının Analizi

Abstract

İnşaat işlerinin çevre üzerindeki olumsuz etkilerinin belirlenmesi ve analizi önemli bir araştırma alanıdır. Bir binanın inşası için çok sayıda iş kaleminin uygulanması gerekliliği ve yapı malzemesi seçeneklerinin çok sayıda olması bina inşaatlarının gömülü enerji ve karbon salınımı analizlerinin yapılmasını zorlaştırmaktadır. Belirtilen zorluğun aşılması için bu çalışmada çerçeve bir sistem geliştirilmiştir. Kırsal alanda inşa edilebilecek tek katlı tipik bir yapının inşaat kalemleri belirlenerek farklı yapım seçenekleri hazırlanmıştır. Tüm yapım seçeneklerinin birim iş miktarı için gereken malzeme miktarları, iş makinesi kullanımı ve enerji gereksinimi belirlenmiştir. Seçilen iş kalemine göre değişebilecek metraj değerlerinin tam doğrulukta hesaplanabilmesi için yapı elemanları ve yapım alternatifleri arasında anlamsal ilişkiler kurulmuştur. Metraj değerleri ile birim iş tarifleri eşleştirilerek yapının inşasının neden olacağı maliyet, gömülü enerji ve karbon salınımı hesaplanmıştır. Ayrıca binanın ısı kaybı hesaplamaları TS 825’e göre gerçekleştirilmiş ve 50 yıllık kullanımı boyunca odun, kömür, elektrik sobası veya klima ile ısıtılması sonucu oluşacak enerji tüketimi, karbon salınımı ve maliyet hesaplanmıştır. İnşaat kalemlerinin gömülü enerji, karbon salınımı ve maliyete etkisinin incelenmesi için Monte Carlo simülasyonu gerçekleştirilmiş ve tüm yapım seçeneklerinin eşit seçilme olasılığı olacak şekilde rastgele seçimlerle yapı oluşturulmuştur. Oluşturulan yapının inşası ve kullanımıyla ortaya çıkan gömülü enerji, karbon salınımı ve maliyet hesaplanmıştır. Bu şekilde inşaat kalemlerinin her birinin yapı üzerindeki ortalama gömülü enerji, karbon salınımı ve maliyet etkisi belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında hazırlanan ve sunulan inşaat işlerinin gömülü enerji ve karbon salınımı değerleri ile analiz sonuçları yeşil bina üzerinde çalışan araştırmacılara faydalı olma potansiyeline sahiptir.

Keywords

Yeşil bina, sürdürülebilirlik, Monte Carlo simülasyonu, gömülü enerji, karbon emisyonu, yaşam döngüsü analizi

References

• [1] IPCC. 2019 “Refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories”, Intergovernmental Panel on Climeate Change, (2019).
• [2] Du Plessis, C., “Agenda 21 for sustainable construction in developing countries: a discussion document”, CSIR Building and Construction Technology, (2002).
• [3] TÇMB, “2017 İstatistik Raporu”, Yayın No:1, Ankara (2017).
• [4] Gürsel, A. P., Meral, Ç., “Türkiye’de Çimento Üretiminin Karşılaştırmalı Yaşam Döngüsü Analizi”, 2. Proje ve Yapım Yönetimi Kongresi, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, 1-13, (2012).
• [5] Sert, S., “Bina Yaşam Döngüsünde Enerji Analizi ve Yeşil Binalar”, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010).
• [6] Jacques, P., “Sustainability: the basics”, Routledge, (2020).
• [7] Kibert, C. J., “Establishing principles and a model for sustainable construction” In Proceedings of the first international conference on sustainable construction, 6-9, Tampa Florida, (1994).
• [8] Walsh, C. J., “Construction related sustainability performance indicators”. In CIB Proceedings of the Fourth International Symposium on Building Economics, (1987).
