Reducing Embodied Carbon - COTE 3/8/2011

  • 1,385 views
Uploaded on


Reducing Embodied Carbon in the built environment will play an increasingly important role in reducing overall carbon emissions over the next 20 years. For buildings, the focus has mostly been on reducing emissions by reducing the use of fossil fuels for operating energy. But we also need to reduce the carbon emissions embodied in the materials and resulting from the construction phase. As buildings become more efficient to operate, the embodied energy and emissions from materials and construction becomes an increasingly significant portion of total GHG emissions.

More in: Design
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
1,385
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
16
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. Time Value of CO2e savings CO2e TimeThe importance of embodied CO2e Larry  Strain       Siegel  &  Strain  Architects   www.siegelstrain.com  
  • 2. DEFINITIONS  Carbon  Dioxide  (CO2)  –  a  colorless,  odorless  gas  1.98kg/m3              Density:  1.98kg/m3  (at  s.t.p.)              I  Ton  =  505  cubic  meters              1lb  =  2  ½  cubic  feet  Each  year,  the  US  produces  enough  CO2    to  cover  the  enTre  land  mass  of  the  US  18”  deep  
  • 3. DEFINITIONSCarbon  Dioxide  (CO2)          GWP  =  1  Other  greenhouse  gasses:      Water  Vapor      Methane        GWP  =  21      Ozone      Nitrous  Oxide        GWP  =  310      Fluorinated  Gasses      GWP  =  140  to  11,700            HFC-­‐23      GWP      =  11,700            HFC-­‐32      GWP      =            650            HFC-­‐125          GWP      =      2,800            HFC-­‐134a      GWP      =      1,300            HFC-­‐143a          GWP      =      3,800            HFC-­‐152a                GWP      =            140            HFC-­‐227ea    GWP      =      2,900            HFC-­‐236fa        GWP      =      6,300            HFC-­‐4310mee    GWP      =      1,300        
  • 4. ENVIRONMENTAL IMPACTS - BUILDING OPERATIONS
  • 5. ENVIRONMENTAL IMPACTS - BUILDING CONSTRUCTION
  • 6. Construction Sources of CO2eConstrucTon  Materials   ExtracTon,  Harvest   Manufacture  –  primary,  secondary   Transport  ConstrucTon  AcTvity   Equipment  –  grading,  hauling,  cranes,  etc.   Labor  -­‐  transportaTon   Energy  Use  –  tools,  temp  faciliTes    
  • 7. Reducing Embodied CO2e in Buildings(lower emission materials - fewer materials) 51.4   43.9   24   Typical  Home  -­‐  51.4  MT   “Greener”  Home  –  43.9  MT    “Greener”  Home    -­‐  30  MT    (Full  Basement)    (Full  Basement)   -­‐19.9    (No  Basement)   Fiberglass  Insula?on   -­‐3.64    Cellulose  Insula?on   -­‐3.64    Cellulose  Insula?on   Vinyl  frame  windows   -­‐1.94      Wood  frame  windows   -­‐1.94      Wood  frame  windows   Vinyl  Siding   -­‐1.77      Wood  Siding   -­‐1.77      Wood  Siding   Comp  shingle  roofing   +2.89    Steel  roofing  –  more  durable   +2.89    Steel  roofing  –  more  durable   2x4  framing   +0.32    2x6  framing  –  more  insula?on   +0.32    2x6  framing  –  more  insula?on   OSB  Sheathing   -­‐1.36      Plywood   -­‐1.36      Plywood   15%  fly-­‐ash  concrete   -­‐1.98      35%  fly-­‐ash  concrete   -­‐1.98      35%  fly-­‐ash  concrete   7.5  ton  reduc?on   27.4  ton  reduc?on  Source:  NAHB  esTmates  based  on  Athena  Impact  EsTmator,  the  Department  of  Housing  and  Urban  Development’s  UTlity  Model  and  regressions  developed  from  the  Department  of  TransportaTon’s  NaTonal  Household  Travel  Survey  Data.    
