Konvenčná vs. biosolárna strecha: LCA prípadová štúdia administratívnych budov
Časopis TZB Haustechnik 
Rastúce environmentálne výzvy a legislatívne záväzky EÚ zvyšujú tlak na znižovanie uhlíkovej stopy budov počas celého životného cyklu. Keďže budovy významne prispievajú k spotrebe energie a emisiám skleníkových plynov, je potrebné hodnotiť ich udržateľnosť komplexne – nielen z pohľadu prevádzky, ale aj výroby, údržby a likvidácie stavebných prvkov.
Jedným z progresívnych konštrukčných riešení, ktoré reagujú na tieto výzvy, je biosolárna strecha – konštrukčný systém, ktorý kombinuje vegetačnú vrstvu (napr. extenzívnu zeleň) so solárnymi fotovoltickými panelmi. Tento hybridný prístup umožňuje súčasne znížiť tepelné zaťaženie budovy, zadržiavať dažďovú vodu, podporovať biodiverzitu a zároveň vyrábať obnoviteľnú energiu [1 – 3].
Na druhej strane však prináša vyššiu materiálovú a technologickú náročnosť v počiatočných fázach životného cyklu, čo môže znamenať aj vyšší globálny environmentálny vplyv vo fáze výroby. Na komplexné posudzovanie vplyvov technických systémov na životné prostredie počas celého ich životného cyklu od výroby až po likvidáciu, bola navrhnutá metodika LCA.
Práve LCA pomáha identifikovať fázy životného cyklu s najvyššou záťažou na životné prostredie a porovnávať rôzne typy strešných systémov, ako sú tradičné strechy, zelené alebo hybridné strechy [4 – 5]. Pre objektívne posúdenie prínosu biosolárnej strechy je však nevyhnutné vykonávať LCA na úrovni celej budovy a pracovať s reálnou prevádzkovou energiou, aby bolo zrejmé, do akej miery vyvážia výroba elektriny z FV a úspory v prevádzke vyššiu úvodnú materiálovú záťaž [3, 6].
Cieľom príspevku je porovnať environmentálnu výkonnosť dvoch administratívnych budov s konvenčnou a biosolárnou strechou pomocou LCA hodnotenia. Hlavným indikátorom je potenciál globálneho otepľovania (GWP), so zameraním sa na vzťah medzi fázou výroby, prevádzkou a prínosmi recyklácie. Analýza skúma, do akej miery môžu energetické úspory a recyklačný potenciál vyvážiť vyššiu záťaž biosolárnej strechy. Výsledky prinášajú poznatky pre navrhovanie udržateľných budov v kontexte klimatických cieľov.
Metodika
Hodnotenie životného cyklu (LCA) sa zameriava na environmentálny vplyv dvoch administratívnych budov počas 60 rokov v rámci hraníc variantu Od kolísky po kolísku, zahŕňajúc výrobu materiálov, dopravu, výstavbu, fázu používania (vrátane údržby a prevádzky solárnych panelov) a fázu konca životnosti. Hodnotené administratívne budovy sú situované na Slovensku a sú označené ako B1 a B2. Budova B1 má biosolárnu strechu a B2 konvenčnú strechu.
Hrubá podlahová plocha budovy B1 je 18 991,1 m² a B2 15 874,0 m². V LCA analýze je vo fáze používania zohľadnená reálna prevádzková spotreba energie a vody. Environmentálne dosahy vyjadrené na 1 m² hrubej podlahovej plochy sú kvantifikované pomocou softvéru OneClickLCA.
V príspevku sú analyzované indikátory globálneho otepľovania (GWP), a to GWP-celkový, GWP-fosílny, GWP-biogénny a GWP-LULUC. Cieľom je poukázať na vplyv biosolárnej strechy z hľadiska environmentálnych dosahov počas životného cyklu. Fázy životného cyklu sú zobrazené na obr. 1 a posudzované budovy na obr. 2. Stavebné materiály použité v administratívnych budovách sú zhrnuté v tab. 1.
