Examination of Embodied and Operational Energy Concepts in Buildings with Life Cycle Assessment (LCA) Methodology

Abstract

According to many scientific investigations, approximately half of the annual energy consumption realized globally is used for the activities carried out for the production, operation, and maintenance of buildings. This energy, most of which is obtained from fossil fuels, is one of the leading factors that constitute climate change caused by carbon emissions. Embodied energy: it covers all of the activities carried out before the commissioning process, such as the extraction of raw material, its processing and obtaining it as a building material, the transportation of the building material to the construction site and the construction of the building. The operational energy is defined as the energy consumed in order to create the comfort conditions of the end user, such as in the air conditioning and lighting of the buildings, especially in heating and cooling, and in the operation of energy-requiring appliances. Effectively reducing the carbon footprint of buildings is possible with designs that take into account both embodied and operational energy. However, researches have focused more on operational energy, ignoring embodied energy, which is a relatively complex and tedious process to calculate. In this study, the relationship between embodied and operational energies and carbon emissions with each other, especially considering existing buildings, through the concept of life cycle assessment. In the study, a method in which the findings obtained by conducting extensive literature analysis on internationally accepted scientific publications are compared and synthesized in order to create a conceptual framework has been preferred. As a result of the study, it has been determined that in order to ensure ecological sustainability, it will not be sufficient to reduce the operational energy only, and it is necessary to determine policies together with embodied energy.

Keywords

• Embodied energy
• operational energy
• carbon emission
• life cycle assessment
• sustainability

Yapılarda Gömülü ve Kullanım Enerjisi Kavramlarının Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) Metodolojisiyle İrdelenmesi

Abstract

Yapılan birçok bilimsel araştırmalara göre, küresel çapta gerçekleştirilen yıllık enerji tüketiminin yaklaşık yarısı, yapıların üretilmesi, işletilmesi ve bakımı için gerçekleştirilen faaliyetlerde kullanılmaktadır. Büyük oranı fosil kaynaklı yakıtlardan elde edilen bu enerjinin, kullanımıyla birlikte karbon emisyonuna neden olarak, iklim değişikliğini oluşturan etmenlerin başında gelmektedir. Gömülü (embodied) enerji; ham maddenin çıkarılması, işlenmesi, yapı malzemesine dönüştürülmesi, şantiye sahasına taşınması ve yapı inşası gibi devreye alma sürecinden önce gerçekleştirilen faaliyetlerin bütününü kapsamaktadır. Kullanım (operational) enerjisi ise, nihai kullanıcının iç ortam konfor şartlarını oluşturmaya yönelik, yapıların başta ısıtma, soğutma gibi iklimlendirilmesinde, aydınlatılmasında, enerji gerektiren araç-gereçlerin çalıştırılmasında tüketilen enerji olarak tanımlanmaktadır. Yapıların karbon ayak izinin etkili bir şekilde azaltılabilmesi, hem gömülü (embodied) hem de kullanım (operational) enerjisini dikkate alan tasarımlar ile mümkündür. Ancak, yapılan araştırmalar daha çok kullanım (operational) enerjisine odaklanarak, nispeten hesaplanması karmaşık ve yorucu bir süreç olan gömülü (embodied) enerjiyi göz ardı etmiştir. Bu çalışmada, yaşam döngüsü değerlendirmesi kavramı üzerinden, özellikle mevcut yapılar dikkate alınarak, gömülü (embodied) ve kullanım (operational) enerjileri kaynaklı karbon salınımlarının birbiriyle olan ilişkisi, irdelenmiştir. Çalışmada, uluslararası kabul görmüş bilimsel yayınlar üzerinden kapsamlı literatür analizi yapılarak elde edilen bulguların, kavramsal bir çerçeve oluşturmak amacıyla, karşılaştırılarak sentezlendiği bir yöntem tercih edilmiştir. Çalışmanın sonucunda, ekolojik sürdürülebilirliğin sağlanabilmesi için, sadece kullanım (operational) enerjisinin azaltılmasının yeterli olmayacağı, gömülü (embodied) enerji ile birlikte politikaların belirlenmesi zorunluluğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Gömülü enerji
• kullanım enerjisi
• karbon salınımı
• yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD)
• sürdürülebilirlik

