THEMA
Duurzaamheid van daksystemen: Levenscyclusanalyse van isolatiematerialen, dakbedekking en warmteverliezen door het dak Arjen Meijer en Antonio Contarini Naast het bouwen van nieuwe gebouwen op duurzame wijze staat het milieu-efficiënt renoveren van gebouwen steeds meer in de belangstelling. Hierbij wordt vaak per bouwdeel gekeken welke keuzes van bouwmaterialen de laagste milieubelasting hebben. In de praktijk blijkt dat er veel onduidelijkheid en weinig kennis is hierover. In dit artikel wordt de milieubelasting van veelgebruikte opties voor dakbedekking en –isolatie berekend met behulp van de levenscyclusanalyse (LCA). In 2009 zijn Onderzoeksinstituut OTB en de faculteit Bouwkunde van de TU Delft in samenwerking met 12 woningcorporaties en Aedes gestart met het onderzoeksprogramma Woningkwaliteit 2020 (WK2020). Hierin staat de energiebesparing in de woningvoorraad centraal. Het doel van dit vierjarig programma is de ontwikkeling van wetenschappelijk onderbouwde en praktisch bruikbare kennis voor grootschalige verbeteringen in de energieprestaties van de woningvoorraad. In één van deze projecten, “Integrale milieubelasting van onderhoud en renovatie”, wordt de integrale duurzaamheid van renovatie en onderhoud van verschillende bouwdelen zoals gevels, daken en installaties onderzocht. In het kader van dit project is in een afstudeeronderzoek de milieubelasting van veelgebruikte opties voor dakbedekking en –isolatie berekend met behulp van levenscyclusanalyse (LCA), waarbij de volledige keten van de materialen van wieg tot graf integraal wordt geanalyseerd (Contarini, 2012). Hierbij wordt ook rekening gehouden met het onderhoud en de gerealiseerde energiebesparing door verbeterde dakisolatie. Dit artikel geeft de belangrijkste resultaten van dit afstudeeronderzoek weer. De berekeningen van de milieubelasting van dakmaterialen zijn uitgevoerd voor een bestaande, te renoveren galerijflat in Leiden, bestemd voor jongeren. Dit gebouw uit de jaren 60 heeft vijf verdiepingen met zeven appartementen van 45 m² per verdieping en bergingen op de begane grond. Het totale dakoppervlak is 300 m² groot. Het gebouw is verder goed geïsoleerd met spouwisolatie en dubbel glas. Onderzochte materialen De duurzaamheid van de dakbedekking is berekend voor een groot aantal materialen. Een dak bestaat uit een constructielaag, een isolatielaag, een dakbedekkingslaag en optioneel een toplaag (ballast of coating). Dit wordt schematisch weergegeven in figuur 1.
MEI 2012
Figuur 1: Verschillende lagen van een daksysteem
In Tabel 1 staat een overzicht van de onderzochte materialen met hun karakteristieken. Voor de dakbedekking en de toplagen geldt dat de reguliere vervangingen als gevolg van slijtage worden meegenomen in de berekeningen. Ook het transport van de onderhoudsmedewerkers voor de inspectie van en onderhoud aan de daken zijn meegenomen. De reisafstand voor deze medewerkers is 50 kilometer enkele reis. Meer details over onder meer het specifieke materiaalgebruik zijn te vinden in het rapport van Contarini (2012). Voor de isolatielaag zijn diverse materialen met verschillende R-waarden onderzocht. De R-waarde is de warmteweerstand van een materiaal. Deze is afhankelijk van de dikte d (eenheid: m) van het materiaal en de thermische geleidbaarheid van het materiaal (eenheid: W/mK): Voor de onderzochte dakbedekkingen zijn eveneens verschillende materialen onderzocht. De dakbedekking kan worden verlijmd, bevestigd met RVS schroeven, bevestigd door middel van verhitting, of los worden aangebracht. In het laatste geval moet er een ballastlaag worden aangebracht. Als er geen
9
THEMA Isolatielaag EPS (Geëxpandeerd Polystyreen) XPS (Geëxtrudeerd Polystyreen) PIR (Polyisocyanuraat) PUR (Polyurethaan) Steenwol Dakbedekking PVC EPDM APP-gemodificeerd bitumen SBS- gemodificeerd bitumen Wit bitumen (APP-gemodificeerd) Toplaag Betontegels Grind Reflecterende coating
transport, onderhoud en inspecties (1x per jaar), afvalverwerking en warmteverlies van het dak zijn meegenomen in de berekeningen. Voor alle LCAberekeningen geldt dat recycling is opgenomen in de productie van de bouwmaterialen, en daarom niet wordt meegenomen in de afvalverwerking om dubbeltelling te voorkomen. Verder worden kapitaalgoederen die nodig zijn voor de productie van de materialen meegenomen in de berekeningen. De achtergrondgegevens voor de productie van de bouwmaterialen en het gasverbruik in de woning staan beschreven in Ecoinvent 2.2 (Ecoinvent Centre 2011). De berekeningen van de milieuschade worden volgens de ReCiPe endpoint-methode uitgevoerd (Goedkoop et al., 2009), waarbij de scores worden genormaliseerd met de normalisatieset voor Europa in 2000 en eventueel gewogen. De scores voor de individuele milieueffecten staan in het rapport van Contarini (2012).