• [9] Sev, A., “Sürdürülebilir Mimarlık”, 1. Baskı, YEM Yayınları, İstanbul, (2009).
• [10] BRE, Environmental Profile Methodology, https://bregroup.com/hrf_faq/what-are-the-13-categories-and-what-do-they-mean/, Erişim Tarihi: 28/06/2022.
• [11] Siegenthaler, C.P., Braunschweig, A., Oeterli, G., Furter, S., “LCA software guide 2005 market overview-software potraits”, Zurih, İsviçre, (2005).
• [12] Silva, D., Nunes, A. O., da Silva Moris, A., Moro, C., Piekarski, T. O. R., “How important is the LCA software tool you choose Comparative results from GaBi, openLCA, SimaPro and Umberto”, In Proceedings of the VII Conferencia Internacional de Análisis de Ciclo de Vida en Latinoamérica, Medellin, Colombia,10-15, (2017).
• [13] Udomsap, A. D., Hallinger, P., “A bibliometric review of research on sustainable construction, 1994–2018”, Journal of Cleaner Production, 254, 120073, (2020).
• [14] Ortiz, O., Castells, F., Sonnemann, G., “Sustainability in the construction industry: A review of recent developments based on LCA”, Construction and building materials, 23(1), 28-39, (2009).
• [15] Özeler Kanan, N., Gültekin, A., Çelebi, G., “Yaşam döngüsü değerlendirme yöntemi kapsamında enerji verimli cephe sistemlerine ilişkin bir literatür araştırması”, 2. Uluslararası Bina Sempozyumu, Ankara, (2015).
• [16] Dixit, M. K., Fernández-Solís, J. L., Lavy, S., Culp, C. H., “Identification of parameters for embodied energy measurement: A literature review”, Energy and buildings, 42(8), 1238-1247, (2010).
• [17] Marzouk, M., Elshaboury, N., “Science mapping analysis of embodied energy in the construction industry”, Energy Reports, 8, 1362-1376, (2022).
• [18] Stephan, A., Crawford, R. H., De Myttenaere, K., “A comprehensive assessment of the life cycle energy demand of passive houses”, Applied energy, 112, 23-34, (2013).
• [19] Sartori, I., Hestnes, A. G., “Energy use in the life cycle of conventional and low-energy buildings: A review article”, Energy and buildings, 39(3), 249-257, (2007).
• [20] Leblebici, M., “Şehir Isı Adası Etkisinin Binalarda Enerji Tüketimine Etkisi: Isıl Yük Hesaplama Programı Kullanılarak Yapılan Örnek Bir Çalışma”, İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, (2020).
• [21] Akgül, C. M., Dino, İ. G., “RCP4.5 ve RCP8.5 iklim senaryolarına göre konutlarda iklim değişikliği etki değerlendirmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(3), 1665-1684, (2020).
• [22] Perera, S., Senaratne, S., Rodrigo, M. N. N., Brady, L., “Analysis of embodied carbon and cost profiles of school buildings in Australia”, Built Environment Project and Asset Management, (2021).
• [23] RICS. (2014). Methodology to calculate embodied carbon,(2014).
• [24] HM Government, The Innovation and Growth Team (IGT), The Building and Approved Inspectors (Amendment) Regulations 2006, TSO, (2006).
• [25] Bostancı, L., “Atık Cam Tozu İçeren Alkali–Aktive Edilmiş Cüruf Harçlarının Mekanik, Por Yapısı, Termal Yalıtkanlık ve Mikro Yapı Özellikleri”, Politeknik Dergisi, 25(1), 75 - 87.
• [26] Adalberth, K., Almgren, A., Petersen, E. H. “Life cycle assessment of four multi-family buildings”, International Journal of Low Energy and Sustainable Buildings, 2, (2001).
• [27] Langston, C., Chan, E. H., Yung, E. H., “Embodied carbon and construction cost differences between Hong Kong and Melbourne buildings”, Construction Economics and Building, 18(4), 84-102, (2018).
