Środowisko zabudowane, do którego zalicza się budowę i eksploatację budynków, autostrad, mostów i innej infrastruktury, odpowiada za blisko 40 procent globalnej emisji gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do zmiany klimatu.
Podczas gdy wiele przepisów budowlanych i punktów odniesienia skupia się na budowaniu „bardziej ekologicznych”, bardziej energooszczędnych nowych budynków, nie wystarczy dążyć do redukcji emisji w trakcie eksploatacji, powiedział Ming Hu, prodziekan ds. badań, stypendiów i pracy twórczej w Szkole Architektury Notre Dame. Zamiast tego decydenci i liderzy branży muszą spojrzeć szerzej, badając rolę ucieleśnionego węgla w istniejących budynkach.
Ucieleśniony węgiel oznacza ilość emisji gazów cieplarnianych związanych z całym cyklem życia produktu, w tym wydobyciem, produkcją i transferem materiałów; wytwarzaniem produktu lub budynku; i jego ostateczną utylizacją lub rozbiórką. W dziedzinie budownictwa materiały takie jak asfalt, beton i stal mają szczególnie poważne konsekwencje dla środowiska.
Wpływ ucieleśnionego węgla w środowisku zabudowanym był trudny do oszacowania ze względu na brak danych. Aby wypełnić tę lukę w wiedzy, Hu i Siavash Ghorbany, student studiów podyplomowych z inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Notre Dame, opracowali nowy sposób analizy ucieleśnionego węgla w ponad 1 milionie budynków w Chicago.
Ostatnio opublikowane badania identyfikują 157 różnych typów budynków mieszkalnych w mieście i stanowią pierwsze na świecie narzędzie do analizy wizualnej, pozwalające na szczegółową ocenę emisji dwutlenku węgla. Pomaga ono decydentom politycznym w strategicznym planowaniu działań mających na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla w miastach.
„Wcześniej często trudno było zwizualizować tę koncepcję i uzasadnić, dlaczego chcemy zachować i ponownie wykorzystać istniejące budynki” — powiedział Hu. „Uważamy, że jest to bardziej przejrzysty, bezpośredni sposób, aby pomóc decydentom lub laikom podejmować świadome decyzje. Gdybym był burmistrzem Chicago, mógłbym na to spojrzeć i powiedzieć: „OK, zanim zburzę ten budynek, muszę się dwa razy zastanowić, ponieważ w tej konstrukcji jest już dużo węgla. Czy chcę go zmodernizować i ponownie wykorzystać, czy też chcę go zburzyć i zbudować nowy, co zwiększy ogólną ilość ucieleśnionego węgla?”
Hu i Ghorbany byli w stanie zidentyfikować strefy geograficzne o wysokiej emisji i konkretne archetypy w obrębie miasta, dostarczając wykonalne dane interesariuszom rozwoju miejskiego. Odkryli również, że wydłużenie średniej żywotności budynków z obecnych 50 lat do 75 lat i zmniejszenie ich wielkości o zaledwie 20 procent może zmniejszyć ich emisję dwutlenku węgla o dwie trzecie.
Hu podkreśliła, że jej badania nie wykazały żadnego scenariusza, w którym zburzenie istniejącego budynku i wybudowanie nowego – nawet jeśli ten nowy budynek będzie bardziej energooszczędny – miałoby sens z perspektywy środowiskowej.
„Jeśli spojrzymy na cały okres użytkowania budynku, renowacja istniejącego budynku ma znacznie niższe emisje dwutlenku węgla w całym cyklu jego życia, w tym dwutlenku węgla operacyjnego i ucieleśnionego” — powiedział Hu, który jest również członkiem wydziału stowarzyszonego w College of Engineering. „Dzieje się tak, ponieważ „okres zwrotu” budowy nowego budynku wynosi zazwyczaj 20 lat ze względu na wysoki poziom emisji gazów cieplarnianych generowanych przez jego budowę. Tak więc, jeśli możemy wydłużyć cykl życia budynku do 70 lub 80 lat, to ponowne wykorzystanie istniejącego budynku zdecydowanie ma większy sens.
„Zawsze powinniśmy ponownie wykorzystywać istniejące budynki. Prawdziwe pytanie brzmi, w jakim stopniu chcemy je odnawiać i modernizować”.
Hu i Ghorbany wybrali Chicago z wielu powodów, w tym bliskie sąsiedztwo Notre Dame, historię architektoniczną — i ponieważ miasto jest sklasyfikowane jako 8. miasto pod względem emisji gazów cieplarnianych na świecie. W przyszłości planują zwiększyć skalę projektu, aby ocenić ucieleśniony węgiel w miastach w całych Stanach Zjednoczonych
Naukowcy, którzy otrzymali dofinansowanie od National Science Foundation, wykorzystali uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję do stworzenia zintegrowanego zestawu danych do analizy, korzystając z różnych istniejących zbiorów danych, w tym National Structure Inventory i Cook County Open Data for Chicago.
Dopasowali różne typy danych, korzystając z ich geolokalizacji, a następnie zakodowali je i skategoryzowali na podstawie różnych cech, takich jak materiały konstrukcyjne i rodzaj dachu. Następnie pomnożyli emisje bazowe typu mieszkania przez powierzchnię każdego budynku, aby oszacować całkowity ucieleśniony węgiel.
Ghorbany, który jest również stypendystą naukowym w Lucy Family Institute for Data & Society i ma tytuł licencjata z architektury, powiedział, że stworzenie dostępnego, interaktywnego narzędzia mapującego, które pomogłoby w wizualizacji ich odkryć, jest najwyższym priorytetem.
„Naszym celem dla produktu końcowego było stworzenie przyjaznego użytkownikowi sposobu dostępu do tych danych i korzystania z nich” — powiedział. „Stworzyliśmy go, aby można było wypróbować różne scenariusze, wybierając typy archetypów, które chcesz zobaczyć, i filtrując je według roku lub typów emisji. Mam nadzieję, że w przyszłości miasta będą mogły używać tego narzędzia do redukcji emisji dwutlenku węgla, abyśmy mogli pomóc w ograniczeniu zmiany klimatu i jej skutków”.
Hu zgodził się i zauważył, że potencjalne korzyści z tych badań nie ograniczają się tylko do korzyści środowiskowych, ale także kulturowych.
„Po pierwsze, kluczowe jest, abyśmy mieli jasny spis ucieleśnionego węgla w naszym środowisku zabudowanym” – powiedziała. „To coś, czego nigdy wcześniej nie mieliśmy i nadal nie mamy w całym kraju. Gdy już to będziemy mieć, będziemy mogli podejmować świadome decyzje dotyczące tego, jak zmniejszyć nasze emisje dwutlenku węgla, częściowo poprzez wydłużenie okresu eksploatacji tych budynków.
„Oprócz korzyści dla środowiska, istnieje wartość społeczna i kulturowa w zachowaniu tych budynków, które są częścią architektonicznego charakteru miasta”.