References

1. KING, B., 2017. The new carbon architecture: Building to cool the climate. Canada: New Society Publishers.
2. SIMONEN, K., 2017. Life cycle assessment: Pocket architecture technical design series. London: Routlege.
3. BOVEA, M. D., IBÁÑEZ-FORÉS, V. ve AGUSTÍ-JUAN, I., 2014. 7 - Environmental product declaration (EPD) labelling of construction and building materials. İçinde: F. PACHECO-TORGAL, F. L. CABEZA, J. LABRINCHA ve A. DE MAGALHÃES, eds. Eco-efficient construction and building materials. Sawston: Woodhead Publishing. s. 125-150.
4. WOLF, C. D., RODRIGUEZ-DROGUETT, B. ve SIMONEN, K., 2017. The new carbon architecture: Building to cool the climate. İçinde: Chapte two: Counting carbon: What we know and how we know it. Canada: New Society Publishers. s. 17-31.
5. AZARI, R. ve ABBASABADI, N., 2018. Embodied energy of buildings: A review of data, methods, challenges, and research trends. Energy and Buildings. 168, s. 225-235.
6. CHASTAS, P., THEODOSIOU, T. ve BIKAS, D., 2016. Embodied energy in residential buildings-towards the nearly zero energy building: A literature review. Building and Environment. 105, s. 267-282.
7. DIXIT, M. K., 2017. Life cycle embodied energy analysis of residential buildings: A review of literature to investigate embodied energy parameters. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 79, s. 390-413.
8. DIXIT, M. K., FERNÁNDEZ-SOLÍS, J. L., LAVY, S. ve CULP, C. H., 2010. Identification of parameters for embodied energy measurement: A literature review. Energy and Buildings. 42, s. 1238-1247.

9. FUERTES, P., 2017. Embodied energy policies to reuse existing buildings. Energy Procedia. 115, s. 431-439.
10. GUAN, J., ZHANG, Z. ve CHU, C., 2016. Quantification of building embodied energy in China using an input–output-based hybrid LCA model. Energy and Buildings. 110, s. 443-452.
11. GUSTAVSSON, L. ve JOELSSON, A., 2010. Life cycle primary energy analysis of residential buildings. Energy and Buildings. 42, s. 210-220.
12. IBN-MOHAMMED, T., GREENOUGH, R., TAYLOR, S., OZAWA-MEIDA, L. ve ACQUAYE, A., 2013. Operational vs. embodied emissions in buildings—A review of current trends. Energy and Buildings. 66, s. 232-245.
13. KNEIFEL, J., O’REAR, E., WEBB, D. ve O’FALLON, C., 2018. An exploration of the relationship between improvements in energy efficiency and life-cycle energy and carbon emissions using the BIRDS low-energy residential database. Energy and Buildings. 160, s. 19-33.
14. KOVACIC, I., REISINGER, J. ve HONIC, M., 2018. Life Cycle Assessment of embodied and operational energy for a passive housing block in Austria. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 82, s. 1774-1786.
15. RAMESH, T., PRAKASH, R. ve SHUKLA, K. K., 2010. Life cycle energy analysis of buildings: An overview. Energy and Buildings. 42, s. 1592-1600.
16. SHIRAZI, A. ve ASHURI, B., 2020. Embodied Life Cycle Assessment (LCA) comparison of residential building retrofit measures in Atlanta. Building and Environment. 171 (106644), s. 1-15.
17. SRINIVASAN, R. S., INGWERSEN, W., TRUCCO, C., RIES, R. ve CAMPBELL, D., 2014. Comparison of energy-based indicators used in life cycle assessment tools for buildings. Building and Environment. 79, s. 138-151.
18. VENKATRAJ, V., DIXIT, M. K., YAN, W. ve LAVY, S., 2020. Evaluating the impact of operating energy reduction measures on embodied energy. Energy and Buildings. 226 (110340), s. 1-18.
19. AYAZ, E. ve YANG, F., 2009. Zero carbon isn't really zero: Why embodied carbon in materials can't be I,ignored [çevrimiçi]. Erişim adresi: DesingIntelligence https://www.di.net/articles/zero_carbon/ [Erişim tarihi 28 Aralık2020].
20. HAMILTON-MACLAREN, F., LOVEDAY, D. ve MOURSHED, M., 2009. The calculation of embodied energy in new build UK housing [çevrimiçi]. Erişim adresi: Loughborough University http://orca.cf.ac.uk/id/eprint/87289 [Erişim tarihi 27 Aralık2020].