  • 8. Reducing Embodied CO2e in Buildings(Very low emission materials) LOW  CARBON  ALTERNATIVE   CO2  Unit   STANDARD  MATERIALS   MulTplier   Aggregate  rubble  trench   1   Concrete  foundaTon   20x   Earthen  floor  (from  site)   1   Raised  wood  floor   20x   No  carpet   0   SyntheTc  carpet   N/A   Wood   1   Engineered  wood  products   2  -­‐  10x   Wood  window  frames   1   Aluminum  window  frames   20x   Cellulose  insulaTon   1   Fiberglass  insulaTon   5  –  10x   Strawbale  walls  (load  bearing)   1   Wood  frame  walls   2  -­‐  10   Clay  paint  (from  site)   1   Paint   30x   Adobe    (earth  from  site)   1   Fired  brick   20x  
  • 9. Design  Team  Mechanical  –  Rumsey  Engineers        Electrical  –  IDeAs        Photovoltaics  –  High  Sun  Engineers        Structural  –  Forrell/Elsesser        Landscape  –  Lutsko  Associates        Civil  -­‐    BKF  PORTOLA  VALLEY  TOWN  CENTER    (PVTC) Goring  &  Straja  Architects  
  • 10. Old  Town  Center                Area                %  of  Total                                        New  Town  Center              Area                %  of  Total   Building  Footprint            25,000                    5.1%                                          Building  Footprint          20,500      4.2%   Paving                                                165,900                33.9%                                          Paving                                                146,400                29.9%   Playing  Fields                            96,000                19.6%                                              Playing  Fields                      100,000                  20.4%   Landscape                                  203,000                41.4%                                            Landscape                                223,000                  45.5%   BEFORE                    AFTERPORTOLA  VALLEY  TOWN  CENTER    (PVTC) Goring & Straja Architects
  • 11. PORTOLA  VALLEY  TOWN  CENTER    (PVTC) Goring & Straja Architects
  • 12. PVTC  -­‐  Building  Materials  –  Weight  –  1664  tons   Concrete    -­‐    1324   Reinf.  Steel    -­‐    51   Wood    -­‐    119   Engineered  Wood    -­‐    25   Struct.  Steel    -­‐    10   Metal  roofing    -­‐    13   Waterproofing    -­‐    3   InsulaTon  -­‐  Bak  -­‐  0   InsulaTon  -­‐  XPS  -­‐  1   Fiber  Cement  Shakes    -­‐    1   Steel  Doors    -­‐    1   Glass  -­‐  dbl  pane  -­‐  8   Alum/glass  doors    -­‐    .6   Alum.  Clad  wndws    -­‐    .4   Gyp.  bd.    -­‐    63   Clg.  Tile    -­‐    6   Ceramic  Tile    -­‐    4   Carpet  Tile    -­‐    3   Ceiling  Tile  -­‐  6   Linoleum    -­‐    .4   DucTng    -­‐    6   Cast  Iron  pipe    -­‐    6   Copper  Pipe    -­‐    2   Steel  pipe    -­‐    .4   Wiring    -­‐    .4   Pex  Tubing  
  • 13. PVTC  -­‐  Building  Materials  –  GHG  emissions  –  449  tons   Concrete  -­‐  172   Reinf.  Steel  -­‐  21   Wood  Framing  -­‐  36   Eng.  Wood  -­‐  16   Struct.  Steel  -­‐  7   Metal  Roofing  -­‐  31   Waterproofing  -­‐  14   InsulaTon  -­‐  Bak    -­‐  13   InsulaTon  -­‐  XPS  -­‐  28   Cem/fiber  Shakes  -­‐  2   Steel  Doors  -­‐  3   Glass  -­‐  dbl  pane  -­‐  7   Alum/glass  doors  -­‐  4   Alum.  clad  wndws  -­‐  3   Gypsum  board  -­‐  22   Wood  -­‐  Finish  -­‐  17   Carpet  Tile  -­‐  6   Ceramic  Tile  -­‐  6   Ceiling  Tile  -­‐  1   Linoleum  -­‐  1   DucTng  -­‐11   Cast  Iron  pipe  -­‐  11   Copper  Pipe  -­‐  5   Steel  pipe  -­‐  1   Wiring  -­‐  8   PEX  Tubing  -­‐  2  