Groendak
Energieberekeningen Tabel 1: Onderzochte isolatie- en dakmaterialen
ballastlaag nodig is, kan ervoor worden gekozen om een reflecterende laag aan te brengen om de koellast in de zomer te verminderen. De reflecterende laag die hier is onderzocht is een witte coating op basis van polyurethaan. Deze coating moet om de 5 jaar worden vervangen. Tot slot is ook het groendak meegenomen in de vergelijking. Het groendak dat in dit onderzoek wordt beschouwd kan op een willekeurige isolatielaag worden aangebracht. In Figuur 2 staan de
Door het aanbrengen van dakisolatie neemt de milieubelasting van de dakmaterialen toe vanwege het extra materiaalgebruik. Aan de andere kant zorgt de dakisolatie voor verminderd warmteverlies wat een verlaging van het gasverbruik als gevolg heeft. Om dit af te kunnen zetten tegen het extra materiaalverbruik, moet eerst dit verminderde gasverbruik worden berekend. Vervolgens kan met behulp van een LCA de milieueffecten van dit verminderde gasverbruik worden berekend. Voor de energieberekeningen worden alleen de energieverliezen door het dak meegenomen. Aangenomen wordt dat deze energieverliezen alleen effect hebben op de appartementen op de bovenste verdieping. Om de energieverliezen door het dak te berekenen wordt het totale energieverbruik voor de verwarming van de appartementen op de bovenste verdieping en die op de verdieping eronder berekend. Het verschil in energieverbruik tussen deze appartementen is het warmteverlies door het dak. Het energieverbruik voor verwarming van de appartementen wordt berekend met de EPA-W software van Vabi (Vabi, 2011).
Milieuscores isolatiematerialen verschillende lagen van het groendak weergegeven. Figuur 2: Verschillende lagen van een groendak
LCA-berekeningen De milieubelasting van de productie, onderhoud en afvalverwerking van de dakmaterialen zijn berekend met behulp van levenscyclusanalyse (LCA). De functionele eenheid, waarop de vergelijkingen gebaseerd zijn, is de productie, installatie en gebruik van 300 m² dakbedekking (het totale dakoppervlak). De gegeven levensduur van het dak is 30 jaar. Het
10
Figuur 3 geeft de milieubelasting van de isolatiematerialen op het hele dak weer. Een hogere score betekent een grotere milieubelasting. Voor alle isolatiematerialen geldt dat een hogere R-waarde leidt tot een lagere milieubelasting in alle schadecategorieën. Dit wijst erop dat een hogere R-waarde tot een lagere milieubelasting leidt. Hier zit echter een optimum in, omdat boven een bepaalde R-waarde de winst door het lagere gasverbruik teniet wordt gedaan door de extra milieubelasting als gevolg van het extra isolatiemateriaal om de hogere R-waarde te bereiken (Meijer & Majcen).
