Construction site energy consumption assessment. Earthworks and concrete structures

Currently, the European building sector is responsible for more than 40% of the energy consumed and many studies have demonstrated the relevance of its greenhouse gas emissions. According to several research authors, a limited attention has been directed towards the environmental impact of the construction phase, mainly because of the lack of data or because the analysis is complicated. Other researches reviewed the environmental implications of construction site energy use and electricity generation based on the analysis of energy costs at national level and concluded that the true significance on on-site construction energy consumption was higher than understood. This dissertation contributes to assess in advance the construction site energy consumption of those processes related to earthworks and concrete structure activities. After the literature review, this research investigates the construction site consumption agents and their classification parameters in terms of specific consumption, load factors, engine efficiency and emission factors. A database of the main construction site equipment is worked out to homogenize the technical information related to the machine operation parameters. Then, in order to calculate equipment’s energy consumption, a predictive model is developed, analyzing electric and diesel consumption features. Load factors are further investigated in case of excavators and tower cranes because of their importance in terms of energy consumption. The further step of the methodology consists on the prediction of the construction activities energy consumption, analyzing equipment productivity and developing 12 case studies related to the earthworks and concrete structures activities. For each of the identified activities, energy consumption and related carbon dioxide emission of 1 m3 of element realized or of 1 m3 of excavated soil are calculated. Confirming some previous studies, the analysis underlines that earthworks and diaphragm walls are the construction activities that have the greatest impact in term of gasoline consumption and consequent carbon dioxide emission. This dissertation documents the verification and validation of the developed methodology in two real construction sites of new residential buildings. The on-site energy monitoring through meters allowed the collection of real data used to verify the developed methodology. The validation ensures that theories and assumptions underlying the conceptual methodology are correct and reasonable. The two case studies also illustrate the practical use of the developed methodology. At a design level, this research proposes several indicators that can be used in different typologically comparable projects. Indicators are useful for designers or clients that have to compare different design alternatives of residential construction projects and determine which one is more “sustainable” from the point of view of its on-site energy consumption. Finally, this dissertation concludes by outlining the main contributions of this research. Further possible developments of this research, some of them already started, are commented on and proposed as future work.

Attualmente, in Europa, il settore dell’edilizia è responsabile di oltre il 40% dell'energia consumata e molti studi hanno dimostrato la rilevanza delle sue emissioni di gas ad effetto serra. Secondo diversi indagini, inoltre, scarsa attenzione è stata rivolta all’impatto ambientale arrecato dalla fase di costruzione di un’opera, soprattutto a causa della mancanza di dati o perché l'analisi è complicata. Altre ricerche hanno esaminato le implicazioni ambientali legate al consumo di energia in cantiere e alla produzione di energia elettrica, basandosi sull'analisi dei costi energetici a livello nazionale. Tali studi hanno concluso che l’importanza del consumo di energia in fase di costruzione è superiore rispetto a quanto si creda. Questa tesi contribuisce a valutare in anticipo il consumo di energia del cantiere durante le attività di movimento terra e la realizzazione delle strutture in calcestruzzo armato. Dopo la rassegna riguardante la letteratura esistente, la ricerca indaga gli agenti di consumo di cantiere e i loro parametri di classificazione in termini di consumo specifico, fattori di carico, efficienza del motore e fattori di emissione. Un database delle principali attrezzature di cantiere è elaborato per omogeneizzare le informazioni tecniche relative ai parametri di funzionamento della macchina. Quindi, al fine di calcolare il consumo energetico dell'apparecchiatura, viene sviluppato un modello predittivo, analizzando le caratteristiche dei consumi elettrici e di gasolio. I fattori di carico sono ulteriormente indagati per quanto riguarda gli escavatori e le gru a torre, data l’ importanza in termini di consumo energetico di questa tipologia di attrezzature. L'ulteriore passo della ricerca riguarda la previsione del consumo energetico delle attività di costruzione, analizzando la produttività delle attrezzature e sviluppando dodici casi di studio teorici relativi alle attività di movimento terra e alla realizzazione delle strutture in calcestruzzo armato. Per ciascuna delle attività individuate, sono calcolati il consumo di energia e le emissioni di anidride carbonica per la realizzazione di 1 m3 di elemento tecnico o lo scavo di 1 m3 di terreno. Confermando studi precedenti, l'analisi sottolinea che le attività di movimento terra sono quelle che hanno il maggiore impatto in termini di consumo di gasolio e conseguente emissione di anidride carbonica. Questa tesi verifica e valida la metodologia di ricerca in due cantieri reali di nuova costruzione residenziale. Il monitoraggio energetico svolto in loco attraverso contatori ha consentito la raccolta di dati reali utilizzati per verificare la metodologia sviluppata. La validazione assicura che le teorie e le ipotesi alla base della metodologia siano corrette e ragionevoli. I due casi di studio dimostrano l'uso pratico della metodologia. A livello di progettazione, questa ricerca propone alcuni indicatori di consumo energetico che possono essere utilizzati per l’analisi di diversi progetti tipologicamente comparabili. Gli indicatori sono utili per i progettisti o i committenti che devono confrontare diverse soluzioni progettuali di interventi di nuova costruzione residenziale e determinare quale sia il più “sostenibile” dal punto di vista del consumo energetico di cantiere. Infine, la tesi conclude delineando i principali contributi della ricerca. Ulteriori possibili sviluppi, alcuni dei quali già avviati, vengono commentati e proposti come futuro lavoro.