  • 14. GHG  Emissions  –  ConstrucTon  Materials  -­‐  Buildings                Base  Case  –  449  Tons                As  Built–  305  Tons  -­‐  ReducTon  -­‐  144  Tons  (32%)     190   180   170   160  GHG  Emissions  (Tons)   150   140   130   120   110   100   90   80   70   60   50   40   30   20   10   0   -­‐10   -­‐20   -­‐30   Wood  -­‐  Finish     Concrete   Reinf.  steel   Wood  Framing   Struct.  Steel   Metal  roofing   Waterproofing   InsulaTon  -­‐  Bak     InsulaTon  -­‐  XPS   InsulaTon  -­‐  Cokon   Cem/fiber  Shakes   Salvaged  Wood   Ceramic  Tile   Linoleum   DucTng   Cast  Iron  pipe   Wiring   PEX  Tubing   Copper  Pipe   Glass  -­‐  dbl  pane   Engineered  Wood   Carpet  Tile   Ceiling  Tile   Gyp.  bd.   Alum.  clad  wndws   Steel  pipe   Alum/glass  doors   Steel  Doors        Structure                                  Envelope                                    Finishes                                    MEP                  252                              106                                                                  53                  37                            166                              97                                                10                          32  
  • 15. GHG  Emissions  -­‐  ConstrucTon  Materials  –  Buildings  +  Site                Base  Case  –  772  Tons                As  Built  –  564  tons  -­‐  ReducTon  -­‐  208  tons  (27%)     190   180   170   160   150   140   130   120   110   100   90   80   70  GHG  Emissions  (Tons)   60   50   40   30   20   10   0   -­‐10   -­‐20   -­‐30   UTliTes  -­‐  piping   Site  Concrete   Sewer  extension   Wood   Wood  -­‐  Finish     Wire   Reinf.  steel   Wood  Framing   Struct.  Steel   Metal  roofing   Waterproofing   InsulaTon  -­‐  Bak     InsulaTon  -­‐  XPS   InsulaTon  -­‐  Cokon   Glass  -­‐  dbl  pane   Salvaged  Wood   Carpet  Tile   Cast  Iron  pipe   Wiring   AC  paving   Reinf.  steel   Trail  paving   Gyp.  bd.   Linoleum   DucTng   PEX  Tubing   Engineered  Wood   Copper  Pipe   Conduit   Ceiling  Tile   Alum.  clad  wndws   Steel  pipe   Concrete   Alum/glass  doors   Steel  Doors   Ceramic  Tile   Cem/fiber  Shakes      Site                        Structure      Envelope      Finishes                          MEP                323                    252                                106                                53                  37                259                    156                                97                                10                  32  