VHV - bulletin
THEMA De scores voor EPS, PIR en PUR voor één R-waarde ontlopen elkaar niet veel. Van alle isolatiematerialen heeft PIR de laagste milieubelasting. XPS heeft een vergelijkbare milieuscore voor uitputting van grondstoffen, maar voor humane gezondheid en kwaliteit van ecosystemen scoort XPS duidelijk slechter dan. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door de emissies van (H)Cfk’s bij de productie van XPS. Steenwol scoort in alle categorieën het slechtst. Er is een tien maal hoger gewicht aan steenwol nodig om
eenzelfde R-waarde te bereiken. Figuur 3: Genormaliseerde en gewogen milieubelasting van isolatiematerialen
Milieuscores dakbedekking en ballastlaag Figuur 4 geeft de milieubelasting van de dakbedekking met een eventuele toplaag op het dak. Ook hier betekent een hoge milieuscore dat de milieubelasting groter is. Alle categorieën laten een vergelijkbare trend zien. Geschroefd PVC heeft de laagste milieubelasting in elke categorie. Geschroefd EPDM heeft in elke categorie een lagere milieubelasting dan verlijmd EPDM; het produceren van de schroeven zorgt voor een lagere milieubelasting dan de productie van de lijm. Grind heeft als ballastlaag een lage bijdrage aan de totale milieuscore van de dakbedekking. Alle varianten met betontegels hebben een hogere milieubelasting dan de varianten met grind, behalve in de categorie van uitputting van grondstoffen. Dit kan met name worden verklaard door het feit dat grind alleen getransporteerd hoeft te worden, terwijl voor het beton van de betontegels ook nog een productieproces nodig is. In de categorie uitputting van grondstoffen hebben APP- en SBS-gemodificeerd bitumen met grind een hogere milieubelasting dan PVC of EPDM met betontegels. De oorzaak hiervoor ligt in de veel hogere milieubelasting van bitumen op de uitputting van grondstoffen. APP- en SBS-gemodificeerd bitumen hebben overigens een hogere milieubelasting dan de andere dakbedekkingsmaterialen met dezelfde
Figuur 4: De milieubelasting van dakbedekkingen en toplagen
MEI 2012
11
THEMA bevestigingsmethode. Dit wordt verklaard door het hogere gewicht van bitumen per m² dakoppervlak. Wit bitumen heeft een milieubelasting die ligt tussen die van door verhitting verkleefd APP- en SBS-gemodificeerd bitumen en die van APP- en SBS-gemodificeerd bitumen met gravel ballast. De samenstelling van wit bitumen is vergelijkbaar met die van APP-gemodificeerd bitumen, maar de dikte is groter. De bijdrage van de fiberglas wapening en de acrylaat coating is klein. Groendaken hebben de hoogste score in de categorieën humane gezondheid en kwaliteit van ecosystemen en één van de hoogste scores voor uitputting van grondstoffen. Alle combinaties met reflecterende coating hebben een twee- tot driemaal hogere milieubelasting dan hetzelfde type dakbedekking zonder reflecterende coating, omdat de reflecterende coating elke vijf jaar moet worden vervangen. De positieve effecten van wit bitumen, groendaken en de reflectieve coating op de koellast van het gebouw zijn echter niet meegenomen, wat tot een vertekend beeld kan leiden.
reflectieve coating op een verlijmde of geschroefde dakbedekking, en enkel de mogelijkheid voor een losse dakbedekking of een groendak op een XPS isolatielaag, dan zijn er meer dan 80 verschillende scenario’s mogelijk. Daarom is er voor de overzichtelijkheid een selectie gemaakt van vier scenario’s waarvan de milieubelasting wordt doorgerekend en onderling met elkaar wordt vergeleken (S1-S4). Deze scenario’s worden opgesteld op basis van de milieuscores van de isolatiematerialen en de dakbedekkingen, eventueel met een toplaag. De vier doorgerekende scenario’s staan beschreven in tabel 3. PIR met een R-waarde van 5 is gekozen vanwege de laagste milieubelasting (S1-S4). Geschroefd PVC is om dezelfde reden gekozen (S1). Verlijmd EPDM is meegenomen als alternatief met eveneens een lage milieubelasting, maar zonder schroeven (S2). Wit bitumen is meegenomen (S3) als optie met een positief effect op de koellast van het gebouw (hoewel dit niet is meegenomen in de berekeningen). Tenslotte is PVC met een grindlaag meegenomen als de optie met een ballastlaag die de laagste milieubelasting heeft (S4).
