Integration of Building Energy Simulation and Life Cycle Assessment for minimizing carbon emissions: A case study of Norwegian single-family house

Abstract

Energiforbruk til bygninger er en av de viktigste drivkraften for miljøbelastninger. Bygninger krever en betydelig mengde energi i løpet av livssyklusen, vanligvis kategorisert i driftsmessig og legemliggjort energi. I følge de siste studiene har det vært av stor interesse for EU og det internasjonale samfunnet å redusere den legemlige energien eller å minimere driftsenergien; Imidlertid har svært få studier blitt utført ved å vurdere begge aspektene sammen. I skyggen av denne interessen har denne masteroppgaven som mål å legge til et nytt bidrag ved å utvikle en metodikk som letter beslutningsprosessen for å minimere de samlede karbonutslippene ved å integrere Building Energy Simulation (BES) og Life Cycle Assessment (LCA) tidlig design stadier. Metodikken ble utviklet og demonstrert med en casestudie av et bolighus beliggende i et nordisk klima, der energibruk og livssyklusvurdering er satt som designmål. Den utviklede metodikken er sammensatt av tre hovedstadier: modelleringsoppsett, integrering av BES og LCA, og til slutt evaluering og utvalg. Integrering av BES og LCA har blitt utført i to trinn. For det første har BES blitt utført ved å bruke parametrisk simulering og uttømmende søkemetode, som genererer mange forskjellige designvarianter ved å krysse henvisning til alle designvariabler sammen. For det andre er designtilfeller som viser minimum, men tilnærmet like energibrukverdier, kombinert med forskjellige konstruksjonsalternativer, valgt for å utføre LCA. Dette gjør det mulig å identifisere og vurdere designtilfeller med den høyest nedfelte energien til tross for at de har lik driftsenergi. Resultatene viser at det er mulig å minimere karbonutslipp ved å integrere BES og LCA. Bruk av denne metodikken tillot for beregning og optimalisering av driftsmessige og legemlige konsekvenser for forskjellige design- og konstruksjonsalternativer i tidlige prosjekteringsfaser. Integrasjonen av BES og LCA muliggjorde dessuten en detaljert analyse av individuelle bygningselements bidrag til total påvirkning og identifisering av designspesifikke hotspots. Derfor gir denne forskningen kritisk innsikt i integrasjon av BES og LCA ved å forbedre vurdering og kommunikasjon av driftsmessige og legemliggjorte karbonutslipp i tidlige prosjekteringsfaser for å støtte intuitiv designveiledning. Tilnærmingen presentert i denne studien gir et bevis-for-konsept for å minimere de samlede karbonutslippene ved å integrere BES og LCA.

Energy consumption of buildings is one of the major drivers of environmental impacts. Buildings demand a significant amount of energy during their life cycle, generally categorized into operational and embodied energy. According to the latest studies, it has been of great interest in the EU and international community to reduce the embodied energy or to minimize operational energy; however, very few studies have been carried out by considering both aspects together. Under the shade of this interest, this master thesis aims to add a novel contribution by developing a methodology that facilitates the decision-making process for minimizing the overall carbon emissions by integrating Building Energy Simulation (BES) and Life Cycle Assessment (LCA) in early design stages. The methodology was developed and demonstrated with the case study of a residential building located in a Nordic climate, where energy use and life cycle assessment have been set as design objectives. The developed methodology is composed of three main stages: modelling setup, integration of BES and LCA, and finally evaluation and selection. Integration of BES and LCA has been carried out in two stages. First, BES has been carried out by using parametric simulation and exhaustive search method, which generates many different design variants by cross referencing all design variables together. Second, design cases showing minimum but approximately equal energy use values, combined with different construction options, are selected for performing LCA. This allows to identify and assess design cases with the highest embodied energy despite having equal operational energy. Results show that it is possible to minimize carbon emissions by integrating BES and LCA. Applying this methodology allowed for calculation and optimization of operational and embodied impacts for different design and construction options in early design stages. The integration of BES and LCA furthermore enabled a detailed analysis of individual building element’s contribution to the total impact and the identification of design-specific hotspots. Hence, this research delivers critical insights into BES and LCA integration by improving assessment and communications of operational and embodied carbon emissions in early design stages to support intuitive design guidance. The approach presented in this study provides a proof-of-concept for minimizing the overall carbon emissions by integrating BES and LCA