| Budova 1 (B1) | Budova 2 (B2) | |
| Základy | železobetón | železobetón |
| Vertikálne konštrukcie – nosné | železobetónový skelet, tehlové steny | železobetónový skelet, pórobetónové steny |
| Vertikálne konštrukcie – nenosné | sadrokartónové a zasklené steny | sadrokartónové a zasklené steny |
| Vodorovné konštrukcie | železobetónová doska | železobetónová doska |
| Povrchové úpravy | vápenná omietka, akrylová farba | sadrová a silikónová omietka, akrylová farba |
| Strecha | železobetónová doska, rozsiahly podklad | železobetónová doska, PVC strešná krytina |
| Tepelná izolácia | EPS, XPS, kamenná vlna, minerálna vlna, PIR | EPS, XPS, minerálna vlna, PIR |
| Izolácia proti vode a vlhkosti |
PE, PVC-P | asfaltové pásy, PVC-P, PE, HDPE |
| Výplne okien a dverí | transparentná fasáda | transparentná fasáda |
Tab. 1 Materiály použité v administratívnych budovách
Výsledky a diskusia
Na základe výsledkov LCA analýzy má budova s biosolárnou strechou (B1) vyššiu celkovú hodnotu GWP (2,77E+07 kg CO2e) v porovnaní s budovou s konvenčnou strechou (B2) (2,66E+07 kg CO2e). Emisie z fosílnych zdrojov vyjadrené indikátorom GWP-fosílny dominujú v oboch prípadoch, ale v prípade budovy B1 s biosolárnou strechou je GWP-biogénny (5,38E+04 kg CO2e) takmer dvojnásobne vyšší ako v prípade B2, a to z dôvodu použitia vegetácie na streche.
Výsledky pre GWP vyjadrené na 1 m2 hrubej podlahovej plochy pre jednotlivé fázy životného cyklu sú uvedené v tab. 2 a znázornené na obr. 3. Budova B1 vykazuje nižšiu hodnotu GWP-fosílny (1457,35 kg CO2e/m2) ako budova B2 (1673,74 kg CO2e/m2), pričom GWP-fosílny tvorí viac ako 99 % z GWP-celkový.
| Indikátory dosahov | Jednotka | B1 | B2 |
| GWP-celkový | kgCO2e/m2 | 1,47E+03 | 1,68E+03 |
| GWP-fosílny | kgCO2e/m2 | 1,46E+03 | 1,67E+03 |
| GWP-biogénny | kg CO2e bio/m2 | 2,84E+00 | 1,40E+00 |
| GWP-LULUC | kgCO2e/m2 | 9,42E+00 | 1,62E+00 |
Tab. 2 Výsledky indikátorov vplyvov na 1 m2 podlahovej plochy
Analýza všetkých ukazovateľov GWP na obr. 3 ukazuje, že spotreba prevádzkovej energie (B6) má najvýznamnejší vplyv na potenciál globálneho otepľovania, ktorý predstavuje približne 58,7 % z celkového vplyvu s hodnotou 1,21E+03 kg CO2e/m2 pri budove B2 a 7,13E+02 kg CO2e/m2 pri budove B1. Nasleduje fáza údržby (B2) s podielom 9,4 % a fáza produktu (A1 – A3) s podielom 6,6 %.
Ostatné fázy prispievajú v menšej miere. Väčšina emisií (viac ako 99 %) pochádza z fosílnych zdrojov, zatiaľ čo príspevok biogénneho uhlíka (GWP-biogénny) a emisií spojených s využívaním krajiny a so zmenou vo využívaní krajiny (GWP-LULUC) je zanedbateľný. Pozitívnym zistením je, že prínosy a záťaže mimo hranice systému (modul D) tvoria približne 0,9 % celkového vplyvu, čo naznačuje potenciál recyklácie a energetického zhodnocovania.
Na základe analýzy GWP-fosílny možno konštatovať, že budova B2 má výrazne nižšie emisie CO2e vo fáze produktu a výstavby (fáza A1 – A5) s hodnotou 138 kg CO2e/m2 v porovnaní s budovou B1 (394 kg CO2e/m2). To svedčí o výbere environmentálne vhodnejších materiálov. Naopak, budova B1 má oveľa nižšie emisie CO2e z prevádzkovej spotreby energie (modul B6) s hodnotou 713 kg CO2e/m2, zatiaľ čo budova B2 má až 1 211 kg CO2e/m2, čo je rozdiel vyšší ako 40 %.