• [28] Victoria, M. F., Perera, S., Davies, A., Fernando, N., “Carbon and cost critical elements: a comparative analysis of two office buildings”, Built Environment Project and Asset Management, (2017).
• [29] Jiao, Y., Lloyd, C. R., Wakes, S. J. “The relationship between total embodied energy and cost of commercial buildings”, Energy and Buildings, 52, 20-27, (2012).
• [30] Copiello, S., “Economic implications of the energy issue: Evidence for a positive non-linear relation between embodied energy and construction cost”, Energy and buildings, 123, 59-70, (2016).
• [31] Altun, M., Akgül, Ç. M., Akçamete, A. “Kabuk yalıtımının bina ısıtma enerjisi ihtiyacına, maliyetine ve karbon ayak izine etkisinin yaşam döngüsü bakış açısıyla değerlendirmesi”, Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 35(1), (2020).
• [32] Ekundayo, D., Perera, S., Udeaja, C., Zhou, L., “Carbon review and qualitative comparison of selected carbon counting tools”, In RICS COBRA Research Conference, (2012).
• [33] Marosky, N., Dose, J., Fleischer, G., Ackermann, R., “Challenges of data transfer between CAD and LCA software tools”, In 3rd International Conference on Life Cycle Management, University of Zurich at Irchel, (2007).
• [34] Bettemir, Ö. H., “Recommendations on the solution of accommodation problem and recovery after destructive earthquakes”, International Journal of Emergency Management, 12(2), 168-184, (2016).
• [35] Erzurum, T., Bettemir, Ö. H. (2021), Sustainability Analysis for the Construction of Temporary Houses, 14th Internatıonal Congress on Advances ın Cıvıl Engıneerıng- ACE 2020-21 (pp. 354-360).
• [36] Erzurum, T., Bettemir, Ö. H. (2022), Sustainability Analysis for the Construction of Rural Houses, 7th International Project and Construction Management Conference - IPCMC2022, (pp. 1292-1303).
• [37] Hammond, G., Jones, C., “Inventory of carbon & energy: ICE” (Vol. 5). Bath: Sustainable Energy Research Team, Department of Mechanical Engineering, University of Bath, Version 1, (2008).
• [38] Hammond, G., Jones, C., Lowrie, E. F., Tse, P., “Embodied carbon. The inventory of carbon and energy (ICE) Version (2.0)”, (2011).
• [39] Bettemir, Ö.H., Gündüz, E., Akkurt, O., Hilal, E., Arslan, M.A., İnşaat işlerinin iş programına bağlı nakit akışı değişkenliğinin saptanması ve düzenlenmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 7(1), 211-223, (2019).
• [40] Bettemir, Ö.H, Yücel, T., “Zaman maliyet ödünleşim probleminin en az insan müdahalesi ile oluşturulup çözülmesi”, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 26(2), 461-480, (2021).
• [41] Bettemir, Ö.H, Bulak, Ö, “İnşaat Sürecinin İş Çizelgelemesi, Yönetimi ve Optimizasyonu”, Teknik Dergi, 33(6), 12945-12986, (2022).
• [42] CSB. T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı 2022 Birim Fiyat Analizi.(Birim ağırlıkta poz numaraları: 15.270.1203/15.220.1201 / 15.335.1003/ 15.335.1203/ 19.100.2424/ 19.100.2410/ 10.330.3501/ 15.340.1406-1410/ 15.340.1401-1405)
• [43] Web referansı 1: https://www.kuzeyboru.com.tr/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [44] Web referansı 2: https://www.firat.com/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [45] İMO, Teknik Bilgiler, Yapı Malzemeleri ve Yapı Kısımlarının Birim Hacim Ağırlıkları, İnşaat Mühendisleri Odası.
• [46] Yıldırım, M., “Yapılarda su geçirimliliği ve yalıtım teknolojisi”, Sakarya Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, (2012).