  • 16. GHG  Emissions  (Tons)   0   20   40   60   80   100   120   140   160   Earthwork,  paving   Conc.  Demo  -­‐  omaul   Baserock  -­‐  import  Site              145          156 CMU  Demo  -­‐  omaul               Worker  commute   Windows  -­‐  Manitoba           Gyp.  bd.                  Base  Case  –  306  tons   Carpet           Ceiling  Tile  s         Wood  –  FSC     Ceramic  Tile   Wood  –  Site  salvaged   Recycling  Hauling                145                150   Concrete  cast  in  place    Buildings   Cellulose  InsulaTon     Wood  –  Engineered                  As  Built  –  290  -­‐  ReducTon  -­‐  16  tons  (9%)   Metal  Roofing   Struct.  Steel  –  truck   GHG  Emissions  –  Construc?on  Vehicle  Emissions       Struct.  Steel  –  train   Waste  Hauling   Reinf.  steel  -­‐  truck   Reinf.  steel  -­‐  trail  
  • 17. GHG  Emissions  -­‐  Totals   Base  Case  –  1,078  tons           As  Built  –  854  tons  ReducTon  -­‐  224  tons  (21%)        1200  1000   306 800   Vehicles 290 600   400   772 Materials 564 200   0   Base  Case   As-­‐Built   Goring & Straja Architects
  • 18. Portola  Valley  Town  Center  –  CalculaTng  CO2e   Baseline  –  Standard       As-­‐Built  –  Reduced  carbon   Savings   Material     Quant.   ton  CO2  /   Total    CO2  /   Quant.   ton  CO2  /   Total    CO2  /   Tons  of   Source   tons     ton   ton   tons     ton   ton   CO2     Concrete   1324   0.13   172.4   1324   0.07   86   -­‐86   ICE   Reinforcing  steel   51   0.4   21.42   51   0.4   21.4   0   ICE  Structure   Wood   80   0.45   36   80   0.45   36   0   ICE   Engineered  Wood   24.6   0.65   16   24.6   0.65   16   0     ICE   Structural  Steel   10   0.68   6.8   10   0.68   6.8   0   ICE   Structure  Total   252   166   -­‐86   Weight   Weight   CO2/ton     CO2/ton     material   material   Total   Total   emissions   emissions   Source  of     CO2  emissions    data  
  • 19. Baseline   Reduced  Carbon   Material     Quant.  t     t  CO2  /  t   Total    CO2  /  t   Quant.  t   t  CO2  /  t   Total    CO2  /  t   t  saved     Portola  Valley   Concrete   1324   0.13   172.1   1324   0.07   86.1   -­‐86   Reinf.  steel   51   0.42   21.4   51   0.42   21.4   0   Town  Center  Structure   Wood  Framing   80   0.45   36.0   80   0.45   36.0   0   Engineered  Wood   24.6   0.65   16.0   24.6   0.65   16.0   0   Struct.  Steel   9.8   0.68   6.7   9.8   0.68   6.7   0   Structure  Total   Metal  roofing   12.5   2.50   252.2   31.25   12.5   2.50   166.1   31.3   -­‐86   0   56%  -­‐  Structure   Ice  and  water  shield   3.3   4.20   13.86   3.3   4.20   13.9   0   InsulaTon  –  Bak     7.5   1.50   11.25   47   0.04   1.9   -­‐9   InsulaTon  -­‐  XPS   6500  bf   8.67   28.20   6500  bf   8.67   28.2   0   InsulaTon  -­‐  Cokon   1.0   1.50   1.50   3   0.04   0.1   -­‐1  Envelope   Metals  -­‐  Sunscreen   1.5   0.68   1.02   1.5   0.68   1.02   Fiber  Cement  Shakes   1.1   2.11   2.32   2.2   1.80   4.0   2   Steel  Doors   1.2   2.50   3.00   1.2   2.50   3.0   0   Glass  -­‐  double  pane   8.32   0.85   7.07   8.32   0.85   7.1   0   Alum.  sTle/rail  doors   0.59   8.20   4.84   0.59   8.20   4.8   0   alum.  Clad  frames   0.38   8.20   3.12   0.38   8.20   3.1   0   Gyp.  bd.   