Na základe tohto výsledku je B1 vhodnejšia z hľadiska životného cyklu, keďže prevádzkové emisie tvoria dominantnú časť celkových emisií GWP. Hoci obe budovy uvažujú s recykláciou materiálov, budova B1 vykazuje väčšie prínosy, a to na úrovni 71 %. Z hľadiska použitých stavebných materiálov možno konštatovať, že betón spôsobuje najviac emisií CO2e v budove B1 (56,1 %) a zasklená fasáda spôsobuje 34,7 % emisií v budove B2. Nasledujú cement (21,4 %) a zasklená fasáda (10,3 %) v budove B1 a betón (19,9 %) v budove B2.
Výsledky LCA ukazujú, že budova B1 s biosolárnou strechou je v prevádzkovej fáze oveľa energeticky úspornejšia ako budova B2. Rozdiel v hodnote GWP-fosílny pre modul B6 je až 500 kg CO2e/m² za 60 rokov v prospech budovy B1. Tento výsledok jasne potvrdzuje, že integrácia fotovoltických panelov na biosolárnej streche má významný pozitívny vplyv na zníženie prevádzkových emisií skleníkových plynov.
Hoci biosolárna strecha môže mať vyššie dosahy vo fáze produktu (A1 – A3), výrazné úspory vo fáze prevádzkovej energie (B6) pravdepodobne prevážia túto počiatočnú nevýhodu počas celého životného cyklu budovy. Hodnotenie GWP-biogénny ukazuje, že biogénny uhlík má pri obidvoch budovách relatívne malý vplyv na GWP-celkový. GWP-biogénny vo fáze produktu (A1 – A3) je 1,93 kg CO2e/m2 pri budove B1.
Naopak, budova B2 má negatívnu hodnotu -1,39 kg CO2e/m2 vo fázach A1 – A3 vďaka použitiu väčšieho množstva drevotrieskových dosák. Celkovo sú však tieto hodnoty v porovnaní s emisiami z fosílnych palív zanedbateľné, čo poukazuje na to, že hlavným zdrojom emisií je energetická náročnosť prevádzky budov.
Analýza scenárov
Analýza scenárov je zameraná na čas životnosti, pričom sa analyzovali dosahy za 60, 80, 100 a 150 rokov. Z výsledkov na obr. 4 vyplýva, že prevádzková fáza (B6) je najcitlivejšia na predĺženie životnosti a dominuje celkovým emisiám, zatiaľ čo fáza produktu a výroby (A1 – A5) zostáva konštantná.
Budova B1 má vyššie počiatočné vplyvy (A1 – A5), no vďaka fotovoltickým panelom dosahuje nižšie hodnoty GWP-fosílny počas prevádzky, zatiaľ čo B2 je náchylnejšia na nárast prevádzkových emisií. Pri uvažovaní životnosti 150 a 180 rokov pri budove B1 je nárast GWP-fosílny v moduloch B4 – B5 o takmer 72 % a 77 % v dôsledku viacnásobnej výmeny zabudovaných materiálov v závislosti od ich životnosti (15 až 60 rokov).
V prípade budovy B2 je tento nárast o 65 % a 72 % po 150 a 180 rokoch. Nárast GWP-fosílny v moduloch B6 je o 60 % a 67 % po 150 a 180 rokoch pri obidvoch budovách. Tento nárast je v oboch prípadoch rovnaký z dôvodu rovnakého charakterizačného faktora (CF) pre elektrinu (0,2 kg CO2e/kWh pre rok 2022).
Limitujúcim faktorom tejto štúdie je, že sa počíta s konštantou hodnotu CF pre referenčnú prevádzkovanú životnosť budovy. GWP-fosílny s uvažovaním všetkých fáz životného cyklu po 180 rokoch je 3 470,45 kg CO2e/m2 pri budove B1 a 4 682,26 kg CO2e/m2 pri budove B2, čo predstavuje 60 % a 65 % nárast oproti výsledkom po 60 rokoch životnosti budov.
V prípade demolácie budov po 60 rokoch a následnej výstavbe nových budov by dosahy predstavovali hodnoty GWP-fosílny 4 174,38 kg CO2e/m2 (budova B1) a 4 966,77 kg CO2e/m2 (budova B2), čo predstavuje 17 % (B1) a 6 % (B2) rozdiel v dosahoch v porovnaní s predĺžením životnosti budov na 180 rokov.
