Article thumbnail

Klimatavtrycket som orsakas av överdimensioneringen av system för byggnadstjänster : En fallstudie av ett NHS sjukhus

By Maria Hein

Abstract

Energy usage in buildings is a main contributor to CO2 emissions and in order for the EU to reach the 2050 goal of carbon-neutrality, there is a great need to improve the energy efficiency in buildings, particularly commercial buildings that often are substantially overdesigned. Excess margins in the design process of building services result in an oversizing of these systems which has great environmental impacts, divided up as the operational and embodied carbon footprints. The heating and cooling system of an NHS Hospital in southern England was studied and modelled in order to identify whether the system was overdesigned and to quantify the oversizing’s carbon footprint, which was the aim of the study. The cooling system of the NHS Hospital was determined potentially oversized and the focus of the thesis was therefore on the cooling system. It included the chillers that provide cooling, and the associated adiabatic coolers that provide heat rejection, as well as the affiliated pumps. The carbon footprint of this system was quantified, based on the operational energy use, the current grid carbon factor, environmental performance evaluations of units, observations and assumptions, and its cooling capacity was compared to the demand of the hospital. An optimised alternative was developed through analysis of the current system and its capacity, and the demand at the site, as well as based on the learnings of the background research. The system was designed to consist of smaller chillers and a reduced pumping system, to more correctly match the cooling demand. The optimised system was also modelled, its capacity compared to the demand, and its carbon footprint quantified. A future estimation of the two systems’ carbon footprints was calculated for year 2035, based on a projected grid carbon factor. The systems’ setups and carbon footprints were then compared for the current and projected scenarios, and the results discussed, also in regard to mitigation strategies that could lead to a reduction of oversizing and lower the environmental impacts. The results indicate that the yearly carbon footprint difference for the current scenario was approximately 539 tonnes CO2 eq, which was 43% greater than the optimised system’s carbon footprint. Whereas the yearly difference for the projected scenario was estimated to approximately 562 tonnes CO2eq, which was 752% greater than the optimised system’s carbon footprint in a possible future. This demonstrates the great environmental impact caused by the oversizing of cooling systems. The current system’s embodied carbon footprint was estimated to 3.3% of the total carbon footprint for the current scenario, and 4.8% for the projected scenario. Whereas the optimised system’s embodied carbon footprint was estimated to 1.5% for the current scenario, and 8.6% for the projected scenario. This demonstrates the large share of the embodied carbon footprint of the current, oversized system, compared to the optimised system that is sized more correctly for the cooling demand. Furthermore, it shows the anticipated raised proportion of the embodied carbon footprint of a product or system’s total future carbon footprint, since it increases for both the systems with time. The elevated share of the embodied carbon footprint in the future raises the need to address this factor and make it a priority. The key to a correctly sized system that meets the demand was determined to be precise calculations of the requirements and the elimination of excess margins that lack quantifiable justification. This results in an improved environmental performance where the system operates at its optimum level. The stakeholders’ involvement and influence throughout a transparent design process with clear communication, and incentives that provide financial aid to appropriately sized systems, as well as environmental impact evaluations of products, among others, are essential factors with major influence on the outcome. These elements are considered crucial for the reduction of the excess carbon footprint caused by the oversizing of building service systems.Byggnaders energianvändning är en markant bidragande faktor till koldioxidutsläppen, och för att EU ska kunna nå