Envelope  Total   63   0.35   107.4   22.1   63   0.35   98.3   22.0   -­‐9   0   24%  -­‐  Envelope   Wood  -­‐  Finish     39   0.45   17.6   0.0   0.45   0.0   -­‐18   Salvaged  Wood   0   0.00   0.0   39   -­‐0.67   -­‐26.1   -­‐26  Finishes   Ceiling  Tile   6.4   0.20   1.3   6.4   0.20   1.3   0   Ceramic  Tile   4.4   1.40   6.2   4.4   1.40   6.2   0   Carpet  Tile   2.5   2.30   5.8   2.5   2.30   5.8   0   Linoleum   0.4   1.20   0.4   0.35   1.20   0.4   0   DucTng   Finishes  Total   6.0   1.75   53.2   10.5   3   1.75   9.5   5.3   -­‐44   -­‐5   12%  -­‐  Finishes   Cast  Iron  pipe   5.7   1.90   10.8   5.7   1.90   10.8   0   Copper  Pipe   1.6   3.00   4.8   1.6   3.00   4.8   0  MEP   Steel  pipe   0.4   2.70   1.0   0.38   2.70   1.0   0   PEX  Tubing   0.5   4.00   1.8   0.5   4.00   1.8   0   Wiring   0.3   3.00   7.8   0.346   3.00   7.8   0   MEP  Total   Building  Total  CO2   36.8   449.6   31.5   305.5   -­‐5   -­‐144   8%  -­‐  MEP  Totals   Building  sf   23273.0   23273.0   lbs  CO2/sf   38.6   26.2   -­‐12.4  
  • 20. PORTOLA  VALLEY  TOWN  CENTER ConstrucTon vs Operating EmissionsPassive  Design          Efficient  Systems:  -­‐     Natural  light      -­‐  Radiant  Slabs  –  97%  efficient  Boilers  -­‐     Natural  VenTlaTon    -­‐  Ultra  efficient    air  condiToners  –  SEER  19  -­‐     Thermal  Mass      -­‐  100%  outside  air  venTlaTon  –  30%  above  ASHRAE  -­‐     Well  insulated  shell    -­‐  Indirect  energy  recovery  between  inlet  and  relief  air  -­‐     External  Shading              -­‐    76  KW  Photo  voltaic  roof  top  system      -­‐     ReflecTve  Roofs      -­‐    Low-­‐flow  fixtures  –  waterless  urinals,  dual  flush                    
  • 21. Embodied  Emissions  /  OperaTng  Emissions  –  over  100  years  Tons  16000   15000   OperaTng  14000  12000  10000   8000   6000   4000   2000   1880   ConstrucTon   1080   0   1    12   0          20                34                    45   3   0   0 6   7   8            50                    60                    70      89                90                  111       Years   0 10   00   ConstrucTon  12%  of  OperaTng  
  • 22. Embodied  Emissions  /  OperaTng  Emissions  –  over  100  years   Efficient, Low Carbon BuildingTons  16000  14000  12000  10000   8500   OperaTng   8000   6000   4000   2000   850   1200   ConstrucTon   0   1   2   3   4   5    10          20                30                    40          56                    67                    78   0   0   0      89                90                  111       Years   0 10   00   14%  
  • 23. Embodied  Emissions  /  OperaTng  Emissions  Tons  16000  14000  12000  10000   8500   OperaTng   8000   6000   4000   2000   850   1200   ConstrucTon   0   1    12   0          20                34                    45   3   0   0 6   7   8            50                    60                    70      89                90                  111       Years   0 10   00  
  • 24. Embodied  Emissions  /  OperaTng  Emissions  –  over  20  years   Efficient, Low Carbon BuildingTons  4000  3500  3000  2500  2000   1700     OperaTng  1500  1000   850     ConstrucTon   500   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   Years   ConstrucTon  50%  of  OperaTng  
  • 25. Embodied  Emissions  &  OperaTng  Emissions  are  addiTve  Tons   Standard  Building  4500  4000   4080  tons  3500  3000  2500  2000  1500   3000  tons  1000   1080  tons   500   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   Years  