Tento výsledok poukazuje na význam zvýšenia času životnosti budov oproti demolácii a následnej výstavby nových budov. Štúdia potvrdzuje, že energetická efektívnosť, obnoviteľné zdroje a recyklácia sú pre udržateľné budovy kľúčové, pričom biosolárna strecha prináša dlhodobé environmentálne prínosy, ktoré kompenzujú vyššie počiatočné environmentálne vplyvy.
Záver
Analýza environmentálnych vplyvov dvoch administratívnych budov – s biosolárnou strechou (B1) a s konvenčnou strechou (B2) – ukázala, že budova s konvenčnou strechou (B2) má nižšie počiatočné hodnoty potenciálu globálneho otepľovania vo fáze produktu a výstavby (A1 – A5), budova B1 s biosolárnou strechou je však z dlhodobého hľadiska šetrnejšia k životnému prostrediu vďaka výrazne nižšej spotrebe energie počas prevádzkovej fázy.
Tento rozdiel jasne potvrdzuje, že integrácia fotovoltických panelov do biosolárnej strechy má významný pozitívny vplyv na zníženie potenciálu globálneho otepľovania. Analýza citlivosti ukázala, že čím je životnosť budovy dlhšia, tým je dôležitejšia jej energetická hospodárnosť. Budova B2 s konvenčnou strechou je oveľa citlivejšia na nárast prevádzkových emisií CO2e ako budova B1.
Toto zistenie zdôrazňuje strategický význam navrhovania budov s nízkymi prevádzkovými nárokmi a využívania obnoviteľných zdrojov na dosiahnutie dlhodobých klimatických cieľov. Pozitívny prínos recyklácie, najmä v prípade budovy B1, tiež poukazuje na potenciál cirkulárnej ekonomiky. Celkovo štúdia prispieva k argumentu, že udržateľné budovy by mali byť navrhované s dôrazom na dlhú životnosť a minimalizáciu prevádzkových emisií, ktoré predstavujú najväčšiu záťaž pre životné prostredie.
Príspevok bol finančne podporený programom EÚ 101056201 —SECOVE—ERASMUS-EDU-2021-PEX-COVE, Vedeckou grantovou agentúrou VEGA 1/0057/24 a programom EÚ Next Generation EU prostredníctvom Plánu obnovy a odolnosti pre Slovensko v rámci projektu č. 09I04-03-V02-00051.
Literatúra
- Fiorentin, D. P., Martín-Gamboa, M., Rafael, S., & Quinteiro, P. (2024). Life Cycle Assessment of green roofs: A comprehensive review of methodological approaches and climate change impacts. Sustainable Production and Consumption, 45, 598 – 611.
- Shafique, M., Luo, X., & Zuo, J. (2020). Photovoltaic-green roofs: A review of benefits, limitations, and trends. Solar Energy, 202, 485 – 497.
- Lamnatou, C., & Chemisana, D. (2015). A critical analysis of factors affecting photovoltaic-green roof performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, 264 – 280.
- Scolaro, T.P., Ghisi, E.: Life cycle assessment of green roofs: A literature review of layers materials and purposes. Sci. Total Environ. 829, 154650 (2022).
- Aggarwal, C., Molleti, S., Ghobadi, M.: A comprehensive review of life cycle assessment (LCA) studies in roofing industry: current trends and future directions. Smart Cities 7(5), 2781 – 2801 (2024).
- Fleck, R., Gill, R., Pettit, T. J., Torpy, F. R., & Irga, P. J. (2022). Bio-solar green roofs increase solar energy output: The sunny side of integrating sustainable technologies. Building and Environment, 226, 109703.
TEXT A FOTO: prof. Ing. Silvia Vilčeková, PhD., Mgr. Katarína Harčárová, PhD., a doc. Ing. Eva Krídlová Burdová, PhD.; Inštitút pre udržateľné a cirkulárne stavebníctvo, Stavebná fakulta, Technická univerzita v Košiciach; Ing. Jana Budajová, PhD.; Znalecký ústav v odbore stavebníctvo, Stavebná fakulta, Technická univerzita v Košiciach