målet att vara klimatneutral år 2050 finns det ett stort behov av att förbättra energieffektiviteten i byggnader, särskilt kommersiella byggnader som ofta är väsentligt överdesignade. Överskottsmarginaler i designprocessen av byggnadstjänster resulterar i en överdimensionering, som har en enorm miljöpåverkan, vilken delas upp som det operativa och det inneslutna klimatavtrycket. Studiens syfte var att studera och modellera värme- och kylsystemet på ett sjukhus i södra England för att identifiera om systemet var överdimensionerat, och för att kvantifiera dess klimatavtryck. Sjukhusets kylsystem bedömdes vara potentiellt överdimensionerat och studiens fokus var därför på kylsystemet. Det inkluderade kylarna som ger kylning och de anknutna adiabatiska kylarna som ger värmebortförsel, samt de tillhörande pumparna. Klimatavtrycket för systemet kvantifierades, baserat på den operativa energianvändningen, den nuvarande koldioxidfaktorn för elnätet, miljöutvärderingar av enheter, observationer och antaganden, och dess kylkapacitet jämfördes med sjukhusets behov. Ett optimerat alternativ utvecklades genom analys av det nuvarande systemet och dess kapacitet, och behovet på platsen, samt baserat på lärdomarna i litteraturforskningen. Systemet var utformat för att bestå av mindre kylare och ett reducerat pumpsystem för att bättre matcha kylbehovet. Även det optimerade systemet modellerades, dess kapacitet jämfördes med behovet, och dess klimatavtryck kvantifierades. En framtida uppskattning av de två systemens klimatavtryck beräknades för år 2035, baserat på en prognostiserad koldioxidfaktor för elnätet. Systemens uppsättningar och klimatavtryck jämfördes för de nuvarande och framtida scenarierna, resultaten diskuterades sedan, även med avseende på mildringsstrategier som kan leda till en reducering av överdimensionering och minskad miljöpåverkan. Resultaten indikerar att den årliga skillnaden i klimatavtrycket för det nuvarande scenariot var cirka 539 ton koldioxidekvivalenter, vilket var 43% större än det optimerade systemets klimatavtryck. Medan den årliga skillnaden i klimatavtrycket för det framtida scenariot uppskattades till cirka 562 ton koldioxidekvivalenter, vilket var 752% större än det optimerade systemets klimatavtryck i en eventuell framtid. Detta visar på den stora miljöpåverkan som orsakas av överdimensionerade kylsystem. Det nuvarande systemets inneslutna klimatavtryck beräknades till 3.3% av det totala klimatavtrycket för det nuvarande scenariot, och 4.8% för det framtida scenariot. Medan det optimerade systemets inneslutna klimatavtryck för det nuvarande scenariot var 1.5%, och 8.6% för det framtida scenariot. Detta demonstrerar den stora andelen inneslutet klimatavtryck i det nuvarande systemet, jämfört med det optimerade systemet som är bättre anpassat för kylbehovet. Dessutom visar det som förväntat den ökade andelen inneslutet klimatavtryck för en produkts eller ett systems totala klimatavtryck i framtiden, eftersom båda systemens inneslutna klimatavtryck visade på en framtida ökning. Den framtida ökade andelen inneslutet klimatavtryck väcker behovet av att itu med denna växande faktor och göra den till en prioritering. Nyckeln till ett system med korrekt storlek, vars kapacitet möter behovet, bestämdes vara exakta beräkningar av kraven och frånvaron av överskottsmarginaler som saknar kvantifierbar motivering. Detta resulterar i en förbättrad miljöprestanda där systemet fungerar på sin optimala nivå. Berörda parters engagemang och inflytande genom en transparent designprocess med tydlig kommunikation, och incitament som ger ekonomiskt stöd till system av korrekt dimensionering, samt miljökonsekvensbedömningar av produkter, är några av de viktigaste faktorerna med stort inflytande på slutresultatet. Dessa element bedöms vara avgörande för att minska överskottet av klimatavtrycket som orsakas av en överdimensionering av byggnadstjänster

Topics: Design, dimensioning, heating, cooling, boiler, chiller, pump, energy performance, environmental impact, mitigation strategy, Engineering and Technology, Teknik och teknologier
Publisher: KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik
Year: 2020
OAI identifier: oai:DiVA.org:kth-281540
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://urn.kb.se/resolve?urn=u... (external link)

  • To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.

    Suggested articles