  • 26. Embodied  Emissions  &  OperaTng  Emissions  are  addiTve  Tons   Efficient, Low Carbon Building4500  4000  3500  3000   2550  tons  2500  2000  1500   1700  Tons  1000   500   850  Tons   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   Years  
  • 27. WHY FOCUS ON EMBODIED CARBON? •  Time Value of Carbon Savings Carbon saved now is worth more than Carbon later (area under the line is total carbon emitted) Carbon Reduction 10%  reduc?on  per  year   Start  slow  -­‐  increase  rate  of  reduc?on   Start  fast  -­‐  decrease  rate  of  reduc?on   Time
  • 28. Existing Building Stock - Billions Square Feet Residen?al 193   275   82   Commercial
  • 29. Annual Construction – Billions of Square Feet 2.2   2.2   Residen?al 2.4   2.4   Commercial ~4.6  Billion  S.F.     ~4.6  Billion  S.F.     New       Renovated      
  • 30. Annual Construction Emissions – 174 M tons ~134  Million  Tons   ~40.5  Million  Tons   44   Residen?al 90   16.5   24   Commercial New   Renovated   Commercial  –  75lbs/sf   Commercial  –  20lbs/sf   ResidenTal    –  40lbs/sf   ResidenTal    –  15lbs/sf  
  • 31. Reduced Carbon Construction Emissions – 128 M tons ~87.5  Million  Tons   ~40.5  Million  Tons   27.5   Residen?al 60   16.5   24   Commercial New  –  Reduced  CO2   Renovated   Commercial  –  50lbs/sf   Commercial  –  20lbs/sf   ResidenTal    –  25lbs/sf   ResidenTal    –  15lbs/sf  
  • 32. Reduce New Construction SF, Increase Renovations (-­‐1  billion)   (+1  billion)   2.7   Residen?al 1.7   2.9   1.9   Commercial 3.6  Billion  S.F.     ~5.6  Billion  S.F.     New       (+1  billion   Renovated      
  • 33. Reduce New Construction SF, Increase RenovationsAnnual Construction Emissions – 145 M tons ~105  Million  Tons   ~40.5  Million  Tons   34   Residen?al 71   16.5   24   Commercial New   Renovated   Commercial  –  75lbs/sf   Commercial  –  20lbs/sf   ResidenTal    –  25lbs/sf   ResidenTal    –  15lbs/sf  
  • 34. Reduce New Construction SF, Increase Renovations, andReduce Construction EmissionsAnnual Construction Emissions – 109 M tons ~69  Million  Tons   ~40.5  Million  Tons   Residen?al 21   16.5   48   24   Commercial New  –  Reduced  CO2   Renovated   Commercial  –  75lbs/sf   Commercial  –  20lbs/sf   ResidenTal    –  25lbs/sf   ResidenTal    –  15lbs/sf  
  • 35. Data Sources Databases   •  NREL  Data  (US  specific)   •  ICE  Database  (Inventory  of  Carbon  and  Energy)                                         Bath  University  -­‐  UK  /  EU  /  Global  data   •  Ecoinvent  (Global  /  European  data)   •  Franklin  Data  (transportaTon  of  materials)   Carbon  Analysis  Programs   •  Athena  InsTtute-­‐  reasonably  transparent   •  Assembly  Calculator  –  free   •  Impact  EsTmator  –  fee  for  download   •  SimaPro  –  free  demo,  reasonably  transparent   •  URBEMIS  –  free,  transparent   •  EPA  WAste  ReducTon  Model  (WARM)  –  free,  transparent   •  ConstructCO2  –  beta  
  • 36. The Value of Data Measurement   "  .  .  .  careful  measurement  is  a  way  of  discovering  new   things,  not  just  checking  the  status  quo.  Monitoring  is  not   just  a  necessary  handmaiden  of  science  -­‐  it  is  the  real   thing."     (Economist,  March  6,  2010,  "Monitoring  Greenhouse  Gases:   Highs  and  Lows”,  thanks  to  Peter  Morris)  
  • 37. PORTOLA  VALLEY  TOWN  CENTER Goring & Straja Architects