Integration of building energy simulation and life cycle assessment for minimizing carbon emissions : a case study of Norwegian single-family house

Energy consumption of buildings is one of the major drivers of environmental impacts. Buildings demand a significant amount of energy during their life cycle, generally categorized into operational and embodied energy. According to the latest studies, it has been of great interest in the EU and international community to reduce the embodied energy or to minimize operational energy; however, very few studies have been carried out by considering both aspects together. Under the shade of this interest, this master thesis aims to add a novel contribution by developing a methodology that facilitates the decision-making process for minimizing the overall carbon emissions by integrating Building Energy Simulation (BES) and Life Cycle Assessment (LCA) in early design stages. The methodology was developed and demonstrated with the case study of a residential building located in a Nordic climate, where energy use and life cycle assessment have been set as design objectives. The developed methodology is composed of three main stages: modelling setup, integration of BES and LCA, and finally evaluation and selection. Integration of BES and LCA has been carried out in two stages. First, BES has been carried out by using parametric simulation and exhaustive search method, which generates many different design variants by cross referencing all design variables together. Second, design cases showing minimum but approximately equal energy use values, combined with different construction options, are selected for performing LCA. This allows to identify and assess design cases with the highest embodied energy despite having equal operational energy. Results show that it is possible to minimize carbon emissions by integrating BES and LCA. Applying this methodology allowed for calculation and optimization of operational and embodied impacts for different design and construction options in early design stages. The integration of BES and LCA furthermore enabled a detailed analysis of individual building element’s contribution to the total impact and the identification of design-specific hotspots. Hence, this research delivers critical insights into BES and LCA integration by improving assessment and communications of operational and embodied carbon emissions in early design stages to support intuitive design guidance. The approach presented in this study provides a proof-of-concept for minimizing the overall carbon emissions by integrating BES and LCA.

Il consumo di energia degli edifici è uno dei principali fattori di impatto ambientale. Gli edifici richiedono una quantità significativa di energia durante il loro ciclo di vita, generalmente classificati in energia operativa e incorporata. Secondo gli ultimi studi, è stato di grande interesse per l'UE e la comunità internazionale ridurre l'energia incorporata o minimizzare l'energia operativa; tuttavia, sono stati condotti pochissimi studi considerando entrambi gli aspetti insieme. Alla luce di questo interesse, questa tesi di laurea mira ad aggiungere un nuovo contributo sviluppando una metodologia che faciliti il ​​processo decisionale per ridurre al minimo le emissioni complessive di carbonio integrando Building Energy Simulation (BES) e Life Cycle Assessment (LCA) all'inizio fasi di progettazione. La metodologia è stata sviluppata e dimostrata con il case study di un edificio residenziale situato in un clima nordico, in cui l'uso di energia e la valutazione del ciclo di vita sono stati fissati come obiettivi di progettazione. La metodologia sviluppata è composta da tre fasi principali: impostazione della modellazione, integrazione di BES e LCA e infine valutazione e selezione. L'integrazione di BES e LCA è stata effettuata in due fasi. Innanzitutto, il BES è stato realizzato utilizzando la simulazione parametrica e un metodo di ricerca esaustivo, che genera molte varianti di progetto diverse facendo riferimento a tutte le variabili di progetto insieme. In secondo luogo, i casi di progettazione che mostrano valori di consumo di energia minimi ma approssimativamente uguali, combinati con diverse opzioni di costruzione, sono selezionati per eseguire LCA. Ciò consente di identificare e valutare i casi di progettazione con la massima energia incorporata nonostante la stessa energia operativa. I risultati mostrano che è possibile ridurre al minimo le emissioni di carbonio integrando BES e LCA. L'applicazione di questa metodologia ha consentito il calcolo e l'ottimizzazione degli impatti operativi e incorporati per le diverse opzioni di progettazione e costruzione nelle prime fasi di progettazione. L'integrazione di BES e LCA ha inoltre permesso un'analisi dettagliata del contributo dei singoli elementi dell'edificio all'impatto totale e l'identificazione di hotspot specifici del progetto. Quindi, questa ricerca fornisce approfondimenti critici sull'integrazione di BES e LCA migliorando la valutazione e la comunicazione delle emissioni operative e incorporate di carbonio nelle prime fasi di progettazione per supportare una guida intuitiva alla progettazione. L'approccio presentato in questo studio fornisce una prova di concetto per ridurre al minimo le emissioni complessive di carbonio integrando BES e LCA.