Milieuscores scenario’s Om een totaalbeeld te krijgen van de milieubelasting van een daksysteem dient de hele combinatie van isolatiemateriaal, dakbedekking, toplaag en warmteverliezen door het dak te worden doorgerekend. Als er wordt uitgegaan van een ballastlaag op losliggende dakbedekking, een optionele
Figuur 5 geeft de milieubelasting van de vier scenario’s, uitgesplitst naar materialen (productie, transport en afvalverwerking), onderhoud (transport van onderhoudsmedewerkers) en energieverlies door het dak. Scenario 1 heeft de laagste milieubelasting in alle schadecategorieën, op de voet gevolgd door
Figuur 5: Milieubelasting van de vier scenario’s
12
VHV - bulletin
THEMA scenario 4. Het energieverlies door het dak heeft een bijdrage van 60 tot 77% van de totale milieubelasting. De bijdrage van de materialen aan de totale milieubelasting is 20 tot 35%, en die van onderhoud 3 tot 4%.
Discussie en conclusies De resultaten van dit onderzoek geven een indicatie van de milieubelasting van de verschillende mogelijkheden voor isolatie, dakbedekking en ballast, inclusief het effect op het warmteverlies door het dak. Men moet echter voorzichtig zijn met het generaliseren van de resultaten. Zo zijn de berekeningen uitgevoerd voor een specifiek appartementencomplex in Leiden, met alle materiaal- en gebouwkenmerken behorende bij dit gebouw. Voor een ander complex kunnen de scores en de onderlinge verschillen voor de verschillende opties afwijken van die hier zijn gepresenteerd. Daarom zullen de hier gepresenteerde berekeningen opnieuw moeten worden uitgevoerd voor dat specifieke complex om de milieubelasting van de verschillende opties voor dat complex te berekenenHier hebben we het min of meer aan de telefoon over gehad. Het liefst laat ik dit staan om aan te geven dat we ons bewust zijn van de situatiespecifieke resultaten en de onzekerheden. In het algemeen kan voor de isolatielaag worden geconcludeerd dat PIR en EPS de materialen zijn met de laagste milieubelasting, en steenwol het materiaal met de hoogste milieubelasting. Het beter isoleren van het dak heeft een hogere materiaalgerelateerde milieubelasting tot gevolg, maar door de vermindering van het gasverbruik door het lagere warmteverlies door het dak heeft een dikkere isolatielaag uiteindelijk een netto lagere milieubelasting dan een dunnere isolatielaag. Voor de dakbedekking geldt dat systemen zonder ballastlaag of reflecterende coating vrijwel altijd de beste optie is. Verschroefd PVC, verschroefd EPDM, verlijmd EPDM en PVC met een grindlaag hebben hiervan de laagste milieubelasting. Mocht een ballastlaag nodig zijn, dan is grind de beste optie. Daksystemen met een reflecterende coating en groendaken hebben de hoogste milieubelasting, maar het positieve effect van deze systemen op de koellast en voor groendaken op de luchtkwaliteit, die hier door gebrek aan gegevens buiten beschouwing zijn gelaten, en de leefbaarheid verlagen weer de milieubelasting van deze systemen. Uiteindelijk zal een slimme keuze van isolatiemateriaal en dakbedekking, waarbij rekening wordt gehouden met praktische toepasbaarheid, voldoende aandacht voor energieverbruik en comfort, en een efficiënt onderhoudsschema, leiden tot een lagere milieubelasting voor de totale aanleg, renovatie en onderhoud van daksystemen.
MEI 2012
Arjen Meijer is onderzoeker duurzaam en gezond wonen bij de sectie Duurzame Woningkwaliteit van Onderzoeksinstituut OTB, Technische Universiteit Delft.
[email protected] Antonio Contarini heeft recent zijn masterdiploma Industrial Engineering behaald aan de Universiteit van Bologna. Hij heeft zijn masteronderzoek onder begeleiding van Arjen Meijer uitgevoerd in dezelfde sectie. antonio.contarini@ gmail.com Literatuurlijst Contarini, A., 2012. Flat roofs renovation: a life cycle approach for environmental impact assessment and economic effectiveness. Master thesis, Technische Universiteit Delft, Delft & Università di Bologna, Bologna Ecoinvent Center, 2007. Ecoinvent data v2.2, Final reports No.1-25. Ecoinvent Center, Dubendorf Goedkoop, M., R. Heijungs, M. Huijbregts, A. De Schryver, J. Struijs & R. van Zelm, 2009. ReCiPe 2008. A life cycle impact assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and the endpoint level. Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu, Den
13