• [47] Web referansı 3: https://www.standartizolasyon.com/urun/simplan-pvc-membran/basecap/sim-plan-basecap/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [48] Web referansı 4: https://plastek-geo.com/tr/hdpe-hdpe-ve-ldpe-ldpe-den-yaplms-puruzsuz-g9572217, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [49] Web referansı 5: http://ersayapi.com.tr/uploads/Pdf/L%C4%B0NEFLEX/ EPDM%20Membran%20CE.pdf, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [50] Web referansı 6: https://www.hakedis.org/wp-content/uploads/2016/11/Nakliye-Yo%C4%9Funluk-De%C4%9Ferleri.pdf, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [51] Web referansı 7: http://www.plywood.web.tr/wisa-form-birch-18-mm-plywood.htm, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [52] Web referansı 8: https://www.madenkereste.com/kereste-hesapla/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [53] Web referansı 9: https://mdbapi.knauf.com/v1/pdf_download.php?p=g&action= download&a=451100&c=f50d59ab3edf7df01f86a5602abd6bd6, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [54] Web referansı 10: https://www.alfor.com.tr/Kategori/urunler/damlalikdamlalik-profili-siva-payli/18/832/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [55] Web referansı 11: https://www.alfor.com.tr/Kategori/urunler/pvcaluminyum-denizlik-uzatma--arkalikli/18/887/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [56] Web referansı 12: https://www.alfor.com.tr/Kategori/urunler/pvcaluminyum-denizlik-uzatma--arkalikli/18/887/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [57] Ergenç, S. (2007). İç duvar kaplamalarında ürün seçimi, Yıldız Teknik Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi.
• [58] Web referansı 13: http://www.yapkat.com/Urun.asp?UrunID=65&FirmaID=3438, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [59] Web referansı 14: http://onurparke.com/laminat-Sunfloor-11-11.html, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [60] Web referansı 15: https://askaro.com.tr/teknik2.php, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [61] Web referansı 16: https://www.firat.com/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [62] Web referansı 17: https://www.kuzeyboru.com.tr/, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [63] Web referansı 18: http://www.camsan.com.tr/mdf-teknik-ozellikler, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [64] Web referansı 19: http://www.aryametal.com/endustriyel-plastikler.html, Erişim Tarihi: 30/01/2022.
• [65] BIYK, “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları TS 825” Türk Standartları Enstitüsü.
• [66] KTPD, “Kalorifer Tesisatı Projelendirme Detayları TS 2164” Türk Standartları Enstitüsü.
• [67] Kaplan, G., Aruntaş, H. Y., “XPS yalıtımlı dış duvarların ısıl performanslarının deneysel incelenmesi”, Politeknik Dergisi, 24(2), 645-653, (2021).
• [68] Manav, A. Değişen mikro iklim koşullarında geleneksel konutların enerji etkin davranışları: geleneksel Mut evlerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi. Politeknik Dergisi, 24(3), 1137-1149.
• [69] Sözen, A., Menlik, T, Anvari-Moghaddam, A. “Mapping of Turkey’s district heating/cooling requirements”, Politeknik Dergisi, 23(3), 867-878, (2020).
• [70] Bettemir, Ö. H., “Kazı ve hafriyat sürelerindeki belirsizliğin Monte Carlo Analizi ile tahmini”, Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 14(2), 165-173, (2009).
• [71] Sağlam, B., Bettemir, Ö. H., “Estimation of duration of earthwork with backhoe excavator by Monte Carlo Simulation”, Journal of Construction Engineering, 1(2), 85-94, (2018).
• [72] Kon O, İlhan, U., “Merkezi Isıtma Sistemlerinde Yerüstü ve Yeraltı Ön Yalıtımlı Boruların Optimum Yalıtım Kalınlığı, Enerji Tasarrufu ve Yakıt Emisyon Hesabı” Politeknik Dergisi, 25(1): 189-203, (2022).